李付永， 姚燦江， 張 任， 時(shí)彥文， 趙維全， 李 偉

(河南平高電氣股份有限公司，河南 平頂山 467000)

0 引言

GW16是屬于單臂伸縮式隔離開(kāi)關(guān)，其具有載流能力大、占地面積小、結(jié)構(gòu)緊湊和運(yùn)動(dòng)部分密封良好等優(yōu)點(diǎn)。隨著國(guó)家逐漸采用高壓、特高壓等輸電方式，GW16型隔離開(kāi)關(guān)作為主要高壓產(chǎn)品之一，且長(zhǎng)期運(yùn)行在環(huán)境條件惡劣的戶外，由于接觸電阻的存在，其會(huì)產(chǎn)生一定的溫升，當(dāng)溫度升高到臨界值時(shí)，會(huì)加速設(shè)備老化，使隔離開(kāi)關(guān)發(fā)生故障次數(shù)急劇升高，從而影響其可靠性。

通常情況下，高壓設(shè)備中接觸區(qū)域電阻最大，造成接觸區(qū)域溫度升高最快，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使兩接觸面發(fā)生熔焊，這是導(dǎo)致隔離開(kāi)關(guān)發(fā)生故障的主要原因。針對(duì)隔離開(kāi)關(guān)接觸發(fā)熱問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量相關(guān)研究，文獻(xiàn)[1]對(duì)GW5-110型隔離開(kāi)關(guān)觸頭發(fā)熱缺陷進(jìn)行分析及檢修處理；文獻(xiàn)[2]針對(duì)GW5-126型隔離開(kāi)關(guān)觸頭燒損故障進(jìn)行分析及提出相應(yīng)措施；文獻(xiàn)[3]針對(duì)隔離開(kāi)關(guān)觸頭結(jié)構(gòu)和發(fā)熱原因進(jìn)行分析，提出防止隔離開(kāi)關(guān)過(guò)熱故障的措施；文獻(xiàn)[4]通過(guò)戶外高壓隔離開(kāi)關(guān)電觸頭溫升機(jī)理研究，得出了影響電觸頭溫度的主要因素。以上研究學(xué)者僅對(duì)隔離開(kāi)關(guān)接觸區(qū)域燒損和發(fā)熱故障進(jìn)行相關(guān)分析，但無(wú)法確定隔離開(kāi)關(guān)在運(yùn)行過(guò)程接觸區(qū)域的溫度變化情況，因此，利用有限元研究隔離開(kāi)關(guān)的熱穩(wěn)定性，不僅可以明確其接觸位置的溫度分布情況，而且還可以提高其使用壽命，避免高壓設(shè)備的非計(jì)劃停運(yùn)，提高電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性。

1 隔離開(kāi)關(guān)數(shù)學(xué)模型的建立

GW16 型隔離開(kāi)關(guān)是供高壓線路在無(wú)載流情況下進(jìn)行切換和對(duì)被檢修的高壓母線及其他電氣設(shè)備進(jìn)行明顯隔離的三極戶外高壓電器，該型隔離開(kāi)關(guān)的動(dòng)靜接觸裝置是單柱垂直斷口式，其主要在上下導(dǎo)電管內(nèi)部進(jìn)行傳動(dòng)，受外界環(huán)境影響因素較小，在導(dǎo)電管內(nèi)部，由于平衡彈簧的作用，抵消了相關(guān)動(dòng)力組件的重力矩，因而致使其分、合閘動(dòng)作平穩(wěn)可靠[5]。本文以GW16型高壓隔離開(kāi)關(guān)為例，其主導(dǎo)電結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 GW16型高壓隔離開(kāi)關(guān)主導(dǎo)電結(jié)構(gòu)圖

通常情況下，GW16型高壓隔離開(kāi)關(guān)動(dòng)靜觸頭接觸示意圖如圖2所示，其接觸裝置的相關(guān)結(jié)構(gòu)滿足Hertz公式的條件，可通過(guò)相應(yīng)的數(shù)學(xué)運(yùn)算得到接觸半徑r與深度h之間的關(guān)系，如下所示[6，7]。

(1)

(2)

式中：F為接觸力；E為接觸系統(tǒng)材料的楊氏模量；υ為接觸系統(tǒng)材料的泊松比；R1、R2為動(dòng)靜接觸件的半徑。

圖2 GW16型高壓隔離開(kāi)關(guān)動(dòng)靜觸頭接觸示意圖

在自然界中，熱傳遞主要包括熱傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射3種形式，GW16型高壓隔離開(kāi)關(guān)也不例外，在其實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，通常以兩種或3種熱傳遞形式向外散熱。對(duì)于其動(dòng)靜接觸觸頭而言，由于接觸電阻的存在，動(dòng)靜觸頭產(chǎn)生熱量，并主要通過(guò)金屬連接件表面利用對(duì)流的方式向外散熱，根據(jù)熱傳遞的相關(guān)理論，GW16型高壓隔離開(kāi)關(guān)動(dòng)靜觸頭傳熱數(shù)學(xué)模型如下所示[8，9]。

(3)

{L}TδT([D]{L}T)dV=

(4)

2 隔離開(kāi)關(guān)熱電耦合仿真

2.1 隔離開(kāi)關(guān)三維模型的建立

由于ANSYS的三維建模能力存在一定的局限性，本文主要采用NX來(lái)建立GW16型高壓隔離開(kāi)關(guān)動(dòng)靜接觸系統(tǒng)的三維實(shí)體模型。在建模之初，為了實(shí)現(xiàn)計(jì)算的便捷性，對(duì)動(dòng)靜接觸系統(tǒng)模型進(jìn)行合理的簡(jiǎn)化，去除對(duì)分析結(jié)果影響較小的結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)化后的動(dòng)靜接觸系統(tǒng)模型如圖3所示。

圖3 GW16型高壓隔離開(kāi)關(guān)動(dòng)靜接觸系統(tǒng)三維模型

2.2 隔離開(kāi)關(guān)動(dòng)靜接觸系統(tǒng)熱電耦合溫升仿真

耦合場(chǎng)分析指在一個(gè)分析過(guò)程包含有多個(gè)物理場(chǎng)相互耦合作用的分析類型，耦合場(chǎng)分析應(yīng)用范圍十分廣泛，如研究感應(yīng)加熱的磁—熱耦合分析、研究壓力容器的熱—應(yīng)力分析、研究磁體成型的磁—結(jié)構(gòu)分析、研究導(dǎo)體發(fā)熱的電—熱分析等。由于GW16型隔離開(kāi)關(guān)是交流高壓電器，而ANSYS Workbench中的Electric模塊無(wú)法對(duì)交流傳導(dǎo)場(chǎng)進(jìn)行分析，且GW16型高壓隔離開(kāi)關(guān)動(dòng)靜接觸系統(tǒng)溫度場(chǎng)分析需要保留模型的幾何特征以便于明確溫度分布情況，且施加載荷和邊界條件相對(duì)復(fù)雜。另外，為了同時(shí)保證分析的多樣性，因此選擇Maxwell與ANSYS Workbench聯(lián)合計(jì)算的間接分析模式[9，10]。

2.2.1 前處理

首先在Maxwell中對(duì)GW16型高壓隔離開(kāi)關(guān)動(dòng)靜接觸系統(tǒng)進(jìn)行交流傳導(dǎo)場(chǎng)分析，確定其接觸系統(tǒng)Joule Heat，然后利用軟件間的無(wú)縫借口導(dǎo)入ANSYS Workbench中的Steady-State Thermal和Transient Thermal模塊，設(shè)置相應(yīng)的初始條件，依次進(jìn)行穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)熱分析。

對(duì)于穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)熱分析而言，僅僅是加載條件和求解及相應(yīng)后處理存在一定的不同。通過(guò)穩(wěn)態(tài)熱分析可以求解得到接觸系統(tǒng)在溫度趨于穩(wěn)定情況下，其溫度分布情況；而瞬態(tài)熱分析獲知接觸系統(tǒng)在大電流和瞬時(shí)狀態(tài)下，最高溫度隨時(shí)間的變化情況。

2.2.2 網(wǎng)格劃分

由于GW16型高壓隔離開(kāi)關(guān)動(dòng)靜接觸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，在設(shè)置選用體掃描法加邊角控制函數(shù)法對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分。為保證仿真的精度和準(zhǔn)確性，在動(dòng)靜觸頭的接觸區(qū)域，進(jìn)行了局部加密，共生成25 248個(gè)網(wǎng)格，45 429個(gè)節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)格劃分如圖4所示。

圖4 GW16型高壓隔離開(kāi)關(guān)動(dòng)靜接觸系統(tǒng)網(wǎng)格劃分圖

2.2.3 施加載荷和邊界條件

在穩(wěn)態(tài)熱分析中，對(duì)GW16型高壓隔離開(kāi)關(guān)動(dòng)靜接觸系統(tǒng)加載額定電流3 150 A的1.1倍，在瞬態(tài)熱分析過(guò)程中，對(duì)其加載短路電流為60 000 A，加載時(shí)間為3 s。為了保障施加電流的流向，將高壓隔離開(kāi)關(guān)動(dòng)靜接觸系統(tǒng)中的動(dòng)觸頭施加電壓耦合和電流邊界條件，同時(shí)將靜觸頭末端面電壓設(shè)置為0。

經(jīng)查文獻(xiàn)[9，10]可知，隔離開(kāi)關(guān)的有限元仿真分析是在封閉常溫的環(huán)境下進(jìn)行的，對(duì)流是主要的熱傳導(dǎo)方式，在此種狀態(tài)下，空氣的對(duì)流換熱系數(shù)范圍為5～10 W/(m·K)，環(huán)境溫度為15 ℃左右。

2.2.4 仿真結(jié)果分析

GW16型高壓隔離開(kāi)關(guān)在通流3 465 A電流穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，其動(dòng)靜觸頭穩(wěn)態(tài)仿真的溫度場(chǎng)如圖5所示。

圖5 GW16型高壓隔離開(kāi)關(guān)動(dòng)靜觸頭溫度場(chǎng)分布圖

由圖5可知，GW16型高壓隔離開(kāi)關(guān)動(dòng)靜觸頭接觸區(qū)域的溫度最高，從該接觸區(qū)域到上導(dǎo)電管和靜觸桿末端溫度逐步降低，其主要原因是因?yàn)殡娏髁鹘?jīng)接觸區(qū)時(shí)，橫截面積變小，電流密度增大，從而導(dǎo)致動(dòng)靜觸頭接觸區(qū)域產(chǎn)生大量的焦耳熱，而本次穩(wěn)態(tài)仿真的最高溫度為59.606 ℃，其小于GW16型高壓隔離開(kāi)關(guān)最大允許溫升。

2.2.5 接觸系統(tǒng)瞬態(tài)熱仿真分析

GW16型高壓隔離開(kāi)關(guān)在運(yùn)行過(guò)程中，可能會(huì)受到瞬時(shí)大電流沖擊，因此，為了確定其在沖擊下是否具備保持正常工作的能力，所以對(duì)其動(dòng)靜接觸觸頭進(jìn)行瞬態(tài)熱分析。

通過(guò)設(shè)置邊界條件和載荷，得到GW16型高壓隔離開(kāi)關(guān)動(dòng)靜接觸觸頭在通流60 000 A，時(shí)間為3 s的條件下，溫度場(chǎng)分布圖如圖6所示。

圖6 GW16型高壓隔離開(kāi)關(guān)動(dòng)靜觸頭瞬態(tài)溫度場(chǎng)分布圖

從圖6可知，動(dòng)靜接觸系統(tǒng)溫升最大，通過(guò)對(duì)其溫升最高點(diǎn)溫度變化情況的監(jiān)測(cè)得到其溫度隨時(shí)間的變化曲線如圖7所示。

圖7 GW16型高壓隔離開(kāi)關(guān)動(dòng)靜接觸溫升最高點(diǎn)溫度變化曲線圖

從圖6和圖7可知，其接觸區(qū)域最高溫度為206.97 ℃，該溫度值小于動(dòng)靜接觸觸頭材料熔點(diǎn)，不會(huì)發(fā)生熔焊。因此，GW16型高壓隔離開(kāi)關(guān)在瞬時(shí)大電流沖擊下，仍可以正常工作。

3 隔離開(kāi)關(guān)溫升試驗(yàn)對(duì)比分析

為了驗(yàn)證有限元仿真結(jié)果的真?zhèn)涡裕瑢?duì)GW16型高壓隔離開(kāi)關(guān)進(jìn)行溫升試驗(yàn)，試驗(yàn)設(shè)置如圖8所示，其溫升測(cè)量點(diǎn)如圖9所示。試驗(yàn)條件如下：電流3 465 A，風(fēng)速小于0.5 m/s。環(huán)境溫度為15 ℃，試驗(yàn)穩(wěn)定條件為：在4小時(shí)內(nèi)1和2測(cè)量點(diǎn)溫升小于80 K，3、4和5測(cè)試點(diǎn)溫升小于65 K[10]。通過(guò)試驗(yàn)得到各測(cè)量點(diǎn)的溫升與仿真結(jié)果如表1所示。

圖8 GW16型高壓隔離開(kāi)關(guān)現(xiàn)場(chǎng)溫升試驗(yàn)圖

圖9 GW16型高壓隔離開(kāi)關(guān)溫升測(cè)量點(diǎn)布置圖

測(cè)試點(diǎn)編號(hào)仿真結(jié)果/℃試驗(yàn)值/℃131.80932.8232.2334.1342.49643.6456.10458.2559.60662.4

通過(guò)仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析可知，試驗(yàn)結(jié)果與仿真值存在一定的誤差，分析其主要原因如下：

(1)采用有限元分析方法進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱分析過(guò)程中，僅考慮對(duì)流這一種熱傳遞方式，且無(wú)法確定對(duì)流換熱系數(shù)的準(zhǔn)確值，只能以理想值來(lái)代替，從而引入了一定的誤差。

(2)由于有限元仿真前處理過(guò)程中，對(duì)模型存在一定程度的簡(jiǎn)化，導(dǎo)致動(dòng)靜觸頭接觸截面積比實(shí)際情況大，從而致使接觸區(qū)域溫升較低。

(3)在實(shí)際試驗(yàn)過(guò)程中，由于外界環(huán)境因素的影響，一些灰塵或雜質(zhì)進(jìn)行動(dòng)靜接觸系統(tǒng)，首先使動(dòng)靜觸頭不能有效接觸，在一定程度上增大了接觸電阻；其次在觸頭與外界環(huán)境之間形成熱阻層，使動(dòng)靜觸頭與外界環(huán)境的熱傳遞性能下降，最終導(dǎo)致溫升較大，與仿真結(jié)果存在一定的誤差。

通過(guò)仿真分析結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)二者比較發(fā)現(xiàn)，兩者之間的誤差在5%以內(nèi)，滿足精度要求，同時(shí)也驗(yàn)證了有限元仿真計(jì)算的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)論

(1)利用Maxwell和ANSYS Workbench兩者聯(lián)合對(duì)GW16型高壓隔離開(kāi)關(guān)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)熱分析，與通過(guò)試驗(yàn)得到的結(jié)果基本一致，表明在實(shí)際工程中使用ANSYS Workbench有限元仿真分析的結(jié)果是可信的。

(2)有限元仿真分析方法可以更加清晰直觀地了解GW16型高壓隔離開(kāi)關(guān)動(dòng)靜接觸系統(tǒng)在實(shí)際工作過(guò)程中實(shí)際溫升情況，明確溫度分布區(qū)域。為優(yōu)化其接觸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、合理規(guī)劃溫度分布以及可靠性設(shè)計(jì)提供了一種重要的途徑。