王蓉雪，高振國

（沈陽工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110136）

高壓隔離開關(guān)電磁場與溫度場仿真分析

王蓉雪，高振國

（沈陽工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110136）

利用ANSYS軟件對GW5型高壓隔離開關(guān)進(jìn)行模擬仿真分析，針對高壓隔離開關(guān)電磁場、溫度場的特性進(jìn)行研究，仿真分析結(jié)果對當(dāng)前高壓隔離開關(guān)的制造工藝、選材質(zhì)量及結(jié)構(gòu)設(shè)計具有一定參考。

高壓隔離開關(guān)；電磁場；溫度場

目前，對大型電力設(shè)備如變壓器、斷路器、避雷器等的研究較為普遍，但對高壓隔離開關(guān)的研究相對較少，而高壓隔離開關(guān)是變電站中大量使用的高壓開關(guān)設(shè)備，其有效運(yùn)行關(guān)系到整個電能變換環(huán)節(jié)的可靠性。高壓隔離開關(guān)常見問題有：導(dǎo)電回路過熱、隔離開關(guān)分合閘故障、絕緣子斷裂故障等。其中導(dǎo)電回路過熱是隔離開關(guān)長期以來未能徹底解決的難題，一般高壓隔離開關(guān)工作電流在70%工作電流以上時，將出現(xiàn)發(fā)熱問題。數(shù)據(jù)顯示，2010—2014年，河南省南部電網(wǎng)110 kV及以上隔離開關(guān)因觸頭過熱導(dǎo)致危急、嚴(yán)重缺陷196起，占隔離開關(guān)危急、嚴(yán)重缺陷73%。

1 高壓隔離開關(guān)概述

1.1 高壓隔離開關(guān)的組成

隔離開關(guān)是電氣系統(tǒng)重要的設(shè)備，主要功能是將高壓配電裝置中需要停電的部分與帶電部分進(jìn)行有效隔離，確保檢修人員的安全，常與斷路器配套使用［1］。高壓隔離開關(guān)通常可按支柱絕緣子的數(shù)量、導(dǎo)電活動臂的開啟方式劃分［2］。隔離開關(guān)的品種較多，但都是由開斷元件、支撐絕緣件、傳動元件、基座及操動機(jī)構(gòu)5個部分組成，其主要零部件及功能如表1所示。

表1 隔離開關(guān)主要零部件及功能

1.2 高壓隔離開關(guān)導(dǎo)電回路過熱

造成高壓隔離開關(guān)缺陷或故障的原因既有制造工藝、選材質(zhì)量的問題，也有維護(hù)不當(dāng)?shù)榷喾N因素，其中導(dǎo)電回路過熱是高壓隔離開關(guān)尤為突出的難題，嚴(yán)重影響設(shè)備的安全運(yùn)行。高壓隔離開關(guān)導(dǎo)電回路過熱的原因是：工作電流的逐步增大導(dǎo)致高壓隔離開關(guān)觸頭溫升超過允許值，同時長期承受壓力的靜觸指壓彈簧發(fā)生形變、積熱，造成燒損，如此惡性循環(huán)最終導(dǎo)致導(dǎo)電回路過熱［3］。

2 電磁場仿真分析

2.1 模型預(yù)處理

在對隔離開關(guān)運(yùn)行情況的調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，其結(jié)構(gòu)造成比較大的影響，并且不同的觸頭材料其銹蝕和老化問題也比較突出。本研究將以隔離開關(guān)的觸頭為主要分析對象，對其材料及結(jié)構(gòu)進(jìn)行性能方面影響的仿真分析，然后進(jìn)行優(yōu)化，圖1為隔離開關(guān)觸頭部分模型。

圖1 隔離開關(guān)觸頭部分模型

在電磁場分析環(huán)境下進(jìn)行靜磁場、靜電場及傳導(dǎo)電流場的仿真，在靜磁場與靜電場分析中，有2個重要區(qū)域：一是場域，指的是待分析對象所處的物理空間環(huán)境，一般是周圍的空氣域；二是激勵源區(qū)域，在磁場中則指實(shí)導(dǎo)體和絞線圈，由待分析對象具體用途確定。隔離開關(guān)的觸頭部分便是實(shí)導(dǎo)體，因此，在導(dǎo)入分析前，需要對模型進(jìn)行預(yù)處理，在DM中添加空氣域，如圖2所示。

圖2 空氣域模型

由于該隔離開關(guān)的觸頭部分外殼并不是封閉的，因此，在外部添加了殼體，該殼體主要是作為一個封閉的隔斷，由此建立空氣域。通過殼體隔斷后的空氣域有2個，1個是殼體外部的透明區(qū)域，1個是殼體和觸頭之間的空氣部分，如圖3所示。

圖3 模型外部建立的空氣域

建立空氣域后，在結(jié)構(gòu)樹形窗中將增加1個殼體和2個空氣域，此時必須選中所有bodies合成1個Part，以保證所有實(shí)體在1個Part內(nèi)仿真分析時能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。

2.2 設(shè)置邊界條件

在ANSYS分析中，對分析對象施加載荷和約束即為設(shè)置邊界條件，設(shè)置邊界條件的作用是各數(shù)據(jù)量能夠通過節(jié)點(diǎn)和單元在幾何實(shí)體上進(jìn)行傳遞［4］。除了為實(shí)體所屬材料設(shè)置邊界條件外，不同分析類型下所需要的邊界條件亦不同。

靜磁場分析中，首先要確定平行磁力線的方向，根據(jù)右手螺旋定則可選擇空氣域的外表面設(shè)置為該方向。接著要確定激勵源類型，有實(shí)導(dǎo)體和絞線圈2種，本文分析的隔離開關(guān)觸頭屬于實(shí)導(dǎo)體類型。設(shè)定環(huán)境溫度為29.059℃，將電壓與電流分別設(shè)置在觸指與觸頭導(dǎo)電桿的兩端，由此確定所施加的電壓等級為110 kV、電流為630 A。

2.3 求解及后處理

在靜磁場分析中，設(shè)置GW5型隔離開關(guān)的觸頭材料為熱鍍鋅。由于GW5型高壓隔離開關(guān)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使觸指表面場強(qiáng)和電位分布不均勻，觸頭連接處場強(qiáng)很高，過高的場強(qiáng)不僅產(chǎn)生電暈，影響隔離開關(guān)周圍電磁環(huán)境，而且還有較嚴(yán)重的電蝕作用，致使隔離開關(guān)加劇老化［5］。因此，對場強(qiáng)較高的觸頭指壓部分進(jìn)行電場和磁場仿真分析，觸指磁場強(qiáng)度分布如圖4所示，觸指部分空氣域中的電場分布如圖5所示。

圖4 觸指磁場強(qiáng)度分布

圖5 觸指部分空氣域中的電場分布

通過仿真，主要分析了高壓隔離開關(guān)場強(qiáng)較大的觸指部位的磁場強(qiáng)度。GW5型隔離開關(guān)磁場分布不均勻，觸指邊緣表面磁場強(qiáng)度最大，最大磁場強(qiáng)度為0.021 T，觸指中心部位磁場強(qiáng)度最小，小于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的變電站磁場輻射強(qiáng)度，因此，隔離開關(guān)產(chǎn)生的磁場對外界及自身影響很小。

在靜磁場分析中，主要關(guān)注的是導(dǎo)體表面及周圍場域的電流密度分布，如圖6所示。觸頭部分焦耳熱分布如圖7所示。經(jīng)計算可得在110 kV電壓、630 A電流下，整體能量損耗約為12.9 W，并且可得到隔離開關(guān)觸頭部分上的能量損耗值。

3 溫度場仿真分析

3.1 模型預(yù)處理

由溫度場分析原理可知，所分析的溫度場是由傳導(dǎo)電流場作為基礎(chǔ)而開展的溫升分析。傳導(dǎo)電流場是以導(dǎo)體作為分析對象，從而得出其電位分布，不涉及建立空氣域的問題。但在傳導(dǎo)電流場中，仍要把所有的實(shí)體合成為1個整體，使數(shù)據(jù)能在1個Part進(jìn)行傳遞。如圖8所示，完成以上操作后，模型的外形不會發(fā)生改變。

3.2 設(shè)置邊界條件

圖6 觸頭部分及觸指的電流密度分布

圖7 觸頭部分及觸指的焦耳熱分布

本文的分析將涉及載荷傳遞，在熱分析中，熱傳遞方式的選擇同樣很重要。本文的研究中，存在接觸熱傳遞，因此，選定熱傳導(dǎo)為主要傳熱方式。GW5為戶外用隔離開關(guān)，以拉長電弧方式為主要滅弧原理，觸頭部分直接與空氣接觸，對流系數(shù)為空氣對流系數(shù)8～10 W／（m2·℃）。網(wǎng)格劃分是在電磁環(huán)境下，一般采取自由網(wǎng)格劃分，圖8為其網(wǎng)格劃分結(jié)果。

圖8 溫度場網(wǎng)格劃分結(jié)果

3.3 求解及后處理

由ANSYS仿真結(jié)果可見，在最優(yōu)環(huán)境溫度為29.059℃的情況下，溫度由觸頭中心到兩端逐步下降，觸頭中心部分溫升最高為23.032℃，下端溫升最低為22.99℃。在溫度場分析中本文著重考慮觸指的溫升情況，如圖9所示，溫度場分布不均勻，觸指部分溫升最高，如長期積熱和外力作用易導(dǎo)致燒損。通過分析觸指溫度分布，建議在觸指部位選取耐熱性材料、復(fù)合型材料或在觸頭部分鍍銀層，使動、靜觸頭接觸面鍍銀層厚度≥2 μm，硬度≥120 HV。同時，采用紅外測溫技術(shù)定期檢測導(dǎo)電部位的發(fā)熱情況，發(fā)現(xiàn)問題及時處理［6］。

圖9 觸指部分溫度分析結(jié)果

4 結(jié)束語

本文介紹了GW5型隔離開關(guān)在ANSYS Work?bench中進(jìn)行電磁場和溫度場分析要點(diǎn)。在電磁場仿真中開展了靜磁場、靜電場及電流傳導(dǎo)場的分析，觀察隔離開關(guān)觸頭部分磁場、電場、電流密度分布情況，溫度場關(guān)注觸指的溫升情況。利用電磁場仿真計算其表面電位分布，確定其最大電流密度及場強(qiáng)位置。通過對比分析，可對隔離開關(guān)性能優(yōu)化提供參考。在高壓隔離開關(guān)的后續(xù)研究中，應(yīng)廣泛收集其在系統(tǒng)中運(yùn)行情況，著重分析觸指的溫度分布，為選用結(jié)構(gòu)合理、設(shè)計優(yōu)良、整體質(zhì)量高的產(chǎn)品提供理論參考。

［1］苑 舜，崔文軍.高壓隔離開關(guān)設(shè)計與改造［M］.北京：中國電力出版社，2007.

［2］尹軍華，李文藝.800 kV GIS隔離開關(guān)快速暫態(tài)過電壓原因及保護(hù)措施［J］.東北電力技術(shù)，2009，30（11）：11－14.

［3］鐘振蛟.提高戶外高壓隔離開關(guān)的運(yùn)行可靠性［J］.高壓電器，1984，21（5）：43－46.

［4］郝建成，田 勇.隔離開關(guān)分合空載母線仿真分析［J］.東北電力技術(shù)，2009，30（5）：14－16.

［5］張宗偉，盧昌宏.GW5－126型隔離開關(guān)觸頭燒損故障分析及對策［J］.高壓電器，2011，47（2）：76－79.

［6］于 波，王偉斌.GW17、GW16型隔離開關(guān)運(yùn)行中存在的問題及檢修［J］.東北電力技術(shù)，2001，22（11）：52－55.

Simulation Analysis on Electromagnetic Field of High Voltage Isolation Switch and Temperature Field

WANG Rongxue，GAO Zhenguo
（Shenyang Institute of Engineering，Shenyang，Liaoning 110136，China）

Simulation analysis of the GW－5 type high?voltage isolation switch is set up by using ANSYS software in this paper，this study focuses on the features of electro?magnetic field and temperature field for the high?voltage isolation switch.The simulation results have a certain reference for manufacturing process，physical design and materials selecting of present high?voltage switch.

high?voltage isolation switch；electromagnetic field；temperature field

TM564

A

1004－7913（2016）12－0021－04

王蓉雪（1991），女，學(xué)士，主要從事高電壓絕緣技術(shù)研究。

2016－09－15）