開(kāi)關(guān)柜溫升試驗(yàn)方法研究

杜爭(zhēng)過(guò) 王尚斌 姜洪龍

摘 要：開(kāi)關(guān)柜是研究測(cè)試電力系統(tǒng)的重要設(shè)備之一，其運(yùn)行時(shí)的溫升現(xiàn)象對(duì)電力系統(tǒng)的運(yùn)行起到?jīng)Q定性作用。當(dāng)開(kāi)關(guān)柜的溫升超標(biāo)后，會(huì)導(dǎo)致絕緣性能?chē)?yán)重下降、接線(xiàn)融焊等現(xiàn)象，對(duì)供電系統(tǒng)和設(shè)備的安全性、穩(wěn)定性造成極大的威脅?；诖?，本文通過(guò)對(duì)溫升試驗(yàn)進(jìn)行分析，結(jié)合熱源產(chǎn)生的機(jī)理對(duì)開(kāi)關(guān)柜進(jìn)行研究，并結(jié)合開(kāi)關(guān)柜溫升試驗(yàn)方法，通過(guò)模擬仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了相應(yīng)闡述。

關(guān)鍵詞：溫升試驗(yàn)；熱源；仿真實(shí)驗(yàn)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.08.165

近年來(lái)，人們開(kāi)始對(duì)開(kāi)關(guān)柜的生產(chǎn)成本進(jìn)行控制，想辦法增加對(duì)其內(nèi)部空間的利用，因此導(dǎo)致開(kāi)關(guān)柜的體積開(kāi)始向小型化發(fā)展。開(kāi)關(guān)柜由于其特殊的功能，其體積很小、結(jié)構(gòu)非常緊湊、封閉式模式以及內(nèi)部間隔防護(hù)等級(jí)較高，使得其散熱成為一個(gè)難點(diǎn)。尤其在電流規(guī)模巨大的中置柜中，溫升現(xiàn)象表現(xiàn)的極其突出。在實(shí)際運(yùn)行中，發(fā)熱問(wèn)題解決的好壞，對(duì)設(shè)備的老化有重要影響，甚至于直接造成設(shè)備損壞和電力系統(tǒng)運(yùn)行故障。作為電力系統(tǒng)中核心部件，該終端執(zhí)行元件的發(fā)熱直接關(guān)系到整個(gè)電力系統(tǒng)的安全好穩(wěn)定。近年來(lái)。開(kāi)關(guān)柜的故障越來(lái)越多是過(guò)熱引起的，相關(guān)學(xué)者們對(duì)其開(kāi)始深入研究。主要針對(duì)溫升試驗(yàn)方法的探究和測(cè)溫裝置研發(fā)改進(jìn)。本文采用Solidworks 軟件對(duì)開(kāi)關(guān)柜進(jìn)行建模，以3D有限元模型為基礎(chǔ)，以Icepak軟件為基礎(chǔ)進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，重點(diǎn)分析了其溫度場(chǎng)和流體場(chǎng)。為驗(yàn)證本文采用的計(jì)算方法，對(duì)10kV開(kāi)關(guān)柜進(jìn)行了仿真計(jì)算。

1 溫升試驗(yàn)的提出

根據(jù)國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，需要對(duì)開(kāi)關(guān)柜進(jìn)行溫升試驗(yàn)，通過(guò)試驗(yàn)開(kāi)關(guān)柜等載流性能分析驗(yàn)證發(fā)熱和散熱兩個(gè)方面的數(shù)據(jù)。具體運(yùn)行過(guò)程中，需要將額定電流持續(xù)輸入導(dǎo)電回路一定時(shí)間，然后對(duì)此時(shí)電路中的溫升進(jìn)行分析，分析結(jié)論并對(duì)開(kāi)關(guān)柜的使用效果進(jìn)行評(píng)測(cè)。本文為更好地探究開(kāi)關(guān)柜的溫度分布情況，確定溫度檢測(cè)器的合理布局，對(duì)其試驗(yàn)方法進(jìn)行了研究。

2 開(kāi)關(guān)柜溫升試驗(yàn)分析

2.1 模型建立

平均溫升簡(jiǎn)易算法、熱爐方法和溫度場(chǎng)數(shù)值模擬算法這三種算法是開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部熱量計(jì)算的主流計(jì)算方法。三種方法有各自的優(yōu)劣性：平均溫升簡(jiǎn)易算法計(jì)算流程簡(jiǎn)單易操作，但是誤差相對(duì)較大；熱爐方法的計(jì)算核心是類(lèi)比法，求解精度有待提高；當(dāng)前的主流計(jì)算方法是溫度場(chǎng)數(shù)值模擬算法，其最大的優(yōu)點(diǎn)是求解精度大大提高。但由于求解器精度有一定的限制，計(jì)算時(shí)對(duì)其模型進(jìn)行了一定的簡(jiǎn)化，忽略了風(fēng)機(jī)以及整機(jī)模型，對(duì)計(jì)算結(jié)果有一定的影響。

本文通過(guò)Solidworks軟件對(duì)開(kāi)關(guān)柜結(jié)構(gòu)進(jìn)行了三維建模，采取ANSYS Icepak軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，重點(diǎn)分析了開(kāi)關(guān)柜的溫度場(chǎng)，最終得到其溫度分布特征。開(kāi)關(guān)柜模型通過(guò)母線(xiàn)室、架空進(jìn)線(xiàn)室、斷路器室和儀表室這四個(gè)相互獨(dú)立的隔離室組成。其中斷路器和電流互感器這兩部分建模時(shí)均進(jìn)行了簡(jiǎn)化。實(shí)際模型建立時(shí)，開(kāi)關(guān)柜的風(fēng)機(jī)共6個(gè)，頂部外殼有5個(gè)，剩余1個(gè)在斷路器底部。風(fēng)機(jī)模塊在Icepak軟件中是獨(dú)立存在的，因此將模型導(dǎo)入后改軟件后必須對(duì)風(fēng)機(jī)模型進(jìn)行設(shè)置。

2.2 理論分析

普遍認(rèn)為在開(kāi)關(guān)柜中，導(dǎo)致其發(fā)熱的主要因素分為兩個(gè)：載流導(dǎo)體和電接觸的焦耳損耗。本文只針對(duì)電接觸部分的發(fā)熱量即通過(guò)載流導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量進(jìn)行單獨(dú)計(jì)算，計(jì)算公式為：

3 仿真試驗(yàn)

該溫升試驗(yàn)的設(shè)置如圖 2 所示。本次模擬實(shí)驗(yàn)選取開(kāi)關(guān)柜的額定電流為1250A。試驗(yàn)過(guò)程中使用T級(jí)熱電偶對(duì)開(kāi)關(guān)柜內(nèi)溫升部件進(jìn)行溫度測(cè)量。試驗(yàn)電流為額定值，時(shí)長(zhǎng)為8h。其中在最后1h需要注意開(kāi)關(guān)柜在對(duì)溫度進(jìn)行增加時(shí)的大小不得超過(guò)1K。 模擬試驗(yàn)在選取測(cè)量點(diǎn)時(shí)應(yīng)當(dāng)注意避免母排溫升造成的影響。因此外部檢測(cè)點(diǎn)應(yīng)位于距離開(kāi)關(guān)柜1 m遠(yuǎn)的母排上，其內(nèi)部溫升測(cè)量點(diǎn)如圖1所示（點(diǎn)1-7）。計(jì)算結(jié)果如表1所示。

4 結(jié)論

分析上表，②組整體低于①組，由此推論，開(kāi)關(guān)柜使用塑料板在不覆蓋聚乙烯泡沫的時(shí)候，通過(guò)數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，此時(shí)開(kāi)關(guān)柜運(yùn)行狀況與實(shí)際情況相比較差別較大，因此不符合實(shí)驗(yàn)要求。③組與①組情況下較接近，且除個(gè)別點(diǎn)普遍偏高于①組。由此試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，在③組情況下，其數(shù)值模擬結(jié)果與開(kāi)關(guān)柜實(shí)際運(yùn)行時(shí)的工況相近，因此這種情況下可以使用等效溫升的試驗(yàn)方法來(lái)進(jìn)行數(shù)值模擬代替實(shí)際實(shí)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]GB3906—2006.3.6-40.5kV交流金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備[S].

[2]周巖.高壓開(kāi)關(guān)柜觸頭溫度場(chǎng)的數(shù)值仿真分析[J].傳感器與微系統(tǒng)，2018，27（12）：102-105.