高压隔离开关电磁场与温度场仿真分析

王蓉雪，高振国

（沈阳工程学院，辽宁 沈阳 110136）

高压隔离开关电磁场与温度场仿真分析

王蓉雪，高振国

（沈阳工程学院，辽宁 沈阳 110136）

利用ANSYS软件对GW5型高压隔离开关进行模拟仿真分析，针对高压隔离开关电磁场、温度场的特性进行研究，仿真分析结果对当前高压隔离开关的制造工艺、选材质量及结构设计具有一定参考。

高压隔离开关；电磁场；温度场

目前，对大型电力设备如变压器、断路器、避雷器等的研究较为普遍，但对高压隔离开关的研究相对较少，而高压隔离开关是变电站中大量使用的高压开关设备，其有效运行关系到整个电能变换环节的可靠性。高压隔离开关常见问题有：导电回路过热、隔离开关分合闸故障、绝缘子断裂故障等。其中导电回路过热是隔离开关长期以来未能彻底解决的难题，一般高压隔离开关工作电流在70%工作电流以上时，将出现发热问题。数据显示，2010—2014年，河南省南部电网110 kV及以上隔离开关因触头过热导致危急、严重缺陷196起，占隔离开关危急、严重缺陷73%。

1 高压隔离开关概述

1.1 高压隔离开关的组成

隔离开关是电气系统重要的设备，主要功能是将高压配电装置中需要停电的部分与带电部分进行有效隔离，确保检修人员的安全，常与断路器配套使用［1］。高压隔离开关通常可按支柱绝缘子的数量、导电活动臂的开启方式划分［2］。隔离开关的品种较多，但都是由开断元件、支撑绝缘件、传动元件、基座及操动机构5个部分组成，其主要零部件及功能如表1所示。

表1 隔离开关主要零部件及功能

1.2 高压隔离开关导电回路过热

造成高压隔离开关缺陷或故障的原因既有制造工艺、选材质量的问题，也有维护不当等多种因素，其中导电回路过热是高压隔离开关尤为突出的难题，严重影响设备的安全运行。高压隔离开关导电回路过热的原因是：工作电流的逐步增大导致高压隔离开关触头温升超过允许值，同时长期承受压力的静触指压弹簧发生形变、积热，造成烧损，如此恶性循环最终导致导电回路过热［3］。

2 电磁场仿真分析

2.1 模型预处理

在对隔离开关运行情况的调查中发现，其结构造成比较大的影响，并且不同的触头材料其锈蚀和老化问题也比较突出。本研究将以隔离开关的触头为主要分析对象，对其材料及结构进行性能方面影响的仿真分析，然后进行优化，图1为隔离开关触头部分模型。

图1 隔离开关触头部分模型

在电磁场分析环境下进行静磁场、静电场及传导电流场的仿真，在静磁场与静电场分析中，有2个重要区域：一是场域，指的是待分析对象所处的物理空间环境，一般是周围的空气域；二是激励源区域，在磁场中则指实导体和绞线圈，由待分析对象具体用途确定。隔离开关的触头部分便是实导体，因此，在导入分析前，需要对模型进行预处理，在DM中添加空气域，如图2所示。

图2 空气域模型

由于该隔离开关的触头部分外壳并不是封闭的，因此，在外部添加了壳体，该壳体主要是作为一个封闭的隔断，由此建立空气域。通过壳体隔断后的空气域有2个，1个是壳体外部的透明区域，1个是壳体和触头之间的空气部分，如图3所示。

图3 模型外部建立的空气域

建立空气域后，在结构树形窗中将增加1个壳体和2个空气域，此时必须选中所有bodies合成1个Part，以保证所有实体在1个Part内仿真分析时能够进行数据传递。

2.2 设置边界条件

在ANSYS分析中，对分析对象施加载荷和约束即为设置边界条件，设置边界条件的作用是各数据量能够通过节点和单元在几何实体上进行传递［4］。除了为实体所属材料设置边界条件外，不同分析类型下所需要的边界条件亦不同。

静磁场分析中，首先要确定平行磁力线的方向，根据右手螺旋定则可选择空气域的外表面设置为该方向。接着要确定激励源类型，有实导体和绞线圈2种，本文分析的隔离开关触头属于实导体类型。设定环境温度为29.059℃，将电压与电流分别设置在触指与触头导电杆的两端，由此确定所施加的电压等级为110 kV、电流为630 A。

2.3 求解及后处理

在静磁场分析中，设置GW5型隔离开关的触头材料为热镀锌。由于GW5型高压隔离开关结构特点，使触指表面场强和电位分布不均匀，触头连接处场强很高，过高的场强不仅产生电晕，影响隔离开关周围电磁环境，而且还有较严重的电蚀作用，致使隔离开关加剧老化［5］。因此，对场强较高的触头指压部分进行电场和磁场仿真分析，触指磁场强度分布如图4所示，触指部分空气域中的电场分布如图5所示。

图4 触指磁场强度分布

图5 触指部分空气域中的电场分布

通过仿真，主要分析了高压隔离开关场强较大的触指部位的磁场强度。GW5型隔离开关磁场分布不均匀，触指边缘表面磁场强度最大，最大磁场强度为0.021 T，触指中心部位磁场强度最小，小于标准规定的变电站磁场辐射强度，因此，隔离开关产生的磁场对外界及自身影响很小。

在静磁场分析中，主要关注的是导体表面及周围场域的电流密度分布，如图6所示。触头部分焦耳热分布如图7所示。经计算可得在110 kV电压、630 A电流下，整体能量损耗约为12.9 W，并且可得到隔离开关触头部分上的能量损耗值。

3 温度场仿真分析

3.1 模型预处理

由温度场分析原理可知，所分析的温度场是由传导电流场作为基础而开展的温升分析。传导电流场是以导体作为分析对象，从而得出其电位分布，不涉及建立空气域的问题。但在传导电流场中，仍要把所有的实体合成为1个整体，使数据能在1个Part进行传递。如图8所示，完成以上操作后，模型的外形不会发生改变。

3.2 设置边界条件

图6 触头部分及触指的电流密度分布

图7 触头部分及触指的焦耳热分布

本文的分析将涉及载荷传递，在热分析中，热传递方式的选择同样很重要。本文的研究中，存在接触热传递，因此，选定热传导为主要传热方式。GW5为户外用隔离开关，以拉长电弧方式为主要灭弧原理，触头部分直接与空气接触，对流系数为空气对流系数8～10 W／（m2·℃）。网格划分是在电磁环境下，一般采取自由网格划分，图8为其网格划分结果。

图8 温度场网格划分结果

3.3 求解及后处理

由ANSYS仿真结果可见，在最优环境温度为29.059℃的情况下，温度由触头中心到两端逐步下降，触头中心部分温升最高为23.032℃，下端温升最低为22.99℃。在温度场分析中本文着重考虑触指的温升情况，如图9所示，温度场分布不均匀，触指部分温升最高，如长期积热和外力作用易导致烧损。通过分析触指温度分布，建议在触指部位选取耐热性材料、复合型材料或在触头部分镀银层，使动、静触头接触面镀银层厚度≥2 μm，硬度≥120 HV。同时，采用红外测温技术定期检测导电部位的发热情况，发现问题及时处理［6］。

图9 触指部分温度分析结果

4 结束语

本文介绍了GW5型隔离开关在ANSYS Work⁃bench中进行电磁场和温度场分析要点。在电磁场仿真中开展了静磁场、静电场及电流传导场的分析，观察隔离开关触头部分磁场、电场、电流密度分布情况，温度场关注触指的温升情况。利用电磁场仿真计算其表面电位分布，确定其最大电流密度及场强位置。通过对比分析，可对隔离开关性能优化提供参考。在高压隔离开关的后续研究中，应广泛收集其在系统中运行情况，着重分析触指的温度分布，为选用结构合理、设计优良、整体质量高的产品提供理论参考。

［1］苑 舜，崔文军.高压隔离开关设计与改造［M］.北京：中国电力出版社，2007.

［2］尹军华，李文艺.800 kV GIS隔离开关快速暂态过电压原因及保护措施［J］.东北电力技术，2009，30（11）：11－14.

［3］钟振蛟.提高户外高压隔离开关的运行可靠性［J］.高压电器，1984，21（5）：43－46.

［4］郝建成，田 勇.隔离开关分合空载母线仿真分析［J］.东北电力技术，2009，30（5）：14－16.

［5］张宗伟，卢昌宏.GW5－126型隔离开关触头烧损故障分析及对策［J］.高压电器，2011，47（2）：76－79.

［6］于 波，王伟斌.GW17、GW16型隔离开关运行中存在的问题及检修［J］.东北电力技术，2001，22（11）：52－55.

Simulation Analysis on Electromagnetic Field of High Voltage Isolation Switch and Temperature Field

WANG Rongxue，GAO Zhenguo
（Shenyang Institute of Engineering，Shenyang，Liaoning 110136，China）

Simulation analysis of the GW－5 type high⁃voltage isolation switch is set up by using ANSYS software in this paper，this study focuses on the features of electro⁃magnetic field and temperature field for the high⁃voltage isolation switch.The simulation results have a certain reference for manufacturing process，physical design and materials selecting of present high⁃voltage switch.

high⁃voltage isolation switch；electromagnetic field；temperature field

TM564

A

1004－7913（2016）12－0021－04

王蓉雪（1991），女，学士，主要从事高电压绝缘技术研究。

2016－09－15）