一種中壓交流真空斷路器穩(wěn)態(tài)熱分析

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電回路的結構。針對4000 A穩(wěn)態(tài)載流狀態(tài)，對其進行了熱電耦合仿真。通過求解回路中各組件的熱載荷，并應用綜合散熱系數處理表面對流散熱，對回路的穩(wěn)態(tài)溫度場進行了仿真計算，得到了其穩(wěn)態(tài)溫度分布。對斷路器進行穩(wěn)態(tài)溫升試驗，并將測量點的試驗數據與仿真計算結果進行對比，驗證了仿真的有效性。該仿真方法可以指導中壓交流真空斷路器的設計。

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、質量輕、結構簡單等諸多優(yōu)點，在3.6~40.5 kV電力網絡中，真空斷路器的使用占比達到98%以上，占據絕對優(yōu)勢[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)測真空弧室中觸頭狀態(tài)的重要指標，因此通過各種方法對斷路器內部溫度分布進行分析是一個重要的課題[4]。

基于路模型的解析法常用于對各種開關電器溫升初步估算，但其精度較低，且不能得到溫度分布[4,5]。隨著計算機技術和數值計算的進步，溫度場的數值算法得到了廣泛應用，尤其是有限元算法，可以達到很高的計算精度[6]。經過大量溫升試驗驗證，基于ANSYS平臺的穩(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可[7,8]。

本文針對某新型中壓真空斷路器，對其在4000 A載流狀態(tài)下的穩(wěn)態(tài)溫升進行了有限元仿真分析，并通過試驗獲取了穩(wěn)態(tài)溫升數據，驗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電回路結構示意圖，導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、出線排組成。斷路器在工作狀態(tài)時，需要承載4000 A額定電流，電流由從一側載流排流進，經載流組件和滅弧室后從另一側載流排流出。

圖1 中壓交流真空斷路器導電回路示意圖

2 中壓交流真空斷路器熱分析方法

斷路器工作狀態(tài)時，導電回路由于承載工作電流會使斷路器內部溫度上升，由此形成的溫度場為穩(wěn)態(tài)熱場。對該穩(wěn)態(tài)熱場進行熱分析包括熱源和熱傳遞兩部分。

導電回路熱場的熱源來自于回路通流時產生的焦耳熱，包含金屬導體材料自身在一定電流密度下產生的焦耳熱和不同導體接觸面之間的電阻所產生的熱量。

熱傳遞的方式分為熱傳導、熱對流和熱輻射3種。由于導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和熱對流對熱場的影響。熱傳導遵循傅立葉定律：

工程上常使用牛頓冷卻方程來描述對流傳熱：

對于表面上任一點，則有：

式中：為導熱系數，1和2分別為固體表面溫度與周圍流體溫度。

3 斷路器導電回路溫升仿真

根據GB/T 11022-2011要求,高壓開關設備在周圍空氣溫度不超過25℃時，斷路器導電回路中的最大允許溫升應滿足表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、出線銅排連接處6590 載流部件7095 動、靜觸頭端部75100 滅弧室與載流部件連接處75100 滅弧室動端及與導電夾80105

導電回路溫度場仿真的熱源為導體自身發(fā)熱和接觸面接觸電阻產生的焦耳熱。導電回路中除了滅弧室觸頭為銅鉻合金以外，其余導體材料均為紫銅，兩種材料的電阻溫度系數均為正。而對于不同零部件之間的接觸電阻采用面電阻模型進行模擬，假設在兩個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為接觸電阻而產生的焦耳熱。

在不超過斷路器允許溫升的條件下（小于200℃），導電回路中各導體的輻射傳熱數量級很小可忽略，導體體電阻和接觸電阻產生的焦耳熱主要通過熱傳導和熱對流方式傳遞，其中熱傳導部分由溫度梯度以及熱導率決定。ANSYS使用牛頓冷卻方程計算對流換熱量，需要輸入綜合對流換熱系數。根據經驗，斷路器柜內的對流換熱系數一般為4~8 W/(m2·K)-1，本文仿真過程中取對流換熱系數為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流換熱邊界條件，對真空滅弧室中的動、靜觸頭表面添加絕熱邊界，同時在導電回路的端面上施加電流和電壓激勵。

圖2 原滅弧室仿真計算結果

圖3為整個導電回路的電流密度云圖，由圖可知導電回路中大部分區(qū)域電流密度較小。不到3 A/mm2，整個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 導電回路電流密度分布

圖4為斷路器導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電夾連接部位，其次為動、靜觸頭的接觸面以及觸臂的觸指和母排的連接部位：觸頭主要是因為電流橫截面小，且材料電阻率高，而載流部件和連接排主要是因為電流截面小。整個導電回路的總電阻為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 導電回路功率密度分布

將上述功率密度作為導電回路的熱載荷，環(huán)境溫度40 ℃，對斷路器導電回路進行進行穩(wěn)態(tài)溫升仿真，所得到的穩(wěn)態(tài)溫升如圖5所示。從整個導電回路的溫升分布可以看到，溫度從動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部由于缺乏對流散熱，由動、靜觸頭間的接觸電阻所產生的焦耳熱發(fā)生了積累，使得該位置溫度明顯上升。由于導電回路均為金屬材料，熱導率較高，滅弧室內部的熱量通過熱傳導到上、下載流部件上，導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，具有較好的對流散熱條件，因此對流散熱產生的熱量可以及時得到轉移，導致溫升相對較低。

圖5 斷路器導電回路溫升仿真結果

4 主回路穩(wěn)態(tài)溫升試驗

對斷路器進行穩(wěn)態(tài)溫升試驗，準備直流短路發(fā)電機、萬用表、溫升測量裝置、回路電阻測量儀等裝置。穩(wěn)態(tài)溫升測量回路如圖6所示，短路發(fā)電機進出線端使用4根截面為100 mm×10 mm、長度為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，使用毫伏表測量主回路兩端電位差。

表2 測量點溫度實際溫升與仿真溫升對比

圖6 溫升試驗測試點示意圖

主回路溫升測量點如圖7所示，測量點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位于滅弧室動觸頭導電夾位置。實驗前環(huán)境溫度23℃。

5 結論

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，計算了斷路器在4000 A電流下的穩(wěn)態(tài)溫升，并通過與實際溫升試驗的結果經行比較，可以得出以下結論：

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

2) 導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) 采用有限元軟件對斷路器導電回路的穩(wěn)態(tài)溫升進行仿真計算，計算結果較為準確，與實際值誤差在4 K以內。

由以上結論可知，本文中的溫升仿真方法能有效地預測中壓交流真空斷路器中的溫度分布，指導中壓交流斷路器導電回路的散熱設計。

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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：艦船直流保護電器。E-mail: xpxfmm@163.com