真空断路器温升模拟与散热设计

石 磊，骆文平



真空断路器温升模拟与散热设计

石 磊1，骆文平2

（1.海军驻武汉719所军事代表室，武汉430064； 2.武汉船用电力推进装置研究所，武汉430064）

温升对断路器的性能有着重要影响，是断路器设计时重点考虑的指标之一。笔者以某型10kV/5kA的真空直流断路器作为研究对象，通过热电耦合法对其进行了温度场数值模拟，与温升试验结果高度吻合。此后，探讨了散热器的配置位置以及强迫风冷方式对该型断路器温升分布的影响，最后提出了针对该断路器行之有效的温升改善措施。本文对真空断路器的散热设计有一定的参考意义。

温升 真空断路器 热电耦合 散热设计

0 引言

真空断路器因为使用寿命长、便于维护等优点，目前在国内12 kV断路器的市场占有率已经高达98.85%[1]。随着高压电力系统发展的需要和人们对环境问题的日益重视，真空断路器正在不断向着小体积、高电压、大电流的方向发展，这也使得散热问题渐被重视[2]。张百华、搞乃奎等人分析了断路器导电回路材料、断路器相间距以及安装工艺三方面因素对真空断路器温升的影响, 并提出了降低温升的有效措施。张晓虹、张亮等人从实际设计经验出发, 指出通过合理设计风道结构、降低电阻损耗和铁磁损耗可以有效控制真空断路器内的温升。鉴于断路器用散热器通常为矩形肋散热器，因此学者们针对矩形肋散热器也做了相当可观的研究。Aung[5,6]等人研究了不对称加热的情况，他们采用数值方法和实验方法计算和测量了两块平行铝板间气流的温度分布情况。随后，Wirtz[7]等人采用实验方法测量了等热流加热情况下的温度场。S.Acharya&A.Mehrotra[8]通过实验研究了等热流和等壁温情况下由光滑平板和翅片板所组成的竖直通道内的自然对流换热。尽管如此，目前还没有文献对高压真空断路器进行详细的温度场分析与散热设计。本文将以某型10 kV/5 kA真空断路器作为研究对象，着重分析其温度场分布特点与影响因素，可为高压真空断路器的热设计提供参考。

1 真空断路器的结构

本文所研究的10 kV/5000 A真空断路器导电回路部分结构如图1所示。显然，

导电回路主要由进线铜排、位于灭弧室内的静导电杆和动导电杆、兼导电作用的下散热器、出现铜排等几部分组构成。其中，静导电杆上端通过法兰与进线铜排形成固定连接，下散热器与动导电杆通过弹簧触指形成滑动连接，下散热器与出线铜排通过螺栓形成固定连接。两块绝缘环氧板与断路器机架固连，对整个导电回路起到支撑作用。所示结构中，上散热器为铝制，真空灭弧室外壳为陶瓷材质，下散热器为铜制。真空灭弧室内导电杆结构如图2所示，其中触头部分为铜铬合金，动导电杆外部和静导电杆均为纯铜制造，而动导电杆内部为钛合金材料，以保证断路器在操动机构作用下开断时，动导杆具有足够的抗拉强度。

2 真空断路器温度场模拟

在进行温度场仿真分析时，必须对原模型进行相应的简化。真空灭弧室外壳为陶瓷制造，其热传导系数极小，故可以将其视为绝热处理。对此真空断路器而言，动静触头处和弹簧滑动触指处的接触电阻在回路总电阻中占据主要地位，故这两处应为集中热源，其余导电回路部分为分布热源。对于接触电阻，本文采用接触电桥法处理。在热分析中，弹簧触指处仅体现为一集中热源，故而在该处热功率等效的条件下可对弹簧进行模型等效。断路器在进行温升试验时，在进出线端须分别搭接5根长度均为3 m的铜排。为了和温升试验进行对比，在仿真模型建立时，理应考虑到此外接铜排。显然，此真空断路器温升仿真模型为一对称结构，为了提高计算精度和计算效率，文中仅采用1/2模型进行仿真分析。最终仿真分析模型如图3所示。在导电回路加载额定电流以后，所得温度场如图4所示，触头接触处最高温度为99.43℃。温升试验中各检测位置（图3所示）的温度值与相应仿真值对比如图5所示，仿真误差保持在4℃以内，可见仿真具备较高的可信性。

3 真空断路器温升改善措施

根据仿真结果可知，在环境温度为20℃时，此真空断路器触头处最高温升为79.43℃，已然不符合国标要求，其散热条件仍需进行改善。下面就散热器的配置位置和是否需要采取强迫风冷措施进行探讨。

3.1 仅静导杆端配置散热器

在图1所示模型中，如果只保留静导杆端散热器，断路器相关部位温度随该散热器综合散热系数的变化关系如图6所示。显然，静导杆温度随该散热器换热能力的提高而迅速减小，动导杆温度变化幅度相对极为缓和。对于一散热器而言，其散热能力是由其换热面积和翅片表面空气流动状况共同决定的。对于此尺寸一定的散热器，翅片表面空气流速增加到一定值后，其散热能力基本可视为恒定。对于该断路器而言，此种散热条件下触头最高温度为112℃，且该最高温度点位于动触头处。当散热器散热能力接近饱和时，触头最高温度依然在100℃左右。当散热器综合散热系数大于自然冷却条件下的综合散热系数时，意味着采取了强迫风冷的散热方式。这就是说，当只在静导杆端配置散热器时，一味的增大散热器的尺寸或者采用强迫风冷的散热方式，只能徒劳增加设备体积、造成额外功率消耗，并不能有效改善真空断路器的温升状况。

3.2 仅动导杆端配置散热器

在图1所示模型中，如果只保留动导电杆处散热器，断路器相关部位温度随该散热器综合散热系数的变化关系如图7所示。同样，随着相应散热器散热能力的增强，断路器各处位置温度均不断下降。相比而言，动导杆处温升下降最为剧烈，静导杆处温升下降较缓。然而，断路器最高温度始终位于动触头一侧，并未转移到静触头侧，这也说明了动静触头间的热量流动相当困难。尽管动导杆处配备有散热器，但是由于弹簧滑动触指和触头接触处均是主要集中热源，故在散热器较宽泛的有限散热能力区间内，动导杆的温度都高于静导杆端。由图可知，在仅配置动导杆侧散热器时，自然冷却条件下断路器最高温度为121.8℃，而当该散热器综合散热能力提高到20 W/(m2K)时，断路器最高温度仍高达110.5℃。如前所述，对于一定尺寸的散热器而言，其散热能力终将会达到饱和。因而可以预见，如果只配备此动导杆侧散热器并不断加强强迫风冷，尽管断路器静导杆处和触头处的温升均会继续下降，但下降的速率会越来越缓慢。换言之，此种条件下即便采取强迫风冷，同样难于使得断路器的温升达到国标要求。即便勉强使得断路器的温升满足国标要求，却也要造成巨大的功率消耗，同时必然增加了设备的体积。

3.3 静动导杆端均配置散热器

由前易知，如果只选择静导杆或者动导杆其中一侧布置单一的散热器，无论是否采用强迫风冷，都难于使得真空断路器温升状况分布良好。原因在于，真空断路器触头为铜铬合金，其热传导率较小，而动静触头接触面微观上同样是点接触，从而具有一定的接触热阻，这在很大程度上阻碍了热量在动静触头间的传递。为了使得真空断路器具有良好的

温升分布，就必须在动静导杆侧分别配置一相应的散热器，只有当断路器开断电流相当大以至于在自然冷却状态下确实难于实现其温升的有效改善时，才可考虑辅以强迫风冷的手段。

对于本文的真空断路器而言，动导杆侧散热器显然具有充分的改善空间。为此，设计新的散热器如图8所示，相比原散热器而言尺寸有所增加。在自然冷却条件下，真空断路器温升分布如图9所示。显然，此时触头处最高温升为62.26℃，已经满足国标要求。

4 结论

随着断路器开断容量的增加，散热设计的重要性不言而喻。笔者针对某型10kV/5kA真空断路器进行温度场分析，得出结论如下：

1）对于面接触处的接触电阻，可以采用接触电桥进行模拟，接触电桥的设置不应对原结构造成较大改变。通过仿真与试验的对比，这样处理接触电阻是行之有效的。

2）对于真空断路器，仅在静导杆或者动导杆一端设置散热器，难于达到满意的散热效果，即便是一味的增加散热器尺寸或者采取强迫风冷的散热方式。

3）铜铬合金触头接触处总热阻较大，严重阻碍了热流在动静导杆间的传递。因此，对真空断路器而言，在动静导杆端分别布置散热器是散热设计的最佳选择。当真空断路器额定电流过大时，可辅以强迫风冷。

[1] 黄成军，郁惟镛， Paole G等.局部放电在线监测及其在大型电机中的应用[ J] .大电机技术，2000, (6) : 33-38.

[2] KIM C S, TANI Y, MIZUTANI T. Investigation of aging process with new PD pulse parameters [C]// Proceedings of 2001 International Symp. on Electrical Insulating Materials( ISEIM 2001).Japan: Himeji, 2001:19-22.

[3] 张百华，高乃奎，马小芹等. 基于运行历史的大电机主绝缘老化特性的研究[J]. 中国电机工程学报，2004，24(8) :134-137.

[4] 张晓虹，张亮，乐波等. 基于局部放电的矩特征分析大电机主绝缘的老化[J]. 中国电机工程学报，2002，22( 5):94-98.

[5] W.Aung. Fully developed laminar free convection between vertical plates, ASME. Trans.Int J, 1972, 15(8):1577.

[6] W.Aung et al.Developing laminar free convection between vertical plates with asymmetric heating.Int. J. Heat Mass Transfer, 1972,15(11):2293-2308.

[7] R.A.Wirtz&R.J.Stutzman. Experiments on free convection between vertical plates with symmetric heating.ASME Trans.J.Heat Transfer, Vol.15, No.3, 1982,15(3):520-521.

[8] S.Acharya&A.Mehrotra, Natural convection heat transfer in smooth and ribbed vertical channels. Int.J. Heat Transfer, 1993, 36(1):236-241.

Thermal Design and Numerical Simulation of Temperature Rise for Vacuum Circuit Breaker

Shi Lei1, Luo Wenping2

（1.Naval Representatives office in 719 Research Institute, Wuhan 430064, China; 2.Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion,Wuhan 430064, China）

TM561

A

1003-4862（2016）05-0068-04

2016-04-09

石磊(1966-), 男，高级工程师。研究方向：电力电子技术。