高速铁路隔离开关温度随工况变化规律研究

2017-06-28上海铁路局徐州供电段

上海铁道增刊 2017年1期

王帅上海铁路局徐州供电段

高速铁路隔离开关温度随工况变化规律研究

王帅上海铁路局徐州供电段

重点进行高速铁路隔离开关温度的仿真研究，根据热量平衡理论建立隔离开关温升数学模型，以环境温度及设备电流为变量，结合热量对流及辐射等相关传热学理论，运用MATLAB仿真软件设计了仿真程序，得出隔离开关温度变化规律的三维仿真图形。使用实际电流及环境温度数据对理论仿真结果进行验证，并与使用红外热成像仪实际测量的设备温度曲线进行对比，以评估仿真结果的精确度。研究结果显示，该模型具有较高的精确度，符合设备的实际温度变化情况。通过环境温度及设备电流来反映设备温度的手段，可以避免对设备温度进行反复现场测量，减少工作量，这将为铁路运营的监控及行车安全提供有力保障。

隔离开关；红外测温；温度

1 高压隔离开关与本体温升值的定义

高压隔离开关是高速铁路供电系统中不可缺少的设备之一，温升值是它的一项重要性能指标。开关的温升值是它本身发热与散热两方面因素综合作用的结果。开关的发热量来自于接触电阻处的集中发热及各导电部分的焦耳热，通过开关裸露表面的自然对流与辐射将这些热量散发到环境中去。

隔离开关导电部分的基本构造由导电杆、触头与引线组成。导电杆的一端是触头,另一端与引线相联并固定在绝缘子上。触头部分因接触电阻存在而产生集中的热量,作用在导电杆的一端。导电杆外表面通过热对流与热辐射的方式向环境散热。导电杆的外表面不仅需要散去本身的发热量,还需要散去触头上产生的热量。导电杆在整个问题中起着重要作用。

2 模型建立

如图1所示为一根无限长、等截面、截面形状任意的细长杆。杆上通过电流,产生焦耳热。这些热量全部由表面通过自然对流与辐射散发出去。由于杆的横截面较小，材料的导热系数很大,外表面的放热系数不大,故可认为杆横截面上的温度是均匀一致的。在无穷长杆的情况下,沿杆的长度方向没有热流流动,所以沿长度方向温度也是均匀一致的。

图1 导电杆示意图

现在考虑长度为L的一段杆上的热量平衡，可以得到：

式（1）中：A是导电杆横截面面积，P是导电杆横截面周长，是导电杆电阻率，T是导电杆温度，T∞是环境温度，ε是表面黑度系数，σ是斯蒂芬-波尔兹曼常数，h是表面对流换热系数。

式（1）的左端为导电杆电阻产生的焦耳热量，右端第一项是对流散去的热量，第二项是辐射散去的热量。为使方程简化，将辐射项改写为对流换热的形式，即令：

令ΔT=T-T∞，代入式（1～3）并展开可得：

一般情况下ΔT〈〈T∞，则：

将式（5）代入式（1），整理可得：

自然对流放热系数h可根据文[2]提供的准则关系式计算得到。

在式（7）中：C为常数，Gr为格拉晓夫数；Pr为普朗特数。

式中：a为热扩散率，g为重力加速度，v为空气运动黏度，l为导电杆长度，ΔT为导电杆温升。

根据传热学理论，将式（8）和式（9）代入式（7），取C= 0.48，n=1/4，整理可得：

将式(10)代入式(6)，整理可得：

式(11)即为隔离开关温升表达式，式中温升ΔT为所求量，导电杆电流I、环境温度T∞为变量，使用MATLAB环境下进行仿真，得出隔离开关温升变化曲线。

3 仿真分析

在MATLAB环境下，对隔离开关温度变化规律进行仿真研究。温升是反映电气器件性能的重要指标，此次仿真，以式(11)为基础，对隔离开关温升变化情况进行仿真。

以广泛应用在电气化铁路供电系统上的 GW4-27.5DGW/1250-31.5型高压隔离开关为基础，取隔离开关导电杆半径r=25 mm，则导电杆面积A=1.9625×10-3m2，周长P= 0.157m。根据传热学理论，表面黑度系数ε≈1，斯蒂芬-波尔兹曼常数σ=5.67×10-8W/（m2·K4），空气运动黏度v=1.6×10-5m2·s-1，取重力加速度g=9.8 m/s2。

（1）环境温度恒定时，得出隔离开关温升随电流变化规律如图2所示。

图2 隔离开关温升随电流变化规律

从图中可以看出，在环境温度恒定时，隔离开关温升随隔离开关电流的增大而增大；恒定环境温度越高，隔离开关温升值与变化幅度越小。

（2）电流恒定时，得出隔离开关温升随环境温度变化规律如图3所示。

从图中可以看出，在电流恒定时，隔离开关温升值随环境温度增大而减小；恒定电流越大，隔离开关温升值与变化幅度越高。

（3）取导电杆电流I、环境温度T∞为变量时，隔离开关温升变化呈三维曲面的规律变化。在现实情况下，由于电流与环境温度会出现波动与反复，从而造成仿真结果的折叠、重复。

图3 隔离开关温升随环境温度变化规律

鉴于仿真图形过于复杂，为了减少分析的困难，对仿真得到的隔离开关温升数据绘制二维隔离开关温升曲线，如图4所示。

图4 隔离开关温升仿真曲线

4 仿真结果的验证

图5 隔离开关温升实际曲线

使用FLIR P635高分辨率红外热像仪对隔离开关温升进行实时测量，测量数据经过FLIR Quick Report软件系统修正后即可得到隔离开关实际温升曲线如图5所示。

通过比较图4与图5可以看出，温升仿真曲线与实际曲线变化规律基本一致，仿真温度幅值要高于实际温度幅值且变化频率要远远高于实际温度曲线，这是因为实际温度变化有一个热量的堆积与传递过程，实际热量的传导是缓慢的，在电流频繁变化的情况下实际温度跟不上电流产生焦耳热的变化，所以使得实际温度曲线幅值与变化频率都远低于仿真曲线。两者都在早中晚三个时间段出现温度高峰期，因此从变化规律的角度来看，式(11)基本可以表现隔离开关温度的变化情况。

5 对结果的进一步讨论

对于电气化铁路中的隔离开关来说，其工况的具体情况就反映在牵引变电所负荷的变化上。牵引变电所的负荷是由铁路运量、列车速度、线路条件等因素决定的，每一条铁路沿线线路条件千差万别，列车在运行时速度和线路坡度随时都在变化，因此，列车运行时受流状态随时都在发生变化，且列车在铁路上按信号运行，在铁路运输状态发生变化时，在供电臂内列车数量疏密不等。所以，牵引变电所两供电臂内，列车的数量及每一列车的负荷状态随时都在变化，牵引变电所的负荷呈现出频繁波动的状态。

分析图4与图5都可以发现，隔离开关温升变化波动频繁且无规律可循，就是因为电气设备所在供电臂内负荷情况随时都在发生变化，从而导致供电臂内电流也在频繁变化，由于隔离开关温度变化主要受电流影响，因此，隔离开关的温度呈现极不规律的变化。由于列车通过供电臂的时间只持续数分钟，所以会导致负荷在瞬间徒增，又会在数分钟后突降，这也就是上述图中出现多个瞬间波峰、波谷的原因。

牵引变电所的负荷随着两供电臂内列车的数量及每一列车的负荷状态随时波动，有时轻载，甚至空载，有时负载较重，在节假日等情况下，会出现列车紧密追踪情况。此时，牵引变电所会出现负荷高峰值,特别是在早中晚三个时间段，此高峰值即为高峰小时的设备温度，由于高峰小时乘客出行密度大，列车开行密度随之增大，牵引负荷增大，致使电流增大，从而导致隔离开关温度出现高峰。

隔离开关在电气化铁路中使用数量很大,因其导电部分的连接点和传动部件多、动触头行程大,而且触头长期暴露在空气中,容易发生氧化和脏污,导致过热故障比较普遍且突出，严重影响运输安全和供电可靠性。现阶段统计数据表明，隔离开关的过热故障要占到所有故障的60%左右。因此我们有必要对隔离开关的发热故障进行分析研究，使其安全、可靠地发挥应有的作用。

在长期运行实践过程中发现，隔离开关过热故障主要集中在开关刀闸及静触头部位，主要原因为负荷过载或变化、空气污染腐蚀等。此外，安装或检修工艺不当、隔开长期处于分闸或合闸状态，也是导致隔离开关过热故障的重要原因。

2015年，某设备管理单位利用红外热成像仪对高铁上网隔离开关进行状态检查时，发现某上网隔离开关刀闸及静触头部位由过热现象并伴有拉弧放电声，现场观察多趟动车组通过前该上网点隔离开关动静触头处有火花。

当晚申请天窗对该隔离开关进行停电检查，检查发现该隔离开关主闸刀与静触头处已经被电弧烧伤，闸刀处已经烧溶3cm左右，静触头与主闸刀存在间隙，间隙为10mm。当即更换主闸刀和静触头，并在触头与闸刀接触处涂抹导电膏处理。

分析发现，该隔离开关过热故障主要原因有以下几点：

（1）安装工艺不当。该隔离开关为单支柱式安装，在动车组高速运行通过时支柱的晃动使主闸刀与静触头处产生空气间隙，造成放电拉弧，导致主闸刀与静触头接口处出现烧损。

（2）隔离开关长期合闸。该隔离开关为上网开关，长期处于合闸运行状态。当隔离开关长期处于合闸运行状态时，刀闸弹簧极易产生金属疲劳，弹性指标下降，经过分闸后再次合闸，触头与触指之间的接触压力将减小，导致接触电阻增大从而使触头发热；触头发热则使弹簧受热，弹性指标进一步下降，接触电阻进一步增大。最终触指弹簧将失去弹性，接触电阻将更大，导致温度急剧升高烧损触头。

（3）空气污染。隔离开关导体触头长期裸露于大气中,极易受到水蒸气、腐蚀性尘埃和化学活性气体的侵蚀,这些物质在连接件接触面上形成氧化膜,使导电体表面电阻增加,加之检修过程中未及时清除氧化膜，涂抹导电膏，造成触头接触不良而过热。

（4）负荷变化。动车组通过该隔离开关所在供电臂时，负荷急剧变化，不断冲击触头部位已形成的空气间隙，导致触头部位处于放电、氧化、再放电、再氧化的恶性循环过程，最终导致接触电阻增大，温度升高烧损设备。