基于三维有限元的开关柜接触发热温度场仿真分析

基于三维有限元的开关柜接触发热温度场仿真分析

0开关柜发热原因开关箱是重要的能源生产设备。与大型电网相比，高压开关箱的继电保护配置相对薄弱。如果发生事故，大多数事故会导致母电流泄漏，事故的影响较大。随着经济的快速发展,某些地区用电负荷快速增长,部分变电站的10kV侧负荷电流已接近或超过3.2kA,在实际使用中发现,当电流超过2500A时,母排温升有接近甚至超过允许温升的趋势,不仅影响开关柜的整体温度,更是直接影响设备的安全稳定运行,将对绝缘件的性能和设备寿命造成影响。运行经验表明,变电站内载流故障主要集中在中压开关设备上,存在的问题是:触头过热,引线过热,常扩大为绝缘故障。开关柜内最容易因触头发热而烧毁的元件包括绝缘套管、断路器动力弹簧、电流互感器等。这种发热通常发生在隔离开关的接头处、母排的连接接头处以及断路器插接接头处。有些10kV开关柜在选型设计过程中由于没有充分考虑系统后期扩容需求,随着电力负荷容量的不断增加,其开关动静触头的载流量大小已不能满足电力负荷增长的需求,加上动静触头长期运行,其接触面的镀层逐步脱落并形成相应的化学氧化膜,严重影响了开关触头的导电性能,造成触头接触不良,发生过热故障。另外,开关柜在使用过程中由于检修维护措施没有跟上,灰尘经开关缝隙或接触面逐步进入到开关触头部位,在开关触头面上形成一层脏污面,大大降低了开关的接触性能。接头发热的原因还有检修试验人员工作失误、设备安装连接工艺不当、负荷变形、设备老化变形等。实践证明,制造厂正确处理母排与配套元件端头的连接(接头),减少接头接触电阻,是降低接头温升的有效措施,其中包括正确选用元件端头接触面积,合理的母排装配,采用先进的母排加工工艺等。目前国内外对开关柜的系统的局部温度场研究较少,大部分针对开关柜发热的研究主要集中在测温设备的开发上。电力系统判断柜内导体是否过热的手段一般采用手摸柜面感知法、示温蜡片法等直观感性方法。近年来出现了较为先进的无线射频测温技术、红外测温技术、光栅光纤测温技术、分布式光纤测温技术、电子鼻测温技术等。国内外开展关于接触电阻的研究始于20世纪40年代,霍姆(HOLMR)出版了电接触学科的第1本著作和电接触手册。1966年GREENWOODJA提出了用圆点代替金属平面连接点的模型下的收缩电阻的估算公式;NAKAMURAN和MINOWAL使用有限元法和边界元法对收缩电阻进行了计算;MALUCCIRD综合考虑收缩电阻和膜电阻,提出了新的接触面模型,并用其解释接触电阻的长期特性;TIMSITRS对于接触点的形状和维数对接触电阻的影响作了综述。随后众多学者开始了电接触现象的基础理论研究、材料研究、数学模型研究和电接触的实验诊断技术研究。文中对电器开关触点间的接触电阻的形成作了简单分析,给出了理想状态下的简化模型,推导出了实际情况下的一般模型和计算公式;文中将红外测温技术引入到测量接触电阻引起的温升中;文中介绍了贵金属电触点材料接触电阻的测量方法;文[28-29]中介绍了测量接触电阻的新型仪器。笔者利用三维建模软件Solidworks建立开关柜的实体模型,转换为特定格式导入到ANSYS后加载生热率、复合换热表面传热系数等条件进行温度场数值分析。对额定运行时因局部接触电阻增加而造成的局部温升状态下的高压开关柜的局部温度场进行了分析和比较。1开关柜温度场的分析应用开关柜内热故障大部分是由于局部过热引发的,这种发热通常发生在隔离开关的接头处、母排的连接接头处以及断路器插接接头处。母排接头多为螺栓紧固的方式,属于固定电接触。隔离开关、断路器触头属于可分离电接触。隔离开关触头操纵次数过多或使用年限过长会使隔离开关的压紧弹簧松动,引起发热。手车式断路器通过触臂、梅花触头与静触头插接在一起实现对导电排的取电,柜内断路器的一次插头的插接深度和触片压紧力的大小会直接影响到发热。导体局部发热,其发热率与通过电流的大小、导体的压接强度、压接面积、材料接触面的光洁度、接触部分材料电气和机械的疲劳程度等因素有关。温升过高会使母线连接处或触头接触面过早地氧化腐蚀,导致接触电阻增加,进而又将加剧温升值的增加,形成恶性循环。同时由绝缘材料制成的零部件会因受到热的作用,绝缘强度急剧下降,直到被电压击穿造成开关柜故障。由热故障而引起开关柜内绝缘事故在负荷较重的发达地区变得越来越频繁,因此,开展开关柜温度场特别是因过热的局部温度场的分析、对最热点温度进行监测和对其变化趋势进行预测,对结构进行优化设计具有很强的理论意义与实践意义。电接触理论是接触电阻计算和接头发热特性分析的基础。当两导体相互接触实现电能传递时,无论导体的接触表面经过怎样的精细加工,微观上总是凹凸不平的,真正发生接触的只能是一个或多个微小的点或微小面。在电接触研究中,通常将两导体(或触头、触点)宏观重叠的面积称为名义接触面或者视在接触面,而将实际接触面称为接触斑点,即使在接触斑点接触区域内,由于触头表面通常覆盖有一层表面膜,所以真正能够传导电流的区域只是那些金属直接接触或金属与导体的表面膜接触的区域。由于上述原因,电流流过接触位置时,实际上电流将集中流过那些极小的导电斑点,在导电斑点附近必将出现电流线的收缩,使电流流过的路径增长,有效导电面积减小,因而出现局部的附加电阻,称为“收缩电阻”。收缩电阻与导电斑点尺寸成反比,与接触材料的电阻率成正比。若电流流过的导电斑点不是纯金属接触,而是存在可导电的表面膜,则还存在着另一个附加电阻,称为“膜电阻”。接触电阻的值Rj为收缩电阻Rs与表面膜电阻Rb之和,即由于计算导电斑点数和斑点的平均半径十分困难,工程上常用宏观的手段研究接触电阻的经验公式。它是与接触压力、接触材料性质、表面状况、接触形式、压力范围、接触点数目等因素有关的指数。式(2)中:F为接触压力;Rj为接触电阻;m为与接触形式、压力范围和接触点数目有关的指数;kj为与接触材料、表面状况有关的系数。由于接触电阻的存在,在电流收缩区两端必将出现“接触压降”。接触电阻产生焦耳热,使收缩区的温度升高,电流通过导体接触部位时,由于接触电阻的存在,在电流收缩区两端必然出现一定的电压降,即“接触压降”。接触斑点相对于收缩区外导体的“超温”和接触压降的简单函数关系为式(3)中:θ为导电斑点的超温;U为接触压降;为两接触导体的热导率和电阻率乘积的平均值。2对温度场的设置采用典型的箱式固定式开关柜XGN2-12/3150建立模型,参数列于表1。开关柜的结构图见图1,在Solidworks中建立的模型见图2。求解额定运行情况下,导体接触部位(隔离开关、断路器触头、母排压接处)在设定不同接触电阻下的情况下三维温度场的分布。开关柜内导体对外换热方式包括对流和辐射,换热强度可用复合换热表面换热系数h表示,h是对流换热系数hc、辐射换热系数hr的和,即h=hc+hr,文在对电气触点温度的理论计算中取换热系数h=10W/m2·℃,文通过计算认为高电压真空断路器散热表面的换热系数h的值在7.74~12.66之间,hc的值在4~6.63之间。考虑辐射后的换热系数h约为不考虑辐射时的hc的两倍。文中综合考虑对流和辐射,柜内导体的表面换热系数取h=10W/(m2·℃)。环境温度考虑夏季炎热时的情况,取40℃。不考虑导体邻近效应、涡流、磁滞损耗及介质损耗发热对局部温度场的影响。3模拟结果表明，局部热温度场分布值的计算结果3.1开关柜整体温度分布不考虑接触电阻影响,各接触点接触电阻均设定为0Ω时,开关柜整体温度分布见图3,隔离开关接头部位温度最高,为62.61℃,断路器触头最高温度为50.22℃,母排最高温度为57.26℃。3.2温度场分布分析大电流开关柜正常运行状态下,整体回路电阻在100μΩ以内,参考相关文献和产品说明书,设定母排压接点接触电阻为6μΩ,隔离开关接触电阻为20μΩ,断路器接触电阻为25μΩ,该柜型有6个母排压接点,总回路电阻R=81μΩ。各接触位置接触电阻取值见表2。温度场分布见图4。考虑整体回路电阻后,温度场分布发生了明显变化。断路器触头部位的温度最高,为143.88℃,隔离开关接触部位最高温度为104.51℃,母排接触部位的最高温度为99.91℃。整体而言,开关柜中部器件温度较高,接触点部位温度较其他部位高。与不考虑接触电阻时相比,断路器最高温度由50.22℃升高到143.88℃,隔离开关最高温度由62.21℃升高到104.51℃,母排最高温度由57.26℃升高到99.91℃,各器件的温度均有大幅提升,可见接触电阻对于开关柜的发热起到了至关重要的作用。3.3隔离开关接触电阻的变化在考虑正常回路电阻的基础上,改变各接触点接触电阻的值。接触电阻的变化取值见表3。接触电阻变化过程中隔离开关最高温度Tg、断路器最高温度Td、母排最高温度Tm以及相应的开关柜器件总体最高温度Tmax随接触电阻的变化趋势见图5-7。隔离开关最高温度Tg、断路器最高温度Td、母排最高温度Tm随接触电阻的增大呈线性增大趋势。隔离开关接触电阻由20μΩ上升到100μΩ时,Tg由104.51℃上升到216.60℃,其接触电阻上升到60μΩ后,Tg与Tmax的变化曲线重合,说明此时的隔离开关温度代表开关柜的最高温度。断路器接触电阻由25μΩ上升到100μΩ时,Td由143.88℃上升到369.22℃,Td与Tmax的变化曲线重合,说明断路器触头温度代表开关柜的最高温度。单个母排压接处接触电阻由6μΩ上升到100μΩ时,Tm由64.44℃上升到242.75℃,其接触电阻上升到60μΩ后,Tg与Tmax的变化曲线重合,说明此时的隔离开关温度代表开关柜的最高温度。3.4隔离开关接触电阻的变化规律对接头附近的导体温度随接头最高发热温度变化规律进行了分析,为实现对触头温升的准确监测,在距离触头较近的导体部位(5cm范围内)设置温度监测点,模拟采用接触式测温方法(热电偶式探头测温、分布式光纤测温)对隔离开关旋转触头、断路器触头、母排压接接头温升进行监测,见图8。定义温度监控点监测的温度值和接头(触头)实际最高温度值的温差δ=Ts-Tc,其中Ts为接头实际最高温度,Tc为监控点温度,δ为温差。隔离开关旋转触头、断路器触头、母排压接接头最高温度与温度监控点的温差δg、δd、δm随接触电阻的变化趋势见图9。可以看出,隔离开关旋转触头、断路器触头、母排压接接头最高温度与温度监控点的相对温差δg、δd、δm随接触电阻Rj的值增大而增大,呈现线性变化趋势。由于断路器温度监控部位离触头距离较远,其温度与触头最高温度的相对温差最大,断路器接触电阻由25μΩ上升到100μΩ时,δd由47.25℃上升到225.16℃。隔离开关接触电阻由25μΩ上升到100μΩ时,δg由13.35℃上升到59.15℃。母排压接处接触电阻由6μΩ上升到100μΩ时,δm由2.31℃上升到31.80℃。以上分析说明,温度监测部位所测得的温度和最高发热温度有一定的区别,且随着接触电阻增大,发热程度的增加,这些部位监测的温度与最高温度的相对温差也越来越大。所以温度监测部位的温度并不一定能反映真实的发热温度,而是比真实发热温度偏低。在利用这些测温部位所测温度判断真实发热状态时要考虑校正。4接触电阻的影响1)开关柜内各个接头部位由于电流流线集中以及接触电阻的存在,发热较其他导体部位更严重。与不考虑接触电阻时相比,考虑正常运行状态下的接触电阻时,断路器最高温度由50.22℃升高到143.88℃,隔离开关最高温度由62.21℃升高到104.51℃,母排最高温度由57.26℃升高到99.91℃,各器件的温度均有大幅