故障条件下中压开关柜温升特性的仿真研究

　　摘要：中压开关柜发热故障占比较高，故障条件下难以满足温升标准，因此研究中压开关柜在故障状态下的温升特性对于电网的安全运行具有重要意义。论文首先利用有限元仿真软件ANSYSapdl和CFX建立了电磁-流体温度场耦合的仿真模型，分析了1.1倍额定电流下的温升分布，并通过实验进行了验证;之后分别仿真分析了真空灭弧室内和梅花触头处的接触压力对温升的影响;最后分析了两处接触压力同时变化对温升的影响，并且基于仿真结果进行函数拟合得到了接触电阻与温升之间的关系式。研究结果表明：由于接触压力减小导致的接触电阻增大将导致温升升高，通过观察其变化趋势可以发现接触电阻对温升的影响呈线性关系;梅花触头处接触电阻与真空灭弧室内接触电阻对温升的影响相互独立。

　　关键词：开关柜;温升;接触压力;接触电阻;有限元仿真

　　0引言

　　中压开关柜被广泛使用在配电网络中，在居民、工厂、公共服务设施等中承担了电能的分配、测量、控制和保护电路的作用。某供电企业对10kV开关柜进行了故障统计，结果显示发热故障占比最高[1]。因此，研究开关柜温升特性，尤其是故障时的温升特性具有重要意义。近年来针对电力设备的温升研究发展迅速。杨永通等人通过研究开关柜温升和气流场分布，优化了开关柜的散热设计[24]。汪倩等人利用AnsysEmag与CFX软件模块耦合，研究散热风扇对于开关柜温升的影响[5]。

　　L.Wang等人通过仿真建立的40.5kV的SF6充气柜(CGIS)，分析获得了不同填充气体下的温升分布，在温升方面为寻找SF6替代气体提供了参考[67]，同时他们研究分析了MAXWELLFLUENT与ANSYSapdlCFX两种耦合方式在仿真中压开关柜温升方面的优缺点，并且提出了降低温升的方法[89]。E.Fjeld等人对利用5种仿真方法对一个全新设计的开关柜进行了温升仿真，并且与实验进行了对比，他们发现，仿真的准确性与辐射率和可靠的接触电阻值有关，而与仿真工具无关[10]。

　　李晶等人利用ANSYS对某开关柜建立了梅花触头接触正常和不良情况下的仿真模型，对触指不完全有效接触的故障情况作出仿真[11]。SachinB.Paramane等人利用CFD研究了风向与风机对变压器散热器性能的影响[12]。曾国伟通过分析开关柜故障和改善案例，利用有限元软件仿真了开关柜的电场和温度场，提出了一种10kV新型开关柜结构和新型接线方式[13]。杜丽等人研究KYN9612的出线柜发现：环境温度对开关柜温升影响较小，引出排规格、断路器触臂材料对温升影响较大[14]。

　　吴吉等人针对126kV三相共箱式GIS，仿真分析了电磁热耦合模型与电磁热流耦合模型[15]。苏旭辉等人利用有限元仿真了不同触头接触状态和500A、1000A、1500A负载电流下GIS隔离开关的温升分布，研究结果表明当触头接触不良时，GIS的温升与温升增速变大[16]。过去的研究内容多数为开关柜正常情况下的温升仿真[17]，对开关柜降低温升提出改善结构，风机散热等方式。而对接触故障尤其是多处接触故障同时发生的情况的温升研究较少。

　　本文利用ANSYSapdlCFX耦合，建立了电磁流体温度场的开关柜多物理场耦合模型，模型考虑了风机强制对流散热以及真空灭弧室内和梅花触头的接触电阻。首先获得了1.1倍额定电流的温升分布，并且与实验进行了对比验证;之后通过改变接触电阻模型仿真分析了真空灭弧室内触头压力变化，梅花触头处接触压力变化两种故障情况下温升分布;最后探究了两者同时变化时对整体温升分布的影响，分析数据获得了接触电阻与各个部位温升之间拟合关系式。

　　1仿真模型

　　仿真模型包括了全部导电结构和部分非导电结构，如极柱、电流互感器、触头盒和壳体。极柱内设置为真空，来模拟真空断路器的触头处于热导率极低的真空环境[18]。在断路器室和电缆室下侧分别建立两个等效轴流风机模型，用以模拟强制对流散热。为考虑接触电阻对于温升的影响[19]，在真空灭弧室内的动触头和静触头之间、梅花触头和静触头的搭接处，两个位置添加了导电桥模型作为接触电阻模型。

　　断路器内动静触头的触头片材料为CuCr50，其接触压力为4800N，因此此处添加的接触电阻模型材料选取为CuCr50，其布氏硬度为128N/mm2，计算得接触电阻模型半径为4.5mm，高度1.5mm，阻值约为1.672μΩ;梅花触头与静触头均有镀银层，因此此处接触电阻模型材料选取为Ag，接触压力约为180N，布氏硬度为80N/mm2，每个触指与静触头的接触电阻阻值约为4.3μΩ，模型为弧片，截面的长方形尺寸为0.4mm×1.3mm，宽度约为0.6mm[21]。

　　在CFX仿真中，本文通过增加流体域来模拟开关柜内部和外部的气流环境。为了模拟开关柜正常工作时所处的室内气流情况，需要在空气域的外部边界上添加边界条件。将极柱内的空气域删除，即可视为极柱内为真空条件。在仿真中，将空气域四周边界面类型设置为墙体(wall)，温度为环境温度，即305K，将其上表面设置为出口(outlet)，下表面设定为入口(inlet)，以模拟气体自然流动。此种边界条件的设置的目的是：1)避免了气流场气体流速为0时导致的CFX计算不收敛的问题;2)模拟了开关柜并柜运行时两侧空气流动几乎为0的情况;3)极大的降低了外部空气自然流动对开关柜温升造成的影响。

　　2正常情况下的仿真与实验结果

　　在温升实验中，实验在室内进行，环境温度为32℃，实验电流有效值为3465A(1.1倍额定电流3150A)，采用热电偶作为传感器，开关柜内温升在5小时后达到稳定，此时记录温升作为实验结果。正常情况下的仿真设置如前所述，添加激励为3465A。通过与实验结果对比，可以看出仿真结果准确，仿真与实验的温升分布均为真空灭弧室处温度最高，随着远离真空灭弧室，温升呈现减小的趋势。同时从其中数据可以看出，无论是仿真还是实验，温升均符合国标要求[22]。国标的要求时，镀银处温升<65K，其余裸露的铜处温升<75K。

　　3故障条件下的仿真结果

　　3.1真空灭弧室内触头压力变化对温升的影响

　　当控制真空断路器合闸、分闸操作的机构出现某些部位松动的时候，或因某些原因合闸不到位，可能会导致真空灭弧室内的动静触头之间压力减小。此时接触电阻会减小，因为接触电阻的大小，受到接触压力、接触形式、接触面材料特性等因素的影响。

　　3.2梅花触头处压力变化对温升的影响

　　梅花触头由弹簧负责紧固，当弹簧出现松动或老化时，劲度系数减小，紧固能力下降，梅花触头与静触头之间接触压力减小，接触电阻增大。在保持真空灭弧室内接触压力为4800N且其他设置与正常状态下的仿真一致，负载电流为3150A(1倍负载)的情况下，通过式(1)，选取6组梅花触头与静触头之间接触压力，其中电阻均为每个触指处的接触电阻。部分测温点的温升与梅花触头与静触头之间接触电阻关系。

　　3.3两处压力同时变化对温升的影响

　　以上接触电阻对温升的影响均是在单一接触电阻变量情况下得到，在研究灭弧室内接触电阻对温升影响时，保持了梅花触头处接触压力为180N不变;在研究梅花触头处接触电阻对温升影响时，保持了灭弧室内接触压力为4800N不变。由上述结果可见，虽然随着真空灭弧室内接触压力变化，梅花触头处接触电阻对温升的影响有所变化，但其变化基本为平移变化，即其本身的斜率基本不变。

　　观察拟合结果可见，真空灭弧室内接触电阻与梅花触头处接触电阻对柜内各测温点的影响程度不同。其中，越靠近真空灭弧室的点位受真空灭弧室内接触电阻的影响越大，灭弧室内的静触头和动触头所受影响最明显。而梅花触头处接触电阻对梅花触头处温升有明显影响。可见，开关柜内各处接触电阻对越接近接触点的部件温升影响越大。

　　4结论

　　本文对额定电流为3150A的中压开关柜温升进行了仿真分析，主要结论如下：

　　1)在仿真模型中考虑了接触电阻以及风机强制对流等条件对温升的影响，并通过1.1倍额定负载的温升实验验证了仿真模型与方法的准确性。

　　2)通过计算多组不同接触压力下的温升，得到了接触电阻与温升的函数拟合关系式。从中发现，梅花触头处接触电阻与真空灭弧室内接触电阻对温升的影响相互独立，但对各导体的影响能力前者小于后者。

　　3)在强制对流条件下，接触压力减小造成的温升升高影响被减弱，因此在开关柜长期处于额定电流工作条件下，风机的长期工作可降低温升过高风险。

　　参考文献References

　　[1]吴宇翔.10kV开关柜运行中的常见故障及处理措施研究[J].机电信息,2013(9):6162.WUYuxiang.Researchoncommonfaultsandtreatmentmeasuresinoperationof10kVswitchgear,2013(9):6162.

　　[2]杨永通，彭彦卿，袁传镇，等.基于有限元分析的开关柜温度场研究与优化[J].高压电器，2019，55(10)：8186+92.YANGYongtong,PENGYanqing,YUANChuanzhen,etal.Researchandoptimizationoftemperatureriseofswitchcabinetbasedonfiniteelementanalysis[J].HighVoltageApparatus,2019,55(10):8186+92

　　[3]杨永通，彭彦卿，袁传镇，等.基于有限元分析的强迫对流条件下开关柜温升特性研究[J].水电能源科学，2018，36(5)：175178.YANGYongtong,PENGYanqing,YUANChuanzhen,etal.Studyontemperatureriseofswitchcabinetbasedonfiniteelementanalysisunderforcedconvectionconditions[J].WaterResourcesandPower.2018,36(5):175178.

　　[4]杨永通.基于多物理场仿真技术的强迫风冷条件下12kV开关柜温升绝缘性能研究[D].厦门：厦门理工学院，2017.

　　作者：马信友,王立军，王睿，张闻哲

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