一種新型快速隔離開關的觸頭系統熱計算

呂敬高

一種新型快速隔離開關的觸頭系統熱計算

呂敬高

(海裝駐武漢地區軍事代表局駐湘潭地區軍事代表室，湖南省湘潭市 411100)

作為高壓直流輸配電系統中的重要保護設備，混合式高壓直流斷路器的開斷時間主要由其快速機械開關決定。本文針對一種可用于混合式高壓直流斷路器的新型快速隔離開關的觸頭系統進行了熱計算。熱計算過程中使用可調電阻區域對動、靜觸頭之間的接觸電阻進行了等效處理，從而計算得到在不同觸頭壓力條件下，整個觸頭區域的溫度分布。通過對實物模型進行溫升試驗，得到了該觸頭結構下的實際溫升數據，并驗證了熱計算結果的準確性。

快速隔離開關 熱計算 溫升 接觸電阻

0 引言

直流輸配電系統具有電能損耗小、易于調控、能量密度高的優點，是未來電網的發展方向，在軌道交通、船用電力系統、分布式發電等領域具有廣闊的應用前景[1]。直流開關設備作為直流系統保護中的關鍵設備，其性能直接影響到整個直流系統的供電可靠性。

混合式中高壓開關設備綜合了固態開關和機械開關的優勢，具有通態損耗低，開斷速度快的特點[2,3]。當短路故障發生時，半導體器件換流回路率先動作，主回路電流迅速降低并轉移至換流支路。由于電流幅值大幅降低，對主回路機械開關的開斷能力要求大幅降低，可以使用高壓直流快速隔離開關。

研制的160 kV/2.5 kA高速隔離開關采用了一種特殊的觸頭系統結構以滿足超快速分合閘的要求。為了確定觸頭壓力等其他參數，本文對高速隔離開關觸頭系統在額定工作狀態下的溫升進行了計算，并通過溫升試驗對計算結果進行了檢驗。

1 新型觸頭系統模型

新型隔離開關的觸頭系統采用多斷口串聯設計，以降低運動部分質量，提高隔離分閘速度，其結構如圖1所示。系統包含并列排列的5個靜觸頭單元與上下均為2×4對稱排列的16個動觸頭單元。多斷口結構會導致整個觸頭系統的接觸電阻大幅提高，進而使觸頭通流時的溫升提高。為了確定該觸頭系統實際工作時的溫度分布，本文對其開展了一系列熱計算與溫升試驗，目的主要是：(1)確定觸頭系統在最嚴酷與最大允許溫升條件下的接觸電阻值；(2)根據實際環境參數及接觸電阻等條件確定最大溫升數值及位置。

圖1 一種新型的隔離開關觸頭系統

考慮到觸頭結構的高度對稱性，使用觸頭系統的1/4模型進行熱計算，計算模型如圖2所示，電流幅值根據模型比例設置為625 A。接觸電阻常用一定厚度的導體圓柱進行等效，但考慮觸頭間接觸區域實際形狀，模型中使用6 mm×1 mm×1 mm的導體方塊來等效動、靜觸頭之間的接觸電阻con，其阻值可通過改變導體方塊的電阻率來實現[4,5]。動、靜觸頭和母排的電阻率根據實際材料設置為1.72?10-8Ω?m (20°C)，且計算過程中考慮溫度系數。

圖2 (a)觸頭系統1/4模型 (b)動、靜觸頭接觸電阻等效模型

熱計算時假設隔離開關工作在最嚴酷的條件下，包括：

1) 初始環境溫度較高，為40°C；

2) 觸頭表面對流散熱散熱條件較差，對流散熱系數α=8~10 W/(m2·K)；

3) 假設觸頭系統熱量無法通過母排熱傳導到觸頭系統外部。

2 最大接觸電阻計算

根據前述計算模型，通過改變接觸區域方塊的電阻率，計算得到模型在不同的接觸電阻con下的穩態溫度分布，特定位置的溫度與接觸電阻之間的關系如圖3。當con阻值較低時，母排區域的溫度會高于動、靜觸頭的溫度。隨著接觸電阻的增加，母排和動、靜觸頭的溫度均不斷上升，其中動、靜觸頭的溫度上升率十分接近，且要高于母排區域。

圖3 不同大小的接觸電阻時觸頭系統溫度分布

圖4為計算模型分別在con=0 μΩ以及con=30 μΩ時的溫度分布。當con=0 μΩ時，母排與觸頭單元相比，電流密度大而對流散熱面積較小，最高溫度max=62°С，如圖4(a)所示。當con=30 μΩ時，觸頭區域的熱功率密度由于接觸電阻增大而大幅增加，當其溫度持續上升直至對流換熱功率與觸頭區域熱功率相等，此時max=100°С，位于動、靜觸頭間的接觸電阻位置，如圖4(b)所示。

圖4 不同大小的接觸電阻時觸頭系統溫度分布

根據相關行業標準和設計需求，鍍銀銅觸頭允許的最大溫升不應超過60°С。考慮設計裕量后的觸頭系統的最大溫升應控制在50°С以內，此時根據圖3曲線可得接觸電阻的最大阻值應低于22.5 μΩ。

3 觸頭樣機熱計算

為了驗證觸頭實際溫升，需要搭建觸頭系統樣機。樣機基本結構如圖4所示，主要由動觸頭、靜觸頭、調節觸頭壓力的彈簧機構以及固定用的絕緣支架組成。觸頭樣機包含一個完整的觸頭單元，通過對其進行溫升試驗并分析其試驗數據有利于分析和計算整個觸頭系統在額定狀態下的溫度分布。

圖5 溫升試驗樣機結構圖 1-母排，2-靜觸頭，3-動觸頭，4-動觸頭壓力彈簧，5-調節螺母

在溫升試驗前，對該實驗樣機進行了熱計算。計算中僅保留了動、靜觸頭和與其相連的金屬結構，而忽略了距離較遠或熱導率較低的非金屬部分，模型如圖5所示，電阻率和熱導率等參數按照實際樣機的材料設置。在動、靜觸頭接觸處以及靜觸頭與母排連接處設置與圖2模型相同的可調電阻方塊。圖6為所建模型示意圖，圖7中字母標示位置為熱計算過程中的參數測量點，黑色方塊為樣機中難以計算的接觸電阻或焊接電阻，建模中使用一定體積的導體方塊來進行等效，方塊的阻值通過改變該區域的電阻率來實現。

為確定這些導體方塊的電阻率參數，采用伏安法對實際樣機中圖7所示的特定位置之間的電阻進行測量，不同觸頭壓力下的測量結果如表1所示。由觸頭系統結構和和圖7示意圖有BC=coppe+2con/4,其中copper為B與C之間除去接觸電阻后的銅電阻，其數值不隨接觸壓力大小改變而改變。通過將模型中con阻值調至0，計算到得到copper的理論值為3.1 μΩ，進而可以得到不同的觸頭壓力下的實際接觸電阻con。考慮到系統對短時耐受等其他方面的要求，觸頭壓力不應低于250 N，此時觸頭間的接觸電阻con=12.2 μΩ，觸頭系統樣機具有最大溫升。

圖6 溫升試驗樣機仿真模型

圖7 可調區域與測量點示意圖

同樣通過調整靜觸頭與母排之間的可調電阻阻值，使AD的計算值與實際測量值相等，得到母排與靜觸頭之間的焊接電阻AB與CD約為5.73 μΩ。

表1 不同觸頭壓力下的測量電阻

圖8 觸頭壓力為250 N時的溫升分布

根據表1中觸頭壓力為250 N狀態下的相關計算結果，對樣機在環境溫度20°С，電流1250 A，導體表面對流散熱系數為α=8.8 W/(m2·K)條件下的溫度場進行了仿真計算，結果如圖8所示(對模型中的母排進行了適當延長以補償實際樣機與外部電路連接部分對散熱的影響)。

仿真結果顯示觸頭上的最大溫升為23.7°С，出現于觸頭接觸電阻位置，是整個系統中溫升最高的位置，表明較高的接觸電阻會帶來較大發熱功率，導致該處溫度明顯上升。母排上的最大溫升為20°С，出現在母排與靜觸頭連接處，且隨著與觸頭最大溫升位置的距離增加而降低。

4 樣機溫升試驗

為了驗證前節熱計算結果的準確性，按仿真模型搭建了如圖9所示1:1的觸頭系統樣機。樣機中的導電材料為鍍銀黃銅。其中靜觸頭直接固定在樣機的絕緣支架上，一端與母排焊牢。動觸頭則是通過彈簧和螺桿固定在絕緣支架上，且可通過調節螺母改變彈簧壓力，進而改變接觸電阻值。

圖9 觸頭系統樣機

試驗在開放環境下進行，環境溫度為20°С，試驗電流1260 A，彈簧壓力設置為250 N。實驗前對樣機的電阻進行了測量，得到電阻BC=9.2 μΩ，AD=20.8 μΩ。溫升試驗的最后60 min內的所有測量點的溫度變化均不高于0.5°С，可認為此時樣機溫度已經穩定，整個過程中的通電時間為90 min。試驗結束后的電阻以及熱電偶所測量得的各點溫度如表2所示。

表2 觸頭壓力為250 N時的溫升分布

試驗后觸頭區域最大溫升為24.5°С，為整個區域最高，母排處最大溫升為20°С，兩處實際溫度與仿真計算的差值分別為0.8°С與0°С，驗證了仿真計算結果的有效性。

5 結論

本文針對某新型結構的160 kV高壓直流快速隔離開關的觸頭系統進行了熱計算，得到了其在額定工況下的溫升分布，并通過溫升試驗進行了驗證，得出了以下結論：

1）在最嚴酷的環境下(即不考慮觸頭系統對母排的熱傳導，觸頭對流散熱系數為最低)，要求觸頭系統不高于最大允許溫升且留有一定裕度時，動、靜觸頭之間的接觸電阻阻值應低于22.5 μΩ，這為接觸壓力的選取提供了依據。

2）通過建立單個觸頭結構的模型，并根據部分實際參數對其進行溫度場仿真，得到了觸頭壓力為250 N(即con=12.2 μΩ)情況下觸頭與母排的最大溫升分別為23.7°С與24°С。

3）根據2)中的仿真模型搭建了溫升試驗樣機，并進行了溫升試驗。試驗后觸頭與母排的實際溫升為24.5°С和20°С，與仿真結果高度一致，驗證了計算方法和結果的有效性。

[1] Feltes, J.W., Gemmell, B.D., Retzmann, D.. From Smart Grid to Super Grid: Solutions with HVDC and FACTS for grid access of renewable energy sources[P]. Power and Energy Society General Meeting, 2011 IEEE, 2011.

[2] 何俊佳, 袁召, 趙文婷, 方帥, 喻新林, 潘垣. 直流斷路器技術發展綜述[J]. 南方電網技術, 2015, 9(02): 9-15.

[3] 吳翊, 榮命哲, 鐘建英, 楊飛, 吳益飛, 韓桂全. 中高壓直流開斷技術[J]. 高電壓技術, 2018, 44(02): 337-346.

[4] 管瑞良. 基于有限元分析的框架斷路器觸頭系統短路耐受能力校核[A]. 中國電工技術學會低壓電器專業委員會. 中國電工技術學會低壓電器專業委員會第十三屆學術年會論文集[C]. 中國電工技術學會低壓電器專業委員會: 中國電工技術學會, 2007: 5.

[5] Paulke J, Weichert H, Steinhaeuser P. Thermal simulation of switchgear[J]. IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies, 2002, 25(3): 434-439.

Analysis of the Effect of Electric Field Distribution on Arc Restrike of Air DC-circuit Breaker

Lyu Jinggao

（Xiangtan Representatives Office, Naval Wuhan Representatives Bureau, Xiangtan 411101, Hunan, China）

TM564.1

A

1003-4862（2019）12-006-04

2019-09-17

呂敬高（1973-），男，高級工程師。研究方向：電氣自動化工程。E-mail: xpxfmm@163.com