大容量发电机断路器铸铝外壳在高温条件下的性能分析

张会杰 黄小凤 唐 成 何晨光 徐 浩

大容量发电机断路器铸铝外壳在高温条件下的性能分析

张会杰1黄小凤2唐 成1何晨光1徐 浩2

（1. 西安西电开关电气有限公司，西安 710077；2. 南方电网调峰调频发电有限公司，广州 510000）

大容量发电机断路器在实际运行时长期处于高温环境，需对高温环境下的发电机断路器关键零件——铸铝外壳的性能进行分析。通过采用温度传感器对铸铝外壳及壳体内部SF6绝缘气体温度进行实测可知，长期通流后，壳体的温度与壳体内部SF6气体的温度趋于平衡与一致。由壳体的最高工作温度确定壳体内部SF6气体的最高温度，再依据SF6气体温度与气体压力的曲线关系，确定铸件壳体的最高工作压力。同时，还测定了不同温度条件下与铸件外壳同牌号的单铸试棒的力学性能参数，最后根据最新判据对铸件壳体机械强度进行仿真计算。

发电机断路器；铸铝外壳；高温环境；最高工作压力；力学性能；机械强度

0 引言

发电机断路器装设在发电机组与变压器之间，用于保护发电机组和变压器[1-2]。早期变压器与发电机之间一般不设发电机断路器[3]，但是近年来随着国产发电机断路器技术的不断成熟，发电机断路器成本不断降低，各类发电厂开始装设发电机断路器，在水电、火电及核电厂尤为突出。

不同于变压器高压系统侧的开关设备，发电机断路器属于低电压、大电流断路器[4]，如燃气机组所用的发电机断路器，其额定电压为24kV，额定电流可以达到18kA；核电机组用发电机断路器，其额定电压近30kV，额定电流可以达到35kA。在实际运行过程中，发电机断路器通常满负荷运行，这导致发电机断路器零部件长期处于温度较高的运行条件下。

铸铝外壳作为发电机断路器的关键零部件，需长期通流，同时其内部还需耐受一定压力的SF6气体作用。在长期满负荷运行条件下，铸铝外壳温度会逐渐升高，随着温度的升高，铸件壳体内SF6气体的压力会逐渐变大，因此有必要确定在此条件下铸件壳体的最高工作压力。同时，高温条件下，发电机断路器铸铝外壳力学性能指标如屈服强度、抗拉强度等是否会产生变化，也是需要研究的内容。

1 发电机断路器铸件壳体温度实测

某型发电机断路器主回路通流铸件壳体如图1所示，对其温度进行实测在铸件外壳温升最高区域选取四个点设置温度传感器，即图1中的A、B、C、D，同时在铸件壳体内部设置两个温度传感器测量SF6气体温度，即图1中E和F。

图1 发电机断路器主回路通流铸件壳体

在满容量27kA通流条件下，测量铸件壳体温度及铸件壳体内部SF6气体温度，各点温度随时间的变化曲线如图2所示。

从图2可以看出，在通流近9h后，各点温度趋于稳定。各测量点的最终实测温度见表1。

从表1可以看出，满容量通流时，铸件壳体表面及壳体内部气体温度接近80℃。此外，还可看出，长期通流后，壳体表面温度与壳体内SF6绝缘气体温度相差不大，即在长期通流后，壳体温度与壳体内部SF6气体温度趋于平衡与一致。

图2 各点温度随时间变化曲线

表1 各测量点实测温度

2 确定铸件壳体最高工作压力

上述发电机断路器在20℃下的气室额定压力为1。假设气室密封状态良好，不会发生漏气，由于气室容积固定，在20℃时充入一定压力的气体后，充入气体的质量也就确定，根据公式=/可知，即使气体温度升高，气体的密度也不会随之发生改变。通过贝蒂-布里奇曼SF6气体状态方程[5-6]可计算出断路器气室内在20℃时充入1压力SF6气体的密度。

SF6气体状态方程为

式中：为SF6气体的绝对压力（MPa）；为SF6气体密度（kg/m3）；为SF6气体热力学温度（K）。

表1列出的断路器铸件内部SF6气体实测温度为75.6℃、77.2℃，取均值76.4℃作为SF6气体温度。在密度已知的条件下，再次利用贝蒂-布里奇曼气体状态方程计算出此温度下对应的SF6气体压力见表2。

表2 铸件壳体实测温度下对应压力

实测温度下，SF6气体压力为1.27倍的1，但是考虑产品使用环境和散热条件的不同，温度可能会有波动，需要确定波动的上限值。

文献[7]对铸铝壳体的温升作了限值要求，通常壳体温度不能超过105℃。此外，从表1实测数据可以得出，在长期通流后，壳体温度与内部绝缘气体温度相差不大。因此，可将标准中规定的壳体温度上限值作为绝缘气体的温度上限值。再次利用贝蒂-布里奇曼状态方程计算出该温度条件下的绝缘气体压力为1.41倍的1，确定此压力为壳体的最高工作压力。

文献[8]对铸件的破坏压力做了规定，要求破坏压力为5倍的设计压力，即5×1.411。

3 材料力学性能指标在高温条件下的试验验证

为分析外壳材料在高温条件下的力学性能指标，采用与铸件外壳同牌号的单铸试棒，分别测量在不同温度条件下试棒的力学性能指标，单铸试棒的外形如图3所示。

图3 单铸试棒

铸铝合金材料属于塑性材料，没有明显的屈服点，通常把材料产生的残余塑性变形为0.2%时的应力值0.2作为条件屈服强度[9]。

温度测量点分别取25℃、60℃、80℃、90℃、105℃、115℃，测量数据包括各温度下的条件屈服强度0.2、抗拉强度、泊松比、弹性模量，具体测量数据见表3。

分析试验结果可以看出，材料的条件屈服强度0.2和抗拉强度与温度呈负相关，随着温度升高，材料的条件屈服强度与抗拉强度逐渐下降。材料的泊松比与温度呈正相关，弹性模量与温度呈负相关，但相对来说，泊松比与弹性模量随温度的变化值较小。

表3 不同温度条件下单铸试棒力学性能指标

材料条件屈服强度0.2和抗拉强度随温度的变化关系曲线如图4所示。

图4 材料力学性能指标随温度的变化曲线

表3给出了不同温度下单铸试棒的条件屈服强度与抗拉强度，文献[8]规定铸件本体试棒的条件屈服强度与抗拉强度值不得低于单铸试棒的75%。对于泊松比与弹性模量，无论是单铸试棒还是本体试棒，其值是一致的。因此，不同温度条件下铸件本体试棒力学性能指标见表4。

表4 不同温度条件下铸件本体试棒力学性能指标

4 高温条件下铸件外壳强度仿真计算

利用仿真软件对铸件外壳在破坏压力条件下进行强度校核，施加载荷为7.051，判断标准为105℃温度条件下铸件本体试棒的力学性能指标，同时在仿真之间对壳体材料赋予该温度条件下的泊松比与弹性模量值。

为减小计算工作量，对发电机断路器铸造壳体的三维模型进行简化，去除其上对计算结果影响微小的凸台、尖锐的棱角等细微结构；为考核壳体的法兰，增加试验工装盖板，使壳体和盖板均形成封闭容器。

铸铝合金属于塑性材料，其虽没有明显的屈服点，但当应力集中部位的应力值超出条件屈服强度0.2时，该部位的应力值将不再增大，直到附近区域的应力值也达到0.2后，应力值才会继续增大至材料的破坏强度[10-12]。

铸造壳体在破坏试验压力下的应力云图和形变云图如图5～图8所示。

图5 壳体内腔应力云图

图6 壳体外部应力云图

对铸造壳体在破坏试验压力作用下的仿真计算结果进行分析，允许应力值以105℃条件下的抗拉强度值作为判据，计算应力及形变值见表5。

图7 壳体内腔形变云图

图8 壳体外部形变云图

表5 发电机断路器铸造壳体的计算应力和形变值

铸铝壳体的内腔应力值在所要求范围之内，铸铝壳体外部的最大应力值在加强筋的根部，此处应力值接近或大于抗拉强度，但是所占区域很小，属应力集中部位。加强筋根部周围的应力值都未超过0.2即160.22MPa，因此，此处的应力集中不会导致壳体破坏，可以剔除应力云图中的应力畸变区域。

此外，从形变云图图7和图8可以看出，壳体形变量很小，在允许的范围之内。

5 结论

通过温度传感器对发电机断路器外壳及内部绝缘气体温度进行实测，得出壳体表面温度与内部绝缘气体温度相差不大这一结论。确定出壳体的最高工作温度后，再依据SF6气体温度状态方程，确定铸件壳体的最高工作压力。通过试验测定不同温度条件下单铸试棒的抗拉强度与屈服强度参数可知，随着温度的升高，材料的抗拉强度与屈服强度呈下降趋势。最后通过仿真软件对发电机断路器铸件外壳进行强度校核，判定在高温条件下铸件壳体满足设计要求。

本文所述验证方法对其他产品在高温条件下运行的铸铝壳体的设计具有一定的参考意义。

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Performance analysis of large capacity generator circuit breaker with cast aluminum housing under high temperature

ZHANG Huijie1HUANG Xiaofeng2TANG Cheng1HE Chenguang1XU Hao2

(1.Xi’an XD Switchgear Electric Co., Ltd, Xi’an 710077;2.China Southern Power Grid Peak Regulation and Frequency Regulation Power Generation Co., Ltd, Guangzhou 510000)

The large-capacity generator circuit breaker is in a high temperature environment for a long time in actual operation. It is necessary to analyze the performance of the generator circuit breaker cast aluminum housing under high temperature. The temperatures of the cast aluminum housing and the SF6gas inside are measured by the temperature sensor, and it is concluded that the temperature of the housing and the temperature of the SF6gas inside the housing tend to be balanced and consistent after a long-term flow. The maximum temperature of the SF6gas inside the shell is determined by the maximum working temperature of the shell, and then the maximum working pressure of the casting shell is determined according to the curve relationship between the temperature of the SF6gas and the gas pressure. At the same time, the mechanical property parameters of the single-casting test bars which are the same grade as the casting shell are measured under different temperature conditions, and finally the mechanical strength of the casting shell is simulated according to the latest criterion.

generator circuit breaker; cast aluminum housing; high temperature environment; maximum working pressure; mechanical property; mechanical strength

2022-04-20

2022-05-16

张会杰（1988—），男，陕西省西安市人，硕士，工程师，主要从事高压电气产品的设计与研发工作。

中国南方电网有限责任公司重点科技项目“抽水蓄能机组成套开关设备关键技术研究及应用”（STKJXM20190198）