基于三維有限元的開關柜接觸發(fā)熱溫度場仿真分析

基于三維有限元的開關柜接觸發(fā)熱溫度場仿真分析

0開關柜發(fā)熱原因開關箱是重要的能源生產(chǎn)設備。與大型電網(wǎng)相比，高壓開關箱的繼電保護配置相對薄弱。如果發(fā)生事故，大多數(shù)事故會導致母電流泄漏，事故的影響較大。隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展,某些地區(qū)用電負荷快速增長,部分變電站的10kV側負荷電流已接近或超過3.2kA,在實際使用中發(fā)現(xiàn),當電流超過2500A時,母排溫升有接近甚至超過允許溫升的趨勢,不僅影響開關柜的整體溫度,更是直接影響設備的安全穩(wěn)定運行,將對絕緣件的性能和設備壽命造成影響。運行經(jīng)驗表明,變電站內載流故障主要集中在中壓開關設備上,存在的問題是:觸頭過熱,引線過熱,常擴大為絕緣故障。開關柜內最容易因觸頭發(fā)熱而燒毀的元件包括絕緣套管、斷路器動力彈簧、電流互感器等。這種發(fā)熱通常發(fā)生在隔離開關的接頭處、母排的連接接頭處以及斷路器插接接頭處。有些10kV開關柜在選型設計過程中由于沒有充分考慮系統(tǒng)后期擴容需求,隨著電力負荷容量的不斷增加,其開關動靜觸頭的載流量大小已不能滿足電力負荷增長的需求,加上動靜觸頭長期運行,其接觸面的鍍層逐步脫落并形成相應的化學氧化膜,嚴重影響了開關觸頭的導電性能,造成觸頭接觸不良,發(fā)生過熱故障。另外,開關柜在使用過程中由于檢修維護措施沒有跟上,灰塵經(jīng)開關縫隙或接觸面逐步進入到開關觸頭部位,在開關觸頭面上形成一層臟污面,大大降低了開關的接觸性能。接頭發(fā)熱的原因還有檢修試驗人員工作失誤、設備安裝連接工藝不當、負荷變形、設備老化變形等。實踐證明,制造廠正確處理母排與配套元件端頭的連接(接頭),減少接頭接觸電阻,是降低接頭溫升的有效措施,其中包括正確選用元件端頭接觸面積,合理的母排裝配,采用先進的母排加工工藝等。目前國內外對開關柜的系統(tǒng)的局部溫度場研究較少,大部分針對開關柜發(fā)熱的研究主要集中在測溫設備的開發(fā)上。電力系統(tǒng)判斷柜內導體是否過熱的手段一般采用手摸柜面感知法、示溫蠟片法等直觀感性方法。近年來出現(xiàn)了較為先進的無線射頻測溫技術、紅外測溫技術、光柵光纖測溫技術、分布式光纖測溫技術、電子鼻測溫技術等。國內外開展關于接觸電阻的研究始于20世紀40年代,霍姆(HOLMR)出版了電接觸學科的第1本著作和電接觸手冊。1966年GREENWOODJA提出了用圓點代替金屬平面連接點的模型下的收縮電阻的估算公式;NAKAMURAN和MINOWAL使用有限元法和邊界元法對收縮電阻進行了計算;MALUCCIRD綜合考慮收縮電阻和膜電阻,提出了新的接觸面模型,并用其解釋接觸電阻的長期特性;TIMSITRS對于接觸點的形狀和維數(shù)對接觸電阻的影響作了綜述。隨后眾多學者開始了電接觸現(xiàn)象的基礎理論研究、材料研究、數(shù)學模型研究和電接觸的實驗診斷技術研究。文中對電器開關觸點間的接觸電阻的形成作了簡單分析,給出了理想狀態(tài)下的簡化模型,推導出了實際情況下的一般模型和計算公式;文中將紅外測溫技術引入到測量接觸電阻引起的溫升中;文中介紹了貴金屬電觸點材料接觸電阻的測量方法;文[28-29]中介紹了測量接觸電阻的新型儀器。筆者利用三維建模軟件Solidworks建立開關柜的實體模型,轉換為特定格式導入到ANSYS后加載生熱率、復合換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)等條件進行溫度場數(shù)值分析。對額定運行時因局部接觸電阻增加而造成的局部溫升狀態(tài)下的高壓開關柜的局部溫度場進行了分析和比較。1開關柜溫度場的分析應用開關柜內熱故障大部分是由于局部過熱引發(fā)的,這種發(fā)熱通常發(fā)生在隔離開關的接頭處、母排的連接接頭處以及斷路器插接接頭處。母排接頭多為螺栓緊固的方式,屬于固定電接觸。隔離開關、斷路器觸頭屬于可分離電接觸。隔離開關觸頭操縱次數(shù)過多或使用年限過長會使隔離開關的壓緊彈簧松動,引起發(fā)熱。手車式斷路器通過觸臂、梅花觸頭與靜觸頭插接在一起實現(xiàn)對導電排的取電,柜內斷路器的一次插頭的插接深度和觸片壓緊力的大小會直接影響到發(fā)熱。導體局部發(fā)熱,其發(fā)熱率與通過電流的大小、導體的壓接強度、壓接面積、材料接觸面的光潔度、接觸部分材料電氣和機械的疲勞程度等因素有關。溫升過高會使母線連接處或觸頭接觸面過早地氧化腐蝕,導致接觸電阻增加,進而又將加劇溫升值的增加,形成惡性循環(huán)。同時由絕緣材料制成的零部件會因受到熱的作用,絕緣強度急劇下降,直到被電壓擊穿造成開關柜故障。由熱故障而引起開關柜內絕緣事故在負荷較重的發(fā)達地區(qū)變得越來越頻繁,因此,開展開關柜溫度場特別是因過熱的局部溫度場的分析、對最熱點溫度進行監(jiān)測和對其變化趨勢進行預測,對結構進行優(yōu)化設計具有很強的理論意義與實踐意義。電接觸理論是接觸電阻計算和接頭發(fā)熱特性分析的基礎。當兩導體相互接觸實現(xiàn)電能傳遞時,無論導體的接觸表面經(jīng)過怎樣的精細加工,微觀上總是凹凸不平的,真正發(fā)生接觸的只能是一個或多個微小的點或微小面。在電接觸研究中,通常將兩導體(或觸頭、觸點)宏觀重疊的面積稱為名義接觸面或者視在接觸面,而將實際接觸面稱為接觸斑點,即使在接觸斑點接觸區(qū)域內,由于觸頭表面通常覆蓋有一層表面膜,所以真正能夠傳導電流的區(qū)域只是那些金屬直接接觸或金屬與導體的表面膜接觸的區(qū)域。由于上述原因,電流流過接觸位置時,實際上電流將集中流過那些極小的導電斑點,在導電斑點附近必將出現(xiàn)電流線的收縮,使電流流過的路徑增長,有效導電面積減小,因而出現(xiàn)局部的附加電阻,稱為“收縮電阻”。收縮電阻與導電斑點尺寸成反比,與接觸材料的電阻率成正比。若電流流過的導電斑點不是純金屬接觸,而是存在可導電的表面膜,則還存在著另一個附加電阻,稱為“膜電阻”。接觸電阻的值Rj為收縮電阻Rs與表面膜電阻Rb之和,即由于計算導電斑點數(shù)和斑點的平均半徑十分困難,工程上常用宏觀的手段研究接觸電阻的經(jīng)驗公式。它是與接觸壓力、接觸材料性質、表面狀況、接觸形式、壓力范圍、接觸點數(shù)目等因素有關的指數(shù)。式(2)中:F為接觸壓力;Rj為接觸電阻;m為與接觸形式、壓力范圍和接觸點數(shù)目有關的指數(shù);kj為與接觸材料、表面狀況有關的系數(shù)。由于接觸電阻的存在,在電流收縮區(qū)兩端必將出現(xiàn)“接觸壓降”。接觸電阻產(chǎn)生焦耳熱,使收縮區(qū)的溫度升高,電流通過導體接觸部位時,由于接觸電阻的存在,在電流收縮區(qū)兩端必然出現(xiàn)一定的電壓降,即“接觸壓降”。接觸斑點相對于收縮區(qū)外導體的“超溫”和接觸壓降的簡單函數(shù)關系為式(3)中:θ為導電斑點的超溫;U為接觸壓降;為兩接觸導體的熱導率和電阻率乘積的平均值。2對溫度場的設置采用典型的箱式固定式開關柜XGN2-12/3150建立模型,參數(shù)列于表1。開關柜的結構圖見圖1,在Solidworks中建立的模型見圖2。求解額定運行情況下,導體接觸部位(隔離開關、斷路器觸頭、母排壓接處)在設定不同接觸電阻下的情況下三維溫度場的分布。開關柜內導體對外換熱方式包括對流和輻射,換熱強度可用復合換熱表面換熱系數(shù)h表示,h是對流換熱系數(shù)hc、輻射換熱系數(shù)hr的和,即h=hc+hr,文在對電氣觸點溫度的理論計算中取換熱系數(shù)h=10W/m2·℃,文通過計算認為高電壓真空斷路器散熱表面的換熱系數(shù)h的值在7.74~12.66之間,hc的值在4~6.63之間?？紤]輻射后的換熱系數(shù)h約為不考慮輻射時的hc的兩倍。文中綜合考慮對流和輻射,柜內導體的表面換熱系數(shù)取h=10W/(m2·℃)。環(huán)境溫度考慮夏季炎熱時的情況,取40℃。不考慮導體鄰近效應、渦流、磁滯損耗及介質損耗發(fā)熱對局部溫度場的影響。3模擬結果表明，局部熱溫度場分布值的計算結果3.1開關柜整體溫度分布不考慮接觸電阻影響,各接觸點接觸電阻均設定為0Ω時,開關柜整體溫度分布見圖3,隔離開關接頭部位溫度最高,為62.61℃,斷路器觸頭最高溫度為50.22℃,母排最高溫度為57.26℃。3.2溫度場分布分析大電流開關柜正常運行狀態(tài)下,整體回路電阻在100μΩ以內,參考相關文獻和產(chǎn)品說明書,設定母排壓接點接觸電阻為6μΩ,隔離開關接觸電阻為20μΩ,斷路器接觸電阻為25μΩ,該柜型有6個母排壓接點,總回路電阻R=81μΩ。各接觸位置接觸電阻取值見表2。溫度場分布見圖4?？紤]整體回路電阻后,溫度場分布發(fā)生了明顯變化。斷路器觸頭部位的溫度最高,為143.88℃,隔離開關接觸部位最高溫度為104.51℃,母排接觸部位的最高溫度為99.91℃。整體而言,開關柜中部器件溫度較高,接觸點部位溫度較其他部位高。與不考慮接觸電阻時相比,斷路器最高溫度由50.22℃升高到143.88℃,隔離開關最高溫度由62.21℃升高到104.51℃,母排最高溫度由57.26℃升高到99.91℃,各器件的溫度均有大幅提升,可見接觸電阻對于開關柜的發(fā)熱起到了至關重要的作用。3.3隔離開關接觸電阻的變化在考慮正常回路電阻的基礎上,改變各接觸點接觸電阻的值。接觸電阻的變化取值見表3。接觸電阻變化過程中隔離開關最高溫度Tg、斷路器最高溫度Td、母排最高溫度Tm以及相應的開關柜器件總體最高溫度Tmax隨接觸電阻的變化趨勢見圖5-7。隔離開關最高溫度Tg、斷路器最高溫度Td、母排最高溫度Tm隨接觸電阻的增大呈線性增大趨勢。隔離開關接觸電阻由20μΩ上升到100μΩ時,Tg由104.51℃上升到216.60℃,其接觸電阻上升到60μΩ后,Tg與Tmax的變化曲線重合,說明此時的隔離開關溫度代表開關柜的最高溫度。斷路器接觸電阻由25μΩ上升到100μΩ時,Td由143.88℃上升到369.22℃,Td與Tmax的變化曲線重合,說明斷路器觸頭溫度代表開關柜的最高溫度。單個母排壓接處接觸電阻由6μΩ上升到100μΩ時,Tm由64.44℃上升到242.75℃,其接觸電阻上升到60μΩ后,Tg與Tmax的變化曲線重合,說明此時的隔離開關溫度代表開關柜的最高溫度。3.4隔離開關接觸電阻的變化規(guī)律對接頭附近的導體溫度隨接頭最高發(fā)熱溫度變化規(guī)律進行了分析,為實現(xiàn)對觸頭溫升的準確監(jiān)測,在距離觸頭較近的導體部位(5cm范圍內)設置溫度監(jiān)測點,模擬采用接觸式測溫方法(熱電偶式探頭測溫、分布式光纖測溫)對隔離開關旋轉觸頭、斷路器觸頭、母排壓接接頭溫升進行監(jiān)測,見圖8。定義溫度監(jiān)控點監(jiān)測的溫度值和接頭(觸頭)實際最高溫度值的溫差δ=Ts-Tc,其中Ts為接頭實際最高溫度,Tc為監(jiān)控點溫度,δ為溫差。隔離開關旋轉觸頭、斷路器觸頭、母排壓接接頭最高溫度與溫度監(jiān)控點的溫差δg、δd、δm隨接觸電阻的變化趨勢見圖9?？梢钥闯?隔離開關旋轉觸頭、斷路器觸頭、母排壓接接頭最高溫度與溫度監(jiān)控點的相對溫差δg、δd、δm隨接觸電阻Rj的值增大而增大,呈現(xiàn)線性變化趨勢。由于斷路器溫度監(jiān)控部位離觸頭距離較遠,其溫度與觸頭最高溫度的相對溫差最大,斷路器接觸電阻由25μΩ上升到100μΩ時,δd由47.25℃上升到225.16℃。隔離開關接觸電阻由25μΩ上升到100μΩ時,δg由13.35℃上升到59.15℃。母排壓接處接觸電阻由6μΩ上升到100μΩ時,δm由2.31℃上升到31.80℃。以上分析說明,溫度監(jiān)測部位所測得的溫度和最高發(fā)熱溫度有一定的區(qū)別,且隨著接觸電阻增大,發(fā)熱程度的增加,這些部位監(jiān)測的溫度與最高溫度的相對溫差也越來越大。所以溫度監(jiān)測部位的溫度并不一定能反映真實的發(fā)熱溫度,而是比真實發(fā)熱溫度偏低。在利用這些測溫部位所測溫度判斷真實發(fā)熱狀態(tài)時要考慮校正。4接觸電阻的影響1)開關柜內各個接頭部位由于電流流線集中以及接觸電阻的存在,發(fā)熱較其他導體部位更嚴重。與不考慮接觸電阻時相比,考慮正常運行狀態(tài)下的接觸電阻時,斷路器最高溫度由50.22℃升高到143.88℃,隔離開關最高溫度由62.21℃升高到104.51℃,母排最高溫度由57.26℃升高到99.91℃,各器件的溫度均有大幅