GIS隔離開關(guān)的溫度場分布特性研究

劉 剛，蘇 戈，史春玲，趙艷濤，劉 分，馬志強

(平高集團(tuán)有限公司，河南 平頂山 467001)

氣體絕緣金屬封閉開關(guān)(gas insulated switchgear，GIS)如今被廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)中。GIS設(shè)備本身體積小、集成度高，三相共箱式GIS的隔離開關(guān)間距更小[1-3]。由于共箱式隔離開關(guān)的散熱空間小，會導(dǎo)致內(nèi)部通流導(dǎo)體局部溫升過高，一方面溫升高的部位機械強度會大大降低，另一方面會加速氧化程度[4-5]。對溫升試驗而言，考核的最苛刻之處是連接動、靜觸頭的接觸部[6-7]。接觸部溫升過高，接觸電阻增加即導(dǎo)電回路電阻值偏大。長時間運行，觸指熔融或者接觸面熔焊引起接觸不良等，造成的后續(xù)事故不堪設(shè)想[8-9]。因此，研究共箱式隔離開關(guān)的溫度場分布，對導(dǎo)體材料的選擇、結(jié)構(gòu)的設(shè)計和裝配都非常重要[10]。

1 數(shù)值計算

1.1 物理模型

考慮到溫升試驗有電流引入和引出的進(jìn)出線端部，且端部溫升值容易有偏差，因此在共箱式隔離開關(guān)的兩端分別追加單獨的氣室(即連接母線)并用盆式絕緣子隔開，溫升解析三維模型如圖1所示。該模型共有7個氣室。導(dǎo)體材料、殼體材料均為鋁合金，盆式絕緣子的材料為環(huán)氧樹脂，殼體內(nèi)為0.45 MPa的SF6氣體。模型簡化時，忽略殼體法蘭連接螺栓對溫升的影響，且認(rèn)為溫度場是穩(wěn)態(tài)的。另外，彈簧觸指接觸的物理模型簡化如圖2所示。

圖1 溫升解析三維模型

圖2 彈簧觸指接觸物理模型

在解析計算前，首先添加材料和接觸面的屬性，如材料的電阻率和導(dǎo)熱系數(shù)、接觸面的電導(dǎo)率和熱傳導(dǎo)系數(shù)，以及每個氣室的散熱面系數(shù)等。其中，常用材料的導(dǎo)熱系數(shù)根據(jù)經(jīng)驗獲得。

1.2 邊界條件

1.2.1材料屬性

隔離開關(guān)及母線都采用圓形導(dǎo)體。當(dāng)圓形導(dǎo)體上有交變電流流過時，會產(chǎn)生同心圓狀磁場。若電流密度一樣，則越靠近導(dǎo)體中心部位磁通越大，因磁通變化，導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生的電壓降也會越往中心越大。然而電壓降必須內(nèi)外一致，所以電流密度也必須越往內(nèi)部越低，由此出現(xiàn)電流集中在導(dǎo)體表面的現(xiàn)象，這就是集膚效應(yīng)[11-12]。因此在解析溫升時，要定義材料的交流電阻率。其中集膚效應(yīng)系數(shù)K和交流電阻率Ra分別為：

K=1+A1[1-t/d-A2(t/d)2]

(1)

A1=7[2.513tf/(D-t)Rdc]2/{315+

3[2.513tf/(D-t)Rdc]2}

(2)

A2=224/{211+[2.513tf/(D-t)Rdc]2}

(3)

Ra=K·Rd

(4)

式中：t為導(dǎo)體壁厚，mm；d為導(dǎo)體內(nèi)徑，mm；D為導(dǎo)體外徑，mm；f為頻率，Hz；Rdc為直流電阻，μΩ；Rd為直流電阻率，μΩ·mm。

由于交流電阻率與導(dǎo)體的形狀有關(guān)，故將隔離開關(guān)(簡稱DS)內(nèi)部導(dǎo)體簡化、劃分為不同規(guī)格的部分。簡化后物理模型如圖3所示。其材料屬性等有關(guān)參數(shù)見表1。

表1 材料屬性有關(guān)參數(shù)

1—盆；2—盆嵌件；3，10 —DS觸指；4— DS導(dǎo)體①；5— DS導(dǎo)體②；6— DS導(dǎo)體③；7— DS導(dǎo)體④； 8— DS導(dǎo)體⑤；9— DS導(dǎo)體⑥；11— DS殼體

1.2.2接觸面屬性

接觸面的電導(dǎo)率和熱傳導(dǎo)系數(shù)與接觸面積和接觸電阻相關(guān)。接觸電阻包含接觸表面的收縮電阻和接觸表面電阻兩個部分。影響接觸電阻的因素有導(dǎo)體的表面狀況、接觸壓力、材料硬度以及電阻率等?？捎孟旅娴慕?jīng)驗公式表示接觸電阻RC：

σ=1/(RC·A)

(5)

RC=KC(Fj/9.8)m

(6)

R0=0.2RC

(7)

λ=1/(R0·A)

(8)

式中：σ為電導(dǎo)率，S/mm2；A為接觸面積，mm2；λ為熱傳導(dǎo)率，W/(m2·℃)；R0為熱阻，μΩ；Fj為接觸壓力，N；m為與接觸形式有關(guān)的系數(shù)，點接觸m為0.5，面接觸m為1.0；KC為與材料、表面狀況有關(guān)的接觸系數(shù)，銅鍍銀 - 鋁鍍銀KC為100，銅鍍銀 -鋁KC為450。

隔離開關(guān)的電導(dǎo)率和熱傳導(dǎo)系數(shù)推導(dǎo)結(jié)果見表2。

表2 接觸面屬性有關(guān)參數(shù)

1.2.3散熱面系數(shù)

氣體中的散熱包含對流和輻射，本文不考慮輻射影響。影響對流的因素主要有氣體成分和壓力、導(dǎo)體形狀、氣體及環(huán)境溫度等。本文解析計算時，導(dǎo)體與SF6氣體之間、SF6氣體與筒體之間以及殼體與空氣之間平均傳導(dǎo)率α分別取20，15，5 W/(m2·℃)。

1.3 解析結(jié)果

根據(jù)以上邊界條件，施加電流、電壓、散熱面系數(shù)、氣體溫升值等。最終溫升計算結(jié)果如圖4所示。

圖4 溫升計算結(jié)果

2 試驗

2.1 搭建試驗平臺

為驗證上述解析結(jié)果，基于物理模型搭建溫升試驗平臺，如圖5所示。溫升測試中使用最廣泛的方法是熱電偶法。熱電偶的工作原理為導(dǎo)體的熱電效應(yīng)，即熱電偶的冷端和熱端處于不同的溫度場時，會產(chǎn)生熱電動勢。試驗時，將熱電偶的熱端固定在被測試品上作為探測端，冷端接入溫升測試儀器作為采樣端。這樣，二者之間會因為溫度差形成電位差，再經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換得到溫升試驗數(shù)據(jù)，具體如圖6所示。

圖5 溫升試驗平臺

圖6 溫升試驗測試原理

隔離開關(guān)設(shè)備的測量點包含導(dǎo)體、殼體、氣室、接觸部、絕緣件、導(dǎo)流排等。不同部位固定熱電偶的方法不同。導(dǎo)體類采用埋點法，即在被測部位鉆一定深度的孔，將熱電偶的一端焊接后放入孔中，再從側(cè)面敲擊使孔變形壓緊熱電偶。固定接觸部的測點是在導(dǎo)體根部埋入熱電偶?？蓜咏佑|部即觸指，采用錫焊法固定熱電偶，焊點不宜過大或過小，不能影響與導(dǎo)體的接觸。絕緣件類和殼體、導(dǎo)流排、氣室內(nèi)的測點采用粘貼固定法。另外，環(huán)境溫度的獲取使用煤油瓶，用3個煤油瓶把試驗樣機包圍起來，測量后取其平均值。

隔離開關(guān)氣室內(nèi)部熱電偶的引出是通過有密封作用的電偶盤形成氣室內(nèi)外測點一一對應(yīng)的結(jié)果。首先抽真空，充入0.45 MPa的SF6氣體，確認(rèn)密封良好后，將氣室外的熱電偶接入溫升測試儀。試驗前回路電阻分別為：A相(邊相)35 μΩ，B相(中相)37 μΩ，C相(邊相)35 μΩ。然后利用大電流發(fā)生器給三相同時導(dǎo)入4 400 A電流。整個溫升試驗數(shù)據(jù)穩(wěn)定大約需要8 h，最后1 h內(nèi)所有測點溫升值在1 K以內(nèi)。試驗結(jié)束后，立刻測量回路電阻，阻值為：A相38 μΩ，B相37 μΩ，C相37 μΩ。說明溫升試驗前后主回路電阻值變化不超過20%，試驗結(jié)果有效。

2.2 試驗結(jié)果分析

溫升試驗的布點圖如圖7所示，試驗測量的溫升數(shù)據(jù)見表3。

表3 共箱式隔離開關(guān)溫升試驗結(jié)果

圖7 共箱隔離開關(guān)溫升布點圖

試驗表明，中相溫升偏高，兩邊相溫升值比較接近。在隔離開關(guān)殼體內(nèi)部靠上區(qū)域的導(dǎo)體可動接觸部中相溫升值最高。這是由于邊相殼體與空氣對流和輻射散熱較中相多一些，而SF6氣室內(nèi)熱量往上流動，可動接觸部作為最薄弱部位，因此此處溫升值最大。

試驗結(jié)果與有限元解析結(jié)果對比，不考慮熱量向上傳導(dǎo)時，二者結(jié)果相近。除了熱量流動方向的影響，有限元解析模型與試驗相比實際上簡化了模型，邊界條件與實際情況也不同，另外試驗過程中，觸指焊點接觸不良等都會干擾實際溫升值。

3 結(jié)束語

本文建立了GIS型隔離開關(guān)的溫升解析模型，賦予交流電阻率等邊界條件，解析得到與試驗結(jié)果接近的溫升值，說明了基于有限元解析的方法的可靠性。通過試驗獲取了隔離開關(guān)的實際溫升值，確定了其內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計，為后續(xù)電流增容奠定了基礎(chǔ)。同時利用有限元進(jìn)行溫升解析獲得了隔離開關(guān)內(nèi)部溫度分布規(guī)律，可為以后其他電壓等級的溫升設(shè)計提供指導(dǎo)。