張 鑫，朱 凱，張會杰，程小紅，唐 成

（西安西電開關電氣有限公司，西安 710077）

0 引言

發(fā)電機斷路器是安裝在發(fā)電機和變壓器之間的斷路器，可以高效地開斷發(fā)電機源和系統(tǒng)源短路故障，保護發(fā)電機和變壓器[1]。發(fā)電機斷路器額定電流較高，通常為6 300～36 000 A，較高的額定電流所產(chǎn)生的導體溫升直接影響了發(fā)電機斷路器的機械性能和電氣性能，導體結構設計為發(fā)電機斷路器設計的關鍵環(huán)節(jié)。本文以ZHN10-24 型發(fā)電機斷路器為分析對象，該產(chǎn)品為國內(nèi)首臺用于300 MV-400 MVA 發(fā)電機用保護斷路器成套裝置，額定電壓24 kV，額定電流15 000 A，額定短路電流100 kA，峰值耐受電流300 kA，斷路器采用六氟化硫作為絕緣介質(zhì)，采用自能雙氣室滅弧室，隔離開關、接地開關以空氣作為絕緣介質(zhì)。斷路器、隔離開關、接地開關均采用三相聯(lián)動，斷路器配用液壓彈簧操動機構，隔離開關、接地開關采用電動機構，產(chǎn)品外形如圖1所示。

圖1 ZHN10-24發(fā)電機斷路器外形

設計時考慮該斷路器額定電流參數(shù)高，通過設計散熱翅片，增加導體與周圍空氣的接觸面積，增強與周圍空氣的熱對流，提高通流能力；對不同導體的連接部位增加接觸面積和增大接觸壓力，有效降低接觸電阻。對導體進行了各種優(yōu)化設計。

為了驗證設計的合理性和研究大電流通流導體溫升的分布規(guī)律，基于電磁學和傳熱學原理，建立了大容量發(fā)電機斷路器導電回路穩(wěn)態(tài)熱分析模型，計算出導體和周圍空氣的溫度場分布；隨后對發(fā)電機斷路器樣機進行了溫升試驗，并對仿真結果和試驗數(shù)據(jù)進行對比，驗證了溫升仿真方法的有效性和正確性。

1 仿真計算

溫升仿真計算時，通過建立該產(chǎn)品的有限元分析模型，對連續(xù)通流后的穩(wěn)態(tài)發(fā)熱和散熱過程進行分析，使用Ansys Maxwell軟件計算其電流、磁場和渦流損耗分布情況。然后把Maxwell 磁場計算的熱損耗按網(wǎng)格節(jié)點導入Fluent，保持了各部分損耗的不均勻分布特性。使用Fluent軟件對產(chǎn)品進行熱流場分析，最終得出產(chǎn)品溫度場和氣流場分布云圖。其仿真流程如圖2所示。

圖2 仿真計算流程

1.1 溫升仿真分析基本理論

發(fā)電機斷路器在正常運行時，導體通15 000 A 交流電流，時變電流產(chǎn)生時變磁場，時變磁場產(chǎn)生時變電場，從而產(chǎn)生渦流[2-3]，麥克斯韋方程組：

式中：H為磁場強度；J為電流面密度；E為電場強度；B為磁通密度。

整個導體的損耗方程為：

式中：J為電流密度矢量；σ為導電率。

斷路器導體與靜觸頭、動觸頭之間主要傳熱方式為熱傳導，斷路器導體與周圍空氣之間的傳熱方式以熱對流為主[3-6]。

熱傳導遵循傅里葉定律為：

式中：k為導熱系數(shù)。

導體熱量通過空氣流動傳遞到方外殼的過程，可以用牛頓冷卻方程表達為[4-6]：

式中：h為對流換熱系數(shù)；Tm和Tk為斷路器導體和方外殼溫度。

1.2 仿真建模及求解

為了簡化計算，只取斷路器部分參與通流的部分為建?；A，同時考慮到模型的左右對稱性，為減小計算量，提高仿真效率，取半模型計算[7-9]。模型簡化中，因額定通流回路和滅弧回路并聯(lián)，且滅弧回路電阻遠大于額定通流回路，所以去除了滅弧室中的滅弧回路和不參與通流的傳動系統(tǒng)部分，還去掉了導體上的螺紋孔等不必要的幾何細節(jié)，并對一些其他結構進行了合并，以減少網(wǎng)格數(shù)量和計算時間。為了保證準確的數(shù)據(jù)傳遞，電磁場與流場計算模型一致。圖3 所示為經(jīng)過處理后的發(fā)電機斷路器仿真計算三維模型，保留了內(nèi)部氣流道和散熱結構。有散熱翅片的為發(fā)電機斷路器導體，為鋁制零件，導體為密封結構，內(nèi)部充有六氟化硫氣體，通流15 000 A。導體外部方外殼為鋁板焊接件，相當于通流導體的接地保護外殼。導體與方外殼之間為干燥空氣。

圖3 仿真計算模型

為使仿真更加接近實際工況，對斷路器靜主觸頭與動主觸頭、導體接觸部位增加接觸電阻。結合實測值對各接觸電阻賦值。接觸1和接觸2為彈簧滑動接觸，接觸3和接觸4位螺栓固定連接，如圖4 所示各電接觸位置。具體接觸電阻賦值情況如表1所示。

圖4 電接觸位置示意圖

表1 各接觸電阻值

計算過程如下4 個步驟：（1）建立有限元模型；（2）劃分網(wǎng)格；（3）加載激勵及邊界條件；（4）求解及后處理。計算中全面考慮了集膚效應、鄰近效應和外殼渦流的影響[10]。15 000 A交流損耗計算結果如表2所示。

表2 交流損耗

通15 000 A 交流電，仿真計算后，將Maxwell 計算結果導入Fluent，模型加周圍環(huán)境空氣，進行自然對流散熱仿真。圖5 所示為整個計算模型的網(wǎng)格劃分，包括周圍環(huán)境空氣、箱體、斷路器導體、箱體與導體之間的空氣、導體內(nèi)六氟化硫氣體等6 部分的網(wǎng)格。圖6 所示為斷路器導體加六氟化硫網(wǎng)格。

圖5 流體模型的網(wǎng)格

圖6 斷路器網(wǎng)格

斷路器內(nèi)部六氟化硫和外部空氣的溫度和流動情況如下，從圖7可以明顯看出，斷路器內(nèi)部六氟化硫氣體溫升在60 K左右，斷路器方箱體內(nèi)部空氣溫度依次遞減從斷路器表面溫升從60 K 左右到靠近方箱體溫升20 左右。斷路器底部流速基本在0.1 m/s 以下，而上部表面空氣流速均大于0.2 m/s 甚至最靠部位達到0.4 m/s，流動較快。

圖7 氣體溫度和流速

各部件溫度分布如圖8～10 所示。導體表面溫度分布、內(nèi)部溫度場分布和外殼溫度分布的規(guī)律基本一致。箱體內(nèi)斷路器導體上部空氣流動快溫度低，在斷路器導體A 和導體B 上，也是上部溫度低，下部溫度高。因接觸電阻原因，整個斷路器固定連接和滑動連接部位溫度較導體其他部位高。

圖8 導體A處溫度分布

圖9 觸指附近溫度分布

2 試驗驗證

為驗證發(fā)電機斷路器溫升仿真計算的正確性和導電回路設計的可靠性，設計搭建了完善溫升試驗樣機和試驗輔助工裝。

2.1 試驗回路

通過給該產(chǎn)品通過一定時間的額定電流，檢測其發(fā)熱狀況，驗證其載流能力，將電網(wǎng)的380 V/50 Hz 供電直接進行調(diào)壓、升流后實現(xiàn)，具體實現(xiàn)原理如圖11所示。

圖10 導體B處溫度分布

圖11 試驗回路原理

發(fā)電機斷路器額定電流較大，一般進行單相試驗，模擬發(fā)電機斷路器實際運行工況，兩端加裝離相封閉母線溫升工裝[11-13]，典型溫升試驗布置如圖12 所示，箭頭為電流運行方向。電流首先從進線側內(nèi)導工裝進入，流經(jīng)試品斷路器及其他通流元件，再經(jīng)過回線側內(nèi)導和回線側外殼，再經(jīng)過方外殼，從進線側外殼回流。

圖12 典型溫升試驗布置

2.2 仿真與試驗對比

為了驗證產(chǎn)品的性能和仿真計算結果的準確性，在試驗室，給發(fā)電機斷路器通入15 000 A電流進行溫升型式試驗，如圖13 所示，用熱電偶原理測量斷路器溫升，選取了斷路器導體、觸頭、動觸頭上10 個關鍵點的最高點溫升值進行對比，仿真計算值與試驗實測值基本一致，誤差小于4 K，對比結果如表3所示。

表3 溫升值對比

圖13 試驗照片

3 結束語

本文建立了ZHN10-24 型發(fā)電機斷路器電磁流體溫度多物理耦合場模型，首次研究了大容量發(fā)電機斷路器導體溫升的仿真計算方法，并和試驗結果進行了對比，得出以下結論。

（1）接觸電阻是引起局部發(fā)熱的主因，可以通過增加電連接接觸面積和增大接觸壓力等方法減小接觸電阻。

（2）溫升仿真計算值和試驗值誤差不大于4 K，證明了計算方法和仿真模型的有效性，所建立的仿真模型和結論為以后設計提供了可靠的依據(jù)。

（3）本文中溫升仿真和溫升試驗方法不僅適用于大容量發(fā)電機斷路器的溫升研究，同時也可為大電流高壓電器產(chǎn)品的通流設計提供參考依據(jù)。