基于導(dǎo)體溫升原理的隔離開關(guān)發(fā)熱改善方法研究

張 斌,李 健,鞠恒才,畢勝潔,李 峰

(1.天津國能盤山發(fā)電有限責(zé)任公司,天津 301900; 2.山東泰開隔離開關(guān)有限公司,山東 泰安 271000)

在高壓電網(wǎng)中,高壓隔離開關(guān)是使用最廣泛的高壓設(shè)備之一,其運(yùn)行穩(wěn)定性[1]和使用壽命直接影響電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行,然而針對主要依賴動(dòng)、靜觸頭接觸的隔離開關(guān)導(dǎo)電回路過熱問題迄今尚未找到有效的解決方法。徐剛等[2]通過建立理論模型與試驗(yàn)研究相結(jié)合的方法得出高溫環(huán)境對觸頭溫升變化的影響大于低溫環(huán)境;王富勇[3]等對電觸頭內(nèi)外發(fā)熱因素進(jìn)行了分析,總結(jié)出一系列具體的措施;王磊[4]等采用軟件模擬方法得出了影響電觸頭溫度的主要因素;趙慶等[5]通過實(shí)驗(yàn)對觸點(diǎn)發(fā)熱機(jī)制進(jìn)行探究,提出了防止過熱故障的方案。

當(dāng)隔離開關(guān)溫度較高時(shí)易導(dǎo)致隔離開關(guān)工作故障,如果隔離開關(guān)在短時(shí)沖擊電流的情況下不能滿足熱穩(wěn)定性能的要求可能會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的溫升,使觸頭部件熔化,引發(fā)安全事故。本研究分析了穩(wěn)態(tài)熱力系統(tǒng)的構(gòu)成,推導(dǎo)隔離開關(guān)溫升計(jì)算公式,結(jié)合接觸電阻理論提出隔離開關(guān)發(fā)熱改善方法,有效提高了隔離開關(guān)觸頭系統(tǒng)的通流能力。

1 穩(wěn)態(tài)熱力系統(tǒng)

1.1 熱的產(chǎn)生

隔離開關(guān)的發(fā)熱來自于內(nèi)部的能量損耗,包括電阻損耗和鐵磁損耗。當(dāng)電流流經(jīng)隔離開關(guān)導(dǎo)電部分時(shí),由于導(dǎo)體有電阻,發(fā)熱產(chǎn)生電阻損耗。電阻損耗與導(dǎo)體電阻和電流的平方成正比,因此隔離開關(guān)額定電流的提高很困難。電阻損耗功率P可用式(1)表示：

P=I2R[W]

(1)

式中,I表示電流(A);R表示隔離開關(guān)回路電阻(Ω)。

隔離開關(guān)回路電阻R由兩部分組成,即：

R=Rc+KaRb

(2)

式中,Rc為導(dǎo)電回路中不同接觸部分的接觸電阻;交流附加損耗系數(shù)為Ka,其值受到集膚效應(yīng)、導(dǎo)體直徑及材料電阻率等因素的影響;Rb是導(dǎo)體電阻,與導(dǎo)體的長度、截面積及導(dǎo)體材料的電阻率有關(guān)。

導(dǎo)體周圍的鋼鐵元件會(huì)引發(fā)渦流磁滯損耗,又被稱作鐵磁損耗。早期的觸指彈簧發(fā)熱現(xiàn)象即屬鐵磁損耗產(chǎn)生,隨著觸指彈簧采用非磁性的不銹鋼材料,此問題得到改善。因隔離開關(guān)主回路導(dǎo)電桿周圍沒有鋼鐵部件,實(shí)際計(jì)算時(shí)可不考慮鐵磁損耗。

1.2 溫升

隔離開關(guān)在運(yùn)行中產(chǎn)生的能量損耗一般都變成熱能形式,使隔離開關(guān)零部件的溫度升高,即產(chǎn)生溫升。

根據(jù)能量平衡原理可得熱平衡方程式：

Pdt=P1dt+P2dt

(3)

式中,Pdt表示隔離開關(guān)電能損耗變成的熱能;P1dt表示消耗在使導(dǎo)體溫度升高的那一部分熱能;P2dt表示傳到導(dǎo)體以外的另一部分熱能。

當(dāng)P2=0時(shí),所有損耗都用來使導(dǎo)體溫度升高,即對應(yīng)的短時(shí)溫升;當(dāng)P1=0時(shí),導(dǎo)體溫升達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值,即形成了一個(gè)穩(wěn)態(tài)熱力系統(tǒng)。在這種情況下,熱力系統(tǒng)任意節(jié)點(diǎn)的溫度和熱負(fù)荷保持不變,不會(huì)隨時(shí)間而改變。設(shè)備長期穩(wěn)定發(fā)熱,本研究所指的溫升即長時(shí)溫升。

2 導(dǎo)體溫升計(jì)算

在額定通電時(shí)間內(nèi),觸頭系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生一定的發(fā)熱,但觸頭零部件之間的熱傳遞很少,在實(shí)際計(jì)算中通?？梢院雎圆挥?jì)。

導(dǎo)體開始升溫時(shí),它的溫度從初始值逐漸升高,最終達(dá)到穩(wěn)定溫度Ts。導(dǎo)體的升溫過程可用熱量平衡來解釋,其向周圍介質(zhì)散發(fā)的熱量是對流換熱量Qc與輻射換熱量Qr之和,這屬于復(fù)合換熱的情況。在工程分析和計(jì)算中為了方便,通常將輻射換熱量表示為類似于對流換熱的計(jì)算形式。因此引入一個(gè)綜合的換熱系數(shù)α,用于綜合考慮對流換熱和輻射換熱的影響,即

Qc+Qr=α(θw-θ0)F[W/m]

(4)

應(yīng)用牛頓公式,對流換熱量Qc計(jì)算為：

Qc=αcA(tw-t0)[W/m]

(5)

式中：α為導(dǎo)體的總換熱系數(shù),A為導(dǎo)體的散熱面積。

根據(jù)斯特藩-玻爾茲曼定律,輻射換熱量Qr計(jì)算為：

(6)

式中：ε代表輻射率,σb代表斯特藩-玻爾茲曼常數(shù),絕對溫度為T。

在電流通過接觸區(qū)域時(shí),電流線會(huì)呈現(xiàn)聚集現(xiàn)象。根據(jù)接觸區(qū)域的距離可分為收縮區(qū)、過渡區(qū)及導(dǎo)體區(qū)。根據(jù)理論研究,觸頭和觸指接觸區(qū)域內(nèi)的收縮區(qū)表現(xiàn)為拋物線分布的溫升,而過渡區(qū)則呈現(xiàn)指數(shù)分布[6]。

計(jì)算過程中,觸頭/觸指通流發(fā)熱功率為：

(7)

式中,A為導(dǎo)體通流面積,ρ為電阻率,I為導(dǎo)體通流,導(dǎo)體長度為L。

在穩(wěn)定的電流通行情況下,接觸電阻對導(dǎo)體區(qū)的溫升影響可以忽略,因此導(dǎo)體區(qū)的散熱功率主要受空氣的對流換熱影響[7]。散熱功率計(jì)算為：

P2=hLMΔt1

(8)

式中,h為散熱系數(shù),LM為導(dǎo)體的散熱面積,Δt1為導(dǎo)體區(qū)溫升。

穩(wěn)態(tài)時(shí)導(dǎo)體溫度恒定,即P1=P2,可計(jì)算得出導(dǎo)體區(qū)溫升為：

(9)

過渡區(qū)的溫升計(jì)算為：

(10)

式中,Rj為接觸電阻,λ為傳熱系數(shù)。

計(jì)算觸頭/觸指接觸點(diǎn)相對于收縮區(qū)的溫升公式為：

(11)

在穩(wěn)態(tài)條件下,可使用如下公式計(jì)算觸頭/觸指接觸點(diǎn)相對于周圍環(huán)境的總溫升：

(12)

由式(12)可知,當(dāng)過渡區(qū)和收縮區(qū)的接觸電阻數(shù)值發(fā)生變化時(shí),溫升將受其影響,即Δt隨之發(fā)生變化。因此可通過減少接觸電阻的大小對隔離開關(guān)的通流性能起到促進(jìn)作用。

3 接觸電阻計(jì)算分析

隔離開關(guān)是一種裸露在大氣環(huán)境中的電氣設(shè)備,在額定電流下正常運(yùn)行時(shí),導(dǎo)電系統(tǒng)的發(fā)熱主要受導(dǎo)電系統(tǒng)的電阻值控制,導(dǎo)電系統(tǒng)的電阻包括導(dǎo)體電阻和接觸電阻。

隔離開關(guān)的通流水平受載流系統(tǒng)接觸部位溫度大小的影響[8],導(dǎo)體電阻是導(dǎo)電載流體本身固有的電阻。為了降低導(dǎo)體電阻,通常會(huì)考慮增加導(dǎo)體的橫截面積。目前隔離開關(guān)導(dǎo)體一般采用管狀鋁合金導(dǎo)體,考慮到其機(jī)械性能及散熱性能,一般需要增大鋁合金管管徑而不是通過增加壁厚來實(shí)現(xiàn)導(dǎo)體通流面積的增加。接觸電阻主要存在于隔離開關(guān)導(dǎo)電系統(tǒng)不同部件的接觸部位,如軟連接、觸頭等。由于導(dǎo)體本身接觸面積有限且可能存在氧化膜等因素,接觸部分的電阻較高。

根據(jù)實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn),隔離開關(guān)的發(fā)熱主要集中在觸頭、軟連接、端子等接觸部位,因此在導(dǎo)體通流能力足夠的情況下,通過減小接觸電阻可增強(qiáng)隔離開關(guān)的通流能力。

3.1 接觸電阻理論

隔離開關(guān)的接觸電阻分為固定接觸和動(dòng)接觸兩類,軟連接、端子都屬于固定接觸,只有觸頭觸指處為動(dòng)接觸。

軟連接、觸頭、觸指與導(dǎo)體的連接為固定接觸,接觸電阻的大小與接觸面積、接觸壓力、接觸面光潔度等有很大關(guān)系,一般接觸面光潔度取3.2。隔離開關(guān)軟連接一般有2條或以上并聯(lián)通流,因?yàn)椴⒙?lián)通流的分散性,計(jì)算軟連接通流截面積時(shí)可按10%增加裕度。

對于接線端子,按照DL/T5222-2005《導(dǎo)體和電器選擇技術(shù)規(guī)定》[9]的要求,當(dāng)回路工作電流大于2000 A時(shí),應(yīng)避免鋁-鋁接觸面超出0.0936 A/mm2載流密度,再進(jìn)行端子尺寸計(jì)算,目前國網(wǎng)也提出了四統(tǒng)一要求。

觸頭或觸指之間的接觸屬于動(dòng)態(tài)接觸,其總接觸電阻包含兩部分,即接觸面壓縮電阻和接觸面氧化膜電阻。計(jì)算方式如下所示：

(13)

式中,收縮電阻為Rs,膜電阻為Rb,材料的電阻率為ρ,接觸膜的電阻率為σ,n代表導(dǎo)電斑點(diǎn)的個(gè)數(shù),a代表導(dǎo)電斑點(diǎn)的半徑。影響接觸電阻的因素主要包括接觸方式、接觸壓力、溫度、化學(xué)腐蝕、電化學(xué)腐蝕、材料特性及接觸面的光滑程度等。在實(shí)際工程計(jì)算中,由于計(jì)算觸頭或觸指接觸面的導(dǎo)電斑點(diǎn)數(shù)量及導(dǎo)電斑點(diǎn)半徑較為繁瑣,通常采用以下公式來計(jì)算接觸電阻：

(14)

式中,接觸電阻為Rj,接觸壓力為F,m表示與接觸方式有關(guān)的接觸系數(shù)(點(diǎn)接觸時(shí)m=0.5、線接觸時(shí)m=0.7、面接觸時(shí)m=1),kj代表與接觸材料有關(guān)的接觸系數(shù)(一般kj為0.08～0.14)。

3.2 隔離開關(guān)觸頭接觸方式

一般隔離開關(guān)觸頭接觸形式只有線接觸和點(diǎn)接觸兩種。如GW22/23、GW4、GW7皆為線接觸,GW6及環(huán)形觸指插入式結(jié)構(gòu)的ZGW8等為點(diǎn)接觸。圖1為線接觸的觸頭結(jié)構(gòu),圖2為點(diǎn)接觸的觸頭結(jié)構(gòu)。

圖1 線接觸觸頭結(jié)構(gòu)

圖2 點(diǎn)接觸觸頭結(jié)構(gòu)

在較小的接觸壓力情況下,點(diǎn)接觸具有的基本電阻較低,每個(gè)接觸點(diǎn)的電阻約為10 μΩ。隨著接觸壓力的增加,接觸電阻Rj的降低并不明顯。但在高壓條件下,隨著接觸壓力的提高,導(dǎo)致更多的接觸點(diǎn)形成,因此電阻會(huì)顯著下降。在接觸電阻的實(shí)際計(jì)算過程中,所有觸頭接觸形式均可視為點(diǎn)接觸處理。

由式(14)計(jì)算單片觸指的接觸電阻與接觸壓力關(guān)系曲線如圖3?？梢钥闯?對于鉗夾式隔離開關(guān),隨著接觸壓力的增加,接觸電阻下降明顯,這是因?yàn)殂Q夾式隔離開關(guān)觸頭為線接觸,接觸壓力增加,觸頭接觸更緊密,接觸點(diǎn)數(shù)會(huì)增多。

圖3 接觸壓力與接觸電阻的關(guān)系

隨著接觸壓力的增大,接觸電阻呈下降趨勢,但隨著接觸壓力增大,單片觸指壓力超過80 N后,接觸電阻變化趨于平穩(wěn)。接觸壓力過大,對于觸頭材料及結(jié)構(gòu)的要求就越嚴(yán)格,所以觸頭接觸壓力并非越大越好。

以ZGW-816特高壓直流隔離開關(guān)的環(huán)形觸指插入式結(jié)構(gòu)為例,計(jì)算接觸點(diǎn)與接觸壓力的關(guān)系,如圖4所示。

圖4 接觸點(diǎn)個(gè)數(shù)與接觸壓力關(guān)系

可以看出,對于插入式結(jié)構(gòu),接觸點(diǎn)的數(shù)量也是隨著接觸壓力的增大而增加的。

3.3 接觸電阻計(jì)算示例

根據(jù)上述分析,以4000 A鉗夾式隔離開關(guān)為例,觸頭系統(tǒng)剖視圖如圖5所示。A、B、C、D為動(dòng)觸頭中的4個(gè)觸指。

圖5 觸頭截面

每個(gè)觸指與靜觸頭銅管之間有兩條接觸線,共8條接觸線,可將其視為8個(gè)阻值相等的接觸電阻并聯(lián),從而起到減小接觸電阻的作用,如圖6所示。

圖6 觸頭系統(tǒng)等效電路

由式(14)可計(jì)算觸頭系統(tǒng)單個(gè)接觸點(diǎn)的接觸電阻：

其中,4000 A隔離開關(guān)觸頭夾緊力為800 N,單個(gè)接觸點(diǎn)F為100 N。kj、m可在表1中選取,選取kj=0.1,線接觸m=0.7。

表1 影響接觸電阻的系數(shù)kj和m

則整個(gè)觸頭系統(tǒng)的接觸電阻為：

Rj=19.9/8≈2.5[μΩ]

采用接觸電阻等效并聯(lián)方式,將接觸電阻數(shù)值減小,從而提高隔離開關(guān)觸頭系統(tǒng)的通流能力、降低溫升,為隔離開關(guān)的發(fā)熱問題提供了一種有效的解決方法。

4 結(jié)論

導(dǎo)電系統(tǒng)的發(fā)熱在隔離開關(guān)的主要作用下是由電阻決定的,而電阻的大小主要受接觸電阻的影響,尤其是與動(dòng)態(tài)接觸相關(guān)的觸頭系統(tǒng)的接觸電阻。改善觸頭系統(tǒng)接觸電阻的方法可通過增大接觸壓力,即一般單個(gè)接觸點(diǎn)接觸壓力不小于100 N;也可以改善接觸面接觸質(zhì)量,避免線接觸為點(diǎn)接觸。在導(dǎo)體通流能力足夠的情況下,通過減小接觸電阻以增強(qiáng)隔離開關(guān)的通流能力,為實(shí)際工程解決隔離開關(guān)發(fā)熱問題提供一定的參考。