基于有限元分析的熔斷器溫度仿真計(jì)算

趙 阿 琴

[華潤新能源(大同)風(fēng)能有限公司, 山西 太原 030000]

0 引 言

熔斷器作為保護(hù)電器的裝置被廣泛應(yīng)用于各變電站中。熔斷器的外殼和滅弧介質(zhì)一般使用陶瓷、石英砂等化學(xué)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的材質(zhì),使用壽命約為30年。熔體選擇銀、銅、錫等材質(zhì),在運(yùn)行過程中受到電流和環(huán)境的影響,不可避免地會(huì)發(fā)生老化,導(dǎo)致熔體瞬間無法正常開斷并有效滅弧,造成熔斷器局部溫度升高,嚴(yán)重時(shí)會(huì)破壞熔體隔離筒絕緣,導(dǎo)致環(huán)網(wǎng)柜燒毀[1]。因此,熔斷器運(yùn)行溫度分布是判斷熔斷器運(yùn)行狀態(tài)的重要參數(shù),對提高其運(yùn)行可靠性具有現(xiàn)實(shí)意義。

本文使用Ansys有限元軟件,首先對SIBA 6/12 kV熔斷器進(jìn)行三維建模,然后仿真計(jì)算熔斷器在不同工況下的溫度場分布,最后找出熔斷器最合適的測溫點(diǎn),以及熔斷器運(yùn)行狀態(tài)的判別依據(jù)。

1 熔斷器工作原理

無論是何種類型的熔斷器,其工作原理都可看作是在電路中設(shè)置一個(gè)熔體,然后設(shè)置一個(gè)最小熔體熔斷電流,當(dāng)電流超過最小值時(shí)熔體發(fā)熱熔斷并產(chǎn)生電弧,熄弧后斷開電路保護(hù)其他電氣設(shè)備。熔體的熔斷過程如圖1所示。由圖1可見,t1是從起始溫度到熔化點(diǎn)之間的時(shí)間;t2是熔化時(shí)間;t3是從完全熔化到汽化點(diǎn)之間的時(shí)間;t4是汽化時(shí)間;t5是燃弧時(shí)間。在低電流倍數(shù)下,由于熔體溫升較慢,與周圍介質(zhì)散熱效果較為明顯,從升溫到熔斷的時(shí)間較長,所以其熔斷時(shí)間可以只考慮t=t1+t2[2-3]。

圖1 熔體的熔斷過程

1.1 熔體發(fā)熱原理

在熔斷器的熔體熔斷過程中,其熱源主要來自于熔體產(chǎn)生的焦耳熱以及向周圍介質(zhì)交換的熱能[3],熔體產(chǎn)生焦耳熱的計(jì)算公式為

dQ1=I2Rdt

(1)

式中: dQ1——熔體通過電流產(chǎn)生的焦耳熱;

I——流過熔體的交流電流有效值;

R——導(dǎo)體單位長度的直流電阻。

1.2 熱傳導(dǎo)原理

由熱力學(xué)原理可知,熔斷器在工作過程中與環(huán)境熱交換主要包括熱傳導(dǎo)、熱對流、熱輻射。由于熱輻射傳熱相較于熱傳導(dǎo)和熱對流傳熱的影響較小,一般忽略不計(jì)[4]。所以熔體產(chǎn)生的焦耳熱主要在熔體與滅弧介質(zhì)、外套管之間進(jìn)行熱傳導(dǎo),而熔斷器外壁與自然空氣之間進(jìn)行熱對流。

1.2.1 熱傳導(dǎo)

熱傳導(dǎo)是由于溫度的不同而發(fā)生的熱量傳遞現(xiàn)象,熱量會(huì)從溫度高的區(qū)域傳遞到溫度低的區(qū)域。單位時(shí)間內(nèi),從物體單位面積流過的熱量,稱為熱流密度q[5]。

(2)

式中:q——熱流密度;

Φ——熱量;

A——單位面積;

λ——材料的導(dǎo)熱系數(shù)或者熱導(dǎo)率;

?t——溫度導(dǎo)數(shù);

?n——單位法向量。

q的大小是材料導(dǎo)熱能力強(qiáng)弱的評判標(biāo)準(zhǔn),不同的材料,具有不同的導(dǎo)熱能力[6]。存在熱源的情況下,熱傳導(dǎo)的微分方程為

(3)

式中:T——熱力學(xué)溫度;

qv——熱源區(qū)域的體積發(fā)熱量。

1.2.2 熱對流

熱對流類似于熱傳導(dǎo),只是傳導(dǎo)的介質(zhì)在流體與固體之間或者不同流體之間,且在熱對流過程中,總是伴隨著熱傳導(dǎo)的存在[7]。對流換熱的公式為

q=h·Δt

(4)

式中: Δt——流體和物體的表面溫度;

h——表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)或者對流換熱系數(shù)。

對流換熱系數(shù)與周圍流體的特性有關(guān)[8],也易受多種因素的影響,如流體的各物理參數(shù)、形態(tài)、流速以及物體的形狀、尺寸等。一般空氣自然對流的換熱系數(shù)h在1～10 W/( m2·K )。

在理想狀態(tài)中(忽略流體的運(yùn)動(dòng)粘度﹑輻射和內(nèi)熱源),假設(shè)處于穩(wěn)態(tài)時(shí),對流換熱的能量微分方程為

(5)

式中:u——流體流速在橫軸的分量;

v——流體流速在縱軸的分量;

2 建模與仿真分析

2.1 物理建模

本文首先對SIBA 6/12 kV熔斷器進(jìn)行三維建模。熔斷器剖面圖、三維建模圖分別如圖2、圖3所示。其主要由陶瓷外殼和中心骨架、石英砂滅弧介質(zhì)、螺旋纏繞在骨架上的熔體以及兩端的觸頭帽構(gòu)成。熔斷器各部分的材料屬性如表1所示[9-10]。

使用Mesh模塊對三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,由于熔斷器各部分形狀、尺寸不同,所以使用多區(qū)域不同網(wǎng)格劃分法,外殼和熔體部分采用六面體網(wǎng)格劃分,觸頭帽和滅弧介質(zhì)采用四面體網(wǎng)格劃分。觸頭帽和外殼、熔體網(wǎng)格劃分分別如圖4、圖5所示。

圖2 熔斷器剖面圖

圖3 熔斷器三維建模圖

表1 熔斷器各部分材料屬性

圖4 觸頭帽和外殼網(wǎng)格劃分

圖5 熔體網(wǎng)格劃分

2.2 設(shè)置邊界條件

本文采用電-熱耦合仿真,熔斷器的熔體通電發(fā)熱,需設(shè)置熔體的通電電流與電壓,由于研究的是熔斷器的溫度分布且熔斷器外壁直接暴露于空氣中,根據(jù)傳熱學(xué)的邊界條件需給定表面對流換熱系數(shù)及環(huán)境溫度。其邊界方程為

(6)

式中:n——流體溫度場的外法線方向;

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h——對流換熱系數(shù);

Tf——周圍環(huán)境空氣溫度。

2.3 仿真分析

設(shè)定空氣對流換熱系數(shù)為10 W/( m2·K),工作電流為45 A(額定電流為50 A),考慮到場站處于華北地區(qū),一年四季環(huán)境溫度變化較大,模擬環(huán)網(wǎng)柜內(nèi)熔斷器在春冬季、秋季、夏季下環(huán)境溫度分別為5 ℃、15 ℃、25 ℃進(jìn)行仿真分析。

熔斷器整體溫度分布、外壁溫度分布分別如圖6、圖7所示。在環(huán)境溫度為15 ℃下,熔斷器的外壁溫度范圍為85.701～94.348 ℃,與實(shí)際測量的熔斷器外壁溫度值相差1.7 ℃,說明仿真模型可靠。從仿真結(jié)果中可知:熔斷器外壁中間溫度最高,觸頭帽溫度最低,沿軸向溫度逐漸降低,且兩側(cè)溫度基本對稱;熔斷器溫度雖然受到環(huán)境溫度的影響,但是其外壁溫差、整體溫差基本不受環(huán)境溫度的影響。

圖6 熔斷器整體溫度分布

圖7 熔斷器外壁溫度分布

考慮到過載情況下,熔斷器的熔斷電流為額定電流的1.5～2.0倍,設(shè)置熔斷器電流為25 A、50 A、75 A、100 A。不同電流下熔斷器溫度分布如圖8所示。由圖8可見,加載電流越大,熔斷器整體溫度越高,且外壁溫差越大;當(dāng)加載電流為75 A和100 A時(shí),熔斷器處于過載熔斷階段,外壁溫差到達(dá)24.02 ℃和42.72 ℃,因此可以選擇外壁溫差24～42 ℃作為判別熔斷器是否更換的依據(jù)。

圖8 不同電流下熔斷器溫度分布

2.4 仿真結(jié)論

(1) 熔斷器外壁中間溫度最高,觸頭帽溫度最低,因此可以將測溫點(diǎn)設(shè)置在熔斷器中間、觸頭帽位置,得到熔斷器外壁溫度差。

(2) 雖然在實(shí)際工作現(xiàn)場中,熔斷器溫度測量會(huì)受到環(huán)境溫度的影響,且熔斷器內(nèi)部的溫度是不能直接測量的,但是根據(jù)仿真結(jié)果可知,其外壁溫差基本不受環(huán)境溫度的影響,且可以直接測量。因此熔斷器外壁溫差可以作為判別熔斷器運(yùn)行狀態(tài)的依據(jù)。熔斷器運(yùn)行狀態(tài)判別如表2所示。

表2 熔斷器運(yùn)行狀態(tài)判別

在實(shí)際應(yīng)用中,考慮到風(fēng)電場的熔斷器數(shù)量較多,分布較廣,采用在線測溫方式投資成本大、傳感器安裝工程量大,且熔斷器老化需要一定的時(shí)間積累,因此選擇離線測溫方式比較穩(wěn)妥。風(fēng)電場可以利用風(fēng)機(jī)巡檢、風(fēng)機(jī)停運(yùn)、集電線路停運(yùn)、小風(fēng)天等,開展風(fēng)機(jī)環(huán)網(wǎng)柜熔斷器專項(xiàng)巡檢,巡檢時(shí)使用紅外測溫儀測量熔斷器中間和兩端處的溫度并計(jì)算其溫差,記錄溫度變化值。然后根據(jù)表2判別熔斷器運(yùn)行狀態(tài),發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)進(jìn)行熔斷器更換,避免電氣設(shè)備損壞。

3 結(jié) 語

環(huán)網(wǎng)柜內(nèi)熔斷器老化或故障會(huì)導(dǎo)致熔筒爆炸燒毀環(huán)網(wǎng)柜,場站應(yīng)定期對環(huán)網(wǎng)柜運(yùn)行溫度以及熔斷器溫度進(jìn)行監(jiān)測記錄。本文通過對6/12 kV熔斷器“電-熱”耦合仿真分析,提出了熔斷器表面溫度差作為判別熔斷器運(yùn)行狀態(tài)的依據(jù),提高了電氣設(shè)備運(yùn)行可靠性。