接觸電阻對于開關設備溫度的影響分析

裘璐光，呂 躋，李貴乙

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接觸電阻對于開關設備溫度的影響分析

裘璐光，呂 躋，李貴乙

（中國人民解放軍92957部隊，浙江舟山 316000）

開關設備的溫度診斷工作對于電力系統安全運行的意義重大，直接影響著能否提前預判絕緣強度的降低，進而決定了能否有效預防火災等重大災害的發生。在影響開關設備溫度場的眾多因素之中，接觸電阻的影響最大。良好的接觸狀態不僅可以有效保證開關設備在額定功率穩定運行，而且可以切實保證與開關設備相連的電纜設備的工作壽命。本文建立了開關設備接觸電阻的熱電耦合數學模型，并采用大型商用軟件ANSYS-Multiphysics二次開發了對應的數值求解平臺，分析了接觸面積、厚度對于溫度場的影響規律。在此基礎上，采用50A恒流源，在環境溫度10℃的條件下進行了穩態通流試驗，對比試驗測量與理論分析結果，最大誤差為5.5%，驗證了理論分析的正確性。

接觸電阻 開關設備 溫度 熱電耦合 數值求解

0 引言

開關設備的溫度診斷工作對于電力系統安全運行的意義重大，直接影響著能否提前預判絕緣強度的降低，進而決定了能否有效預防火災等重大災害的發生[1]。國內外諸多的研究工作，分析了影響開關設備溫度場的眾多因素，并通過分析得到結論：接觸電阻的影響最大[2-5]。接觸電阻的問題一直是國內外電氣領域的研究重點之一。上世紀40年代，第一本接觸電阻專題著作問世。伴隨著計算機科學的發展，學術界第一次運用有限元法對接觸電阻進行了數值計算。接觸電阻的簡化分析模型及適用于某些工程領域的簡化計算公式，也陸續見諸發表。此外，對于接觸電阻的精確測量，同樣是大量學者的關注與致力的工作。

良好的接觸狀態不僅可以有效保證開關設備在額定功率穩定運行，其發熱符合國標要求，而且可以有效控制與開關設備相連的電纜設備工作溫度。目前國內外就開關設備溫度場的研究多集中在精確、快速測溫領域[1]。主要手段有：分布式光纖測溫技術、無線射頻測溫技術、光柵光纖測溫技術、紅外測溫技術等。

以接觸電阻為變量，直接分析其對于開關設備溫度場影響的論述，就查閱文獻的情況來看，并未見相關系統的研究。為此，本文建立了開關設備接觸電阻的熱電耦合數學模型，并采用大型商用軟件ANSYS-Multiphysics二次開發了對應的數值求解平臺，分析了接觸面積、厚度對于溫度場的影響規律。在此基礎上，采用50A恒流源，在環境溫度10℃的條件下進行了穩態通流試驗，對比試驗測量與理論分析結果，最大誤差為5.5%，滿足工程誤差要求，驗證了理論分析的正確性。上述理論及試驗研究，可深化接觸電阻對于開關設備溫度診斷影響的理解，并指導具體工程實踐。

1 數學建模

以普遍使用的矩形端子銅排與圓柱形接觸電阻為基礎，建立了船用開關設備端子銅排與接觸電阻的幾何模型，示意圖如圖1所示。

在上述模型中，也同時也約束了電流方向。開關設備的通流過程中，模型中各處的溫度通常不是均勻的。考慮到金屬材質的電導率會隨溫度變化，也將導致電位分布將發生變化，為此數學模型中需要考慮電導率變化的情況。建立了電位場連續方程如下，以此表征電位的三維變化規律：

(1)

在電位分布發生變化之后，溫度場也將隨之變化。溫度場發生變化后，金屬材質的熱導率也將隨之變化。變電導率變熱導率的溫度場三維分布規律符合式（2）：

其中：表示熱導率；表示電導率；表示電場強度；表示三維空間任意節點溫度值；、、分別表示直角坐標系軸方向、軸方向、軸方向。

電場強度與式（1）中電位的關系如式（3）表示：

采用商用軟件ANSYS-Multiphysics作為求解計算平臺，在大量二次開發之后，建立了上述數學模型的數值求解平臺，其中網格剖分圖如下所示：

計算了某工況條件下的電位分布，并獲得了對應接觸電阻處的電流分布，分別如圖3、圖4所示：

從中可以觀察出接觸電阻處明顯的電流收縮效應。電流收縮效應導致接觸電阻處的體電流密度遠遠超過了接觸電阻以外的部分。以上述圖形為例，接觸電阻處最大電流密度可達1.52×108A/m2，接觸電阻以外的部分，即端子銅排的最小電流密度僅為2.69×105A/m2。電流密度的差異也是導致接觸電阻處在通流條件下會產生較高溫度的重要原因之一。后續的理論分析將研究接觸面積、厚度對于溫度場的影響規律。

2 理論分析

采用上述數值計算平臺，分別分析了接觸面積、厚度對于溫度場的影響規律。為探索接觸面積對于溫度場的影響規律，并直觀地反映不同接觸面積所帶來的溫度差異，在其他邊界條件固定的前提下，本文選定0.5 mm的接觸厚度保持不變，并提取溫度場中的最高溫作為比較值。在此基礎上，獲取了接觸面積0.05 mm2至2 mm2之間溫度場中最高溫的變化規律如圖5曲線所示，其中0.05 mm2對應的溫度分布云圖如圖6所示；2 mm2對應的溫度分布云圖如圖7所示。

同理，為直觀地反映不同接觸厚度所帶來的溫度差異，在其他邊界條件固定的前提下，本文選定0.2 mm2的接觸面積保持不變，并提取溫度場中的最高溫作為比較值。在此基礎上，獲取了接觸厚度0.05 mm至1 mm之間溫度場中最高溫的變化規律如圖8曲線所示，其中0.05 mm對應的溫度分布云圖如圖9所示；1 mm對應的溫度分布云圖如圖10所示。

3 試驗驗證

采用50 A恒流源，在環境溫度10℃的條件下進行了穩態通流試驗。溫度數據采集點如下圖11所示：

圖11中測點A與測點H、測點B與測點G、測點C與測點F、測點D與測點E分別是端子銅排兩側的對稱測量點。而從端子銅排的正面觀察，測點A、B、C的位置如圖12所示。

試驗在接觸面積0.8 mm2，接觸厚度0.3 mm的條件下進行，對比了試驗與仿真的溫度數據如圖13所示。

誤差分析見圖14所示。最大的誤差出現在測點A，試驗測量溫度為47.3℃，理論計算溫度為49.9℃，誤差5.5%在工程允許誤差范圍之內。其他測點的誤差均小于5.5%，以測點D為例，試驗測量溫度為49.0℃，理論計算溫度為50.5℃，誤差3.0%。對比試驗測量與理論計算的結果，說明了理論分析的正確性。

造成誤差的原因有二：一是盡管試驗過程中始終保持空間密閉，但是環境溫度仍然會出現較小的波動，這一點在理論計算中無法得到完全體現；二是理論計算中對于端子銅排的散熱邊界條件賦值與實際情況存在差異是不可避免地，這也會導致兩者溫度值之間存在不同。

4 結論

1）建立了開關設備接觸電阻的熱電耦合數學模型，并采用大型商用軟ANSYS-Multiphysics二次開發了對應的數值求解平臺。采用50A恒流源，在環境溫度10℃的條件下進行了穩態通流試驗，對比試驗測量與理論分析結果，最大誤差為5.5%，驗證了理論分析的正確性。

2）基于ANSYS-Multiphysics二次開發的數值求解平臺，分析了接觸面積、厚度對于溫度場的影響，采用單一變量法，獲取了不同接觸面積條件下最高溫的變化規律、不同接觸厚度條件下最高溫的變化規律。

3）采用50A恒流源，在環境溫度10℃的條件下進行了穩態通流試驗，對比試驗測量與理論分析結果，最大誤差為5.5%，精度滿足工程需求，說明了理論分析的正確性。

4）通過理論分析及試驗研究獲取的規律性認識，可深化接觸電阻對于開關設備溫度診斷影響的理解，并指導具體工程實踐。

[1] 王秉政,江健武,趙靈,樊亞東,段紹輝,王建國.高壓開關柜接觸發熱溫度場數值計算[J].高壓電器,2013,12:42-48.

[2] Paulke J, Weichert H, Steinhaeuser P. thermal simulation of switchgear[J]. IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies, 2002,25(3): 6-11.

[3] Paulke J, Weichert H, Steinhaeuser P. simulation of contact spots[C]. Proceedings of 21th International Conference on Electrical Contacts, 2002: 388-393.

[4] 紐春萍,陳德桂,劉穎異,戴瑞成.交流接觸器溫度場仿真及影響因素的分析[J].電工技術學報,2007,05:71-77.

[5] Frei P U, Weichert H O. Advanced thermal simulation of a circuit breaker[C]. Proceedings of the 50th IEEE Holm Conference on Electrical Contacts and the 22ndInternational Conference on Electrical Contacts, 2004:104-110.

Analysis on the Influence of Contact Resistance on the Temperature of the Switchgear

Qiu Luguang, Lyu Ji, Li Guiyi

（ Unit 92957 PLA Troops, Zhoushan 316000, Zhejiang, China）

The diagnosis of the temperature of a switchgear plays a significant role in safe operation of a power system, and has a direct effect on whether we can predict in advance the reduction of insulation strength or not. Therefore, it decides whether we can be effective in preventing the occurrence of major disasters. Contact resistance plays the most significant role among those factors which change the temperature of switchgear. Good contact state can not only ensure the stable operation of switchgear under rated power, but also the working life of the cable equipment which is connected with the switchgear. This paper establishes the thermoelectric coupling mathematical model of the switchgear’s contact resistance, and adopts large commercial software ANSYS-Multiphysics to develop twice the corresponding numerical platform, and thus to analyze the influence law of temperature field by contact area and thickness. On the basis of this, 50A constant current margin is adopted to carry out steady flow test under ambient temperature of 10℃.The maximum inaccuracy is only 5.5% when the experimental measuring results and the theoretical analysis results are compared, and thus the correctness of the theoretical analysis is verified.

contact resistance; switching equipment; temperature; thermoelectric coupling; numerical solution

TM563

A

1003-4862（2017）01-0057-04

2016-08-15

裘璐光（1982-），男，工程師。研究方向：電力電氣集成控制與應用。Email: rose0884@sina.com