劉 剛，蘇 戈，史春玲，趙艷濤，劉 分，馬志強(qiáng)

(平高集團(tuán)有限公司，河南 平頂山 467001)

氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)(gas insulated switchgear，GIS)如今被廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)中。GIS設(shè)備本身體積小、集成度高，三相共箱式GIS的隔離開(kāi)關(guān)間距更小[1-3]。由于共箱式隔離開(kāi)關(guān)的散熱空間小，會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部通流導(dǎo)體局部溫升過(guò)高，一方面溫升高的部位機(jī)械強(qiáng)度會(huì)大大降低，另一方面會(huì)加速氧化程度[4-5]。對(duì)溫升試驗(yàn)而言，考核的最苛刻之處是連接動(dòng)、靜觸頭的接觸部[6-7]。接觸部溫升過(guò)高，接觸電阻增加即導(dǎo)電回路電阻值偏大。長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，觸指熔融或者接觸面熔焊引起接觸不良等，造成的后續(xù)事故不堪設(shè)想[8-9]。因此，研究共箱式隔離開(kāi)關(guān)的溫度場(chǎng)分布，對(duì)導(dǎo)體材料的選擇、結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和裝配都非常重要[10]。

1 數(shù)值計(jì)算

1.1 物理模型

考慮到溫升試驗(yàn)有電流引入和引出的進(jìn)出線端部，且端部溫升值容易有偏差，因此在共箱式隔離開(kāi)關(guān)的兩端分別追加單獨(dú)的氣室(即連接母線)并用盆式絕緣子隔開(kāi)，溫升解析三維模型如圖1所示。該模型共有7個(gè)氣室。導(dǎo)體材料、殼體材料均為鋁合金，盆式絕緣子的材料為環(huán)氧樹(shù)脂，殼體內(nèi)為0.45 MPa的SF6氣體。模型簡(jiǎn)化時(shí)，忽略殼體法蘭連接螺栓對(duì)溫升的影響，且認(rèn)為溫度場(chǎng)是穩(wěn)態(tài)的。另外，彈簧觸指接觸的物理模型簡(jiǎn)化如圖2所示。

圖1 溫升解析三維模型

圖2 彈簧觸指接觸物理模型

在解析計(jì)算前，首先添加材料和接觸面的屬性，如材料的電阻率和導(dǎo)熱系數(shù)、接觸面的電導(dǎo)率和熱傳導(dǎo)系數(shù)，以及每個(gè)氣室的散熱面系數(shù)等。其中，常用材料的導(dǎo)熱系數(shù)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)獲得。

1.2 邊界條件

1.2.1材料屬性

隔離開(kāi)關(guān)及母線都采用圓形導(dǎo)體。當(dāng)圓形導(dǎo)體上有交變電流流過(guò)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生同心圓狀磁場(chǎng)。若電流密度一樣，則越靠近導(dǎo)體中心部位磁通越大，因磁通變化，導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生的電壓降也會(huì)越往中心越大。然而電壓降必須內(nèi)外一致，所以電流密度也必須越往內(nèi)部越低，由此出現(xiàn)電流集中在導(dǎo)體表面的現(xiàn)象，這就是集膚效應(yīng)[11-12]。因此在解析溫升時(shí)，要定義材料的交流電阻率。其中集膚效應(yīng)系數(shù)K和交流電阻率Ra分別為：

K=1+A1[1-t/d-A2(t/d)2]

(1)

A1=7[2.513tf/(D-t)Rdc]2/{315+

3[2.513tf/(D-t)Rdc]2}

(2)

A2=224/{211+[2.513tf/(D-t)Rdc]2}

(3)

Ra=K·Rd

(4)

式中：t為導(dǎo)體壁厚，mm；d為導(dǎo)體內(nèi)徑，mm；D為導(dǎo)體外徑，mm；f為頻率，Hz；Rdc為直流電阻，μΩ；Rd為直流電阻率，μΩ·mm。

由于交流電阻率與導(dǎo)體的形狀有關(guān)，故將隔離開(kāi)關(guān)(簡(jiǎn)稱(chēng)DS)內(nèi)部導(dǎo)體簡(jiǎn)化、劃分為不同規(guī)格的部分。簡(jiǎn)化后物理模型如圖3所示。其材料屬性等有關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 材料屬性有關(guān)參數(shù)

1—盆；2—盆嵌件；3，10 —DS觸指；4— DS導(dǎo)體①；5— DS導(dǎo)體②；6— DS導(dǎo)體③；7— DS導(dǎo)體④； 8— DS導(dǎo)體⑤；9— DS導(dǎo)體⑥；11— DS殼體

1.2.2接觸面屬性

接觸面的電導(dǎo)率和熱傳導(dǎo)系數(shù)與接觸面積和接觸電阻相關(guān)。接觸電阻包含接觸表面的收縮電阻和接觸表面電阻兩個(gè)部分。影響接觸電阻的因素有導(dǎo)體的表面狀況、接觸壓力、材料硬度以及電阻率等?？捎孟旅娴慕?jīng)驗(yàn)公式表示接觸電阻RC：

σ=1/(RC·A)

(5)

RC=KC(Fj/9.8)m

(6)

R0=0.2RC

(7)

λ=1/(R0·A)

(8)

式中：σ為電導(dǎo)率，S/mm2；A為接觸面積，mm2；λ為熱傳導(dǎo)率，W/(m2·℃)；R0為熱阻，μΩ；Fj為接觸壓力，N；m為與接觸形式有關(guān)的系數(shù)，點(diǎn)接觸m為0.5，面接觸m為1.0；KC為與材料、表面狀況有關(guān)的接觸系數(shù)，銅鍍銀 - 鋁鍍銀KC為100，銅鍍銀 -鋁KC為450。

隔離開(kāi)關(guān)的電導(dǎo)率和熱傳導(dǎo)系數(shù)推導(dǎo)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 接觸面屬性有關(guān)參數(shù)

1.2.3散熱面系數(shù)

氣體中的散熱包含對(duì)流和輻射，本文不考慮輻射影響。影響對(duì)流的因素主要有氣體成分和壓力、導(dǎo)體形狀、氣體及環(huán)境溫度等。本文解析計(jì)算時(shí)，導(dǎo)體與SF6氣體之間、SF6氣體與筒體之間以及殼體與空氣之間平均傳導(dǎo)率α分別取20，15，5 W/(m2·℃)。

1.3 解析結(jié)果

根據(jù)以上邊界條件，施加電流、電壓、散熱面系數(shù)、氣體溫升值等。最終溫升計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

圖4 溫升計(jì)算結(jié)果

2 試驗(yàn)

2.1 搭建試驗(yàn)平臺(tái)

為驗(yàn)證上述解析結(jié)果，基于物理模型搭建溫升試驗(yàn)平臺(tái)，如圖5所示。溫升測(cè)試中使用最廣泛的方法是熱電偶法。熱電偶的工作原理為導(dǎo)體的熱電效應(yīng)，即熱電偶的冷端和熱端處于不同的溫度場(chǎng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生熱電動(dòng)勢(shì)。試驗(yàn)時(shí)，將熱電偶的熱端固定在被測(cè)試品上作為探測(cè)端，冷端接入溫升測(cè)試儀器作為采樣端。這樣，二者之間會(huì)因?yàn)闇囟炔钚纬呻娢徊?，再?jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換得到溫升試驗(yàn)數(shù)據(jù)，具體如圖6所示。

圖5 溫升試驗(yàn)平臺(tái)

圖6 溫升試驗(yàn)測(cè)試原理

隔離開(kāi)關(guān)設(shè)備的測(cè)量點(diǎn)包含導(dǎo)體、殼體、氣室、接觸部、絕緣件、導(dǎo)流排等。不同部位固定熱電偶的方法不同。導(dǎo)體類(lèi)采用埋點(diǎn)法，即在被測(cè)部位鉆一定深度的孔，將熱電偶的一端焊接后放入孔中，再?gòu)膫?cè)面敲擊使孔變形壓緊熱電偶。固定接觸部的測(cè)點(diǎn)是在導(dǎo)體根部埋入熱電偶。可動(dòng)接觸部即觸指，采用錫焊法固定熱電偶，焊點(diǎn)不宜過(guò)大或過(guò)小，不能影響與導(dǎo)體的接觸。絕緣件類(lèi)和殼體、導(dǎo)流排、氣室內(nèi)的測(cè)點(diǎn)采用粘貼固定法。另外，環(huán)境溫度的獲取使用煤油瓶，用3個(gè)煤油瓶把試驗(yàn)樣機(jī)包圍起來(lái)，測(cè)量后取其平均值。

隔離開(kāi)關(guān)氣室內(nèi)部熱電偶的引出是通過(guò)有密封作用的電偶盤(pán)形成氣室內(nèi)外測(cè)點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)的結(jié)果。首先抽真空，充入0.45 MPa的SF6氣體，確認(rèn)密封良好后，將氣室外的熱電偶接入溫升測(cè)試儀。試驗(yàn)前回路電阻分別為：A相(邊相)35 μΩ，B相(中相)37 μΩ，C相(邊相)35 μΩ。然后利用大電流發(fā)生器給三相同時(shí)導(dǎo)入4 400 A電流。整個(gè)溫升試驗(yàn)數(shù)據(jù)穩(wěn)定大約需要8 h，最后1 h內(nèi)所有測(cè)點(diǎn)溫升值在1 K以?xún)?nèi)。試驗(yàn)結(jié)束后，立刻測(cè)量回路電阻，阻值為：A相38 μΩ，B相37 μΩ，C相37 μΩ。說(shuō)明溫升試驗(yàn)前后主回路電阻值變化不超過(guò)20%，試驗(yàn)結(jié)果有效。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

溫升試驗(yàn)的布點(diǎn)圖如圖7所示，試驗(yàn)測(cè)量的溫升數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表3 共箱式隔離開(kāi)關(guān)溫升試驗(yàn)結(jié)果

圖7 共箱隔離開(kāi)關(guān)溫升布點(diǎn)圖

試驗(yàn)表明，中相溫升偏高，兩邊相溫升值比較接近。在隔離開(kāi)關(guān)殼體內(nèi)部靠上區(qū)域的導(dǎo)體可動(dòng)接觸部中相溫升值最高。這是由于邊相殼體與空氣對(duì)流和輻射散熱較中相多一些，而SF6氣室內(nèi)熱量往上流動(dòng)，可動(dòng)接觸部作為最薄弱部位，因此此處溫升值最大。

試驗(yàn)結(jié)果與有限元解析結(jié)果對(duì)比，不考慮熱量向上傳導(dǎo)時(shí)，二者結(jié)果相近。除了熱量流動(dòng)方向的影響，有限元解析模型與試驗(yàn)相比實(shí)際上簡(jiǎn)化了模型，邊界條件與實(shí)際情況也不同，另外試驗(yàn)過(guò)程中，觸指焊點(diǎn)接觸不良等都會(huì)干擾實(shí)際溫升值。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文建立了GIS型隔離開(kāi)關(guān)的溫升解析模型，賦予交流電阻率等邊界條件，解析得到與試驗(yàn)結(jié)果接近的溫升值，說(shuō)明了基于有限元解析的方法的可靠性。通過(guò)試驗(yàn)獲取了隔離開(kāi)關(guān)的實(shí)際溫升值，確定了其內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，為后續(xù)電流增容奠定了基礎(chǔ)。同時(shí)利用有限元進(jìn)行溫升解析獲得了隔離開(kāi)關(guān)內(nèi)部溫度分布規(guī)律，可為以后其他電壓等級(jí)的溫升設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。