50 kA/17.5 kV快速接地开关热稳定性分析

李洪彬，刘颖，倪福生

（河海大学机电工程学院，江苏常州213022）

50 kA/17.5 kV快速接地开关热稳定性分析

李洪彬，刘颖，倪福生

（河海大学机电工程学院，江苏常州213022）

快速接地开关是一种关合短路电流的特殊接地开关。当短路电流流过快速接地开关动静触头时，会产生很强的热效应。针对检验快速接地开关在短路时能否可靠工作的目的，本文采用数值模拟的方法，运用Inventor和Ansys软件对50 kA/17.5 kV快速接地开关进行了热稳定性分析，得出在短路状态下，热效应产生的最高温度为173.68℃，未达到材料熔点，动静触头不会发生熔焊状态，能正常工作，本研究成果可提高快速接地开关设计的安全性。

快速接地开关；热效应；热稳定性；Ansys

许多开关电器在设计完成后，都需要对产品样机进行短时短路电流耐受测试，检测电器产品的动、热稳定性[1]，比如，含接地开关的电器柜测试时，当巨大的短路电流通过快速接地开关的动静触头时，会产生较大的热量集中，导致触头接触部分的温度急剧上升，如果快速接地快关设计的不合理，动热稳定性不合格，会出现导体变形软化、触头熔焊等现象[2-3]，使动静触头不能安全地分闸，那么样机的测试实验就非常危险。快速接地开关是具有关合短路电流能力的一种特殊用途的接地开关，当线路接地故障被切除后，由相邻运行线路供电形成故障线路的潜供电流，利用快速接地开关关合，可消除潜供电流，再快速开断接地开关，确保线路自动重合闸能成功[4，5]。接地开关作为电力系统故障切除的重要设备，其性能的好坏直接关系到开关设备的保护性能。热稳定性的定义为：当有短路电流通过开关设备时，会产生热效应，电器在短时间内能够耐受短路电流产生的热效应，而没有产生变形或损坏，说明电器具有热稳定性[6]。所以对快速接地开关的研究是非常有必要的。热稳定分析的方法是国内外研究的重点，相似的文章也较多，主要有限元法和热网络法[7]，两者各有优缺点，也都有相关论文的发表，例如，伊春贺等运用有限元法对隔离开关进行了热分析[8]，而王稚惠等则用热网络法对隔离开关进行了热分析[9]，袁若浩运用有限元法对热分析炉的温度模拟及优化进行了研究[10]，刘承将有限元法应用在复合保温砌块孔型的布置上[11]，王富强等用有限元对太阳能吸热器进行了热分析[12]。总体来讲，有限元法的计算精度高，广泛应用于力学、热学、流体、磁场等方面[13]，热稳定分析的计算论文也较多，但是，将有限元法应用在对快速接地开关的热稳定性分析还未见有相关的研究论文。

本文以运用Inventor软件对快速接地开关进行简化建模，将其导入ANSYS Workbench软件中的瞬态电—热耦合模块中。所谓瞬态热传递是指物体的温度、边界条件等随时间的变化而变化[14]。通过该过程对动静触头部分的机构进行热仿真分析，得到动静触头机构各个点的温度分布云图，分析快速接地开关的热稳定性。

1 触头机构的瞬态热分析

1.1 触头机构三维实体模型

本文以某公司的50 kA/17.5 kV快速接地开关为研究对象，见图1实物图，研究快速接地开关的热稳定性，其中触头机构的电接触处是主要的分析部位，根据电接触相关的理论，动静触头接触处不是通过面接触，而是通过许多个圆点进行接触，当短路电流通过这些接触点时，就会出现电流线收缩现象，实际导电面积减少，产生收缩电阻。另外，接触表面通常会形成一层可以导电的金属氧化物薄膜，这层氧化膜阻碍了电流的流动，会增加电路的电阻，我们把它称之为氧化膜电阻。接触电阻是因电流收缩产生的电阻和氧化膜的阻碍作用产生的电阻的总称[15]。所以，当巨大的短路电流通过触头时，此时会产生很大的热量集中，导致触头接触部分的温度急剧上升，威胁设备的安全。

图1 50 kA/17.5 kV快速接地开关实物图

50 kA/17.5 kV快速接地开关的动静触头机构如图2所示。图2（b）为动静触头接触处的结构，材料为CuAg0.1，从图中可以看出，动触头的触指与静触头接触是通过中间的小圆柱体来接触的，所以在进行瞬态热仿真分析时，需计算每片触指与静触头实际接触面积的大小。接触面积的大小与触头的预压力有关，触头的预压力越大，实际接触面积越大。50 kA/17.5 kV正常工作时，每片触指与静触头之间的接触压力为100 N。则触指与静触头接触圆半径为：

其中：ξ—和接触面状况相关的系数，其范围在0.3～1之间；

Hk—触头材料的布氏硬度，单位N/mm2；

从而推导出理论接触面积为：

由于快速接地开关动触头上流过每片触指的电流值是不同的，所以为了研究快速接地开关的热稳定性，假设流过每片触指的电流是相等的，在短路电流为50 kA的情况下，研究每片触指在6 250 A/4 s的条件下的短时耐受电流能力，得出各个点的温度分布情况，分析快速接地开关的热稳定性。

动静触头的接触部位直接关系到温度的分布，所以必须按照实际结构建模，根据快速接地开关的原理及其结构，将触头机构进行简化，得到每片触指与静触头接触的模型，图3为简化后的触指与静触头接触部分的三维模型。

图3 触指与静触头接触处简化模型

根据快速接地开关各部分材料的物理属性，包括密度、比热、电阻率、热导率等参数，进行材料属性的设定。在动静触头简化的模型中，主要的结构是触头机构导电的部分，触头导电结构的材料主要为铜，铜的材料属性参数如下表：

表1 材料属性参数

在求解过程中，导电体与周围空气之间的热交换系数是20 W/（m2·K）。

1.2 网格划分

网格划分是有限元分析中的重要一步，网格质量的好坏对求解结果影响非常大，提高网格质量可以显著提高求解结果精度，只有划分好网格才能进行下一步的分析计算[16]，本文采用自由网格划分的方法，对动静触头机构进行了网格的划分，由于触头接触部位是分析的关键部分，所以对其进行了精密划分，以提高计算的精度，网格划分的越密，求解的时间越长，所以对于触头的其他导电部分可以进行粗略的网格划分，从而达到节省求解时间的目的。这种方法既能保证求解速度，又可以满足计算精度的要求。图4为快速接地开关动静触头接触部分的网格划分图。

图4 动静触头网格划分图

1.3 电-热仿真结果分析

对动静触头接触部分进行有限元分析，本动静触头接触时间约为4 s，取接触面积0.199 mm2，对触头机构在50 kA/4 s的条件下进行瞬态热仿真分析与计算。每对触头机构的动触头共有8片触指，所以每片触指通过的电流为6 250 A，分析在t=4 s时，接触部分的温度场分布。由于本文应用的是瞬态电—热耦合场分析方法，因此需要设定初始温度作为边界条件，考虑快速接地开关的工作环境及其工作原理，初始温度设为80oC。

对模型进行求解计算，得到触指与静触头接触处的表面温度场分布图如图5所示:

为了方便查看接触处的温度场分布情况，得到触指接触处的剖面温度场分布图如图6所示：

由图6可以看出，温度最高的点是在触指与静触头接触处，当有短路电流通过时会产生焦耳热，热量一部分用来加热接触电阻，另一部分散发到空气中去。由于触头接触处的散热条件较差，故此处的温升较高，越靠近中间接触处的部位温度越高，温度由内向外逐渐降低，由此说明接触电阻是引起快速接地开关温升的最主要热源之一。因此在设计快速接地开关时，应尽量减小接触电阻，以控制发热量。

根据瞬态热仿真的结果可以得到，在50 kA的电流下，4 s内动静触头接触点的最高温度变化曲线如图7所示。

图5 触指接触处的表面温度场分布图

图6 接触部分触指的剖面温度场分布图

图7 触头机构最高温升点温度-时间曲线

计算结果显示了触指接触处温度最大值达到173.68oC，由于动触头的材料为铜，铜的熔点为1 080oC，接触处温度最大值远远小于铜的熔点，因此触点不会发生熔焊现象。

2 结 论

本文以50 kA/17.5 kV快速接地开关为例，建立了触头机构的有限元分析模型，仿真分析了50 kA/17.5 kV快速接地开关在50 kA/4 s下的瞬态温升，得到了触头机构瞬态温度分布云图，动静触头接触处温度最高，最高温度为173.68oC没有达到材料的熔点，不会造成触头的熔焊。本文的研究成果使传统的经验设计上升到了定性分析，探索了一种新的设计方法，提高了快速接地开关的可靠性。为产品的设计或优化提供了参考价值，为试验过程中调整参数提供了理论依据。

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Researches on thermal stability of the 50 kA/17.5 kV high speed grounding switch

LI Hong⁃bin，LIU Ying，NI Fu⁃sheng
（College of Mechanical and Electrical Engineering，Hohai University，Changzhou213022，China）

High speed grounding switch is a special grounding switch which can make and break the short⁃circuit current.Great thermal performance will be produced when short⁃circuit current flows through moving contactor and fixed contactor.To determine if high speed grounding switch can work normally in the short⁃circuit conditions，this paper simulates numerically the thermal stability of the 50 kA/17.5 kV high speed grounding switch using Inventor and Ansys softwares.The highest temperature 173.68℃is lower than its material melting point，.Fusion welding does not happen at the joint of moving and fixes contactors in this situation.the switch can work normally.So the research can be used to improve the design safety of high speed grounding switch.

high speed grounding switch；thermal performance；thermal stability；Ansys

TN0

A

1674-6236（2017）22-0174-04

2016-10-20稿件编号：201610094

李洪彬（1983—），男，山东德州人，硕士研究生，实验师。研究方向：机械电子。