基于有限元的隔離開關(guān)觸頭系統(tǒng)電-熱耦合場計算與熱穩(wěn)定性分析

劉雨芳 張 旻

（湖南工貿(mào)技師學(xué)院，湖南 株洲 412000）

在國民經(jīng)濟飛速發(fā)展的當(dāng)今社會，高壓開關(guān)不斷向大容量、大電流升級，因此，對通流能力的高要求使得高壓隔離開關(guān)的熱穩(wěn)定性需要經(jīng)受更嚴格的考驗。然而，以動、靜觸頭接觸系統(tǒng)為首的隔離開關(guān)導(dǎo)電回路過熱問題一直沒得到很好解決。溫度對電氣設(shè)備的安全運行具有重要影響，當(dāng)隔離開關(guān)的溫度較高時，會使材料老化速度加快，減少使用壽命，同時，當(dāng)隔離開關(guān)承受短時沖擊電流情況下，如若熱穩(wěn)定性不達標，則巨大的溫升極易造成部件熔損，釀成安全事故。因此，研究隔離開關(guān)溫升具有重要意義，而動、靜觸頭接觸系統(tǒng)又是隔離開關(guān)溫升最高，發(fā)熱最嚴重的部位，所以對觸頭系統(tǒng)進行熱穩(wěn)定性分析是重中之重。

許多高壓設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)中仍在使用經(jīng)驗法與試驗法，這些方法投入成本高，效率低下，難以滿足激烈的市場競爭與電網(wǎng)高速發(fā)展的需要，而計算機輔助工程（computer aided engineering, CAE）的發(fā)展，為高壓開關(guān)設(shè)計、分析提供了一種新的手段，可以在計算機上仿真模擬工程試驗，使得產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)的難度與成本大幅降低。本文利用 ANSYS MAXWELL、ANSYS Workbench，對隔離開關(guān)鉗夾式觸頭接觸系統(tǒng)進行熱穩(wěn)定性試驗溫升仿真計算，提出了一種綜合熱接觸理論、接觸力學(xué)理論、電-熱耦合分析的高壓電器溫升有限元計算方法。

1 有限元模型建立

隔離開關(guān)鉗夾式觸頭如圖1所示。有限元計算模型包括動觸頭座、動觸指、弧角塊、弧角、靜觸桿。

圖1 GW16型隔離開關(guān)觸頭

在試驗中，電流應(yīng)從靜觸頭流入，從動觸頭座流出，構(gòu)成通路，可以忽略絕緣墊圈、塑料軸套等絕緣零件。本文采用自由方式與掃略方式相結(jié)合的網(wǎng)格劃分方法，既滿足計算精度需要，又符合節(jié)省計算機資源的要求。劃分網(wǎng)格后有限元模型如圖 2所示。

圖2 有限元模型

2 渦流場計算

觸頭發(fā)熱由多種因素造成，首先，導(dǎo)電回路中的電流會在導(dǎo)體自身電阻上產(chǎn)生熱損耗；其次，各零部件接觸面上存在的接觸電阻也會造成大量熱損耗，甚至可能使接觸區(qū)域熔焊，同時，導(dǎo)體通入交變電流產(chǎn)生集膚效應(yīng)，增大電阻，使發(fā)熱加劇。

因此，在進行溫升瞬態(tài)分析前，首先進行渦流場計算。材料參數(shù)見表1。

表1 材料屬性

根據(jù)GB/T 762-2002《標準電流等級》標準，令短時耐受電流為 63kA，工頻 50Hz。計算得到電流密度與歐姆損耗。其中歐姆損耗作為瞬態(tài)溫度計算的載荷。

3 接觸電阻生熱計算

觸頭系統(tǒng)剖面視圖如圖 3所示。A、B、C、D為動觸頭的4對觸指，每對觸指與靜觸桿之間有兩個接觸面，分別為 A1、A2、B1、B2、C1、C2、D1、D2，即共有8對接觸，可將其等效為8個阻值相同接觸電阻并聯(lián)，如圖4所示。

圖3 觸頭截面圖

圖4 觸頭系統(tǒng)等效電路

接觸電阻的計算較為困難，在一般情況下，常采用式（1）經(jīng)驗公式計算接觸電阻[2]。但本公式計算結(jié)果存在一定誤差。因此在工廠中常通過測量電壓降來實測接觸電阻，即

式中，Rj為接觸電阻，單位Ω；F為接觸壓力，單位為N；根據(jù)實驗，壓力不太大時，點接觸時m取值0.5，線接觸時取值為0.7左右，面接觸時m=1；實驗確定，表面未氧化的銅-銅接觸，kj值在 0.08至0.14之間。

觸指夾緊力為360N，則每對接觸壓力F=360/8=45N。靜觸桿與觸指間為線接觸，可令m=0.7，且二者皆為銅材料，因此可取kj=0.1，通過式（1）得到Rj約為 31.9μΩ。

熱通量q為流過單位面積的熱量，是計算溫度場的邊界條件。計算熱通量需先計算每對接觸的接觸面積與接觸電阻產(chǎn)生的熱量。

根據(jù) Hertz彈性接觸理論，圓柱型靜觸桿與觸指平面的接觸面由于夾緊力的作用會發(fā)生彈性形變，接觸面的接觸半寬a可根據(jù)式（2）計算[4]。

式中，a為接觸半寬；r為圓柱半徑，靜觸桿 r=3×10-2m；μ1、μ2分別為圓柱與平面材料的泊松比；E1、E2分別為圓柱與平面材料的彈性模量。材料參數(shù)見表2。

表2 材料參數(shù)

根據(jù)式（2）計算得接觸半寬為

由于接觸面為矩形，長度l=5mm，則一對接觸的接觸面積為

從渦流場計算結(jié)果中提取8個接觸面各自的最大電流密度，同時將其換算為電流之比，計算結(jié)果見表3。

表3 觸指接觸區(qū)內(nèi)電流分配百分比

根據(jù)對稱性原則，取A1、B1、C1、D1電流平均值為 I1，A2、B2、C2、D2的平均值為 I2?？傠娏?63kA，計算得到I1為8615A，I2為7134A。

由焦耳熱定律、熱通量公式：

式中，Q為焦耳熱；I為電流；R為接觸電阻。

式中，q為熱通量；Q為焦耳熱；s為接觸面積。

得到各接觸面熱通量見表4。

表4 熱通量計算結(jié)果

4 結(jié)果分析

加載渦流場分析結(jié)果為激勵，加載熱通量作為邊界條件，將對流換熱系數(shù)設(shè)為7W/m2·K[10]，設(shè)鋼材的發(fā)射率為0.8，鋁合金的發(fā)射率為0.1，銅合金的發(fā)射率為 0.2，令仿真環(huán)境溫度為 29℃，進行瞬態(tài)溫度場計算。

3s時間內(nèi)，觸頭系統(tǒng)最高溫度變化曲線如圖 5所示。第3s時觸頭表面溫度云圖如圖6所示。計算表明，在承受63kA短時耐受電流3s后，觸頭接觸系統(tǒng)最高溫度分布于動觸指與靜觸桿狹小的接觸區(qū)內(nèi)，達到610.45℃，符合實際情況。GB/T 11022-2011規(guī)定熱穩(wěn)定性試驗通過條件為試驗中未造成部件損傷，當(dāng)觸指為裸銅材料時，熔點高達1000℃，大于610.4℃的最高溫，觸點不會發(fā)生粘連、熔焊等損壞，表明該觸頭系統(tǒng)滿足熱穩(wěn)定性要求。

圖5 最高溫度-時間變化曲線

圖6 觸頭接觸部位溫度場分布云圖

高溫將使化學(xué)反應(yīng)加速，金屬氧化加快。據(jù)實驗，若空氣中的銅觸頭達到100℃，1h后，接觸電阻將增大近50倍。因此，需降低隔離開關(guān)的接觸電阻，從而降低溫升，提高性能。

針對觸頭系統(tǒng)氧化造成接觸電阻大幅增加的問題，一方面可以優(yōu)化機械設(shè)計，利用動、靜觸頭間的滑動來清除氧化膜，從電接觸方面來看，可以加大觸頭夾緊力，從而增大接觸面積，實現(xiàn)降低溫升的目的。

通過多次更改模型計算參數(shù)進行仿真計算，得到夾緊力與最高溫度的關(guān)系如圖7所示，接觸長度與最高溫度的關(guān)系如圖8所示。

圖7 夾緊力-最高溫度關(guān)系曲線

圖8 接觸長度-最高溫度關(guān)系曲線

根據(jù)仿真結(jié)果，在一定范圍內(nèi)，增大夾緊力或接觸長度能夠減小溫升，但隨著夾緊力和接觸長度的不斷增大，降低溫升的效果愈發(fā)不明顯。因此，在實際工程中取恰當(dāng)即可。

提高觸頭的抗氧化性與耐腐蝕性，也可以有效減小接觸電阻，因此，實際中通常在觸頭表面鍍Ag、Zn等金屬覆蓋層，在增強抗氧化性的同時，也可增強導(dǎo)電性的導(dǎo)熱性。除此之外，做好隔離開關(guān)維護工作，同樣對提高性能、延長使用壽命具有重要意義。

5 結(jié)論

本文采用間接耦合法，對隔離開關(guān)鉗夾式動、靜觸頭系統(tǒng)進行熱穩(wěn)定性試驗仿真與溫升分析。

1）本文提出一種電-熱耦合場分析方法，流程如圖9所示。

圖9 電-熱耦合場計算流程

2）依據(jù)國標規(guī)定，通入63kA的短時耐受電流，3s后，動觸指與靜觸桿接觸區(qū)內(nèi)的溫度最高，達到610.45℃，該溫度小于材料熔點，不會發(fā)生熔焊等損壞，符合情況。

3）隔離開關(guān)運行時的溫度會加速接觸電阻增加，降低溫升的方法有：增加夾緊力；增加接觸長度；改進機械設(shè)計；給觸頭加鍍覆蓋層；合理、有效維護。