加熱器參數(shù)對操動機(jī)構(gòu)箱內(nèi)溫濕度影響的數(shù)值研究

牛信強(qiáng) 黃 婷 閆 嬙 席 雷 楊政衡

加熱器參數(shù)對操動機(jī)構(gòu)箱內(nèi)溫濕度影響的數(shù)值研究

牛信強(qiáng)1黃 婷1閆 嬙1席 雷2楊政衡2

（1. 西安西電高壓開關(guān)操動機(jī)構(gòu)有限責(zé)任公司，西安 710077;2. 西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710049）

針對操動機(jī)構(gòu)加熱器參數(shù)設(shè)計(jì)的問題，開展高壓斷路器用彈簧操動機(jī)構(gòu)加熱器的溫濕度數(shù)值仿真研究，分析環(huán)境溫度、功率、尺寸等參數(shù)對機(jī)構(gòu)箱內(nèi)溫度分布的影響規(guī)律。結(jié)果表明：加熱器周圍及正上方的空氣溫度最高、相對濕度最低，隨著空氣的橫向流動，空氣溫度逐漸降低、相對濕度有所升高；環(huán)境溫度和加熱器的功率對操動機(jī)構(gòu)箱體內(nèi)的最低溫度、最大相對濕度及加熱器表面最高溫度的影響非常顯著；加熱器尺寸對操動機(jī)構(gòu)箱體內(nèi)的最低溫度和最大相對濕度的影響很小，但對加熱器表面最高溫度的影響比較顯著。

操動機(jī)構(gòu)；加熱器；溫度；濕度；數(shù)值研究

0 引言

高壓斷路器是電力系統(tǒng)中的重要設(shè)備[1]，操動機(jī)構(gòu)是高壓斷路器的核心元件之一，其可靠性直接關(guān)系到電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。環(huán)境溫度是影響操動機(jī)構(gòu)可靠性的關(guān)鍵因素之一。當(dāng)環(huán)境溫度極低時(shí)，操動機(jī)構(gòu)的輸出特性會發(fā)生較大的變化，進(jìn)而影響高壓斷路器、開關(guān)等的分合閘時(shí)間、速度等。我國地域遼闊，氣候差異巨大，北方嚴(yán)寒地區(qū)冬季環(huán)境溫度可降到-40℃以下，溫度對操動機(jī)構(gòu)的影響更加突出，這對電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行提出了更高的 要求。

目前，國內(nèi)外學(xué)者已就高壓開關(guān)的設(shè)計(jì)問題展開了大量的研究，研究對象主要為高壓斷路器滅弧室、操動機(jī)構(gòu)等；研究主題主要包括電壓特性、開斷特性、開斷電流、建模與仿真、可靠性分析及處理、低溫環(huán)境應(yīng)對措施等[2]。然而，結(jié)合操動機(jī)構(gòu)加熱器參數(shù)設(shè)計(jì)和環(huán)境溫度影響的研究還非常少。具體研究綜述如下。

顧晨等[3]指出高壓開關(guān)柜內(nèi)空氣凝露是變電站開關(guān)柜運(yùn)行中出現(xiàn)閃絡(luò)故障的主要誘因。Willieme J. M.等[4]研究指出斷路器的可靠性主要取決于其操動機(jī)構(gòu)的可靠性，為此他們?yōu)閿嗦菲鬟x擇了合適的冷卻系統(tǒng)和操動機(jī)構(gòu)，并精確地監(jiān)測最高環(huán)境溫度。陳亮等[5]設(shè)計(jì)了典型操動機(jī)構(gòu)的溫度檢測和預(yù)警系統(tǒng)，提高了操動機(jī)構(gòu)運(yùn)行的可靠性。Wang Zhenhao等[6]設(shè)計(jì)了高壓開關(guān)操動機(jī)構(gòu)集成式無線溫度監(jiān)測終端，開發(fā)了傳感器電路、加熱器電流檢測電路，該終端可以實(shí)時(shí)監(jiān)測和控制機(jī)構(gòu)箱體的溫度變化。Liu Wei等[7]綜述了高壓斷路器液壓操動機(jī)構(gòu)的研究進(jìn)展和發(fā)展趨勢，重點(diǎn)介紹了液壓操動機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)，并特別指出需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償，以保證液壓操動機(jī)構(gòu)的安全運(yùn)行。張軍偉等[8]和胡昌倫[9]著重闡述了對在低溫環(huán)境下運(yùn)行的SF6斷路器本體和操動機(jī)構(gòu)采取的常見應(yīng)對措施，以提高SF6斷路器在低溫環(huán)境下的安全運(yùn)行能力。王春生等[10]就GIS隔離開關(guān)用彈簧操動機(jī)構(gòu)的拒動情況進(jìn)行低溫試驗(yàn)研究和分析，找出了相關(guān)原因。洪文福[11]研究環(huán)境溫度對液壓碟簧操動機(jī)構(gòu)的影響，指出可以根據(jù)實(shí)際的環(huán)境溫度需求調(diào)整加熱器來滿足運(yùn)行的條件，但也要考慮其中的風(fēng)險(xiǎn)，即功率大的加熱器，其穩(wěn)定性及可靠性需經(jīng)過驗(yàn)證。劉煜等[12]分析低溫環(huán)境下液壓碟簧操動機(jī)構(gòu)的運(yùn)行應(yīng)對措施，指出需要為液壓碟簧操動機(jī)構(gòu)制定合適的溫度補(bǔ)償方案，才能保證操動機(jī)構(gòu)的安全可靠運(yùn)行。

上述文獻(xiàn)對多種典型操動機(jī)構(gòu)在低溫環(huán)境下的故障問題進(jìn)行了分析，并提出了一些應(yīng)對措施，然而，幾乎還沒有文獻(xiàn)對操動機(jī)構(gòu)加熱系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)開展詳細(xì)研究。鑒于此，本文開展高壓斷路器用彈簧操動機(jī)構(gòu)加熱系統(tǒng)的溫濕度數(shù)值仿真研究。以某型彈簧操動機(jī)構(gòu)為研究對象，采用數(shù)值方法對不同環(huán)境溫度時(shí)操動機(jī)構(gòu)機(jī)箱內(nèi)的溫濕度分布狀況進(jìn)行仿真，分析加熱器環(huán)境溫度、功率、尺寸等參數(shù)對機(jī)箱內(nèi)溫度分布的影響規(guī)律，為操動機(jī)構(gòu)加熱器的設(shè)計(jì)提供計(jì)算依據(jù)。

1 數(shù)值方法

1.1 數(shù)值模型

圖1所示為某型彈簧機(jī)構(gòu)的物理模型，主要包括機(jī)芯、加熱器、箱體等組件，并給出了加熱器的初始位置。箱體的長、寬、高分別為784mm、790mm、1 225mm。加熱器距離箱體右側(cè)外壁的距離為84mm，距離箱體底面的距離為150mm。加熱器的長、寬、高分別為220mm、75mm、55mm。加熱器供電電壓為AC 220V，加熱功率為100W，為鋁合金加熱器。研究的工況參數(shù)為：環(huán)境溫度-40℃～40℃，環(huán)境相對濕度95%，加熱功率10～150W。研究的結(jié)構(gòu)參數(shù)為：加熱器長度84.5～253.5mm，加熱器寬度10～100mm，加熱器高度60～90mm。

圖1 彈簧機(jī)構(gòu)的物理模型

開展內(nèi)部+外部流體域+固體域的流固耦合計(jì)算，計(jì)算模型如圖2所示。在耦合傳熱計(jì)算方法中，將流體域與固體域的交界面設(shè)置為耦合面，該耦合面兩側(cè)具有相同的熱通量和溫度。流體域被假設(shè)為三維、定常、無重力的流動，采用基于有限元的有限差分法來離散控制方程，通過Ansys CFX求解三維可壓縮的雷諾時(shí)均N-S方程，方程中的擴(kuò)散項(xiàng)、源項(xiàng)和對流項(xiàng)均采用高精度的離散格式進(jìn)行離散。

圖2 彈簧機(jī)構(gòu)的流固耦合計(jì)算模型

固體域只求解導(dǎo)熱方程，數(shù)值模擬的整體殘差水平設(shè)置為10-6。

根據(jù)操動機(jī)構(gòu)實(shí)際運(yùn)行工況，設(shè)置如下的邊界條件：固體域外壁面與外部流體內(nèi)壁面設(shè)置為流固耦合交界面；固體域內(nèi)壁面和內(nèi)部流體壁面同樣設(shè)置為流固耦合交界面；固體域給定體熱源，體熱流密度根據(jù)功率計(jì)算；外流場側(cè)面和頂面設(shè)置為開口條件，給定環(huán)境溫度、壓力和濕度。

1.2 參數(shù)定義

本文主要分析操動機(jī)構(gòu)箱體內(nèi)的溫度分布和濕度分布。需要定義的參數(shù)有飽和濕度SH和相對濕度RH。

根據(jù)傳熱學(xué)[13]附錄中濕空氣的參數(shù)表，繪制圖3所示飽和濕度和溫度的關(guān)系，可以看出，濕空氣中飽和濕度隨著溫度的增大而增大，且符合指數(shù)增長規(guī)律。因此，采用最小二乘法將濕空氣的飽和濕度與溫度的關(guān)系擬合為指數(shù)函數(shù)，其擬合結(jié)果為

式（1）的擬合確定系數(shù)R2=0.980 7，說明了該擬合公式的準(zhǔn)確性。

飽和濕度與相對濕度的關(guān)系為

式中，s為濕空氣中水蒸氣的含量（g/m3）。

1.3 網(wǎng)格模型

圖4為某型彈簧操動機(jī)構(gòu)的網(wǎng)格模型。采用Workbench、ICEM等Ansys模塊完成機(jī)構(gòu)加熱系統(tǒng)的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分。根據(jù)箱體內(nèi)各區(qū)域最小結(jié)構(gòu)尺寸的1/5確定最小網(wǎng)格尺寸，最大網(wǎng)格尺寸初步取10mm，網(wǎng)格增長比為1.2，對于內(nèi)部流體網(wǎng)格，還增加了邊界層網(wǎng)格，層數(shù)為15，第一層網(wǎng)格根據(jù)網(wǎng)格高度值確定。通過調(diào)整最大網(wǎng)格尺寸來改變總網(wǎng)格數(shù)，最終通過網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證確定合適的總網(wǎng)格數(shù)。

圖4 彈簧操動機(jī)構(gòu)的網(wǎng)格模型

為保證數(shù)值方法的可靠性和經(jīng)濟(jì)性，進(jìn)行彈簧機(jī)構(gòu)的網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證。共開展6套網(wǎng)格的數(shù)值計(jì)算，總網(wǎng)格數(shù)分別為180萬、260萬、380萬、500萬、660萬和810萬。圖5給出了機(jī)構(gòu)箱體內(nèi)的最低溫度和最大相對濕度隨總網(wǎng)格數(shù)的變化曲線。從圖5可以看出，機(jī)構(gòu)箱體內(nèi)的最低溫度隨著總網(wǎng)格數(shù)的增大而逐漸降低，最大相對濕度隨著總網(wǎng)格數(shù)的增大而逐漸增大，且最低溫度和最大相對濕度在總網(wǎng)格數(shù)為500萬和660萬時(shí)的差值已經(jīng)非常小，差值在3%以內(nèi)，達(dá)到了網(wǎng)格無關(guān)性的要求。因此，機(jī)構(gòu)的網(wǎng)格采用與第4套網(wǎng)格（總網(wǎng)格數(shù)500萬，其中流體域419萬，固體域81萬）相同的網(wǎng)格劃分策略。

圖5 機(jī)構(gòu)的網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

2 數(shù)值方法驗(yàn)證

為驗(yàn)證本文仿真方法的正確性，對Sevilgen G.等[14]的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行仿真計(jì)算，并與其實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比。該實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ烷L、寬、高分別為4m、4m、3m；玻璃窗長、高分別為1.8m、1.3m，厚度為0.005m；雙面板散熱器長、高分別為1.5m、0.6m，厚度為0.1m；入口和出口長、高分別為1m、0.15m。

在CFX設(shè)置中，湍流模型采用RNG模型，組分運(yùn)輸模型中組分選擇水蒸氣和空氣，邊界條件設(shè)置：入口速度為0.15m/s，入口按比濕9.5g/kg設(shè)置組分中水蒸氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.009 5；出口壓力為大氣壓環(huán)境，組分中水蒸氣含量設(shè)置為0；入口和出口湍流度設(shè)置為10%；散熱器表面設(shè)置為固定溫度60℃；人體表面設(shè)置為固定溫度33℃，并且按比濕為10g/kg設(shè)置組分中水蒸氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.01；玻璃外窗口設(shè)置對流邊界條件，與0℃的外界環(huán)境進(jìn)行對流換熱，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為25W/(m2·K)；其他表面設(shè)置為絕熱壁面，未提及水蒸氣含量的表面均按默認(rèn)設(shè)置的0通量設(shè)置。計(jì)算采用壓力耦合方程組的半隱式方法（semi-implicit method for pressure linked equations, SIMPLE），壓力、速度、能量及水蒸氣傳輸方程均采用二階迎風(fēng)格式，對所有方程進(jìn)行迭代計(jì)算收斂至10-5。

本文仿真方法的計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)[14]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對比如圖6所示，可以看出，本文方法計(jì)算的溫度、相對濕度與實(shí)驗(yàn)測得的溫度、相對濕度相近，最大誤差分別為4.4%和8.5%。因此本文的基于CFX的典型操動機(jī)構(gòu)溫濕度場數(shù)值仿真方法具有較高的可靠性和準(zhǔn)確性。

圖6 數(shù)值模擬與文獻(xiàn)[14]實(shí)驗(yàn)的溫度與相對濕度對比

3 結(jié)果分析與討論

3.1 流場和溫濕度場分布特性

圖7為加熱器在原始位置時(shí)機(jī)構(gòu)箱體內(nèi)的流場分布。從圖7可以看出，加熱器周圍的空氣由于受熱膨脹，密度變小，開始垂直向上運(yùn)動，熱空氣到達(dá)箱體頂壁后開始沿箱體寬度方向和長度方向運(yùn)動，并傾斜著流向相鄰的小箱體，最后從通風(fēng)口流到箱體外部。加熱器正上方的空氣流動最快，最大流速可達(dá)0.5m/s，當(dāng)空氣向箱體長度和寬度方向橫向流動時(shí)，空氣流速逐漸減小。

圖7 加熱器在原始位置時(shí)機(jī)構(gòu)箱體內(nèi)的流場分布

圖8為加熱器在設(shè)計(jì)位置時(shí)機(jī)構(gòu)箱體內(nèi)的溫度分布和相對濕度分布。從圖8可以看出，加熱器周圍的空氣受熱后開始向上運(yùn)動，由于加熱器處于大箱體的底部正中心，因此空氣在流動到大箱體頂壁后，向四周分散流動，形成了類似花瓣?duì)畹牧鲌觯髲淖髠?cè)小箱體經(jīng)過并從百葉窗出口流出。加熱器表面的溫度最高、相對濕度最低，導(dǎo)致加熱器周圍及正上方的空氣溫度很高、相對濕度很低。隨后空氣從右側(cè)大箱體頂部開始沿箱體長度和寬度方向流動，并逐漸向下流過小箱體內(nèi)的零部件，這一過程中空氣的溫度逐漸降低，相對濕度逐漸增大，導(dǎo)致箱體內(nèi)其他部件周圍的空氣表現(xiàn)出從上到下溫度逐漸降低、相對濕度逐漸升高的趨勢。

圖8 加熱器在設(shè)計(jì)位置時(shí)機(jī)構(gòu)箱體內(nèi)的溫度分布和相對濕度分布

3.2 工況參數(shù)的影響

圖9給出了環(huán)境溫度對操動機(jī)構(gòu)箱體內(nèi)最低溫度、最大相對濕度及加熱器表面最高溫度的影響規(guī)律，研究工況為環(huán)境相對濕度95%，加熱器功率100W。從圖9可以看出，環(huán)境溫度對操動機(jī)構(gòu)箱體內(nèi)的最低溫度、最大相對濕度及加熱器表面最高溫度的影響都非常顯著。當(dāng)環(huán)境溫度從-40℃到40℃增大時(shí)，箱體內(nèi)最低溫度從-32℃增加到49℃，最大相對濕度則先增大后減小，0℃時(shí)的最大相對濕度值最高（約為69.5%），40℃時(shí)的最大相對濕度值最低（約為32%），而加熱器表面的最高溫度則從31℃增加到125℃，增長了3.03倍。可見不同環(huán)境溫度下應(yīng)當(dāng)采用不同的加熱功率計(jì)。

圖10給出了加熱器的加熱功率對機(jī)構(gòu)箱體內(nèi)最低溫度、最大相對濕度及加熱器表面最高溫度的影響規(guī)律，研究工況為環(huán)境相對濕度95%，環(huán)境溫度25℃。從圖10可以看出，加熱器的加熱功率對操動機(jī)構(gòu)箱體內(nèi)的最低溫度、最大相對濕度及加熱器表面最高溫度的影響也都非常顯著。當(dāng)加熱功率從10W增大到150W，箱體內(nèi)最低溫度從26.3℃增大到 37.2℃，增長了41.44%；最大相對濕度則從88.1%降低到36.5%，下降了58.57%；而加熱器表面的最高溫度則從38.6℃增加到142.3℃，增長了2.68倍。

圖9 環(huán)境溫度的影響

圖10 加熱器功率的影響

3.3 加熱器尺寸的影響

圖11給出了加熱器長度對機(jī)構(gòu)箱體內(nèi)最低溫度、最大相對濕度及加熱器表面最高溫度的影響規(guī)律，研究工況為環(huán)境溫度25℃，環(huán)境相對濕度95%，加熱器功率100W。從圖11可以看出，操動機(jī)構(gòu)箱體內(nèi)的最低溫度隨著加熱器長度的增大而先減小后增大，箱體內(nèi)的最大相對濕度則隨著加熱器長度增大而先增大后減小，但二者受到加熱器長度變化的影響很小。加熱器表面最高溫度則隨著加熱器長度的增大而明顯降低，當(dāng)加熱器長度從84.5mm到253.5mm增大時(shí)，加熱器表面的最高溫度則從 120.4℃降低至78.2℃，降低了35.05%。

圖11 加熱器長度的影響

圖12給出了加熱器寬度對機(jī)構(gòu)箱體內(nèi)最低溫度、最大相對濕度及加熱器表面最高溫度的影響規(guī)律，研究工況為環(huán)境溫度25℃，環(huán)境相對濕度95%，加熱器功率100W。從圖12可以看出，加熱器寬度對操動機(jī)構(gòu)箱體內(nèi)的最低溫度、最大相對濕度及加熱器表面最高溫度的影響規(guī)律與加熱器長度對這些指標(biāo)的影響規(guī)律幾乎相同，且加熱器寬度對箱體內(nèi)的最低溫度和最大相對濕度的影響也很小；加熱器寬度對加熱器表面最高溫度的影響也較為顯著，當(dāng)加熱器寬度從10mm到100mm增大時(shí)，加熱器表面的最高溫度則從123.5℃降低至87.1℃，降低了29.47%。

圖12 加熱器寬度的影響

圖13給出了加熱器高度對操動機(jī)構(gòu)箱體內(nèi)最低溫度、最大相對濕度及加熱器表面最高溫度的影響規(guī)律，研究工況為環(huán)境溫度25℃，環(huán)境相對濕度95%，加熱器功率100W。從圖13可以看出，與加熱器長度和寬度類似，加熱器高度對操動機(jī)構(gòu)箱體內(nèi)的最低溫度和最大相對濕度的影響不顯著，對加熱器表面最高溫度的影響較為顯著。與加熱器長度和寬度的影響不同的是，箱體內(nèi)最低溫度隨著加熱器高度的增大而略微降低，最大相對濕度隨著加熱器寬度的增大而稍有增大。當(dāng)加熱器高度從60mm到90mm增大時(shí)，加熱器表面的最高溫度則從113.8℃下降到95.5℃，降低了16.08%。

圖13 加熱器高度的影響

綜上分析可知，加熱器尺寸對于操動機(jī)構(gòu)箱體內(nèi)的最低溫度和最大相對濕度的影響很小，但對于加熱器表面最高溫度的影響比較顯著，因此需要進(jìn)一步通過改變加熱器尺寸來進(jìn)行加熱器參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

4 結(jié)論

本文以某彈簧操動機(jī)構(gòu)為研究對象，采用數(shù)值方法對不同環(huán)境溫度時(shí)機(jī)構(gòu)機(jī)箱內(nèi)的溫度分布狀況進(jìn)行仿真，得到的主要研究結(jié)果如下：

1）加熱器周圍及正上方的空氣溫度最高、相對濕度最低，隨后隨著空氣橫向的流動，空氣溫度逐漸降低、相對濕度有所升高。

2）環(huán)境溫度和加熱器的加熱功率對操動機(jī)構(gòu)箱體內(nèi)的最低溫度、最大相對濕度及加熱器表面最高溫度的影響非常顯著。當(dāng)環(huán)境溫度從-40℃到40℃增大時(shí)，加熱器表面的最高溫度增長了3.03倍。當(dāng)加熱功率從10W增大到150W，箱體內(nèi)最低溫度增長了41.44%，最大相對濕度下降了58.57%，加熱器表面的最高溫度增長了2.68倍。

3）在研究范圍內(nèi)，加熱器尺寸的變化只對箱體內(nèi)最低溫度和最大相對濕度帶來小于5%的變化；加熱器長度、寬度及高度的增大使加熱器表面的最高溫度分別降低35.05%、29.47%和16.08%。

4）加熱器尺寸對于操動機(jī)構(gòu)箱體內(nèi)的最低溫度和最大相對濕度的影響很小，但對于加熱器表面最高溫度的影響比較顯著，因此需要進(jìn)一步通過改變加熱器尺寸來進(jìn)行加熱器參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

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Numerical research on the effect of heater parameters on the temperature and humidity in the operating mechanism box

NIU Xinqiang1HUANG Ting1YAN Qiang1XI Lei2YANG Zhengheng2

(1. Xi’an XD High Voltage Switchgear Operating Mechanism Co., Ltd, Xi’an 710077;2. State Key Laboratory of Mechanical Manufacturing System Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049)

Aiming at the design of the heater in the operating mechanism box, a numerical simulation study on the temperature and humidity of the heater in the operating mechanism box for high voltage circuit breakers is carried out, and the influence of environmental temperature, power, size and other parameters on the temperature distribution in the mechanism box is analyzed. The results show that the air temperature around and directly above the heater is the highest and the relative humidity is the lowest. As the air flows laterally, the air temperature gradually decreases and the relative humidity increases. The environmental temperature and the heating power of the heater have a significant effect on the minimum temperature, maximum humidity and the surface temperature of the heater in the operating mechanism box. The heater size has little effect on the minimum temperature and maximum humidity in the operating mechanism box, but it has a significant effect on the maximum temperature of the heater’s surface.

operating mechanism; heater; temperature; humidity; numerical research

2022-01-11

2022-02-26

牛信強(qiáng)（1988—），男，陜西省西安市人，碩士，工程師，主要從事高壓開關(guān)操動機(jī)構(gòu)研發(fā)設(shè)計(jì)工作。