一種新型快速隔離開關(guān)的觸頭系統(tǒng)熱計算

呂敬高

一種新型快速隔離開關(guān)的觸頭系統(tǒng)熱計算

呂敬高

(海裝駐武漢地區(qū)軍事代表局駐湘潭地區(qū)軍事代表室，湖南省湘潭市 411100)

作為高壓直流輸配電系統(tǒng)中的重要保護設(shè)備，混合式高壓直流斷路器的開斷時間主要由其快速機械開關(guān)決定。本文針對一種可用于混合式高壓直流斷路器的新型快速隔離開關(guān)的觸頭系統(tǒng)進行了熱計算。熱計算過程中使用可調(diào)電阻區(qū)域?qū)印㈧o觸頭之間的接觸電阻進行了等效處理，從而計算得到在不同觸頭壓力條件下，整個觸頭區(qū)域的溫度分布。通過對實物模型進行溫升試驗，得到了該觸頭結(jié)構(gòu)下的實際溫升數(shù)據(jù)，并驗證了熱計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

快速隔離開關(guān) 熱計算 溫升 接觸電阻

0 引言

直流輸配電系統(tǒng)具有電能損耗小、易于調(diào)控、能量密度高的優(yōu)點，是未來電網(wǎng)的發(fā)展方向，在軌道交通、船用電力系統(tǒng)、分布式發(fā)電等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[1]。直流開關(guān)設(shè)備作為直流系統(tǒng)保護中的關(guān)鍵設(shè)備，其性能直接影響到整個直流系統(tǒng)的供電可靠性。

混合式中高壓開關(guān)設(shè)備綜合了固態(tài)開關(guān)和機械開關(guān)的優(yōu)勢，具有通態(tài)損耗低，開斷速度快的特點[2,3]。當(dāng)短路故障發(fā)生時，半導(dǎo)體器件換流回路率先動作，主回路電流迅速降低并轉(zhuǎn)移至換流支路。由于電流幅值大幅降低，對主回路機械開關(guān)的開斷能力要求大幅降低，可以使用高壓直流快速隔離開關(guān)。

研制的160 kV/2.5 kA高速隔離開關(guān)采用了一種特殊的觸頭系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以滿足超快速分合閘的要求。為了確定觸頭壓力等其他參數(shù)，本文對高速隔離開關(guān)觸頭系統(tǒng)在額定工作狀態(tài)下的溫升進行了計算，并通過溫升試驗對計算結(jié)果進行了檢驗。

1 新型觸頭系統(tǒng)模型

新型隔離開關(guān)的觸頭系統(tǒng)采用多斷口串聯(lián)設(shè)計，以降低運動部分質(zhì)量，提高隔離分閘速度，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)包含并列排列的5個靜觸頭單元與上下均為2×4對稱排列的16個動觸頭單元。多斷口結(jié)構(gòu)會導(dǎo)致整個觸頭系統(tǒng)的接觸電阻大幅提高，進而使觸頭通流時的溫升提高。為了確定該觸頭系統(tǒng)實際工作時的溫度分布，本文對其開展了一系列熱計算與溫升試驗，目的主要是：(1)確定觸頭系統(tǒng)在最嚴(yán)酷與最大允許溫升條件下的接觸電阻值；(2)根據(jù)實際環(huán)境參數(shù)及接觸電阻等條件確定最大溫升數(shù)值及位置。

圖1 一種新型的隔離開關(guān)觸頭系統(tǒng)

考慮到觸頭結(jié)構(gòu)的高度對稱性，使用觸頭系統(tǒng)的1/4模型進行熱計算，計算模型如圖2所示，電流幅值根據(jù)模型比例設(shè)置為625 A。接觸電阻常用一定厚度的導(dǎo)體圓柱進行等效，但考慮觸頭間接觸區(qū)域?qū)嶋H形狀，模型中使用6 mm×1 mm×1 mm的導(dǎo)體方塊來等效動、靜觸頭之間的接觸電阻con，其阻值可通過改變導(dǎo)體方塊的電阻率來實現(xiàn)[4,5]。動、靜觸頭和母排的電阻率根據(jù)實際材料設(shè)置為1.72?10-8Ω?m (20°C)，且計算過程中考慮溫度系數(shù)。

圖2 (a)觸頭系統(tǒng)1/4模型 (b)動、靜觸頭接觸電阻等效模型

熱計算時假設(shè)隔離開關(guān)工作在最嚴(yán)酷的條件下，包括：

1) 初始環(huán)境溫度較高，為40°C；

2) 觸頭表面對流散熱散熱條件較差，對流散熱系數(shù)α=8~10 W/(m2·K)；

3) 假設(shè)觸頭系統(tǒng)熱量無法通過母排熱傳導(dǎo)到觸頭系統(tǒng)外部。

2 最大接觸電阻計算

根據(jù)前述計算模型，通過改變接觸區(qū)域方塊的電阻率，計算得到模型在不同的接觸電阻con下的穩(wěn)態(tài)溫度分布，特定位置的溫度與接觸電阻之間的關(guān)系如圖3。當(dāng)con阻值較低時，母排區(qū)域的溫度會高于動、靜觸頭的溫度。隨著接觸電阻的增加，母排和動、靜觸頭的溫度均不斷上升，其中動、靜觸頭的溫度上升率十分接近，且要高于母排區(qū)域。

圖3 不同大小的接觸電阻時觸頭系統(tǒng)溫度分布

圖4為計算模型分別在con=0 μΩ以及con=30 μΩ時的溫度分布。當(dāng)con=0 μΩ時，母排與觸頭單元相比，電流密度大而對流散熱面積較小，最高溫度max=62°С，如圖4(a)所示。當(dāng)con=30 μΩ時，觸頭區(qū)域的熱功率密度由于接觸電阻增大而大幅增加，當(dāng)其溫度持續(xù)上升直至對流換熱功率與觸頭區(qū)域熱功率相等，此時max=100°С，位于動、靜觸頭間的接觸電阻位置，如圖4(b)所示。

圖4 不同大小的接觸電阻時觸頭系統(tǒng)溫度分布

根據(jù)相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計需求，鍍銀銅觸頭允許的最大溫升不應(yīng)超過60°С?？紤]設(shè)計裕量后的觸頭系統(tǒng)的最大溫升應(yīng)控制在50°С以內(nèi)，此時根據(jù)圖3曲線可得接觸電阻的最大阻值應(yīng)低于22.5 μΩ。

3 觸頭樣機熱計算

為了驗證觸頭實際溫升，需要搭建觸頭系統(tǒng)樣機。樣機基本結(jié)構(gòu)如圖4所示，主要由動觸頭、靜觸頭、調(diào)節(jié)觸頭壓力的彈簧機構(gòu)以及固定用的絕緣支架組成。觸頭樣機包含一個完整的觸頭單元，通過對其進行溫升試驗并分析其試驗數(shù)據(jù)有利于分析和計算整個觸頭系統(tǒng)在額定狀態(tài)下的溫度分布。

圖5 溫升試驗樣機結(jié)構(gòu)圖 1-母排，2-靜觸頭，3-動觸頭，4-動觸頭壓力彈簧，5-調(diào)節(jié)螺母

在溫升試驗前，對該實驗樣機進行了熱計算。計算中僅保留了動、靜觸頭和與其相連的金屬結(jié)構(gòu)，而忽略了距離較遠或熱導(dǎo)率較低的非金屬部分，模型如圖5所示，電阻率和熱導(dǎo)率等參數(shù)按照實際樣機的材料設(shè)置。在動、靜觸頭接觸處以及靜觸頭與母排連接處設(shè)置與圖2模型相同的可調(diào)電阻方塊。圖6為所建模型示意圖，圖7中字母標(biāo)示位置為熱計算過程中的參數(shù)測量點，黑色方塊為樣機中難以計算的接觸電阻或焊接電阻，建模中使用一定體積的導(dǎo)體方塊來進行等效，方塊的阻值通過改變該區(qū)域的電阻率來實現(xiàn)。

為確定這些導(dǎo)體方塊的電阻率參數(shù)，采用伏安法對實際樣機中圖7所示的特定位置之間的電阻進行測量，不同觸頭壓力下的測量結(jié)果如表1所示。由觸頭系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和和圖7示意圖有BC=coppe+2con/4,其中copper為B與C之間除去接觸電阻后的銅電阻，其數(shù)值不隨接觸壓力大小改變而改變。通過將模型中con阻值調(diào)至0，計算到得到copper的理論值為3.1 μΩ，進而可以得到不同的觸頭壓力下的實際接觸電阻con。考慮到系統(tǒng)對短時耐受等其他方面的要求，觸頭壓力不應(yīng)低于250 N，此時觸頭間的接觸電阻con=12.2 μΩ，觸頭系統(tǒng)樣機具有最大溫升。

圖6 溫升試驗樣機仿真模型

圖7 可調(diào)區(qū)域與測量點示意圖

同樣通過調(diào)整靜觸頭與母排之間的可調(diào)電阻阻值，使AD的計算值與實際測量值相等，得到母排與靜觸頭之間的焊接電阻AB與CD約為5.73 μΩ。

表1 不同觸頭壓力下的測量電阻

圖8 觸頭壓力為250 N時的溫升分布

根據(jù)表1中觸頭壓力為250 N狀態(tài)下的相關(guān)計算結(jié)果，對樣機在環(huán)境溫度20°С，電流1250 A，導(dǎo)體表面對流散熱系數(shù)為α=8.8 W/(m2·K)條件下的溫度場進行了仿真計算，結(jié)果如圖8所示(對模型中的母排進行了適當(dāng)延長以補償實際樣機與外部電路連接部分對散熱的影響)。

仿真結(jié)果顯示觸頭上的最大溫升為23.7°С，出現(xiàn)于觸頭接觸電阻位置，是整個系統(tǒng)中溫升最高的位置，表明較高的接觸電阻會帶來較大發(fā)熱功率，導(dǎo)致該處溫度明顯上升。母排上的最大溫升為20°С，出現(xiàn)在母排與靜觸頭連接處，且隨著與觸頭最大溫升位置的距離增加而降低。

4 樣機溫升試驗

為了驗證前節(jié)熱計算結(jié)果的準(zhǔn)確性，按仿真模型搭建了如圖9所示1:1的觸頭系統(tǒng)樣機。樣機中的導(dǎo)電材料為鍍銀黃銅。其中靜觸頭直接固定在樣機的絕緣支架上，一端與母排焊牢。動觸頭則是通過彈簧和螺桿固定在絕緣支架上，且可通過調(diào)節(jié)螺母改變彈簧壓力，進而改變接觸電阻值。

圖9 觸頭系統(tǒng)樣機

試驗在開放環(huán)境下進行，環(huán)境溫度為20°С，試驗電流1260 A，彈簧壓力設(shè)置為250 N。實驗前對樣機的電阻進行了測量，得到電阻BC=9.2 μΩ，AD=20.8 μΩ。溫升試驗的最后60 min內(nèi)的所有測量點的溫度變化均不高于0.5°С，可認(rèn)為此時樣機溫度已經(jīng)穩(wěn)定，整個過程中的通電時間為90 min。試驗結(jié)束后的電阻以及熱電偶所測量得的各點溫度如表2所示。

表2 觸頭壓力為250 N時的溫升分布

試驗后觸頭區(qū)域最大溫升為24.5°С，為整個區(qū)域最高，母排處最大溫升為20°С，兩處實際溫度與仿真計算的差值分別為0.8°С與0°С，驗證了仿真計算結(jié)果的有效性。

5 結(jié)論

本文針對某新型結(jié)構(gòu)的160 kV高壓直流快速隔離開關(guān)的觸頭系統(tǒng)進行了熱計算，得到了其在額定工況下的溫升分布，并通過溫升試驗進行了驗證，得出了以下結(jié)論：

1）在最嚴(yán)酷的環(huán)境下(即不考慮觸頭系統(tǒng)對母排的熱傳導(dǎo)，觸頭對流散熱系數(shù)為最低)，要求觸頭系統(tǒng)不高于最大允許溫升且留有一定裕度時，動、靜觸頭之間的接觸電阻阻值應(yīng)低于22.5 μΩ，這為接觸壓力的選取提供了依據(jù)。

2）通過建立單個觸頭結(jié)構(gòu)的模型，并根據(jù)部分實際參數(shù)對其進行溫度場仿真，得到了觸頭壓力為250 N(即con=12.2 μΩ)情況下觸頭與母排的最大溫升分別為23.7°С與24°С。

3）根據(jù)2)中的仿真模型搭建了溫升試驗樣機，并進行了溫升試驗。試驗后觸頭與母排的實際溫升為24.5°С和20°С，與仿真結(jié)果高度一致，驗證了計算方法和結(jié)果的有效性。

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Analysis of the Effect of Electric Field Distribution on Arc Restrike of Air DC-circuit Breaker

Lyu Jinggao

（Xiangtan Representatives Office, Naval Wuhan Representatives Bureau, Xiangtan 411101, Hunan, China）

TM564.1

A

1003-4862（2019）12-006-04

2019-09-17

呂敬高（1973-），男，高級工程師。研究方向：電氣自動化工程。E-mail: xpxfmm@163.com