基于6SigmaET中性點接地電阻溫升熱仿真及實驗研究

劉國慶 孫全亮

(1.淮南聯(lián)合大學(xué)，安徽 淮南 232001；2.溧陽眾誠達交通科技有限公司 研發(fā)中心，江蘇 溧陽 213300)

在電力系統(tǒng)中，三相交流電力系統(tǒng)中性點與大地之間的電氣連接方式，稱為電網(wǎng)中性點接地方式。中性點接地電阻主要用于110KV以下電力系統(tǒng)中。中性點接地電阻特別適用于城市配電網(wǎng)、大型工業(yè)園區(qū)、電廠、海上平臺配電系統(tǒng)、大型化工企業(yè)等，其優(yōu)點是發(fā)生接地故障時，接地變壓器流過很強零序電流，繼電保護靈敏度高，能迅速切斷故障線路[1]。中性點運行方式有不接地、經(jīng)消弧線圈接地、直接接地或者經(jīng)電阻接地等多種方式[2]。中性點接地方式涉及電網(wǎng)的安全可靠性、經(jīng)濟性，同時，直接影響系統(tǒng)設(shè)備絕緣水平的選擇、過電壓水平及繼電保護方式、通訊干擾等。為限制因發(fā)生單相故障而產(chǎn)生的內(nèi)部過電壓，越來越多的中性點采用經(jīng)電阻接地方式。中性點接地電阻是多個電阻單元(電阻片)通過串、并聯(lián)連接而成，在故障通流過程中溫度分布的不均勻性將導(dǎo)致不同部位電阻材料的熱性能產(chǎn)生差異，如何有效預(yù)測在接地故障下中性點接地電阻溫度場分布成為中性點接地電阻設(shè)計的關(guān)鍵。掌握中性點接地電阻在故障狀態(tài)下溫升、發(fā)熱、散熱及溫度場分布，對中性點電阻性能優(yōu)化，材料選擇，成本節(jié)約和提高設(shè)計效率等方面具有重要的實際應(yīng)用價值。

1 瞬態(tài)熱分析仿真

1.1 電阻排熱分析仿真模型的建立

由于單一電阻排通流實驗環(huán)境與接中性點地電阻器整體通流環(huán)境一致，建立合適的單一電阻排熱分析仿真模型對整體模型的建立極為關(guān)鍵。電阻排固定的中間螺桿，間隔絕緣瓷件，電阻片包邊組件全部省略。

根據(jù)能量守恒：電阻體吸收的凈能量=流入電阻體能量—電阻體散去熱量

相應(yīng)的數(shù)學(xué)表達式：

式中，Q總熱量是電阻體通電后，電能轉(zhuǎn)化為熱能的總熱量(J)；U是電阻器2端施加的電壓(V)；I是電阻器2端流經(jīng)的電流(A)；t是電阻器施加電壓U的持續(xù)時間(s)。

電阻的散熱主要考慮對流換熱和輻射散熱(前面已經(jīng)做過假設(shè))，其中對流散熱：

是電阻器通過對流散熱散去的熱量(J)；A是電阻器有效的散熱面積(m2)；h是表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)[W(m2*K)]； tw是電阻器溫度(℃)；tf是電阻器周圍流體(空氣溫度)(℃)

輻射散熱采用斯蒂芬—波爾茲曼定律的經(jīng)驗修正公式：

仿真計算按照上述總體公式，進行迭代求解，仿真中性點電阻溫升情況。

1.2 電阻熱分析仿真

選取目前應(yīng)用研發(fā)制造的平板型柵格型電阻片為單元，電阻單元是由電阻片通過串聯(lián)方式組合而成，中性點電阻器通過電阻單元串、并聯(lián)而成。通過solidworks軟件建立電阻排模型，采用6SigmaET對仿真模型的網(wǎng)格劃分。每個電阻排被劃分1 483 650個網(wǎng)格單元。中性接地點電阻模型網(wǎng)格劃分如下頁圖1所示，為仿真準(zhǔn)確性，按電阻片材料屬性，通過6SigmaET軟件設(shè)置材料屬性如下頁表1所示[4]。設(shè)置電阻單元為短路狀態(tài)，其短路故障電流在100—1 000 A，仿真模擬10s溫升情況。

熱仿真結(jié)果如下頁圖2所示，仿真結(jié)果顯示，溫升基本處于電阻片中間部位，最大溫度值為440℃。主要由于電阻單元是通過多個電阻片串聯(lián)而成，中間電阻片散熱能力不及邊緣散熱情況，并且電阻片主要有效材料集中在電阻片中間格柵，電阻中間吸收更多熱量，也導(dǎo)致中間溫度較高。

表1 材料性能參數(shù)Tab.1 The material parameter sheet

圖1 中性接地點電阻單元網(wǎng)格劃分Fig.1 Neutral grounding point resistance unit meshing

圖2 電阻單元溫升仿真結(jié)果Fig.2 Temperature rise simulation of the resistor

圖3 電阻單元最高點溫度Fig.3 Maximum temperature of resistance bank

圖4 電阻單元電流隨時間變化曲線Fig.4 The relation curve of current with times

2 中性接地電阻單元通流實驗

根據(jù)中性點接地電阻器最大通流能力、材料、電氣性能及尺寸規(guī)格，搭建了等比例電阻排通流測試實驗平臺。電阻單元最大通電電流可達1 000 A左右。將電阻單元安裝試驗臺的4個絕緣子上，測試電阻單元在通流10 s的溫升情況，通流過程中保持電壓值不變，使用錄波儀記錄測量電阻器通流電流大小，并用熱成像儀實時記錄通流過程中電阻器溫升變化情況。實驗電阻片的材料為SUS304不銹鋼(0Cr18Ni9)，其材料性能參數(shù)與上頁表1相同。

電阻單元短時通流實驗數(shù)據(jù)及溫升測量結(jié)果如表2所示，從實驗測試數(shù)據(jù)可見，最大溫度值為431.6℃，溫升值為414.5℃。電阻片通流過程中熱成像儀記錄下的電阻單元溫度最高點在中間部位，如上頁圖3所示。電阻單元通流過程中電流大小隨時間的變化曲線如上頁圖4所示。由圖4可以看出，在通流過程中由于溫度急劇升高，電阻明顯增加，電流值不斷減少，這種變化將導(dǎo)致電阻器材料性能參數(shù)發(fā)生相應(yīng)變化。通流實驗研究結(jié)果對中性點接地電阻器材料的篩選提供一定的參考依據(jù)。

表2 電阻單元通流測試數(shù)據(jù)Tab.2 The resistance bank test data

3 小結(jié)

基于6SigmaET軟件建立中性點接地電阻瞬態(tài)熱分析仿真模型，仿真中性點接地電阻溫升情況，并對中性接地點電阻整體進行10s通流試驗，仿真結(jié)果和實驗結(jié)果皆顯示中部溫升最為明顯，最大溫度在中間部位。仿真最大溫度為440℃，實驗測試結(jié)果最大溫度為431.6℃，溫升值為414.5℃，仿真結(jié)果與實驗結(jié)果吻合。仿真和實驗結(jié)果對中性點接地電阻單元設(shè)計及優(yōu)化提供了依據(jù)，對于中性點電阻整體性能優(yōu)化，材料選擇，成本節(jié)約和提高設(shè)計效率等方面具有重要的參考和實際應(yīng)用價值[5]。