大电流开关柜温度分布特性的影响因素分析

李江涛 孙 义 李擎宇 董 宁 赵 政

（西安交通大学电气工程学院，西安 710049）

随着经济的发展，用电需求的快速增加，配电网的负荷越来越重。开关柜是配电网中重要的开关设备，维系着配电网的安全稳定性。过重的负荷给开关柜带来了严重的发热问题，异常的温升可能会导致开关柜异常状态运行产生故障甚至发生爆炸，危及人身安全和造成大停电事故。开关柜的温升与回路电阻的大小密不可分，而接触电阻是回路电阻的主要组成部分，因此接触电阻的大小是影响开关柜温升的重要因素。开关柜中的接触电阻主要存在于梅花触头与静触头的搭接点、断路器真空灭弧室内的动静触头以及电流互感器与母线的连接部位。从工程经验来看，梅花触头部位最易发生过热故障，这是由于断路器手车的频繁操作导致梅花触头磨损，造成接触电阻增大致使发热更加严重，温升的增加又加剧接触面氧化腐蚀[1]，导致接触电阻进一步增加，形成恶性循环。

目前针对开关柜温升特性已开展了大量研究工作。贾文卓仿真计算了40.5kV高压开关柜在一定负荷电流下母排的温升情况，发现三相触头附近温升最高，接触部位是重要的热源[2]。徐立群等仿真计算一定室温下额定负荷电流运行的 KYN28A-12型开关柜温度场，但未考虑开关柜中的接触电阻[3]。任君鹏等和张炜等针对KYN-28型开关柜进行了一定室温和负荷下温度场仿真，将接触电阻的影响体现在发热功率的设置中，开关柜在4000A负荷下最大温升约 57℃[4-5]。李晶等针对 1250A额定电流开关柜梅花触头进行了仿真和实验研究，发现触头接触不良会导致母线温度分布梯度变大[6]。王秉政等针对XGN2型开关柜开展了额定电流运行时不同接触电阻对开关柜温度场分布影响的仿真研究，隔离开关旋转触头、断路器触头、母线压接接头处温升随该部分接触电阻的增加呈线性增大趋势[1]。

综上所述，现阶段的研究大多忽视了负荷与室温的变化对于开关柜温升特性的影响，而对于接触电阻的研究普遍较为粗略，且缺少温升实验对开关柜整体温度分布特性的佐证。

因此，本文针对KYN-28型4000A大电流开关柜进行建模仿真，通过理论计算获得梅花触头与静触头搭接点接触电阻，研究不同负荷和环境温度下，开关柜温度分布规律，并通过温升实验验证了仿真模型的合理性。随后针对开关柜各部位接触电阻的增加对于开关柜整体温度分布特性的影响进行了研究。基于此模型可开展温升预测的研究工作，为测温传感器的布置方案提供理论依据，研究结果也有望为大电流开关柜运维计划提供理论指导。

1 触头接触电阻计算

实际中触头的接触面上存在很多接触斑点。电流流经接触面时，将集中流过这些接触斑点，在斑点附近出现电流线的收缩，使得电流流过的路径增长，有效导电面积减小，出现局部的附加电阻，即为“收缩电阻”。触头表面通常覆盖有一层表面膜，形成另一个附加电阻“膜电阻”。因此，触头的接触电阻是“收缩电阻”和“膜电阻”之和[7]。由于接触斑点数和斑点的平均半径难以计算，所以在工程上采用经验公式计算接触电阻[8-9]，即

式中，R为接触电阻；F为接触压力；m为与接触形式、压力范围和接触点数目有关的指数，梅花触指与静触头之间为面接触，m值取1；kj为与接触材料、表面状况有关的系数。

本文根据KYN-28型4000A开关柜梅花触头实际参数，通过受力分析计算梅花触头与静触头之间的接触压力。图 1（a）中，1为静触头；2为动触头；3为触指；4为弹簧。

图1 梅花触头受力分析

每一片梅花触指的受力分析如图1（c）所示，其中，α 为两片触指之间的中心角角度；D为工作状态弹簧绕成圆的直径；弹簧倔强系数为 k；自由长度为l0；触指片数为n1；弹簧数量为n2；F′为工作状态单个弹簧沿圆周方向产生的张力，根据受力平衡可列出下列方程[8-9]，即

由此则可知每一片触指的接触压力F为

每个触指因弹性变形损失的接触力为 F0[9-10]，如图1（d）所示，有

式中，E为弹簧材料的弹性模量；I是截面的惯性矩；ω 为每片触指的最大挠度近似值；L是触指长度。

根据以上受力分析和接触电阻经验公式，可计算出该型号开关柜单个梅花触头与接触头之间接触电阻 R≈10μΩ。

2 仿真模型

KYN-28型大电流开关柜结构图如图 2所示。使用 Solidworks进行模型绘制并导入 COMSOL中仿真研究。

图2 KYN-28型开关柜结构示意图

在仿真计算时，为节约计算成本，提高求解收敛率，对开关柜模型进行了合理简化，本文旨在研究开关柜内部电路主回路温升特性，对于不影响或影响较小的绝缘部件和柜体结构进行了简化，并等效简化母线形状以及梅花触头形状[11]。

简化后开关柜模型如图3所示。根据参考文献[1,9]，将断路器真空灭弧室内动静触头以及电流互感器连接端接触电阻值分别设置为 5μΩ、3μΩ。梅花触头与静触头搭接点接触电阻根据理论计算设置为10μΩ。开关柜每相回路总接触电阻约为28μΩ，符合该型号开关柜相关技术标准。

图3 KYN-28型开关柜简化模型

开关柜内传热方式包括热传导、热对流以及热辐射。对于开关柜内部导体换热系数，根据此类型开关柜母线结构取值为 h=10W/（m2·℃）[9]；断路器真空灭弧室中是真空环境，只存在热传导和热辐射；导体表面辐射率设置为0.5[11]；开关柜柜体表面散热条件设置为自然对流传热。在计算时耦合流体传热模块，即考虑开关柜内部由于空气自然对流带来的热交换。

3 开关柜内温度分布特性

3.1 温升仿真结果

利用 COMSOL仿真软件计算了开关柜在不同负荷和环境温度下的稳态温度分布。当电流有效值设定为3000A、环境温度为30℃时，开关柜温度分布如图4所示。

上母线室内温升明显高于下母线室；上方梅花触头温升明显高于下方梅花触头温升；中间相回路温升明显高于其他两相温升，符合自然对流下的传热规律。在设置接触电阻的部位温升明显较高，其中断路器真空灭弧室内动静触头温升最高，其次是梅花触头部位，电流互感器处温升相对最低。断路器真空灭弧室内动静触头以及梅花触头外部分别包裹着断路器绝缘外壳和触头盒，绝缘材料导热系数较小，不利于热量的散失，这也是造成动静触头和梅花触头温升较高的原因之一。母线是导电回路中温升最低的部分，且沿着母线温升呈现递增或递减分布。这是由于母线自身电阻相对较小，各电气连接处产生的焦耳热通过热传导影响母线的温升造成的。

图4 开关柜温度分布图

3.2 温升实验结果

采用PT100温度传感器以及声表面波温度传感器相互校验对KYN-28型4000A大电流开关柜进行了2000A、3000A以及4000A稳态温升实验。实验环境温度约为30℃，分别在梅花触头、母线、电流互感器等处布置了23个温度测点，全面监测开关柜温升情况。触头盒空间狭窄，在对梅花触头进行温升监测时，仅布置体积较小的PT100温度传感器，如图5所示。

将温升实验数据与仿真数据进行对比，例如3000A负荷条件下，温升沿母线分布情况如图6所示。实验结果与仿真结果相吻合，温度相差在 4%以内，主要误差来源于两方面：①仿真时对模型的简化处理造成的误差[12]；②实验时传感器的布置和精度造成的误差。根据开关柜实际结构分析，C相上方母线长度较长，散热面积较大，在仿真和实验中测得上方C相母线温升最低，而对于下柜中的母线，散热条件相同，C相母线长度较长自身电阻较大，发热功率大于A相，因此仿真中下柜C相母线温升较A相略高；在实际实验中，为方便安装传感器将C相母线侧面钢板柜体拆换为纸质挡板，实验时下柜C相母线散热条件较好，使得C相母线温升略低于A相。

图5 梅花触头温度传感器布置情况

图6 室温30℃-3000A母线上温度分布

从图6中可以看出，上方母线温升整体高于下方母线，上下方梅花触头有着约5%～10%的温度差异。上方母线温升沿着母线方向逐渐降低，温升与距离近似线性关系。下方母线温升沿着母线方向先降低后增加，降低段温升与距离近似线性关系，后半段温升有所增加是由于电流互感器与母线连接处接触电阻发热造成的。

下方A相母线温升变化梯度约为-0.403℃/cm，绝对值大于上方A相母线温升变化梯度-0.074℃/cm。这是由于开关柜内部空气自然对流，热气流向上运动，造成上方温升较高，温升变化梯度较小，且下方母线如图4所示，触头盒出口出的母线存在“L”型拐角，该部位散热面积较大利于热量散失，因此下方温升梯度更大。

3.3 负荷电流和室温的影响

进行不同负荷电流和室温条件下的温度场仿真计算，发现开关柜运行在不同负荷电流下的稳态温度分布规律大致相同。当开关柜在额定电流 4000A下运行时，内部稳态温升已超出GB/T 110022—2011规定的上限65℃[9]。当室温为30℃时，三相共6个梅花触头稳态温升随电流值变化曲线如图7所示。温升随着电流的增大非线性增加，当电流值到达约3250A左右时，梅花触头温升已到达相关标准规定上限。

图7 梅花触头温升随电流变化关系

当环境温度改变时，对开关柜内部温升特性带来很大影响，如图8所示。梅花触头稳态温升随室温的增加呈直线升高趋势。在 3000A负荷电流条件，各相梅花触头温升随室温变化率依次为 A相（上）0.623℃/℃，B相（上）0.545℃/℃，C相（上）0.587℃/℃，A 相（下）0.73℃/℃，B 相（下）0.674℃/℃，C相（下）0.719℃/℃。可以看出，下方梅花触头相比于上方梅花触头对室温的变化更加敏感，A、C两相梅花触头相比于中间相梅花触头对室温的变化更加敏感。在 1000A、2000A负荷电流下，A相上梅花触头温升随室温变化率依次为0.651℃/℃、0.625℃/℃，随着负荷的增大，室温对于梅花触头温升的影响程度降低。

图8 梅花触头温升随室温变化关系

从传热学的角度说明，在大负荷电流下，开关柜内部发热大温升高，与环境温度差异大，热量从温度较高的开关柜传递给温度较低的周围空间速率相较于小负荷状态更快。因此，较大负荷下梅花触头温升的变化幅度受室温的变化更加敏感。

4 接触电阻对于温升的影响

在开关柜长期运行期间，各部位接触电阻均可能因一系列原因逐渐变大。其中梅花触头与静触头搭接点的接触电阻因断路器手车频繁操作最容易变大；断路器真空灭弧室内动静触头在分合操作时也会出现一定的磨损；电流互感器安装不当会造成电流互感器与母线连接处接触电阻增大。基于之前的仿真模型，分别研究了这3个部位接触电阻增大对于开关柜内温度场分布的影响。

4.1 梅花触头处接触电阻的影响

分别将仿真模型中上方三相以及下方三相梅花触头与静触头搭接点接触电阻增大为100μΩ，即正常值的10倍，开关柜在30℃环境温度和3000A负荷电流下稳态温度分布情况如图9所示。上方梅花触头处接触电阻的增大对于上方触头和母线的温升有着较大影响，其中B相梅花触头温升较正常状态升高了约231%，而对于下方触头和母线的温升影响较小，仅使得 B相下方梅花触头温升增加了约21.5%。下方梅花触头处接触电阻的增大对于开关柜整体触头和母线温升有着较大的影响。使得下方母线温升整体高于上方母线，对于上下方B相梅花触头，其温升分别增加了约54.3%、191%。

梅花触头处接触电阻的增大对于触头温升随负荷变化的影响情况如图 10（a）所示。在仿真中设定上方A相梅花触头处接触电阻发生变化，环境温度为30℃。从图中可以看出，负荷越大，接触电阻的增加对于温升的影响越大。开关柜负荷由 1000A升高至3000A时，正常状态的梅花触头温升增加了约118%，当该梅花触头与静触头搭接处接触电阻增加7倍是，梅花触头温升增加了约353%。

在3000A负荷下，触头温升随接触电阻增大的变化率为1.72℃/μΩ，大于1000A负荷下0.211℃/μΩ的变化率，从图 10（b）也可发现，梅花触头温升随接触电阻变化呈近似线性关系。根据前人的研究结果可知，接触面温升主要取决于接触焦耳热而非导体内热源[13]，触头的温升值主要取决于电流的平方以及接触电阻的数值，此结论与本研究结果相符。

图9 梅花触头接触电阻对温度分布的影响

图10 接触电阻对梅花触头温升的影响

4.2 动静触头接触电阻的影响

将断路器真空灭弧室内三相动静触头接触电阻增大为25μΩ，即正常值的 5倍，在 30℃环境温度3000A负荷电流条件下开关柜导电主回路温度分布情况如图11所示。从图中可以看出，动静触头接触电阻的增加对于整体温升影响相对较小，使得上方梅花触头温升较正常值增加了约30%，下方梅花触头温升增加了约18%，三相动静触头温升均增加了约 75%。从图 11（b）可以看出，母线上整体温度分布规律没有发生变化，上方母线温升随距离近似呈反比例关系，下方母线温升随距离先减小后增大。

图11 动静触头接触电阻对于温度分布的影响

4.3 电流互感器处接触电阻的影响

根据工程经验，电流互感器是开关柜内不可忽略的热源，若安装不当存在接触问题，则会带来较大的发热对开关柜内部温度分布产生很大的影响。将三相电流互感器与母线连接处的接触电阻均增大为15μΩ，即正常值的5倍，在30℃环境温度3000A负荷条件下开关柜温度分布如图12所示。开关柜下方母线温升整体高于上方母线温升，且下方母线温升随距离呈曲线上升趋势。下方梅花触头温升较大幅度升高，增加约60%，上方梅花触头温升增加约20%，受影响程度相对较小。中间相母线散热条件较差，中间相母线及触头温升受影响程度更大。

图12 电流互感器接触电阻对于温度分布的影响

5 结论

本文对典型的KYN-28型4000A大电流开关柜型进行了温度场仿真研究，着重计算了负荷电流、室温以及接触电阻对于温度分布特性的影响，并通过温升实验验证了模型的合理性。研究结果可为开关柜温升在线监测以及大电流开关柜运维方案的设计提供理论参考。以下是相关结论：

1）对于 4000A大电流开关柜，大负荷运行带来较高的温升，当负荷增加至约3250A时，开关柜内部梅花触头温升已超出相关标准规定上限，须及时采取强制散热措施。室温同样大幅度影响着开关柜内部温升，环境温度的改变对于上方母线及触头影响更大，在 3000A负荷下，室温从 10℃变化到30℃可使梅花触头温升增加约10℃～15℃。

2）梅花触头等部件处的接触电阻是影响温升的重要因素。梅花触头与静触头搭接点接触电阻的增加较大幅度影响上下方梅花触头及母线温升，在3000A负荷下，上方梅花触头处接触电阻增大10倍，会导致其自身温升增加 180℃。且负荷越大，接触电阻对温升的影响越大。断路器真空灭弧室内动静触头接触电阻的增加对于整体温升影响相对较小。

3）通过仿真及实验发现电流互感器也是开关柜内部发热较为严重的部位，若安装不当使得接触不良，则会造成较高的温升，危及开关柜正常运行。在设计开关柜温度监测系统时，根据情况可将此部件的温升监测纳入设计方案中。