高壓隔離開關溫差發(fā)電特性的仿真與實驗

張鑫， 王藝樺， 鄭王里， 史燕平， 丁雪楠， 應展烽*

(1.南瑞集團有限公司(國網電力科學研究院有限公司)， 南京 211106； 2. 智能電網保護和運行國家重點實驗室， 南京 211106； 3. 南京理工大學能源與動力工程學院， 南京 210094)

高壓隔離開關是電力系統(tǒng)重要開關電器，可用于隔離電網與檢修設備，也可切換無負荷線路和分合小負荷電流。受重復機械操作、環(huán)境條件變化與運行電流過大等因素影響，隔離開關在長期運行過程中可能發(fā)生過熱現象[1]。這不僅會縮短開關使用壽命，還可能導致開關觸頭燒毀，嚴重威脅電網安全性。對高壓隔離開關運行狀態(tài)進行實時感知，可有效降低開關高溫故障發(fā)生的可能性，提升電網運行可靠性與智能化程度。

為避免絕緣故障，高壓電力元件上的傳感器難以通過傳統(tǒng)方式供電，故電源技術成為電力監(jiān)測節(jié)點未來發(fā)展和應用的核心問題。目前，電力傳感器常用供電方式包括電池供電、電流取電和射頻取電等。其中，電池供電具有原理簡單和實施方便等優(yōu)勢，但需定期更換電池[2]，存在維護與維修不便問題。電流取電基于電磁感應原理從電力設備一次回路取出電能，并經功率變換后向傳感器負載供電，具有無需更換，維護方便等特點。但該供電方式嚴重依賴設備運行電流，當電流較小或過大時均無法正常供電，可靠性較低。射頻取電是一種近距離高頻無線供電方式，能夠向傳感器提供穩(wěn)定可靠的電能[3]。但射頻發(fā)送天線會縮短電力元件與周圍環(huán)境之間的安全距離，增大意外放電風險。在此背景下，探索新型供電原理和方法，促進電力傳感器的多源互補協同供電技術發(fā)展，已經成為電力設備狀態(tài)感知領域研究的熱點問題。

溫差發(fā)電是一種通過熱電材料將熱能直接轉換為電能的綠色環(huán)保供電技術，具有無污染、無噪聲、使用壽命長等優(yōu)點[4]。由于成本高和能量轉換效率低等問題，溫差發(fā)電技術早期通常在國防軍事和航空航天等對成本不敏感的領域中使用[5]。但近些年來，隨著新型熱電材料的出現，溫差發(fā)電技術逐漸在交通、制造和醫(yī)療等民用技術領域得到應用。文獻[6]利用溫差發(fā)電模塊回收汽車尾氣中的廢熱，優(yōu)化了車輛熱循環(huán)系統(tǒng)，降低汽車油耗。文獻[7]將溫差發(fā)電裝置安裝在垃圾焚燒爐上，在解決垃圾回收問題的同時，有效利用垃圾焚燒的余熱進行發(fā)電，實現余熱資源的合理利用。文獻[8-9]將溫差發(fā)電技術與運動護腕等裝備結合，設計了可穿戴式小型溫差發(fā)電器，通過收集人體自身運動產生的熱量，為低功耗健康狀態(tài)監(jiān)測儀器提供電能補充。

盡管目前熱電材料的能量轉換效率正在逐步提升，但當應用對象工作溫度較低時，溫差發(fā)電模塊仍然難以支撐大功率負載的持續(xù)電能需求。而現有大多數電力設備狀態(tài)感知節(jié)點基于周期定時或閾值觸發(fā)方式喚醒工作，無需持續(xù)耗能，這為溫差發(fā)電在電力傳感器供電技術中的應用提供了良好基礎。同時，低功耗傳感器技術快速發(fā)展也為溫差發(fā)電的進一步應用提供了良好條件[10-12]。因此，溫差發(fā)電技術有望成為電力傳感器節(jié)點能源補給的新型手段。然而由于發(fā)展時間尚短，溫差發(fā)電應用研究迄今為止仍處于起步階段，尤其在高壓電力設備溫差發(fā)電特性研究方面的報道較少，極大影響了溫差發(fā)電未來在電力設備狀態(tài)感知領域中的應用。

為此，現以GW9型高壓隔離開關和TEG1型溫差發(fā)電模塊為對象，分別開展溫差發(fā)電仿真與實驗研究。在開關加載不同工作電流條件下，得到模塊的冷熱端溫差及開路電壓特性，并探討模塊在不同負載條件下的輸出功率及效率變化規(guī)律，為溫差發(fā)電技術在高壓開關設備狀態(tài)感知節(jié)點能源補給中的應用提供參考。

1 理論基礎

1.1 高壓隔離開關熱分析基礎

高壓隔離開關發(fā)熱的主要原因是工作電流在開關導體電阻上產生了熱損耗。導體電阻主要包括自身交流電阻和不同導體觸面間的接觸電阻[13]。導體熱損耗P的計算式為

P=I2(Rc+Rp)

(1)

式(1)中：I為開關工作電流；Rp為導體交流電阻；Rc為導體接觸電阻。

交流電阻Rp可由式(2)計算，即

Rp=R20[1+α(T-20)]

(2)

式(2)中：R20為20 ℃時的導體電阻；α為導體溫度系數；T為導體的工作溫度。

接觸電阻Rc由收縮電阻Rs和膜電阻Rm構成，即

Rc=Rs+Rm

(3)

為提高熱損耗計算精度，實際工程中還可通過電壓電流矢量法測量得到導體交流電阻和接觸電阻，具體實現原理與步驟可參考文獻[14-15]。

根據傳熱學理論[16]，可得高壓隔離開關熱分析的基本方程為

(4)

式(4)中：Kx、Ky和Kz分別為x、y和z方向的導熱系數；ρ為材料密度；c為材料比熱；v為溫度沿邊界S外法線方向n的方向導數；h為對流散熱系數；T0為環(huán)境溫度；K為熱導率；t為時間。

1.2 溫差發(fā)電理論基礎

溫差發(fā)電基本原理為熱電材料的塞貝克效應，即當兩種導體或半導體的接觸面存在溫差時，由于不同金屬中載流子密度不同，接觸面上的載流子由高濃度向低濃度擴散。當兩接觸導體或半導體間溫差恒定時，兩導體或半導體的另兩個端點之間會形成穩(wěn)定的電壓[17]。因此，由多個PN結串聯形成的溫差發(fā)電模塊開路電壓計算公式為

U=nαAB(Th-Tc)

(5)

式(5)中：n為模塊中PN結對數；αAB為模塊半導體材料的塞貝克系數；Th為模塊熱端溫度；Tc為模塊冷端溫度。

當溫差發(fā)電模塊外接負載構成閉合回路時，其回路電流IL計算公式為

(6)

式(6)中：Rin為溫差發(fā)電模塊內阻；RL為外電路負載阻值。

基于溫差發(fā)電模塊的輸出電流以及外接負載阻值，可由式(7)計算得到溫差發(fā)電模塊的輸出功率，即

(7)

溫差發(fā)電模塊的熱電轉換效率[18]計算公式為

(8)

式(8)中：Qh為溫差發(fā)電模塊熱端吸收熱量；Qc為溫差發(fā)電模塊冷端吸收熱量。

假設溫差發(fā)電模塊中P型半導體和N型半導體結構尺寸相同，冷熱端導熱系數相同，且溫差發(fā)電模塊側面絕熱，則冷熱端吸收熱量[19]計算公式為

(9)

(10)

式中：KPN為P型半導體和N型半導體的總熱導率。

此時，溫差發(fā)電模塊的熱電轉換效率公式可改寫為

(11)

2 仿真模型的建立

2.1 建模對象

以額定電流為200 A的GW9型高壓隔離開關為對象，進行溫差發(fā)電研究。該型隔離開關主要由導電刀片、金屬夾片、接線端子、絕緣子和底座等部件組成，如圖1所示。

圖1 GW9型高壓隔離開關實物圖Fig.1 The physical diagram of GW9 high voltage isolation switch

TEG1型溫差發(fā)電模塊為扁平方塊結構，其外形尺寸與規(guī)格參數如表1所示。

此外，為加大溫差發(fā)電模塊冷熱端溫差，提升模塊發(fā)電能力，對模塊加裝了結構如圖2所示的散熱器。

表1 TEG1型溫差發(fā)電模塊的外形尺寸與規(guī)格參數Table 1 Shape dimension and specification parameters of TEG1 thermoelectric module

圖2 散熱器結構圖Fig.2 Structure diagram of radiator

2.2 物理模型

對隔離開關外形進行合理簡化，保留其導電和散熱的主體結構，可得高壓隔離開關溫差發(fā)電仿真的物理模型，如圖3所示。模型觸頭座上下表面固定有4個靠近接線端子的溫差發(fā)電模塊。接線端子通常是開關的局部發(fā)熱點，有利于提升溫差發(fā)電模塊輸出功率。需要說明的是，該模型未對散熱器進行建模。這是因為散熱器對模塊的冷卻作用可以通過模塊冷端邊界上的熱通量進行表征。

圖3 高壓隔離開關溫差發(fā)電物理模型圖Fig.3 Physical model of high voltage disconnector thermoelectric generation

2.3 網格劃分

利用ANSYS對高壓隔離開關溫差發(fā)電仿真模型進行網格劃分，如圖4所示。網格劃分時，對隔離開關底座、導電刀片、觸頭座等規(guī)則幾何體采用結構化網格，而對不規(guī)則幾何體的絕緣子采用非結構化網格。通過不斷加密網格及對比仿真結果的變化程度，最終確定仿真模型最佳網格數量為4 500 000 個。

圖4 高壓隔離開關溫差發(fā)電網格劃分圖Fig.4 Grid division diagram of high voltage disconnector thermoelectric generation

2.4 激勵與邊界條件

高壓隔離開關的導體交流電阻主要包括導電刀片、金屬夾片，觸頭座和接線端子等部件電阻，同時觸頭座與接線端子之間還存在接觸電阻。由于金屬夾片與導電刀片之間通過壓力彈簧緊固，因此忽略夾片與刀片之間的接觸電阻。利用表2所示各部件阻值，并結合部件結構尺寸及開關工作電流，可對仿真模型施加熱源激勵。

表2 高壓隔離開關各部件電阻值Table 2 Resistance value of high voltage disconnector components

高壓隔離開關各部件表面均設定為自然對流換熱邊界。為反映散熱器對溫差發(fā)電模塊的冷卻作用，將模塊冷端表面設定為熱流密度邊界條件，即

(12)

式(12)中：qc為經由散熱器向外傳熱的溫差發(fā)電模塊冷端熱通量；h為空氣自然對流換熱系數，取值8 W/(m2·K)；As為散熱器的有效散熱面積；Ag為發(fā)電模塊冷端表面積；Ta為環(huán)境溫度。

3 實驗平臺

搭建了如圖5所示高壓隔離開關溫差發(fā)電實驗平臺。平臺中，4個溫差發(fā)電模塊通過導熱膠貼合在高壓隔離開關觸頭座上，其輸出端依次串聯后接

圖5 高壓隔離開關溫差發(fā)電實驗平臺Fig.5 Experimental platform of high-voltage disconnector thermoelectric generation

入一個負載電阻板。負載電阻板的總阻值可通過跳線帽改變，從而改變發(fā)電模塊的負載大小。大電流發(fā)生器可向高壓隔離開關提供不同工作電流激勵，數采電路可實時記錄開關電流、發(fā)電模塊溫度與輸出電壓等實驗數據，并上傳至PC中。

4 結果與分析

首先通過仿真模型分析帶有溫差發(fā)電模塊的高壓隔離開關溫度分布情況。圖6給出了隔離開關在額定電流200 A工作條件下的ANSYS仿真結果?？梢钥闯?，在額定工作電流激勵下，隔離開關各部分導體均產生了熱量，并與絕緣子之間形成明顯溫度分布。由于接線端子尺寸較小，且存在接觸電阻，故成為局部熱點。通過吸收觸頭座和接線端子熱量，溫差發(fā)電模塊熱端溫度可達44 ℃。而在散熱器對流換熱的熱流密度邊界條件作用下，冷端溫度僅為39 ℃。這表明在額定工作狀態(tài)下，高壓隔離開關可令溫差發(fā)電模塊的冷熱端產生5 ℃溫差，從而為模塊電能輸出創(chuàng)造了條件。

圖6 高壓隔離開關溫差發(fā)電模型溫度分布圖Fig.6 Temperature distribution of high voltage disconnector thermoelectric generation model

為了進一步開展分析，對隔離開關加載不同工作電流，并通過仿真和實驗手段，得到溫差發(fā)電模塊冷熱端溫差變化規(guī)律，如圖7所示。圖8給出了仿真與實驗結果的偏差?？梢园l(fā)現，隔離開關工作電流的提升會增大溫差發(fā)電模塊的冷熱端溫差。這是因為隔離開關發(fā)熱量會因工作電流的提升而增加，從而增大溫差發(fā)電模塊的吸熱量與散熱量。仿真與實驗結果最大偏差為8%，在工程允許誤差范圍內。

圖9給出了隔離開關在不同工作電流條件下，溫差發(fā)電模塊開路電壓的仿真與實驗結果。圖10給出了兩者結果之間的偏差。容易發(fā)現，溫差發(fā)電模塊開路電壓隨隔離開關工作電流的提升而增大。這是因為開關工作電流的提升增大了發(fā)電模塊冷熱端溫差，從而提高了溫差發(fā)電半導體材料電動勢，進而增強了模塊發(fā)電性能。仿真結果與實驗結果的最大偏差為8.5%，同樣在工程允許誤差范圍內。

令隔離開關在額定電流條件下工作，通過改變負載電阻板阻值，分析溫差發(fā)電模塊的帶載特性。圖11給出了不同負載阻值下溫差發(fā)電模塊輸出功率的仿真和實驗結果，圖12給出了二者之間的偏差。可以看出，溫差發(fā)電模塊輸出功率隨著負載電阻的增加，呈現出先增大后減小趨勢。當負載電阻為8 Ω左右時，模塊輸出功率達到最大值(大約8 mW)。這表明在實際工程中，應通過電力電子變換裝置和最大功率跟蹤策略，不斷找尋與模塊當前輸出特性相匹配的最佳等效負載，充分提升模塊輸出功率。此外還可發(fā)現，仿真與實驗所得結果最大偏差為7.7%，吻合較好。

圖7 溫差發(fā)電模塊冷熱端溫差變化規(guī)律Fig.7 The variation law of temperature difference cold and hot ends of thermoelectric generation module

圖8 冷熱端溫差仿真與實驗結果的偏差Fig.8 Deviation between simulation and experimental results of temperature difference between hot and cold ends

圖9 溫差發(fā)電模塊開路電壓變化規(guī)律Fig.9 The variation law of open circuit voltage of thermoelectric generation module

圖10 開路電壓仿真與實驗結果的偏差Fig.10 Deviation between simulation and experimental results of open circuit voltage

圖11 溫差發(fā)電模塊輸出功率變化規(guī)律Fig.11 The variation law of output power of thermoelectric module

最后，在隔離開關工作于額定電流條件下，分析不同負載阻值對溫差發(fā)電模塊能量轉換效率的影響。圖13給出了轉換效率的仿真和實驗結果，圖14給出了二者之間的偏差?？梢钥闯?，與模塊輸出功率相似，模塊能量轉換效率亦隨著負載電阻的增加呈現出先增大后減小趨勢。當負載電阻為8 Ω左右時，轉換效率達到最大值(約5.6%)。這同樣表明了對溫差發(fā)電模塊進行最佳負載匹配的必要性。仿真與實驗所得結果最大偏差為8.3%，同樣吻合較好。

圖12 輸出功率仿真與實驗結果的偏差Fig.12 Deviation between simulation and experiment results of output power

圖13 溫差發(fā)電模塊能量轉換效率變化規(guī)律Fig.13 The variation law of energy conversion efficiency of thermoelectric generation module

圖14 能量轉換效率仿真與實驗結果的偏差Fig.14 Deviation between simulation and experimental results of energy conversion efficiency

綜合上述結果表明，高壓隔離開關運行過程會產生熱量，而溫差發(fā)電模塊能將部分熱量轉換為電能輸出。所建仿真模型結果與實驗結果之間誤差滿足工程要求，能夠反映高壓隔離開關的溫差發(fā)電特性。但同時也要發(fā)現，盡管將4個發(fā)電模塊進行了串聯，其總發(fā)電功率仍然僅有數毫瓦量級，這表明目前溫差發(fā)電材料能量轉換效率依然較低。幸運的是，現有大多數電力設備狀態(tài)感知節(jié)點無需持續(xù)工作，因此溫差發(fā)電模塊能夠在節(jié)點休眠時段內提供必要的電能補給。為了充分保障供電的可靠性與持續(xù)性，未來還需通過改進發(fā)電材料性能，增加發(fā)電模塊數量，強化模塊冷端散熱能力，以及采用最大功率點跟蹤控制等手段，進一步提升溫差發(fā)電功率。

5 結論

以GW9型高壓隔離開關和TEG1型溫差發(fā)電模塊為對象，對高壓隔離開關上的溫差發(fā)電特性進行了仿真與實驗，得到如下結論。

(1)溫差發(fā)電模塊能夠吸收高壓隔離開關運行中的部分熱量，并轉換化為電能輸出。

(2)提升隔離開關工作電流，可增大溫差發(fā)電模塊冷熱端溫差和開路電壓，從而增強模塊發(fā)電性能。

(3)隨著溫差發(fā)電模塊負載電阻的增加，模塊輸出功率和效率均呈現出先增大后減小趨勢。為最大程度發(fā)揮模塊發(fā)電性能，應為模塊匹配最佳負載。

(4)所建仿真模型能夠有效反映高壓隔離開關溫差發(fā)電特性，為溫差發(fā)電技術在高壓開關狀態(tài)感知節(jié)點能源補給中的應用提供了參考。

(5)當前高壓隔離開關的溫差發(fā)電仍面臨著能量轉換效率低和輸出功率小的問題，適合為非持續(xù)工作的狀態(tài)感知節(jié)點供電。未來還需進一步優(yōu)化溫差發(fā)電性能，提升節(jié)點供電的可靠性與持續(xù)性。