大容量發(fā)電機(jī)斷路器溫升仿真與試驗(yàn)*

張 鑫，朱 凱，張會杰，程小紅，唐 成

（西安西電開關(guān)電氣有限公司，西安 710077）

0 引言

發(fā)電機(jī)斷路器是安裝在發(fā)電機(jī)和變壓器之間的斷路器，可以高效地開斷發(fā)電機(jī)源和系統(tǒng)源短路故障，保護(hù)發(fā)電機(jī)和變壓器[1]。發(fā)電機(jī)斷路器額定電流較高，通常為6 300～36 000 A，較高的額定電流所產(chǎn)生的導(dǎo)體溫升直接影響了發(fā)電機(jī)斷路器的機(jī)械性能和電氣性能，導(dǎo)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為發(fā)電機(jī)斷路器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本文以ZHN10-24 型發(fā)電機(jī)斷路器為分析對象，該產(chǎn)品為國內(nèi)首臺用于300 MV-400 MVA 發(fā)電機(jī)用保護(hù)斷路器成套裝置，額定電壓24 kV，額定電流15 000 A，額定短路電流100 kA，峰值耐受電流300 kA，斷路器采用六氟化硫作為絕緣介質(zhì)，采用自能雙氣室滅弧室，隔離開關(guān)、接地開關(guān)以空氣作為絕緣介質(zhì)。斷路器、隔離開關(guān)、接地開關(guān)均采用三相聯(lián)動，斷路器配用液壓彈簧操動機(jī)構(gòu)，隔離開關(guān)、接地開關(guān)采用電動機(jī)構(gòu)，產(chǎn)品外形如圖1所示。

圖1 ZHN10-24發(fā)電機(jī)斷路器外形

設(shè)計(jì)時(shí)考慮該斷路器額定電流參數(shù)高，通過設(shè)計(jì)散熱翅片，增加導(dǎo)體與周圍空氣的接觸面積，增強(qiáng)與周圍空氣的熱對流，提高通流能力；對不同導(dǎo)體的連接部位增加接觸面積和增大接觸壓力，有效降低接觸電阻。對導(dǎo)體進(jìn)行了各種優(yōu)化設(shè)計(jì)。

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性和研究大電流通流導(dǎo)體溫升的分布規(guī)律，基于電磁學(xué)和傳熱學(xué)原理，建立了大容量發(fā)電機(jī)斷路器導(dǎo)電回路穩(wěn)態(tài)熱分析模型，計(jì)算出導(dǎo)體和周圍空氣的溫度場分布；隨后對發(fā)電機(jī)斷路器樣機(jī)進(jìn)行了溫升試驗(yàn)，并對仿真結(jié)果和試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，驗(yàn)證了溫升仿真方法的有效性和正確性。

1 仿真計(jì)算

溫升仿真計(jì)算時(shí)，通過建立該產(chǎn)品的有限元分析模型，對連續(xù)通流后的穩(wěn)態(tài)發(fā)熱和散熱過程進(jìn)行分析，使用Ansys Maxwell軟件計(jì)算其電流、磁場和渦流損耗分布情況。然后把Maxwell 磁場計(jì)算的熱損耗按網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)導(dǎo)入Fluent，保持了各部分損耗的不均勻分布特性。使用Fluent軟件對產(chǎn)品進(jìn)行熱流場分析，最終得出產(chǎn)品溫度場和氣流場分布云圖。其仿真流程如圖2所示。

圖2 仿真計(jì)算流程

1.1 溫升仿真分析基本理論

發(fā)電機(jī)斷路器在正常運(yùn)行時(shí)，導(dǎo)體通15 000 A 交流電流，時(shí)變電流產(chǎn)生時(shí)變磁場，時(shí)變磁場產(chǎn)生時(shí)變電場，從而產(chǎn)生渦流[2-3]，麥克斯韋方程組：

式中：H為磁場強(qiáng)度；J為電流面密度；E為電場強(qiáng)度；B為磁通密度。

整個(gè)導(dǎo)體的損耗方程為：

式中：J為電流密度矢量；σ為導(dǎo)電率。

斷路器導(dǎo)體與靜觸頭、動觸頭之間主要傳熱方式為熱傳導(dǎo)，斷路器導(dǎo)體與周圍空氣之間的傳熱方式以熱對流為主[3-6]。

熱傳導(dǎo)遵循傅里葉定律為：

式中：k為導(dǎo)熱系數(shù)。

導(dǎo)體熱量通過空氣流動傳遞到方外殼的過程，可以用牛頓冷卻方程表達(dá)為[4-6]：

式中：h為對流換熱系數(shù)；Tm和Tk為斷路器導(dǎo)體和方外殼溫度。

1.2 仿真建模及求解

為了簡化計(jì)算，只取斷路器部分參與通流的部分為建?；A(chǔ)，同時(shí)考慮到模型的左右對稱性，為減小計(jì)算量，提高仿真效率，取半模型計(jì)算[7-9]。模型簡化中，因額定通流回路和滅弧回路并聯(lián)，且滅弧回路電阻遠(yuǎn)大于額定通流回路，所以去除了滅弧室中的滅弧回路和不參與通流的傳動系統(tǒng)部分，還去掉了導(dǎo)體上的螺紋孔等不必要的幾何細(xì)節(jié)，并對一些其他結(jié)構(gòu)進(jìn)行了合并，以減少網(wǎng)格數(shù)量和計(jì)算時(shí)間。為了保證準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)傳遞，電磁場與流場計(jì)算模型一致。圖3 所示為經(jīng)過處理后的發(fā)電機(jī)斷路器仿真計(jì)算三維模型，保留了內(nèi)部氣流道和散熱結(jié)構(gòu)。有散熱翅片的為發(fā)電機(jī)斷路器導(dǎo)體，為鋁制零件，導(dǎo)體為密封結(jié)構(gòu)，內(nèi)部充有六氟化硫氣體，通流15 000 A。導(dǎo)體外部方外殼為鋁板焊接件，相當(dāng)于通流導(dǎo)體的接地保護(hù)外殼。導(dǎo)體與方外殼之間為干燥空氣。

圖3 仿真計(jì)算模型

為使仿真更加接近實(shí)際工況，對斷路器靜主觸頭與動主觸頭、導(dǎo)體接觸部位增加接觸電阻。結(jié)合實(shí)測值對各接觸電阻賦值。接觸1和接觸2為彈簧滑動接觸，接觸3和接觸4位螺栓固定連接，如圖4 所示各電接觸位置。具體接觸電阻賦值情況如表1所示。

圖4 電接觸位置示意圖

表1 各接觸電阻值

計(jì)算過程如下4 個(gè)步驟：（1）建立有限元模型；（2）劃分網(wǎng)格；（3）加載激勵及邊界條件；（4）求解及后處理。計(jì)算中全面考慮了集膚效應(yīng)、鄰近效應(yīng)和外殼渦流的影響[10]。15 000 A交流損耗計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 交流損耗

通15 000 A 交流電，仿真計(jì)算后，將Maxwell 計(jì)算結(jié)果導(dǎo)入Fluent，模型加周圍環(huán)境空氣，進(jìn)行自然對流散熱仿真。圖5 所示為整個(gè)計(jì)算模型的網(wǎng)格劃分，包括周圍環(huán)境空氣、箱體、斷路器導(dǎo)體、箱體與導(dǎo)體之間的空氣、導(dǎo)體內(nèi)六氟化硫氣體等6 部分的網(wǎng)格。圖6 所示為斷路器導(dǎo)體加六氟化硫網(wǎng)格。

圖5 流體模型的網(wǎng)格

圖6 斷路器網(wǎng)格

斷路器內(nèi)部六氟化硫和外部空氣的溫度和流動情況如下，從圖7可以明顯看出，斷路器內(nèi)部六氟化硫氣體溫升在60 K左右，斷路器方箱體內(nèi)部空氣溫度依次遞減從斷路器表面溫升從60 K 左右到靠近方箱體溫升20 左右。斷路器底部流速基本在0.1 m/s 以下，而上部表面空氣流速均大于0.2 m/s 甚至最靠部位達(dá)到0.4 m/s，流動較快。

圖7 氣體溫度和流速

各部件溫度分布如圖8～10 所示。導(dǎo)體表面溫度分布、內(nèi)部溫度場分布和外殼溫度分布的規(guī)律基本一致。箱體內(nèi)斷路器導(dǎo)體上部空氣流動快溫度低，在斷路器導(dǎo)體A 和導(dǎo)體B 上，也是上部溫度低，下部溫度高。因接觸電阻原因，整個(gè)斷路器固定連接和滑動連接部位溫度較導(dǎo)體其他部位高。

圖8 導(dǎo)體A處溫度分布

圖9 觸指附近溫度分布

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證發(fā)電機(jī)斷路器溫升仿真計(jì)算的正確性和導(dǎo)電回路設(shè)計(jì)的可靠性，設(shè)計(jì)搭建了完善溫升試驗(yàn)樣機(jī)和試驗(yàn)輔助工裝。

2.1 試驗(yàn)回路

通過給該產(chǎn)品通過一定時(shí)間的額定電流，檢測其發(fā)熱狀況，驗(yàn)證其載流能力，將電網(wǎng)的380 V/50 Hz 供電直接進(jìn)行調(diào)壓、升流后實(shí)現(xiàn)，具體實(shí)現(xiàn)原理如圖11所示。

圖10 導(dǎo)體B處溫度分布

圖11 試驗(yàn)回路原理

發(fā)電機(jī)斷路器額定電流較大，一般進(jìn)行單相試驗(yàn)，模擬發(fā)電機(jī)斷路器實(shí)際運(yùn)行工況，兩端加裝離相封閉母線溫升工裝[11-13]，典型溫升試驗(yàn)布置如圖12 所示，箭頭為電流運(yùn)行方向。電流首先從進(jìn)線側(cè)內(nèi)導(dǎo)工裝進(jìn)入，流經(jīng)試品斷路器及其他通流元件，再經(jīng)過回線側(cè)內(nèi)導(dǎo)和回線側(cè)外殼，再經(jīng)過方外殼，從進(jìn)線側(cè)外殼回流。

圖12 典型溫升試驗(yàn)布置

2.2 仿真與試驗(yàn)對比

為了驗(yàn)證產(chǎn)品的性能和仿真計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，在試驗(yàn)室，給發(fā)電機(jī)斷路器通入15 000 A電流進(jìn)行溫升型式試驗(yàn)，如圖13 所示，用熱電偶原理測量斷路器溫升，選取了斷路器導(dǎo)體、觸頭、動觸頭上10 個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的最高點(diǎn)溫升值進(jìn)行對比，仿真計(jì)算值與試驗(yàn)實(shí)測值基本一致，誤差小于4 K，對比結(jié)果如表3所示。

表3 溫升值對比

圖13 試驗(yàn)照片

3 結(jié)束語

本文建立了ZHN10-24 型發(fā)電機(jī)斷路器電磁流體溫度多物理耦合場模型，首次研究了大容量發(fā)電機(jī)斷路器導(dǎo)體溫升的仿真計(jì)算方法，并和試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對比，得出以下結(jié)論。

（1）接觸電阻是引起局部發(fā)熱的主因，可以通過增加電連接接觸面積和增大接觸壓力等方法減小接觸電阻。

（2）溫升仿真計(jì)算值和試驗(yàn)值誤差不大于4 K，證明了計(jì)算方法和仿真模型的有效性，所建立的仿真模型和結(jié)論為以后設(shè)計(jì)提供了可靠的依據(jù)。

（3）本文中溫升仿真和溫升試驗(yàn)方法不僅適用于大容量發(fā)電機(jī)斷路器的溫升研究，同時(shí)也可為大電流高壓電器產(chǎn)品的通流設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。