大容量发电机断路器温升仿真与试验*

张 鑫，朱 凯，张会杰，程小红，唐 成

（西安西电开关电气有限公司，西安 710077）

0 引言

发电机断路器是安装在发电机和变压器之间的断路器，可以高效地开断发电机源和系统源短路故障，保护发电机和变压器[1]。发电机断路器额定电流较高，通常为6 300～36 000 A，较高的额定电流所产生的导体温升直接影响了发电机断路器的机械性能和电气性能，导体结构设计为发电机断路器设计的关键环节。本文以ZHN10-24 型发电机断路器为分析对象，该产品为国内首台用于300 MV-400 MVA 发电机用保护断路器成套装置，额定电压24 kV，额定电流15 000 A，额定短路电流100 kA，峰值耐受电流300 kA，断路器采用六氟化硫作为绝缘介质，采用自能双气室灭弧室，隔离开关、接地开关以空气作为绝缘介质。断路器、隔离开关、接地开关均采用三相联动，断路器配用液压弹簧操动机构，隔离开关、接地开关采用电动机构，产品外形如图1所示。

图1 ZHN10-24发电机断路器外形

设计时考虑该断路器额定电流参数高，通过设计散热翅片，增加导体与周围空气的接触面积，增强与周围空气的热对流，提高通流能力；对不同导体的连接部位增加接触面积和增大接触压力，有效降低接触电阻。对导体进行了各种优化设计。

为了验证设计的合理性和研究大电流通流导体温升的分布规律，基于电磁学和传热学原理，建立了大容量发电机断路器导电回路稳态热分析模型，计算出导体和周围空气的温度场分布；随后对发电机断路器样机进行了温升试验，并对仿真结果和试验数据进行对比，验证了温升仿真方法的有效性和正确性。

1 仿真计算

温升仿真计算时，通过建立该产品的有限元分析模型，对连续通流后的稳态发热和散热过程进行分析，使用Ansys Maxwell软件计算其电流、磁场和涡流损耗分布情况。然后把Maxwell 磁场计算的热损耗按网格节点导入Fluent，保持了各部分损耗的不均匀分布特性。使用Fluent软件对产品进行热流场分析，最终得出产品温度场和气流场分布云图。其仿真流程如图2所示。

图2 仿真计算流程

1.1 温升仿真分析基本理论

发电机断路器在正常运行时，导体通15 000 A 交流电流，时变电流产生时变磁场，时变磁场产生时变电场，从而产生涡流[2-3]，麦克斯韦方程组：

式中：H为磁场强度；J为电流面密度；E为电场强度；B为磁通密度。

整个导体的损耗方程为：

式中：J为电流密度矢量；σ为导电率。

断路器导体与静触头、动触头之间主要传热方式为热传导，断路器导体与周围空气之间的传热方式以热对流为主[3-6]。

热传导遵循傅里叶定律为：

式中：k为导热系数。

导体热量通过空气流动传递到方外壳的过程，可以用牛顿冷却方程表达为[4-6]：

式中：h为对流换热系数；Tm和Tk为断路器导体和方外壳温度。

1.2 仿真建模及求解

为了简化计算，只取断路器部分参与通流的部分为建模基础，同时考虑到模型的左右对称性，为减小计算量，提高仿真效率，取半模型计算[7-9]。模型简化中，因额定通流回路和灭弧回路并联，且灭弧回路电阻远大于额定通流回路，所以去除了灭弧室中的灭弧回路和不参与通流的传动系统部分，还去掉了导体上的螺纹孔等不必要的几何细节，并对一些其他结构进行了合并，以减少网格数量和计算时间。为了保证准确的数据传递，电磁场与流场计算模型一致。图3 所示为经过处理后的发电机断路器仿真计算三维模型，保留了内部气流道和散热结构。有散热翅片的为发电机断路器导体，为铝制零件，导体为密封结构，内部充有六氟化硫气体，通流15 000 A。导体外部方外壳为铝板焊接件，相当于通流导体的接地保护外壳。导体与方外壳之间为干燥空气。

图3 仿真计算模型

为使仿真更加接近实际工况，对断路器静主触头与动主触头、导体接触部位增加接触电阻。结合实测值对各接触电阻赋值。接触1和接触2为弹簧滑动接触，接触3和接触4位螺栓固定连接，如图4 所示各电接触位置。具体接触电阻赋值情况如表1所示。

图4 电接触位置示意图

表1 各接触电阻值

计算过程如下4 个步骤：（1）建立有限元模型；（2）划分网格；（3）加载激励及边界条件；（4）求解及后处理。计算中全面考虑了集肤效应、邻近效应和外壳涡流的影响[10]。15 000 A交流损耗计算结果如表2所示。

表2 交流损耗

通15 000 A 交流电，仿真计算后，将Maxwell 计算结果导入Fluent，模型加周围环境空气，进行自然对流散热仿真。图5 所示为整个计算模型的网格划分，包括周围环境空气、箱体、断路器导体、箱体与导体之间的空气、导体内六氟化硫气体等6 部分的网格。图6 所示为断路器导体加六氟化硫网格。

图5 流体模型的网格

图6 断路器网格

断路器内部六氟化硫和外部空气的温度和流动情况如下，从图7可以明显看出，断路器内部六氟化硫气体温升在60 K左右，断路器方箱体内部空气温度依次递减从断路器表面温升从60 K 左右到靠近方箱体温升20 左右。断路器底部流速基本在0.1 m/s 以下，而上部表面空气流速均大于0.2 m/s 甚至最靠部位达到0.4 m/s，流动较快。

图7 气体温度和流速

各部件温度分布如图8～10 所示。导体表面温度分布、内部温度场分布和外壳温度分布的规律基本一致。箱体内断路器导体上部空气流动快温度低，在断路器导体A 和导体B 上，也是上部温度低，下部温度高。因接触电阻原因，整个断路器固定连接和滑动连接部位温度较导体其他部位高。

图8 导体A处温度分布

图9 触指附近温度分布

2 试验验证

为验证发电机断路器温升仿真计算的正确性和导电回路设计的可靠性，设计搭建了完善温升试验样机和试验辅助工装。

2.1 试验回路

通过给该产品通过一定时间的额定电流，检测其发热状况，验证其载流能力，将电网的380 V/50 Hz 供电直接进行调压、升流后实现，具体实现原理如图11所示。

图10 导体B处温度分布

图11 试验回路原理

发电机断路器额定电流较大，一般进行单相试验，模拟发电机断路器实际运行工况，两端加装离相封闭母线温升工装[11-13]，典型温升试验布置如图12 所示，箭头为电流运行方向。电流首先从进线侧内导工装进入，流经试品断路器及其他通流元件，再经过回线侧内导和回线侧外壳，再经过方外壳，从进线侧外壳回流。

图12 典型温升试验布置

2.2 仿真与试验对比

为了验证产品的性能和仿真计算结果的准确性，在试验室，给发电机断路器通入15 000 A电流进行温升型式试验，如图13 所示，用热电偶原理测量断路器温升，选取了断路器导体、触头、动触头上10 个关键点的最高点温升值进行对比，仿真计算值与试验实测值基本一致，误差小于4 K，对比结果如表3所示。

表3 温升值对比

图13 试验照片

3 结束语

本文建立了ZHN10-24 型发电机断路器电磁流体温度多物理耦合场模型，首次研究了大容量发电机断路器导体温升的仿真计算方法，并和试验结果进行了对比，得出以下结论。

（1）接触电阻是引起局部发热的主因，可以通过增加电连接接触面积和增大接触压力等方法减小接触电阻。

（2）温升仿真计算值和试验值误差不大于4 K，证明了计算方法和仿真模型的有效性，所建立的仿真模型和结论为以后设计提供了可靠的依据。

（3）本文中温升仿真和温升试验方法不仅适用于大容量发电机断路器的温升研究，同时也可为大电流高压电器产品的通流设计提供参考依据。