王 帥 上海鐵路局徐州供電段

高速鐵路隔離開關(guān)溫度隨工況變化規(guī)律研究

王 帥 上海鐵路局徐州供電段

重點進(jìn)行高速鐵路隔離開關(guān)溫度的仿真研究，根據(jù)熱量平衡理論建立隔離開關(guān)溫升數(shù)學(xué)模型，以環(huán)境溫度及設(shè)備電流為變量，結(jié)合熱量對流及輻射等相關(guān)傳熱學(xué)理論，運(yùn)用MATLAB仿真軟件設(shè)計了仿真程序，得出隔離開關(guān)溫度變化規(guī)律的三維仿真圖形。使用實際電流及環(huán)境溫度數(shù)據(jù)對理論仿真結(jié)果進(jìn)行驗證，并與使用紅外熱成像儀實際測量的設(shè)備溫度曲線進(jìn)行對比，以評估仿真結(jié)果的精確度。研究結(jié)果顯示，該模型具有較高的精確度，符合設(shè)備的實際溫度變化情況。通過環(huán)境溫度及設(shè)備電流來反映設(shè)備溫度的手段，可以避免對設(shè)備溫度進(jìn)行反復(fù)現(xiàn)場測量，減少工作量，這將為鐵路運(yùn)營的監(jiān)控及行車安全提供有力保障。

隔離開關(guān)；紅外測溫；溫度

1 高壓隔離開關(guān)與本體溫升值的定義

高壓隔離開關(guān)是高速鐵路供電系統(tǒng)中不可缺少的設(shè)備之一，溫升值是它的一項重要性能指標(biāo)。開關(guān)的溫升值是它本身發(fā)熱與散熱兩方面因素綜合作用的結(jié)果。開關(guān)的發(fā)熱量來自于接觸電阻處的集中發(fā)熱及各導(dǎo)電部分的焦耳熱，通過開關(guān)裸露表面的自然對流與輻射將這些熱量散發(fā)到環(huán)境中去。

隔離開關(guān)導(dǎo)電部分的基本構(gòu)造由導(dǎo)電桿、觸頭與引線組成。導(dǎo)電桿的一端是觸頭,另一端與引線相聯(lián)并固定在絕緣子上。觸頭部分因接觸電阻存在而產(chǎn)生集中的熱量,作用在導(dǎo)電桿的一端。導(dǎo)電桿外表面通過熱對流與熱輻射的方式向環(huán)境散熱。導(dǎo)電桿的外表面不僅需要散去本身的發(fā)熱量,還需要散去觸頭上產(chǎn)生的熱量。導(dǎo)電桿在整個問題中起著重要作用。

2 模型建立

如圖1所示為一根無限長、等截面、截面形狀任意的細(xì)長桿。桿上通過電流,產(chǎn)生焦耳熱。這些熱量全部由表面通過自然對流與輻射散發(fā)出去。由于桿的橫截面較小，材料的導(dǎo)熱系數(shù)很大,外表面的放熱系數(shù)不大,故可認(rèn)為桿橫截面上的溫度是均勻一致的。在無窮長桿的情況下,沿桿的長度方向沒有熱流流動,所以沿長度方向溫度也是均勻一致的。

圖1 導(dǎo)電桿示意圖

現(xiàn)在考慮長度為L的一段桿上的熱量平衡，可以得到：

式（1）中：A是導(dǎo)電桿橫截面面積，P是導(dǎo)電桿橫截面周長，是導(dǎo)電桿電阻率，T是導(dǎo)電桿溫度，T∞是環(huán)境溫度，ε是表面黑度系數(shù)，σ是斯蒂芬-波爾茲曼常數(shù)，h是表面對流換熱系數(shù)。

式（1）的左端為導(dǎo)電桿電阻產(chǎn)生的焦耳熱量，右端第一項是對流散去的熱量，第二項是輻射散去的熱量。為使方程簡化，將輻射項改寫為對流換熱的形式，即令：

令ΔT=T-T∞，代入式（1～3）并展開可得：

一般情況下ΔT〈〈T∞，則：

將式（5）代入式（1），整理可得：

自然對流放熱系數(shù)h可根據(jù)文[2]提供的準(zhǔn)則關(guān)系式計算得到。

在式（7）中：C為常數(shù)，Gr為格拉曉夫數(shù)；Pr為普朗特數(shù)。

式中：a為熱擴(kuò)散率，g為重力加速度，v為空氣運(yùn)動黏度，l為導(dǎo)電桿長度，ΔT為導(dǎo)電桿溫升。

根據(jù)傳熱學(xué)理論，將式（8）和式（9）代入式（7），取C= 0.48，n=1/4，整理可得：

將式(10)代入式(6)，整理可得：

式(11)即為隔離開關(guān)溫升表達(dá)式，式中溫升ΔT為所求量，導(dǎo)電桿電流I、環(huán)境溫度T∞為變量，使用MATLAB環(huán)境下進(jìn)行仿真，得出隔離開關(guān)溫升變化曲線。

3 仿真分析

在MATLAB環(huán)境下，對隔離開關(guān)溫度變化規(guī)律進(jìn)行仿真研究。溫升是反映電氣器件性能的重要指標(biāo)，此次仿真，以式(11)為基礎(chǔ)，對隔離開關(guān)溫升變化情況進(jìn)行仿真。

以廣泛應(yīng)用在電氣化鐵路供電系統(tǒng)上的 GW4-27.5DGW/1250-31.5型高壓隔離開關(guān)為基礎(chǔ)，取隔離開關(guān)導(dǎo)電桿半徑r=25 mm，則導(dǎo)電桿面積A=1.9625×10-3m2，周長P= 0.157m。根據(jù)傳熱學(xué)理論，表面黑度系數(shù)ε≈1，斯蒂芬-波爾茲曼常數(shù)σ=5.67×10-8W/（m2·K4），空氣運(yùn)動黏度v=1.6×10-5m2·s-1，取重力加速度g=9.8 m/s2。

（1）環(huán)境溫度恒定時，得出隔離開關(guān)溫升隨電流變化規(guī)律如圖2所示。

圖2 隔離開關(guān)溫升隨電流變化規(guī)律

從圖中可以看出，在環(huán)境溫度恒定時，隔離開關(guān)溫升隨隔離開關(guān)電流的增大而增大；恒定環(huán)境溫度越高，隔離開關(guān)溫升值與變化幅度越小。

（2）電流恒定時，得出隔離開關(guān)溫升隨環(huán)境溫度變化規(guī)律如圖3所示。

從圖中可以看出，在電流恒定時，隔離開關(guān)溫升值隨環(huán)境溫度增大而減?。缓愣娏髟酱?，隔離開關(guān)溫升值與變化幅度越高。

（3）取導(dǎo)電桿電流I、環(huán)境溫度T∞為變量時，隔離開關(guān)溫升變化呈三維曲面的規(guī)律變化。在現(xiàn)實情況下，由于電流與環(huán)境溫度會出現(xiàn)波動與反復(fù)，從而造成仿真結(jié)果的折疊、重復(fù)。

圖3 隔離開關(guān)溫升隨環(huán)境溫度變化規(guī)律

鑒于仿真圖形過于復(fù)雜，為了減少分析的困難，對仿真得到的隔離開關(guān)溫升數(shù)據(jù)繪制二維隔離開關(guān)溫升曲線，如圖4所示。

圖4 隔離開關(guān)溫升仿真曲線

4 仿真結(jié)果的驗證

圖5 隔離開關(guān)溫升實際曲線

使用FLIR P635高分辨率紅外熱像儀對隔離開關(guān)溫升進(jìn)行實時測量，測量數(shù)據(jù)經(jīng)過FLIR Quick Report軟件系統(tǒng)修正后即可得到隔離開關(guān)實際溫升曲線如圖5所示。

通過比較圖4與圖5可以看出，溫升仿真曲線與實際曲線變化規(guī)律基本一致，仿真溫度幅值要高于實際溫度幅值且變化頻率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于實際溫度曲線，這是因為實際溫度變化有一個熱量的堆積與傳遞過程，實際熱量的傳導(dǎo)是緩慢的，在電流頻繁變化的情況下實際溫度跟不上電流產(chǎn)生焦耳熱的變化，所以使得實際溫度曲線幅值與變化頻率都遠(yuǎn)低于仿真曲線。兩者都在早中晚三個時間段出現(xiàn)溫度高峰期，因此從變化規(guī)律的角度來看，式(11)基本可以表現(xiàn)隔離開關(guān)溫度的變化情況。

5 對結(jié)果的進(jìn)一步討論

對于電氣化鐵路中的隔離開關(guān)來說，其工況的具體情況就反映在牽引變電所負(fù)荷的變化上。牽引變電所的負(fù)荷是由鐵路運(yùn)量、列車速度、線路條件等因素決定的，每一條鐵路沿線線路條件千差萬別，列車在運(yùn)行時速度和線路坡度隨時都在變化，因此，列車運(yùn)行時受流狀態(tài)隨時都在發(fā)生變化，且列車在鐵路上按信號運(yùn)行，在鐵路運(yùn)輸狀態(tài)發(fā)生變化時，在供電臂內(nèi)列車數(shù)量疏密不等。所以，牽引變電所兩供電臂內(nèi)，列車的數(shù)量及每一列車的負(fù)荷狀態(tài)隨時都在變化，牽引變電所的負(fù)荷呈現(xiàn)出頻繁波動的狀態(tài)。

分析圖4與圖5都可以發(fā)現(xiàn)，隔離開關(guān)溫升變化波動頻繁且無規(guī)律可循，就是因為電氣設(shè)備所在供電臂內(nèi)負(fù)荷情況隨時都在發(fā)生變化，從而導(dǎo)致供電臂內(nèi)電流也在頻繁變化，由于隔離開關(guān)溫度變化主要受電流影響，因此，隔離開關(guān)的溫度呈現(xiàn)極不規(guī)律的變化。由于列車通過供電臂的時間只持續(xù)數(shù)分鐘，所以會導(dǎo)致負(fù)荷在瞬間徒增，又會在數(shù)分鐘后突降，這也就是上述圖中出現(xiàn)多個瞬間波峰、波谷的原因。

牽引變電所的負(fù)荷隨著兩供電臂內(nèi)列車的數(shù)量及每一列車的負(fù)荷狀態(tài)隨時波動，有時輕載，甚至空載，有時負(fù)載較重，在節(jié)假日等情況下，會出現(xiàn)列車緊密追蹤情況。此時，牽引變電所會出現(xiàn)負(fù)荷高峰值,特別是在早中晚三個時間段，此高峰值即為高峰小時的設(shè)備溫度，由于高峰小時乘客出行密度大，列車開行密度隨之增大，牽引負(fù)荷增大，致使電流增大，從而導(dǎo)致隔離開關(guān)溫度出現(xiàn)高峰。

隔離開關(guān)在電氣化鐵路中使用數(shù)量很大,因其導(dǎo)電部分的連接點和傳動部件多、動觸頭行程大,而且觸頭長期暴露在空氣中,容易發(fā)生氧化和臟污,導(dǎo)致過熱故障比較普遍且突出，嚴(yán)重影響運(yùn)輸安全和供電可靠性?，F(xiàn)階段統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，隔離開關(guān)的過熱故障要占到所有故障的60%左右。因此我們有必要對隔離開關(guān)的發(fā)熱故障進(jìn)行分析研究，使其安全、可靠地發(fā)揮應(yīng)有的作用。

在長期運(yùn)行實踐過程中發(fā)現(xiàn)，隔離開關(guān)過熱故障主要集中在開關(guān)刀閘及靜觸頭部位，主要原因為負(fù)荷過載或變化、空氣污染腐蝕等。此外，安裝或檢修工藝不當(dāng)、隔開長期處于分閘或合閘狀態(tài)，也是導(dǎo)致隔離開關(guān)過熱故障的重要原因。

2015年，某設(shè)備管理單位利用紅外熱成像儀對高鐵上網(wǎng)隔離開關(guān)進(jìn)行狀態(tài)檢查時，發(fā)現(xiàn)某上網(wǎng)隔離開關(guān)刀閘及靜觸頭部位由過熱現(xiàn)象并伴有拉弧放電聲，現(xiàn)場觀察多趟動車組通過前該上網(wǎng)點隔離開關(guān)動靜觸頭處有火花。

當(dāng)晚申請?zhí)齑皩υ摳綦x開關(guān)進(jìn)行停電檢查，檢查發(fā)現(xiàn)該隔離開關(guān)主閘刀與靜觸頭處已經(jīng)被電弧燒傷，閘刀處已經(jīng)燒溶3cm左右，靜觸頭與主閘刀存在間隙，間隙為10mm。當(dāng)即更換主閘刀和靜觸頭，并在觸頭與閘刀接觸處涂抹導(dǎo)電膏處理。

分析發(fā)現(xiàn)，該隔離開關(guān)過熱故障主要原因有以下幾點：

（1）安裝工藝不當(dāng)。該隔離開關(guān)為單支柱式安裝，在動車組高速運(yùn)行通過時支柱的晃動使主閘刀與靜觸頭處產(chǎn)生空氣間隙，造成放電拉弧，導(dǎo)致主閘刀與靜觸頭接口處出現(xiàn)燒損。

（2）隔離開關(guān)長期合閘。該隔離開關(guān)為上網(wǎng)開關(guān)，長期處于合閘運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)隔離開關(guān)長期處于合閘運(yùn)行狀態(tài)時，刀閘彈簧極易產(chǎn)生金屬疲勞，彈性指標(biāo)下降，經(jīng)過分閘后再次合閘，觸頭與觸指之間的接觸壓力將減小，導(dǎo)致接觸電阻增大從而使觸頭發(fā)熱；觸頭發(fā)熱則使彈簧受熱，彈性指標(biāo)進(jìn)一步下降，接觸電阻進(jìn)一步增大。最終觸指彈簧將失去彈性，接觸電阻將更大，導(dǎo)致溫度急劇升高燒損觸頭。

（3）空氣污染。隔離開關(guān)導(dǎo)體觸頭長期裸露于大氣中,極易受到水蒸氣、腐蝕性塵埃和化學(xué)活性氣體的侵蝕,這些物質(zhì)在連接件接觸面上形成氧化膜,使導(dǎo)電體表面電阻增加,加之檢修過程中未及時清除氧化膜，涂抹導(dǎo)電膏，造成觸頭接觸不良而過熱。

（4）負(fù)荷變化。動車組通過該隔離開關(guān)所在供電臂時，負(fù)荷急劇變化，不斷沖擊觸頭部位已形成的空氣間隙，導(dǎo)致觸頭部位處于放電、氧化、再放電、再氧化的惡性循環(huán)過程，最終導(dǎo)致接觸電阻增大，溫度升高燒損設(shè)備。

6 結(jié)論

通過上述分析可以發(fā)現(xiàn)，隔離開關(guān)長期處于不良工況下對其設(shè)備狀況影響極為嚴(yán)重，但由于隔離開關(guān)熱故障是一個熱量緩慢積累的過程，從隔離開關(guān)過熱到事故發(fā)生，其發(fā)展速度一般較為緩慢、時間較長，現(xiàn)有的手段無法對其進(jìn)行有效的實時監(jiān)測。

本文建立的數(shù)學(xué)模型，可以很好地反映出隔離開關(guān)溫度隨工況變換的規(guī)律，符合實際變化情況，可用于高速鐵路隔離開關(guān)溫度的基本判斷，對現(xiàn)場實際應(yīng)用具有指導(dǎo)意義。

[1]胡桅林,李志信,朱南強(qiáng)．高壓隔離開關(guān)溫升的研究 [J]．高壓電器．1988，01：26-31.

[2]陶文銓．傳熱學(xué)．西北工業(yè)大學(xué)出版社．2006.

責(zé)任編輯：王 華

來稿日期：2017-02-21