趙 阿 琴

[華潤新能源(大同)風(fēng)能有限公司, 山西 太原 030000]

0 引 言

熔斷器作為保護(hù)電器的裝置被廣泛應(yīng)用于各變電站中。熔斷器的外殼和滅弧介質(zhì)一般使用陶瓷、石英砂等化學(xué)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的材質(zhì),使用壽命約為30年。熔體選擇銀、銅、錫等材質(zhì),在運(yùn)行過程中受到電流和環(huán)境的影響,不可避免地會發(fā)生老化,導(dǎo)致熔體瞬間無法正常開斷并有效滅弧,造成熔斷器局部溫度升高,嚴(yán)重時會破壞熔體隔離筒絕緣,導(dǎo)致環(huán)網(wǎng)柜燒毀[1]。因此,熔斷器運(yùn)行溫度分布是判斷熔斷器運(yùn)行狀態(tài)的重要參數(shù),對提高其運(yùn)行可靠性具有現(xiàn)實(shí)意義。

本文使用Ansys有限元軟件,首先對SIBA 6/12 kV熔斷器進(jìn)行三維建模,然后仿真計算熔斷器在不同工況下的溫度場分布,最后找出熔斷器最合適的測溫點(diǎn),以及熔斷器運(yùn)行狀態(tài)的判別依據(jù)。

1 熔斷器工作原理

無論是何種類型的熔斷器,其工作原理都可看作是在電路中設(shè)置一個熔體,然后設(shè)置一個最小熔體熔斷電流,當(dāng)電流超過最小值時熔體發(fā)熱熔斷并產(chǎn)生電弧,熄弧后斷開電路保護(hù)其他電氣設(shè)備。熔體的熔斷過程如圖1所示。由圖1可見,t1是從起始溫度到熔化點(diǎn)之間的時間;t2是熔化時間;t3是從完全熔化到汽化點(diǎn)之間的時間;t4是汽化時間;t5是燃弧時間。在低電流倍數(shù)下,由于熔體溫升較慢,與周圍介質(zhì)散熱效果較為明顯,從升溫到熔斷的時間較長,所以其熔斷時間可以只考慮t=t1+t2[2-3]。

圖1 熔體的熔斷過程

1.1 熔體發(fā)熱原理

在熔斷器的熔體熔斷過程中,其熱源主要來自于熔體產(chǎn)生的焦耳熱以及向周圍介質(zhì)交換的熱能[3],熔體產(chǎn)生焦耳熱的計算公式為

dQ1=I2Rdt

(1)

式中: dQ1——熔體通過電流產(chǎn)生的焦耳熱;

I——流過熔體的交流電流有效值;

R——導(dǎo)體單位長度的直流電阻。

1.2 熱傳導(dǎo)原理

由熱力學(xué)原理可知,熔斷器在工作過程中與環(huán)境熱交換主要包括熱傳導(dǎo)、熱對流、熱輻射。由于熱輻射傳熱相較于熱傳導(dǎo)和熱對流傳熱的影響較小,一般忽略不計[4]。所以熔體產(chǎn)生的焦耳熱主要在熔體與滅弧介質(zhì)、外套管之間進(jìn)行熱傳導(dǎo),而熔斷器外壁與自然空氣之間進(jìn)行熱對流。

1.2.1 熱傳導(dǎo)

熱傳導(dǎo)是由于溫度的不同而發(fā)生的熱量傳遞現(xiàn)象,熱量會從溫度高的區(qū)域傳遞到溫度低的區(qū)域。單位時間內(nèi),從物體單位面積流過的熱量,稱為熱流密度q[5]。

(2)

式中:q——熱流密度;

Φ——熱量;

A——單位面積;

λ——材料的導(dǎo)熱系數(shù)或者熱導(dǎo)率;

?t——溫度導(dǎo)數(shù);

?n——單位法向量。

q的大小是材料導(dǎo)熱能力強(qiáng)弱的評判標(biāo)準(zhǔn),不同的材料,具有不同的導(dǎo)熱能力[6]。存在熱源的情況下,熱傳導(dǎo)的微分方程為

(3)

式中:T——熱力學(xué)溫度;

qv——熱源區(qū)域的體積發(fā)熱量。

1.2.2 熱對流

熱對流類似于熱傳導(dǎo),只是傳導(dǎo)的介質(zhì)在流體與固體之間或者不同流體之間,且在熱對流過程中,總是伴隨著熱傳導(dǎo)的存在[7]。對流換熱的公式為

q=h·Δt

(4)

式中: Δt——流體和物體的表面溫度;

h——表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)或者對流換熱系數(shù)。

對流換熱系數(shù)與周圍流體的特性有關(guān)[8],也易受多種因素的影響,如流體的各物理參數(shù)、形態(tài)、流速以及物體的形狀、尺寸等。一般空氣自然對流的換熱系數(shù)h在1～10 W/( m2·K )。

在理想狀態(tài)中(忽略流體的運(yùn)動粘度﹑輻射和內(nèi)熱源),假設(shè)處于穩(wěn)態(tài)時,對流換熱的能量微分方程為

(5)

式中:u——流體流速在橫軸的分量;

v——流體流速在縱軸的分量;

2 建模與仿真分析

2.1 物理建模

本文首先對SIBA 6/12 kV熔斷器進(jìn)行三維建模。熔斷器剖面圖、三維建模圖分別如圖2、圖3所示。其主要由陶瓷外殼和中心骨架、石英砂滅弧介質(zhì)、螺旋纏繞在骨架上的熔體以及兩端的觸頭帽構(gòu)成。熔斷器各部分的材料屬性如表1所示[9-10]。

使用Mesh模塊對三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,由于熔斷器各部分形狀、尺寸不同,所以使用多區(qū)域不同網(wǎng)格劃分法,外殼和熔體部分采用六面體網(wǎng)格劃分,觸頭帽和滅弧介質(zhì)采用四面體網(wǎng)格劃分。觸頭帽和外殼、熔體網(wǎng)格劃分分別如圖4、圖5所示。

圖2 熔斷器剖面圖

圖3 熔斷器三維建模圖

表1 熔斷器各部分材料屬性

圖4 觸頭帽和外殼網(wǎng)格劃分

圖5 熔體網(wǎng)格劃分

2.2 設(shè)置邊界條件

本文采用電-熱耦合仿真,熔斷器的熔體通電發(fā)熱,需設(shè)置熔體的通電電流與電壓,由于研究的是熔斷器的溫度分布且熔斷器外壁直接暴露于空氣中,根據(jù)傳熱學(xué)的邊界條件需給定表面對流換熱系數(shù)及環(huán)境溫度。其邊界方程為

(6)

式中:n——流體溫度場的外法線方向;

Γ——求解域邊界;

h——對流換熱系數(shù);

Tf——周圍環(huán)境空氣溫度。

2.3 仿真分析

設(shè)定空氣對流換熱系數(shù)為10 W/( m2·K),工作電流為45 A(額定電流為50 A),考慮到場站處于華北地區(qū),一年四季環(huán)境溫度變化較大,模擬環(huán)網(wǎng)柜內(nèi)熔斷器在春冬季、秋季、夏季下環(huán)境溫度分別為5 ℃、15 ℃、25 ℃進(jìn)行仿真分析。

熔斷器整體溫度分布、外壁溫度分布分別如圖6、圖7所示。在環(huán)境溫度為15 ℃下,熔斷器的外壁溫度范圍為85.701～94.348 ℃,與實(shí)際測量的熔斷器外壁溫度值相差1.7 ℃,說明仿真模型可靠。從仿真結(jié)果中可知:熔斷器外壁中間溫度最高,觸頭帽溫度最低,沿軸向溫度逐漸降低,且兩側(cè)溫度基本對稱;熔斷器溫度雖然受到環(huán)境溫度的影響,但是其外壁溫差、整體溫差基本不受環(huán)境溫度的影響。

圖6 熔斷器整體溫度分布

圖7 熔斷器外壁溫度分布

考慮到過載情況下,熔斷器的熔斷電流為額定電流的1.5～2.0倍,設(shè)置熔斷器電流為25 A、50 A、75 A、100 A。不同電流下熔斷器溫度分布如圖8所示。由圖8可見,加載電流越大,熔斷器整體溫度越高,且外壁溫差越大;當(dāng)加載電流為75 A和100 A時,熔斷器處于過載熔斷階段,外壁溫差到達(dá)24.02 ℃和42.72 ℃,因此可以選擇外壁溫差24～42 ℃作為判別熔斷器是否更換的依據(jù)。

圖8 不同電流下熔斷器溫度分布

2.4 仿真結(jié)論

(1) 熔斷器外壁中間溫度最高,觸頭帽溫度最低,因此可以將測溫點(diǎn)設(shè)置在熔斷器中間、觸頭帽位置,得到熔斷器外壁溫度差。

(2) 雖然在實(shí)際工作現(xiàn)場中,熔斷器溫度測量會受到環(huán)境溫度的影響,且熔斷器內(nèi)部的溫度是不能直接測量的,但是根據(jù)仿真結(jié)果可知,其外壁溫差基本不受環(huán)境溫度的影響,且可以直接測量。因此熔斷器外壁溫差可以作為判別熔斷器運(yùn)行狀態(tài)的依據(jù)。熔斷器運(yùn)行狀態(tài)判別如表2所示。

表2 熔斷器運(yùn)行狀態(tài)判別

在實(shí)際應(yīng)用中,考慮到風(fēng)電場的熔斷器數(shù)量較多,分布較廣,采用在線測溫方式投資成本大、傳感器安裝工程量大,且熔斷器老化需要一定的時間積累,因此選擇離線測溫方式比較穩(wěn)妥。風(fēng)電場可以利用風(fēng)機(jī)巡檢、風(fēng)機(jī)停運(yùn)、集電線路停運(yùn)、小風(fēng)天等,開展風(fēng)機(jī)環(huán)網(wǎng)柜熔斷器專項(xiàng)巡檢,巡檢時使用紅外測溫儀測量熔斷器中間和兩端處的溫度并計算其溫差,記錄溫度變化值。然后根據(jù)表2判別熔斷器運(yùn)行狀態(tài),發(fā)現(xiàn)異常及時進(jìn)行熔斷器更換,避免電氣設(shè)備損壞。

3 結(jié) 語

環(huán)網(wǎng)柜內(nèi)熔斷器老化或故障會導(dǎo)致熔筒爆炸燒毀環(huán)網(wǎng)柜,場站應(yīng)定期對環(huán)網(wǎng)柜運(yùn)行溫度以及熔斷器溫度進(jìn)行監(jiān)測記錄。本文通過對6/12 kV熔斷器“電-熱”耦合仿真分析,提出了熔斷器表面溫度差作為判別熔斷器運(yùn)行狀態(tài)的依據(jù),提高了電氣設(shè)備運(yùn)行可靠性。