隔離開關觸點靜態(tài)接觸下熱穩(wěn)定性研究

宋桂昭 胡向峰 馬本富 高濤

摘要：現(xiàn)階段，隨著社會的發(fā)展，現(xiàn)代化建設的發(fā)展也有了很大的進步。高壓隔離開關節(jié)能降耗和控制過熱一直以來都是電力系統(tǒng)亟待解決的重要問題之一。實際運行中，隔離開關由于受到惡劣環(huán)境和復雜氣候條件的影響，隨著運行時間的增長，導電回路常會出現(xiàn)過熱現(xiàn)象，尤其以觸指/觸頭接觸處最為嚴重。隔離開關的主要失效形式是由于接觸電阻產生的焦耳熱使得收縮區(qū)溫度升高，致使兩接觸面產生熔焊。目前，由“導電斑點”接觸的微觀特征引發(fā)的收縮電阻以及接觸電阻，一直都是國內外學者關注的熱點，并對電接觸下熱過程數(shù)學模型進行了大量的相關研究。文中以GW4-220kV高壓隔離開關兩種不同截面觸指的接觸系統(tǒng)為研究對象，采用建立數(shù)學模型和AnsysWorkbench有限元分析軟件相結合的方式，對觸點靜態(tài)接觸下接觸系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)熱效應和暫態(tài)熱效應進行理論分析和仿真計算，并通過瞬態(tài)熱—電耦合分析來討論220kV隔離開關在50kA/3s下的熱穩(wěn)定性及其影響因素。

關鍵詞：隔離開關觸點;靜態(tài)接觸;熱穩(wěn)定性研究

引言

在配電系統(tǒng)中，配電裝置承擔著電能的分配、傳輸、保護和控制等重要功能，是一個量大面廣的基礎元件。作為重要元器件之一，隔離開關的可靠性和穩(wěn)定性要求越來越高，其短時耐受電流能力是一項極為重要的性能指標。本文建立隔離開關三維模型，使用Ansys進行仿真分析開關40kA/1s和50kA/0.5s短時耐受電流。先校核動穩(wěn)定性，分析開關動觸頭組件（刀閘）電磁力，后進行熱穩(wěn)定性分析，采用Holm模型的等效接觸電阻，分析開關在不同時間段最高溫度，以此為解決直流隔離開關短耐問題提供仿真設計依據。

1觸指/觸頭接觸電阻數(shù)學模型

高壓隔離開關接觸系統(tǒng)電阻由導體自身電阻和接觸電阻兩部分組成。為了對比研究矩形和W形截面觸指對熱穩(wěn)定性的影響，保持兩種形式的電阻相同。兩種接觸系統(tǒng)的銅觸頭尺寸相同，觸指截面積s=286mm2;觸指長度l=25mm2。由于接觸電阻值的大小與接觸元件的材料、表面粗糙度、接觸形式、接觸力等都有關，而矩形、W型截面存在觸指/觸頭接觸時接觸線長度不相等的情況，無法在同等情況下對這兩種接觸系統(tǒng)熱穩(wěn)定性進行研究。目前還未提出動態(tài)接觸電阻數(shù)學模型和數(shù)學表達式。因此，文中針對觸指、觸頭穩(wěn)定接觸時的接觸電阻，即靜態(tài)接觸電阻。Williamson的實驗表明接觸電阻完全是由電流線收縮造成，表面膜只是通過干擾導電斑點的形成來影響電流收縮。采用Holm單斑點一級收縮模型，該模型將觸點的形狀處理為直徑為D的圓形金屬導電斑點。當電流通過此導電斑點時電流線產生收縮產生收縮電阻，而電流線的變形主要與觸點壓力和觸點形狀有關。文中提出的接觸系統(tǒng)結構滿足Hertz接觸條件，即接觸區(qū)的有效尺寸比起每個部件的尺寸及其表面相對曲率半徑是很小的，利用解析法得到觸點接觸半徑。接觸力會對觸點接觸半徑，進而對收縮電阻產生影響，另外在瞬時過熱條件下如果考慮接觸力，觸點半徑會發(fā)生變化從而影響收縮電阻，對溫升產生影響。為了避免接觸力對熱穩(wěn)定性的影響，在Workbench中進行有限元分析時，耦合節(jié)點位移處施加恒定接觸力，并建立接觸對，從而保證文中只分析觸頭截面形式對隔離開關熱穩(wěn)定性的影響。

2觸指/觸頭接觸系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)熱穩(wěn)定性分析

以GW4-220kV高壓隔離開關為研究對象，該型號隔離開關實際運行中流過的電流很大，額定電流2000A，額定短時耐受電流則高達50kA/3s，因此會產生大量的電阻發(fā)熱，尤其是在觸指/觸頭接觸處發(fā)熱更為明顯。文中忽略流經各個觸指的電流差異，近似認為觸指上的電流分配均相同。

2.1接觸系統(tǒng)內電阻穩(wěn)態(tài)發(fā)熱

為了更準確研究接觸系統(tǒng)的熱穩(wěn)定性，將接觸電阻的影響通過其通電發(fā)熱量來反映。在對模型劃分網格時，運用自由分網的方式。對接觸系統(tǒng)采用較小的網格尺寸，并采用柔性網格，網格劃分比較精細;其余部件網格劃分較粗，從而達到即節(jié)省計算時間又保證計算精度的要求。在穩(wěn)態(tài)溫升仿真中，觸頭側接線端子加載額定電流2000A，同時將觸指側接線端子電壓設置為0V。由于環(huán)境為常溫戶外空間，空氣處于自然對流狀態(tài)。相關資料顯示[6]：在此條件下，空氣的對流散熱系數(shù)為5～10W/（m2·K）。施加的對流散熱系數(shù)為10W/（m2·K），環(huán)境溫度為25℃。雖然A、B兩類觸指散熱面積存在差異，但由觸點穩(wěn)態(tài)熱過程數(shù)學模型可以看出該物理量對觸指穩(wěn)態(tài)熱過程影響微乎其微。先忽略接觸電阻的影響，只由接觸系統(tǒng)導體內電阻生熱導致的溫度場分布云圖。

2.2接觸系統(tǒng)接觸電阻穩(wěn)態(tài)發(fā)熱

文中隔離開關接觸電阻穩(wěn)態(tài)溫升的研究對象為單個的觸指模型，從而達到簡化模型的目的。忽略溫度對電阻率的影響，將隔離開關接觸系統(tǒng)處理成一個并聯(lián)電路，則流經各個觸指的額定電流近似為250A。這種接觸方式的接觸面積較小，傳熱效果不佳，接觸系統(tǒng)的發(fā)熱主要集中在接觸線上。A類觸指最高溫度約為56.4℃，而B類觸指約為51.0℃。接觸系統(tǒng)發(fā)熱的主要熱源為接觸電阻發(fā)熱。仿真計算和理論分析結果一致，說明模型正確。

3觸指/觸頭接觸系統(tǒng)瞬態(tài)熱穩(wěn)定性分析

許多電器都必須經受短路電流的考驗[13]。對于GW4-220kV高壓隔離開關，即短路大電流50kA/3s的作用下，要求觸頭接觸面不會出現(xiàn)過熱現(xiàn)象。

3.1接觸系統(tǒng)瞬態(tài)熱過程數(shù)學模型

在短路電流條件下，由于電流的作用時間較短，觸點溫升計算可以忽略散熱。相關資料表明：對于Cu導體，當A=1cm2、p=1cm2、V=1cm3時，即在短路電流下接觸面上的溫升主要取決于接觸焦耳熱而非導體內熱源。

3.2接觸系統(tǒng)熱—電耦合瞬態(tài)溫升仿真

流經各個觸指的額定短時耐受電流為6250A/3s，接觸電阻產生的熱量為Qc'=I2dRc=6250×6250×0.0875×10-3≈3417.97W。將以上計算得到的接觸電阻瞬態(tài)發(fā)熱量施加到觸指/觸頭接觸線上，得到3s內接觸線上最高溫度變化曲線。A、B兩類觸指瞬態(tài)溫度場分布分別見圖11、12。由于額定短時耐受電流作用時間只有3s，可將其視為絕熱過程，因此熱量主要集中在觸指/觸頭配合接觸線上。A類觸指接觸線上的最高溫度約為883℃，而B類為865℃。接觸處觸指材料為Cu（熔點為1083℃），接觸線處不會發(fā)生粘連。

結語

通過建立GW4-220kV高壓隔離開關接觸系統(tǒng)的穩(wěn)、瞬態(tài)熱過程數(shù)學模型以及三維有限元分析模型，并在其基礎上對接觸線部位進行了熱穩(wěn)定研究，得出以下結論：1）采用兩種不同截面型式觸指作為對比，利用Holm單斑點一級收縮模型計算出的接觸電阻遠遠大于導體內電阻，并通過接觸系統(tǒng)穩(wěn)、瞬態(tài)熱過程數(shù)學模型，從理論上證明了導電回路發(fā)熱主要出現(xiàn)在接觸系統(tǒng)，而接觸處發(fā)熱又主要為接觸電阻發(fā)熱。2）當隔離開關導電回路通以額定電流2000A時，結果顯示最高溫度均出現(xiàn)在接觸線處，分別為56.4℃和51.0℃，在隔離開關允許溫升范圍之內。因此，在通入額定電流2kA時，該型號的隔離開關可以穩(wěn)定、正常工作。3）在導電回路承受短路電流50kA/3s時，A、B兩類接觸線最高溫升為883℃和865℃，雖然低于觸指、觸頭材料熔點，但也說明此時接觸系統(tǒng)已屬于過熱狀態(tài)，熱穩(wěn)定性較差。4）在忽略導體自身電阻對熱穩(wěn)定性影響的前提下，觸指截面型式會對接觸系統(tǒng)最大溫升產生影響，B類接觸系統(tǒng)最大溫升明顯小于A類。

參考文獻

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