接触电阻对于开关设备温度的影响分析

裘璐光，吕 跻，李贵乙



接触电阻对于开关设备温度的影响分析

裘璐光，吕 跻，李贵乙

（中国人民解放军92957部队，浙江舟山 316000）

开关设备的温度诊断工作对于电力系统安全运行的意义重大，直接影响着能否提前预判绝缘强度的降低，进而决定了能否有效预防火灾等重大灾害的发生。在影响开关设备温度场的众多因素之中，接触电阻的影响最大。良好的接触状态不仅可以有效保证开关设备在额定功率稳定运行，而且可以切实保证与开关设备相连的电缆设备的工作寿命。本文建立了开关设备接触电阻的热电耦合数学模型，并采用大型商用软件ANSYS-Multiphysics二次开发了对应的数值求解平台，分析了接触面积、厚度对于温度场的影响规律。在此基础上，采用50A恒流源，在环境温度10℃的条件下进行了稳态通流试验，对比试验测量与理论分析结果，最大误差为5.5%，验证了理论分析的正确性。

接触电阻 开关设备 温度 热电耦合 数值求解

0 引言

开关设备的温度诊断工作对于电力系统安全运行的意义重大，直接影响着能否提前预判绝缘强度的降低，进而决定了能否有效预防火灾等重大灾害的发生[1]。国内外诸多的研究工作，分析了影响开关设备温度场的众多因素，并通过分析得到结论：接触电阻的影响最大[2-5]。接触电阻的问题一直是国内外电气领域的研究重点之一。上世纪40年代，第一本接触电阻专题著作问世。伴随着计算机科学的发展，学术界第一次运用有限元法对接触电阻进行了数值计算。接触电阻的简化分析模型及适用于某些工程领域的简化计算公式，也陆续见诸发表。此外，对于接触电阻的精确测量，同样是大量学者的关注与致力的工作。

良好的接触状态不仅可以有效保证开关设备在额定功率稳定运行，其发热符合国标要求，而且可以有效控制与开关设备相连的电缆设备工作温度。目前国内外就开关设备温度场的研究多集中在精确、快速测温领域[1]。主要手段有：分布式光纤测温技术、无线射频测温技术、光栅光纤测温技术、红外测温技术等。

以接触电阻为变量，直接分析其对于开关设备温度场影响的论述，就查阅文献的情况来看，并未见相关系统的研究。为此，本文建立了开关设备接触电阻的热电耦合数学模型，并采用大型商用软件ANSYS-Multiphysics二次开发了对应的数值求解平台，分析了接触面积、厚度对于温度场的影响规律。在此基础上，采用50A恒流源，在环境温度10℃的条件下进行了稳态通流试验，对比试验测量与理论分析结果，最大误差为5.5%，满足工程误差要求，验证了理论分析的正确性。上述理论及试验研究，可深化接触电阻对于开关设备温度诊断影响的理解，并指导具体工程实践。

1 数学建模

以普遍使用的矩形端子铜排与圆柱形接触电阻为基础，建立了船用开关设备端子铜排与接触电阻的几何模型，示意图如图1所示。

在上述模型中，也同时也约束了电流方向。开关设备的通流过程中，模型中各处的温度通常不是均匀的。考虑到金属材质的电导率会随温度变化，也将导致电位分布将发生变化，为此数学模型中需要考虑电导率变化的情况。建立了电位场连续方程如下，以此表征电位的三维变化规律：

(1)

在电位分布发生变化之后，温度场也将随之变化。温度场发生变化后，金属材质的热导率也将随之变化。变电导率变热导率的温度场三维分布规律符合式（2）：

其中：表示热导率；表示电导率；表示电场强度；表示三维空间任意节点温度值；、、分别表示直角坐标系轴方向、轴方向、轴方向。

电场强度与式（1）中电位的关系如式（3）表示：

采用商用软件ANSYS-Multiphysics作为求解计算平台，在大量二次开发之后，建立了上述数学模型的数值求解平台，其中网格剖分图如下所示：

计算了某工况条件下的电位分布，并获得了对应接触电阻处的电流分布，分别如图3、图4所示：

从中可以观察出接触电阻处明显的电流收缩效应。电流收缩效应导致接触电阻处的体电流密度远远超过了接触电阻以外的部分。以上述图形为例，接触电阻处最大电流密度可达1.52×108A/m2，接触电阻以外的部分，即端子铜排的最小电流密度仅为2.69×105A/m2。电流密度的差异也是导致接触电阻处在通流条件下会产生较高温度的重要原因之一。后续的理论分析将研究接触面积、厚度对于温度场的影响规律。

2 理论分析

采用上述数值计算平台，分别分析了接触面积、厚度对于温度场的影响规律。为探索接触面积对于温度场的影响规律，并直观地反映不同接触面积所带来的温度差异，在其他边界条件固定的前提下，本文选定0.5 mm的接触厚度保持不变，并提取温度场中的最高温作为比较值。在此基础上，获取了接触面积0.05 mm2至2 mm2之间温度场中最高温的变化规律如图5曲线所示，其中0.05 mm2对应的温度分布云图如图6所示；2 mm2对应的温度分布云图如图7所示。

同理，为直观地反映不同接触厚度所带来的温度差异，在其他边界条件固定的前提下，本文选定0.2 mm2的接触面积保持不变，并提取温度场中的最高温作为比较值。在此基础上，获取了接触厚度0.05 mm至1 mm之间温度场中最高温的变化规律如图8曲线所示，其中0.05 mm对应的温度分布云图如图9所示；1 mm对应的温度分布云图如图10所示。

3 试验验证

采用50 A恒流源，在环境温度10℃的条件下进行了稳态通流试验。温度数据采集点如下图11所示：

图11中测点A与测点H、测点B与测点G、测点C与测点F、测点D与测点E分别是端子铜排两侧的对称测量点。而从端子铜排的正面观察，测点A、B、C的位置如图12所示。

试验在接触面积0.8 mm2，接触厚度0.3 mm的条件下进行，对比了试验与仿真的温度数据如图13所示。

误差分析见图14所示。最大的误差出现在测点A，试验测量温度为47.3℃，理论计算温度为49.9℃，误差5.5%在工程允许误差范围之内。其他测点的误差均小于5.5%，以测点D为例，试验测量温度为49.0℃，理论计算温度为50.5℃，误差3.0%。对比试验测量与理论计算的结果，说明了理论分析的正确性。

造成误差的原因有二：一是尽管试验过程中始终保持空间密闭，但是环境温度仍然会出现较小的波动，这一点在理论计算中无法得到完全体现；二是理论计算中对于端子铜排的散热边界条件赋值与实际情况存在差异是不可避免地，这也会导致两者温度值之间存在不同。

4 结论

1）建立了开关设备接触电阻的热电耦合数学模型，并采用大型商用软ANSYS-Multiphysics二次开发了对应的数值求解平台。采用50A恒流源，在环境温度10℃的条件下进行了稳态通流试验，对比试验测量与理论分析结果，最大误差为5.5%，验证了理论分析的正确性。

2）基于ANSYS-Multiphysics二次开发的数值求解平台，分析了接触面积、厚度对于温度场的影响，采用单一变量法，获取了不同接触面积条件下最高温的变化规律、不同接触厚度条件下最高温的变化规律。

3）采用50A恒流源，在环境温度10℃的条件下进行了稳态通流试验，对比试验测量与理论分析结果，最大误差为5.5%，精度满足工程需求，说明了理论分析的正确性。

4）通过理论分析及试验研究获取的规律性认识，可深化接触电阻对于开关设备温度诊断影响的理解，并指导具体工程实践。

[1] 王秉政,江健武,赵灵,樊亚东,段绍辉,王建国.高压开关柜接触发热温度场数值计算[J].高压电器,2013,12:42-48.

[2] Paulke J, Weichert H, Steinhaeuser P. thermal simulation of switchgear[J]. IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies, 2002,25(3): 6-11.

[3] Paulke J, Weichert H, Steinhaeuser P. simulation of contact spots[C]. Proceedings of 21th International Conference on Electrical Contacts, 2002: 388-393.

[4] 纽春萍,陈德桂,刘颖异,戴瑞成.交流接触器温度场仿真及影响因素的分析[J].电工技术学报,2007,05:71-77.

[5] Frei P U, Weichert H O. Advanced thermal simulation of a circuit breaker[C]. Proceedings of the 50th IEEE Holm Conference on Electrical Contacts and the 22ndInternational Conference on Electrical Contacts, 2004:104-110.

Analysis on the Influence of Contact Resistance on the Temperature of the Switchgear

Qiu Luguang, Lyu Ji, Li Guiyi

（ Unit 92957 PLA Troops, Zhoushan 316000, Zhejiang, China）

The diagnosis of the temperature of a switchgear plays a significant role in safe operation of a power system, and has a direct effect on whether we can predict in advance the reduction of insulation strength or not. Therefore, it decides whether we can be effective in preventing the occurrence of major disasters. Contact resistance plays the most significant role among those factors which change the temperature of switchgear. Good contact state can not only ensure the stable operation of switchgear under rated power, but also the working life of the cable equipment which is connected with the switchgear. This paper establishes the thermoelectric coupling mathematical model of the switchgear’s contact resistance, and adopts large commercial software ANSYS-Multiphysics to develop twice the corresponding numerical platform, and thus to analyze the influence law of temperature field by contact area and thickness. On the basis of this, 50A constant current margin is adopted to carry out steady flow test under ambient temperature of 10℃.The maximum inaccuracy is only 5.5% when the experimental measuring results and the theoretical analysis results are compared, and thus the correctness of the theoretical analysis is verified.

contact resistance; switching equipment; temperature; thermoelectric coupling; numerical solution

TM563

A

1003-4862（2017）01-0057-04

2016-08-15

裘璐光（1982-），男，工程师。研究方向：电力电气集成控制与应用。Email: rose0884@sina.com