基于热－电耦合有限元法的隔离开关热稳定性分析

尹春贺，谢 勇，由佳欣，梁慧敏，翟国富

(1.哈尔滨德利亚电子科技有限责任公司黑龙江哈尔滨 150036; 2.桂林航天电子有限公司，广西桂林 541002;3.哈尔滨工业大学黑龙江哈尔滨 150001)

基于热－电耦合有限元法的隔离开关热稳定性分析

尹春贺1，谢 勇2，由佳欣3，梁慧敏3，翟国富3

(1.哈尔滨德利亚电子科技有限责任公司黑龙江哈尔滨 150036; 2.桂林航天电子有限公司，广西桂林 541002;3.哈尔滨工业大学黑龙江哈尔滨 150001)

运行状态中的隔离开关由于电阻损耗发热而温度升高，极端情况下会超过允许温升，影响电力系统的工作稳定性。为了分析其工作可靠性，使用三维有限元方法建立某型号隔离开关的有限元模型，对隔离开关进行热－电耦合仿真分析，得到稳态及瞬态的温度分布云图与最高温升数值，现场试验结果验证了仿真分析的准确性。该方法可为产品设计提供参考，并为隔离开关可靠运行提供理论计算依据。

隔离开关;热稳定性;热－电耦合;有限元方法

1 引言

同步发电机励磁系统中的隔离开关有着明显的断开标志与触点隔离距离，是运行维护的重要保障设备。隔离开关持续运行中，会产生一定的工作温升，但在某些情况下，温度会上升到一定的极限值就会加速绝缘的老化，甚至破坏绝缘，直接影响其使用寿命和相关设备的安全。因此，研究和预测隔离开关的热稳定性具有重要的意义［1］。

通常，器件中的接触电阻产生的焦耳热会使收缩区的温度升高，严重时会使两接触面产生熔焊，这是隔离开关的主要失效形式［2］。由“斑点”接触的微观特征引发的收缩电阻及接触热阻，一直以来都是国内外学者关注的热点，并对电接触的稳态热效应、暂态热效应及电接触的热过程数学模型等问题等进行了大量的相关研究［3－9］。文献 ［10］中应用有限元软件ANSYS针对断路器中大电流负载的典型触头结构，分别进行了机－电－热的耦合场稳态、瞬态仿真分析，仿真结果与试验结果具有很好的一致性，其方法也适用于隔离开关的接触系统中。

以高压隔离开关为研究对象，建立有限元模型，对其进行仿真计算和分析。在确定隔离开关各部件尺寸的基础上，考虑触头受到接触压力产生的微小形变对隔离开关热稳定性仿真分析的影响。首先计算开关在闭合状态下的接触深度和接触半径，在此基础上建立隔离开关三维热－电耦合场分析模型，从传导与对流散热的角度出发，计算隔离开关的温度场，得出在闭合状态下各部分平均温升值与温度分布;然后在模型各部分热参数确定的基础上进行瞬态温升仿真，得到触点温度随时间变化曲线，将计算结果和试验数据进行对比，验证该方法的准确性。

2 隔离开关接触半径的仿真计算

触头的几何形状直接影响电流密度的分布，形成收缩电阻或扩散电阻。通常，电流线的变形主要与触点压力和触点形状有关。该接触系统结构满足Hertz接触条件，即相对于两个接触部件的尺寸以及接触表面相对曲率半径，接触区的有效尺寸是很小的，如图1所示。

图1 隔离开关触头示意图

则通过解析法初步得到触点接触半径a与接触深度δ的关系式:

式中，F——接触力;

E*——接触材料的杨氏模量;

υ0——接触材料的泊松比;

R1、R2——两部件的半径。

高压隔离开关传热形式有热传导、热对流和热辐射三种，实际中为两种或三种传热形式并存。对于接触系统，稳态条件下其热源主要是动、静触头间的接触电阻生热，以及动静簧片、引出杆的电流发热，热量主要通过部件表面的对流散热和动、静簧片将热量传导出去。根据传热学相关原理，高压隔离开关三维稳态热场的数学模型为:

式中，K——导热系数，即热导率［W/(m K)］;

qv——生热率 (W/m3);

T0——周围介质温度 (K)。

在运用有限元法计算并分析三维稳态温度场问题时，需得出式 (2)等价的泛函形式，具体表达式为:

式中，T——物体内部的温度;

TS——物体表面边界温度，二者均为待求量。

高压隔离开关三维瞬态热场的数学模型为:

式中，C——材料的比热;

——初始时刻的温度。

在运用有限元法计算并分析三维瞬态温度场问题时，需得出式 (4)等价的泛函形式，具体表达式为:

3 隔离开关的热－电耦合仿真

高压隔离开关的接触系统进行热－电耦合仿真，首先通过仿真得到接触半径和接触深度;然后在计算结果的基础上，建立接触系统的三维有限元模型，进行热－电耦合仿真。

3.1 接触半径和接触深度的仿真

根据赫兹理论，如果相对于物体本身的尺寸，接触面尺寸很小，则在远离接触区部分的形状以及支撑物体的确切方式均对此区域中的应力影响很小。因此，对于接触点及其周边足够大区域的簧片建立1/2触点有限元仿真模型 (图2)。该模型包括动触头和静触头，虚线内区域为动、静触点接触部分，采用轴对称的方式建立，通过约束模型对称轴及下平面的位移，耦合上平面节点位移施加接触力15 N，并建立接触对，最终通过后处理计算得到接触半径 0.28 mm，进而求出接触深度 6.17μm。

图2 二分之一触点仿真模型

3.2 接触系统的热电耦合温升仿真

对于稳态与瞬态温升仿真，有限元仿真的四个步骤 (建立有限元模型、划分网格、加载激励及边界条件和求解及后处理)中，仅在第四步存在差异。稳态温升仿真是在隔离开关温度稳定时得出的在闭合状态下各部分温度分布，找到温升最高点;瞬态温升仿真是在稳态仿真基础上，求得稳态温升最高点的温升随时间变化的曲线。

图3 隔离开关三维CAD模型

有限元模型的建模方式为直接建模，即依据实体尺寸以及各部件的关系逐个建模。由于隔离开关实际模型中零件较多，在有限元软件中建立模型存在一定的困难。因此使用CAD软件，按照隔离开关实际模型建立三维模型 (如图3)，再导入有限元软件进行模型修改与简化的方法。

模型划分网格时，需对接触部分进行细密分网，其它部分可粗略分网，从而兼顾计算时间与计算精度。

在稳态温升仿真中，加载额定电流2.7 kA，在瞬态温升仿真中，加载短路电流60 kA。为了确保电流的流向，将动簧片末端节点电压耦合并施加电流边界条件，同时将静簧片的电压设置为0 V。隔离开关三维有限元模型载荷及边界如图4所示。

图4 隔离开关三维仿真载荷及边界示意图

仿真环境设置为常温的密闭空间，空气处于自然对流状态。在此条件下，空气的对流散热系数范围为5～10W/(m·K)，环境温度为25℃。

3.3 仿真计算结果3.3.1

稳态温升仿真

某型号高压隔离开关稳态运行时，流经的额定电流为2.7 kA。稳态仿真的热场分布如图5所示。

图5 隔离开关三维稳态热场分布图

从图5中可见，最高温度出现在触头接触区域，从该区域至动簧片末端温度逐步降至最低值。由此可知，接触系统发热的主要热源为接触电阻发热，其发热原因为电流在接触处的急剧收缩，电流密度的急剧变大，从而产生大量的焦耳热。仿真最高温度值为58.8℃，在隔离开关的允许温升范围之内。从有限元仿真结果分析，在通入额定电流2.7kA时，隔离开关可以正常工作。

3.3.2 瞬态温升仿真

隔离开关在工作过程中有可能会受到短路电流的冲击，使用上文中所述模型对隔离开关进行瞬态温升仿真。

瞬态分析边界条件的设置，参考高压隔离开关的短路冲击试验条件，设置为60kA，冲击时间为1s。图6为60kA电流下隔离开关三维热场分布图。

图6 隔离开关三维瞬态热场分布图

图7 隔离开关最高温升节点温度－时间曲线

从图中可知，温升较高的区域集中在触点接触部分。对最高温升点进行子部提取，绘制温升随时间变化的曲线如图7所示。从曲线上可以看出，温度在短时内持续上升至199.3℃，该温度值低于隔离开关触点材料熔点 (铜熔点:1083℃，表面镀锡的熔点:231℃)。从有限元仿真分析，隔离开关在60kA短路冲击试验条件下，其触点不会发生熔焊，可以承受短路电流的冲击。

4 试验验证

为验证仿真计算的准确性，对隔离开关的稳态温度进行测量。试验条件为:电流2.7kA，周围风速≤0.5 m/s，环境温度25℃;温升测量点为接触中心点、静触头、引出杆三个测量点，实验稳定条件为半小时温升不超过0.5℃。试验测得的稳态温度与仿真结果的对比如表1所示。有限元仿真计算的结果与试验结果基本一致，平均误差为1.84%，验证了有限元仿真计算的准确性。其中仿真温度数值均小于实验测试数据，其原因可能为理想的表面散热条件与实际散热条件间存在差距造成的。

表1 实验测试数据与有限元计算结果对比

5 结论

(1)以某型号高压隔离开关为研究对象，建立了该器件的热－电耦合场三维有限元仿真模型;为确定隔离开关是否能在线路额定电流2.7 kA下正常工作，对其进行稳态温升仿真;得到其最高温升为68.9℃，仿真计算结果显示器件温升，在隔离开关允许范围之内。

(2)对隔离开关进行瞬态温升仿真:得到其最高温升为199.3℃，改温度值低于隔离开关触点材料的熔点。有限元仿真结果表明，隔离开关在60kA，时间小于1s的短路冲击试验条件下，隔离开关触点不会发生熔焊现象，可以承受短路电流的冲击。

(3)为验证仿真方法的准确性，对隔离开关的稳态温度进行实验测量，仿真计算的结果与试验结果对比，平均误差为1.84%，验证了热－电耦合场三维有限元模型计算的准确性。

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Thermal Stability Simulation Analysis of Disconnect Sw itch Based on Electrical－Thermal Coupling Finite Element Method

YIN Chunhe1，XIE Yong2，YOU Jiaxin3，LIANG Huim in3，ZHAI Guofu3
(1.Harbin Deliya Electric Electronic Technology Company Limited，Heilongjiang，Harbin，150036; 2.Guilin Aerospace Technologies Company Limited，Guangxi，Guilin，541002; 3.Harbin Institute of Technology，Heilongjiang，Harbin，150001)

Working performance of switch－disconnect was affected by maximum permissible temperature exceeding which was caused by the heat loss of resistance.3－D finite element analysis model of switch－disconnect was established.It was used for electrical－thermal coupled field simulation analysis for ensuring its safety and reliability.The accuracy of the simulation method was verified with the experimental results.The analysis theory was of academic and practical value for reliability design of switch－disconnect.

switch－disconnect;thermal stability;electrical－thermal coupling;finite element method

2013－03－07

10.3969/j.issn.1000－6133.2013.02.011

TM564.1

A

1000－6133(2013)02－0047－05

综述与简介