一种中压交流真空断路器稳态热分析

2021-07-19徐庭伟

船电技术 2021年6期

徐庭伟，祝聪

一种中压交流真空断路器稳态热分析

徐庭伟，祝聪

(武汉船用电力推进装置研究所，湖北武汉 430064)

介绍了一种中压交流真空断路器中导电回路的结构。针对4000 A稳态载流状态，对其进行了热电耦合仿真。通过求解回路中各组件的热载荷，并应用综合散热系数处理表面对流散热，对回路的稳态温度场进行了仿真计算，得到了其稳态温度分布。对断路器进行稳态温升试验，并将测量点的试验数据与仿真计算结果进行对比，验证了仿真的有效性。该仿真方法可以指导中压交流真空断路器的设计。

中压交流真空断路器热分析稳态温升

0 引言

真空断路器具有开断容量大、寿命长、质量轻、结构简单等诸多优点，在3.6~40.5 kV电力网络中，真空断路器的使用占比达到98%以上，占据绝对优势[1~3]。

真空断路器的稳态温升不仅直接影响断路器的性能，也是监测真空弧室中触头状态的重要指标，因此通过各种方法对断路器内部温度分布进行分析是一个重要的课题[4]。

基于路模型的解析法常用于对各种开关电器温升初步估算，但其精度较低，且不能得到温度分布[4,5]。随着计算机技术和数值计算的进步，温度场的数值算法得到了广泛应用，尤其是有限元算法，可以达到很高的计算精度[6]。经过大量温升试验验证，基于ANSYS平台的稳态温升有限元仿真分析方法的有效性得到了广泛的认可[7,8]。

本文针对某新型中压真空断路器，对其在4000 A载流状态下的稳态温升进行了有限元仿真分析，并通过试验获取了稳态温升数据，验证了仿真分析的有效性。

1 中压交流真空断路器模型

图1为中压交流真空断路器的导电回路结构示意图，导电回路主要由真空灭弧室、上载流部件、下载流组件、触臂和进、出线排组成。断路器在工作状态时，需要承载4000 A额定电流，电流由从一侧载流排流进，经载流组件和灭弧室后从另一侧载流排流出。

图1 中压交流真空断路器导电回路示意图

2 中压交流真空断路器热分析方法

断路器工作状态时，导电回路由于承载工作电流会使断路器内部温度上升，由此形成的温度场为稳态热场。对该稳态热场进行热分析包括热源和热传递两部分。

导电回路热场的热源来自于回路通流时产生的焦耳热，包含金属导体材料自身在一定电流密度下产生的焦耳热和不同导体接触面之间的电阻所产生的热量。

热传递的方式分为热传导、热对流和热辐射3种。由于导电回路的允许温升小于200℃，热辐射在热传递中的占比很小，可以忽略，因此主要考虑热传导和热对流对热场的影响。热传导遵循傅立叶定律：

工程上常使用牛顿冷却方程来描述对流传热：

对于表面上任一点，则有：

式中：为导热系数，1和2分别为固体表面温度与周围流体温度。

3 断路器导电回路温升仿真

根据GB/T 11022-2011要求,高压开关设备在周围空气温度不超过25℃时，断路器导电回路中的最大允许温升应满足表1的要求。

表1

名称最大允许温升最大允许温度载流部件与进、出线铜排连接处6590 载流部件7095 动、静触头端部75100 灭弧室与载流部件连接处75100 灭弧室动端及与导电夹80105

导电回路温度场仿真的热源为导体自身发热和接触面接触电阻产生的焦耳热。导电回路中除了灭弧室触头为铜铬合金以外，其余导体材料均为紫铜，两种材料的电阻温度系数均为正。而对于不同零部件之间的接触电阻采用面电阻模型进行模拟，假设在两个接触面之间存在厚度为零的理想面电阻，通过改变面电阻的电阻率，可以模拟接触面上因为接触电阻而产生的焦耳热。

在不超过断路器允许温升的条件下（小于200℃），导电回路中各导体的辐射传热数量级很小可忽略，导体体电阻和接触电阻产生的焦耳热主要通过热传导和热对流方式传递，其中热传导部分由温度梯度以及热导率决定。ANSYS使用牛顿冷却方程计算对流换热量，需要输入综合对流换热系数。根据经验，断路器柜内的对流换热系数一般为4~8 W/(m2·K)-1，本文仿真过程中取对流换热系数为5 W/(m2·K)-1。

最终建立的中压真空断路器单相模型如图2所示，模型中暴露在空气中的表面添加对流换热边界条件，对真空灭弧室中的动、静触头表面添加绝热边界，同时在导电回路的端面上施加电流和电压激励。

图2 原灭弧室仿真计算结果

图3为整个导电回路的电流密度云图，由图可知导电回路中大部分区域电流密度较小。不到3 A/mm2，整个模型平均电流密度仅982.28 mA/mm2。电流密度较大区域集中于触臂与连接排接触面、上、下出线与其他部件接触面的尖锐边缘位置，最大电流密度4.67 A/mm2，位于上触臂与连接母排接触面边缘。

图3 导电回路电流密度分布

图4为断路器导电回路的功率密度分布，由图可知功率密度最大的区域位于软连接与下出线和导电夹连接部位，其次为动、静触头的接触面以及触臂的触指和母排的连接部位：触头主要是因为电流横截面小，且材料电阻率高，而载流部件和连接排主要是因为电流截面小。整个导电回路的总电阻为3.16×10-5μΩ，总发热功率252.98 W，平均功率密度2.08×10-5W/mm³。

图4 导电回路功率密度分布

将上述功率密度作为导电回路的热载荷，环境温度40 ℃，对断路器导电回路进行进行稳态温升仿真，所得到的稳态温升如图5所示。从整个导电回路的温升分布可以看到，温度从动静触头接触位置向周围降低。这主要是由于在真空灭弧室内部由于缺乏对流散热，由动、静触头间的接触电阻所产生的焦耳热发生了积累，使得该位置温度明显上升。由于导电回路均为金属材料，热导率较高，灭弧室内部的热量通过热传导到上、下载流部件上，导致载流部件的温度一同上升。触指位置的接触电阻虽然很大，但该部分与空气接触面积大，具有较好的对流散热条件，因此对流散热产生的热量可以及时得到转移，导致温升相对较低。

图5 断路器导电回路温升仿真结果

4 主回路稳态温升试验

对断路器进行稳态温升试验，准备直流短路发电机、万用表、温升测量装置、回路电阻测量仪等装置。稳态温升测量回路如图6所示，短路发电机进出线端使用4根截面为100 mm×10 mm、长度为4 m的母线与中压真空断路器触指所夹母排相连，每根母线的载流量为1000 A，使用毫伏表测量主回路两端电位差。

表2 测量点温度实际温升与仿真温升对比

图6 温升试验测试点示意图

主回路温升测量点如图7所示，测量点1和7位于断路器所接母排上，2和位于触臂与上、出线连接位置，3和5位于上、下出线上，4位于灭弧室动触头导电夹位置。实验前环境温度23℃。

5 结论

本文通过建立中压交流断路器主回路的稳态温升仿真模型，计算了断路器在4000 A电流下的稳态温升，并通过与实际温升试验的结果经行比较，可以得出以下结论：

1) 该导电回路结构在4000 A载流条件下的稳态温升能够满足GB/T 11022-2011对断路器稳态温升的要求，且具有较大的裕度。

2) 导电回路中温升最高位置为灭弧室，其次为与其相连接的其他部件。

3) 采用有限元软件对断路器导电回路的稳态温升进行仿真计算，计算结果较为准确，与实际值误差在4 K以内。

由以上结论可知，本文中的温升仿真方法能有效地预测中压交流真空断路器中的温度分布，指导中压交流断路器导电回路的散热设计。

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Steady State Thermal Analysis of Middle Voltage AC Vacuum Circuit Breaker

Xu Tingwei, Zhu Cong

( Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

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