徐庭偉，祝 聰

一種中壓交流真空斷路器穩(wěn)態(tài)熱分析

徐庭偉，祝 聰

(武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，湖北武漢 430064)

介紹了一種中壓交流真空斷路器中導(dǎo)電回路的結(jié)構(gòu)。針對(duì)4000 A穩(wěn)態(tài)載流狀態(tài)，對(duì)其進(jìn)行了熱電耦合仿真。通過求解回路中各組件的熱載荷，并應(yīng)用綜合散熱系數(shù)處理表面對(duì)流散熱，對(duì)回路的穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)進(jìn)行了仿真計(jì)算，得到了其穩(wěn)態(tài)溫度分布。對(duì)斷路器進(jìn)行穩(wěn)態(tài)溫升試驗(yàn)，并將測(cè)量點(diǎn)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了仿真的有效性。該仿真方法可以指導(dǎo)中壓交流真空斷路器的設(shè)計(jì)。

中壓 交流 真空斷路器 熱分析 穩(wěn)態(tài)溫升

0 引言

真空斷路器具有開斷容量大、壽命長(zhǎng)、質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等諸多優(yōu)點(diǎn)，在3.6~40.5 kV電力網(wǎng)絡(luò)中，真空斷路器的使用占比達(dá)到98%以上，占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢(shì)[1~3]。

真空斷路器的穩(wěn)態(tài)溫升不僅直接影響斷路器的性能，也是監(jiān)測(cè)真空弧室中觸頭狀態(tài)的重要指標(biāo)，因此通過各種方法對(duì)斷路器內(nèi)部溫度分布進(jìn)行分析是一個(gè)重要的課題[4]。

基于路模型的解析法常用于對(duì)各種開關(guān)電器溫升初步估算，但其精度較低，且不能得到溫度分布[4,5]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值計(jì)算的進(jìn)步，溫度場(chǎng)的數(shù)值算法得到了廣泛應(yīng)用，尤其是有限元算法，可以達(dá)到很高的計(jì)算精度[6]。經(jīng)過大量溫升試驗(yàn)驗(yàn)證，基于ANSYS平臺(tái)的穩(wěn)態(tài)溫升有限元仿真分析方法的有效性得到了廣泛的認(rèn)可[7,8]。

本文針對(duì)某新型中壓真空斷路器，對(duì)其在4000 A載流狀態(tài)下的穩(wěn)態(tài)溫升進(jìn)行了有限元仿真分析，并通過試驗(yàn)獲取了穩(wěn)態(tài)溫升數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了仿真分析的有效性。

1 中壓交流真空斷路器模型

圖1為中壓交流真空斷路器的導(dǎo)電回路結(jié)構(gòu)示意圖，導(dǎo)電回路主要由真空滅弧室、上載流部件、下載流組件、觸臂和進(jìn)、出線排組成。斷路器在工作狀態(tài)時(shí)，需要承載4000 A額定電流，電流由從一側(cè)載流排流進(jìn)，經(jīng)載流組件和滅弧室后從另一側(cè)載流排流出。

圖1 中壓交流真空斷路器導(dǎo)電回路示意圖

2 中壓交流真空斷路器熱分析方法

斷路器工作狀態(tài)時(shí)，導(dǎo)電回路由于承載工作電流會(huì)使斷路器內(nèi)部溫度上升，由此形成的溫度場(chǎng)為穩(wěn)態(tài)熱場(chǎng)。對(duì)該穩(wěn)態(tài)熱場(chǎng)進(jìn)行熱分析包括熱源和熱傳遞兩部分。

導(dǎo)電回路熱場(chǎng)的熱源來(lái)自于回路通流時(shí)產(chǎn)生的焦耳熱，包含金屬導(dǎo)體材料自身在一定電流密度下產(chǎn)生的焦耳熱和不同導(dǎo)體接觸面之間的電阻所產(chǎn)生的熱量。

熱傳遞的方式分為熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射3種。由于導(dǎo)電回路的允許溫升小于200℃，熱輻射在熱傳遞中的占比很小，可以忽略，因此主要考慮熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流對(duì)熱場(chǎng)的影響。熱傳導(dǎo)遵循傅立葉定律：

工程上常使用牛頓冷卻方程來(lái)描述對(duì)流傳熱：

對(duì)于表面上任一點(diǎn)，則有：

式中：為導(dǎo)熱系數(shù)，1和2分別為固體表面溫度與周圍流體溫度。

3 斷路器導(dǎo)電回路溫升仿真

根據(jù)GB/T 11022-2011要求,高壓開關(guān)設(shè)備在周圍空氣溫度不超過25℃時(shí)，斷路器導(dǎo)電回路中的最大允許溫升應(yīng)滿足表1的要求。

表1

名稱最大允許溫升最大允許溫度 載流部件與進(jìn)、出線銅排連接處6590 載流部件7095 動(dòng)、靜觸頭端部75100 滅弧室與載流部件連接處75100 滅弧室動(dòng)端及與導(dǎo)電夾80105

導(dǎo)電回路溫度場(chǎng)仿真的熱源為導(dǎo)體自身發(fā)熱和接觸面接觸電阻產(chǎn)生的焦耳熱。導(dǎo)電回路中除了滅弧室觸頭為銅鉻合金以外，其余導(dǎo)體材料均為紫銅，兩種材料的電阻溫度系數(shù)均為正。而對(duì)于不同零部件之間的接觸電阻采用面電阻模型進(jìn)行模擬，假設(shè)在兩個(gè)接觸面之間存在厚度為零的理想面電阻，通過改變面電阻的電阻率，可以模擬接觸面上因?yàn)榻佑|電阻而產(chǎn)生的焦耳熱。

在不超過斷路器允許溫升的條件下（小于200℃），導(dǎo)電回路中各導(dǎo)體的輻射傳熱數(shù)量級(jí)很小可忽略，導(dǎo)體體電阻和接觸電阻產(chǎn)生的焦耳熱主要通過熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流方式傳遞，其中熱傳導(dǎo)部分由溫度梯度以及熱導(dǎo)率決定。ANSYS使用牛頓冷卻方程計(jì)算對(duì)流換熱量，需要輸入綜合對(duì)流換熱系數(shù)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，斷路器柜內(nèi)的對(duì)流換熱系數(shù)一般為4~8 W/(m2·K)-1，本文仿真過程中取對(duì)流換熱系數(shù)為5 W/(m2·K)-1。

最終建立的中壓真空斷路器單相模型如圖2所示，模型中暴露在空氣中的表面添加對(duì)流換熱邊界條件，對(duì)真空滅弧室中的動(dòng)、靜觸頭表面添加絕熱邊界，同時(shí)在導(dǎo)電回路的端面上施加電流和電壓激勵(lì)。

圖2 原滅弧室仿真計(jì)算結(jié)果

圖3為整個(gè)導(dǎo)電回路的電流密度云圖，由圖可知導(dǎo)電回路中大部分區(qū)域電流密度較小。不到3 A/mm2，整個(gè)模型平均電流密度僅982.28 mA/mm2。電流密度較大區(qū)域集中于觸臂與連接排接觸面、上、下出線與其他部件接觸面的尖銳邊緣位置，最大電流密度4.67 A/mm2，位于上觸臂與連接母排接觸面邊緣。

圖3 導(dǎo)電回路電流密度分布

圖4為斷路器導(dǎo)電回路的功率密度分布，由圖可知功率密度最大的區(qū)域位于軟連接與下出線和導(dǎo)電夾連接部位，其次為動(dòng)、靜觸頭的接觸面以及觸臂的觸指和母排的連接部位：觸頭主要是因?yàn)殡娏鳈M截面小，且材料電阻率高，而載流部件和連接排主要是因?yàn)殡娏鹘孛嫘?。整個(gè)導(dǎo)電回路的總電阻為3.16×10-5μΩ，總發(fā)熱功率252.98 W，平均功率密度2.08×10-5W/mm3。

圖4 導(dǎo)電回路功率密度分布

將上述功率密度作為導(dǎo)電回路的熱載荷，環(huán)境溫度40 ℃，對(duì)斷路器導(dǎo)電回路進(jìn)行進(jìn)行穩(wěn)態(tài)溫升仿真，所得到的穩(wěn)態(tài)溫升如圖5所示。從整個(gè)導(dǎo)電回路的溫升分布可以看到，溫度從動(dòng)靜觸頭接觸位置向周圍降低。這主要是由于在真空滅弧室內(nèi)部由于缺乏對(duì)流散熱，由動(dòng)、靜觸頭間的接觸電阻所產(chǎn)生的焦耳熱發(fā)生了積累，使得該位置溫度明顯上升。由于導(dǎo)電回路均為金屬材料，熱導(dǎo)率較高，滅弧室內(nèi)部的熱量通過熱傳導(dǎo)到上、下載流部件上，導(dǎo)致載流部件的溫度一同上升。觸指位置的接觸電阻雖然很大，但該部分與空氣接觸面積大，具有較好的對(duì)流散熱條件，因此對(duì)流散熱產(chǎn)生的熱量可以及時(shí)得到轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致溫升相對(duì)較低。

圖5 斷路器導(dǎo)電回路溫升仿真結(jié)果

4 主回路穩(wěn)態(tài)溫升試驗(yàn)

對(duì)斷路器進(jìn)行穩(wěn)態(tài)溫升試驗(yàn)，準(zhǔn)備直流短路發(fā)電機(jī)、萬(wàn)用表、溫升測(cè)量裝置、回路電阻測(cè)量?jī)x等裝置。穩(wěn)態(tài)溫升測(cè)量回路如圖6所示，短路發(fā)電機(jī)進(jìn)出線端使用4根截面為100 mm×10 mm、長(zhǎng)度為4 m的母線與中壓真空斷路器觸指所夾母排相連，每根母線的載流量為1000 A，使用毫伏表測(cè)量主回路兩端電位差。

表2 測(cè)量點(diǎn)溫度實(shí)際溫升與仿真溫升對(duì)比

圖6 溫升試驗(yàn)測(cè)試點(diǎn)示意圖

主回路溫升測(cè)量點(diǎn)如圖7所示，測(cè)量點(diǎn)1和7位于斷路器所接母排上，2和位于觸臂與上、出線連接位置，3和5位于上、下出線上，4位于滅弧室動(dòng)觸頭導(dǎo)電夾位置。實(shí)驗(yàn)前環(huán)境溫度23℃。

5 結(jié)論

本文通過建立中壓交流斷路器主回路的穩(wěn)態(tài)溫升仿真模型，計(jì)算了斷路器在4000 A電流下的穩(wěn)態(tài)溫升，并通過與實(shí)際溫升試驗(yàn)的結(jié)果經(jīng)行比較，可以得出以下結(jié)論：

1) 該導(dǎo)電回路結(jié)構(gòu)在4000 A載流條件下的穩(wěn)態(tài)溫升能夠滿足GB/T 11022-2011對(duì)斷路器穩(wěn)態(tài)溫升的要求，且具有較大的裕度。

2) 導(dǎo)電回路中溫升最高位置為滅弧室，其次為與其相連接的其他部件。

3) 采用有限元軟件對(duì)斷路器導(dǎo)電回路的穩(wěn)態(tài)溫升進(jìn)行仿真計(jì)算，計(jì)算結(jié)果較為準(zhǔn)確，與實(shí)際值誤差在4 K以內(nèi)。

由以上結(jié)論可知，本文中的溫升仿真方法能有效地預(yù)測(cè)中壓交流真空斷路器中的溫度分布，指導(dǎo)中壓交流斷路器導(dǎo)電回路的散熱設(shè)計(jì)。

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Steady State Thermal Analysis of Middle Voltage AC Vacuum Circuit Breaker

Xu Tingwei, Zhu Cong

( Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

TM561

A

1003-4862（2021）06-0066-04

2020-12-07

徐庭偉（1994-），男，碩士生。研究方向：艦船直流保護(hù)電器。E-mail: xpxfmm@163.com