10 kV自動(dòng)更換式跌落熔斷器的設(shè)計(jì)及仿真分析

吳遠(yuǎn)密，許守東

（1.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司西雙版納供電局，云南 景洪 666100； 2.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，云南 昆明 650217）

0 前言

目前，電網(wǎng)中的高壓熔斷器常因短時(shí)的電磁諧振、低頻飽和電流、繞組絕緣降低、短路、接地、過(guò)負(fù)荷等原因而熔斷，而這些故障大多數(shù)是瞬時(shí)性故障，可自行恢復(fù)。但會(huì)造成熔絲斷開(kāi)，需要人為更換合閘恢復(fù)供電[1-4]。為了解決以上問(wèn)題，現(xiàn)研究一種自動(dòng)更換式跌落熔斷器，能實(shí)現(xiàn)跌落熔斷器的自動(dòng)更換功能及自動(dòng)分合閘功能。

成都理工大學(xué)的王叔悅等人研究了一種基于形狀記憶合金的可恢復(fù)跌落熔斷器，利用記憶合金的雙程記憶效應(yīng)為基礎(chǔ)改進(jìn)現(xiàn)有跌落熔絲實(shí)現(xiàn)可恢復(fù)，但記憶合金的電氣性能并不可靠[5]；國(guó)網(wǎng)安徽宿州供電公司的李毛根等人研究了一種用于跌落熔斷器的智能預(yù)警裝置，改裝主要用于跌落熔斷器的故障定位，不能用于故障自處理，無(wú)法滿足現(xiàn)在配網(wǎng)的主要需求[6]；國(guó)網(wǎng)山東省莘縣供電公司的張勇研究了一種基于復(fù)合尼龍塑料層的跌落熔絲，用于保護(hù)熔絲不受暫態(tài)故障影響，但尼龍層改變了熔絲的機(jī)械強(qiáng)度妨礙正常的跌落[7]。

作為高壓配電系統(tǒng)中的保護(hù)設(shè)備，熔斷器因電網(wǎng)故障產(chǎn)生斷路、短路，暫態(tài)過(guò)程中熔絲快速熔斷產(chǎn)生能量，對(duì)熔斷器本體的絕緣水平要求較高，以及熔斷器在帶電壓拉合過(guò)程中產(chǎn)生的能量，對(duì)熔斷器本體的絕緣水平要求較高。一旦熔斷器絕緣防護(hù)性能存在問(wèn)題則容易導(dǎo)致熔斷器故障，設(shè)備故障將造成居民停電、工商業(yè)企業(yè)停電，影響正常的生產(chǎn)、生活秩序，我們?cè)谘芯窟^(guò)程中要重點(diǎn)關(guān)注熔斷器絕緣特性[8-9]。因此，本文設(shè)計(jì)了一種新型的10 kV自動(dòng)更換式跌落熔斷器來(lái)解決傳統(tǒng)跌落熔斷器的一系列問(wèn)題，并利用Comsol軟件對(duì)溫度場(chǎng)和靜電場(chǎng)進(jìn)行仿真分析，驗(yàn)證了其設(shè)計(jì)的可行性。

1 熔斷器理論分析

1.1 靜電場(chǎng)理論分析

空間中相對(duì)于觀察者靜止的電荷所產(chǎn)生的電場(chǎng)為靜電場(chǎng)，靜電場(chǎng)的問(wèn)題大體可分為兩類。一類是己知電荷分布，直接求解區(qū)域的電場(chǎng)強(qiáng)度和電位，此類問(wèn)題可以通過(guò)庫(kù)侖定律和高斯定理直接求解。另一種問(wèn)題是邊值型問(wèn)題，該類問(wèn)題主要通過(guò)計(jì)算法和實(shí)驗(yàn)法，計(jì)算法主要包括解析法和數(shù)值法[10]。靜電場(chǎng)方程為：

靜電場(chǎng)E無(wú)旋，即場(chǎng)沿任意閉合路徑線積分為0，則勢(shì)函數(shù)為：

由（1）（2）得Maxwell進(jìn)行有限元求解基本方程：

式中E是電場(chǎng)強(qiáng)度，D是電位移矢量，也稱為電通密度，Ф是標(biāo)量電勢(shì)，ρ為電荷密度，ε為材料的介電常數(shù)。

1.2 溫度場(chǎng)理論分析

電流通過(guò)導(dǎo)體時(shí)使電子碰撞分子，使分子的運(yùn)動(dòng)加劇，分子運(yùn)動(dòng)劇烈，溫度就升高，溫度升高則釋放熱量，熱量與電流的平方成正比，當(dāng)有短路電流通過(guò)導(dǎo)體時(shí)將產(chǎn)生巨大的熱量。溫度場(chǎng)的計(jì)算需要兩類條件，一是場(chǎng)源條件，即施加于求解域內(nèi)的熱源，另一類是描述求解域邊界與外界關(guān)系的邊界條件。邊界條件描述的是求解域邊界上控制方程的形式，它由實(shí)際研究對(duì)象在邊界上的傳熱狀態(tài)決定。熱量交換的方式一般有3種，包括熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流、熱輻射[11-14]。導(dǎo)熱問(wèn)題的基本規(guī)律并總結(jié)為傅里葉定律方程為：

式中：T為溫度，Q為熱流密度，Ф為熱流量，A為面積，λ為材料的導(dǎo)熱系數(shù)，負(fù)號(hào)表示熱量流動(dòng)的方向與溫度升高的方向相反，表明熱量總是從溫度高的位置流向溫度低的位置。

熱對(duì)流中表達(dá)對(duì)流傳熱規(guī)律的基本方程是牛頓冷卻公式：

式中：Δt是流體與物體表面的溫差，h為物體表面對(duì)流換熱系數(shù)。

任何溫度值在絕對(duì)零度以上的物質(zhì)表面都會(huì)以電磁波的形式向周圍空間發(fā)射，能量熱輻射的控制方程可以表達(dá)為：

式中：T為物體表面溫度，A為參與輻射物體的表面積，σb為黑體輻射常數(shù)，一般取值為5.67×10-8W/(m2·K)，ε為輻射率。

2 新型熔斷器裝置設(shè)計(jì)

新型熔斷器設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示，展示的是自更換熔斷器模型圖。自更換式跌落熔斷器主要包括7個(gè)主要部件，部件1為接線機(jī)構(gòu)、部件2為絕緣套管機(jī)構(gòu)、部件3為噴射式熔管、部件4為跌落機(jī)構(gòu)、部件5為填裝拉退一體機(jī)構(gòu)、部件6為熔管復(fù)位機(jī)構(gòu)、部件7為絕緣支架。其工作過(guò)程為：熔絲因過(guò)載電流熔斷，熔絲斷開(kāi)后觸發(fā)熔管結(jié)構(gòu)卡扣脫開(kāi)，失去固定拉力，由重力作用下順卡軌跌落。跌落后的旋轉(zhuǎn)連接頭底部和熔管更換導(dǎo)軌配合，為確保配合可靠性，推拉桿會(huì)輔助此過(guò)程。熔管更換部件固定結(jié)構(gòu)打開(kāi)使失效熔管可以順絕緣套管內(nèi)腔直線運(yùn)動(dòng)，由填裝拉退一體機(jī)構(gòu)將失效熔管從絕緣套管中抽出，推入回收倉(cāng)中，失效熔管即可暫存至回收倉(cāng)中。備件倉(cāng)倉(cāng)門通過(guò)操作桿打開(kāi)，備用熔管通過(guò)操作桿推入到備件倉(cāng)后被準(zhǔn)確運(yùn)至熔管更換軌道上，而后在填裝拉退一體機(jī)構(gòu)的推送填裝作用下，備用熔管插入絕緣管套中。此時(shí)，備用熔管頂部壓緊弧滑，底部和卡簧觸發(fā)結(jié)構(gòu)配合固定。最后推拉桿在開(kāi)合電機(jī)帶動(dòng)下，將絕緣管套旋轉(zhuǎn)復(fù)位，絕緣管套頂端和上接線柱接線卡座配合固定。至此，熔管（絲）更換完成，同時(shí)備用熔管存放至回收倉(cāng)中，以備回收再利用。

圖1 新型熔斷器設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

自動(dòng)更換熔斷器共由44個(gè)零部件組成，裝置的絕緣重點(diǎn)在10 kV線路和熔管更換操動(dòng)機(jī)構(gòu)之間，絕緣的關(guān)鍵部件是絕緣套管機(jī)構(gòu)如圖1中的2和填裝推拉一體機(jī)構(gòu)如圖1中的5。絕緣套管機(jī)構(gòu)外的復(fù)合式熔斷絕緣筒材料為環(huán)氧樹(shù)脂，主要作用是給熔管提供工作環(huán)境，在熔管跌落后使熔管底端對(duì)準(zhǔn)更換軌道；噴射式熔管下套管材料為環(huán)氧樹(shù)脂，作為熔管更換時(shí)填裝推拉一體機(jī)構(gòu)的著力點(diǎn)，使熔管更換更加方便；填裝推拉一體機(jī)構(gòu)和跌落機(jī)構(gòu)之間有絕緣陶瓷材料的絕緣子，在自更換熔斷器的支架部分有絕緣陶瓷材料的絕緣子；填裝推拉一體機(jī)構(gòu)的整體絕緣采用環(huán)氧樹(shù)脂，填裝推拉一體機(jī)構(gòu)中的絲杠螺母機(jī)構(gòu)和撥叉結(jié)構(gòu)都采用鋁合金和環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合。

3 新型熔斷器裝置仿真分析

3.1 新型熔斷器裝置靜電場(chǎng)仿真分析

自更換熔斷器的絕緣重點(diǎn)是10 kV高壓部分和填裝推拉一體機(jī)構(gòu)中熔管更換機(jī)構(gòu)低壓之間，為合理地簡(jiǎn)化仿真分析，使模型可以充分的細(xì)化和計(jì)算，主要對(duì)10 kV的回路進(jìn)行仿真分析，觀察回路中的電磁場(chǎng)分布，并通過(guò)仿真結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值分析驗(yàn)證絕緣可靠性。

利用Comsol軟件對(duì)10 kV自動(dòng)更換式跌落熔斷器回路進(jìn)行靜電場(chǎng)仿真，仿真結(jié)果如圖2所示。由圖可知，在回路中的上下接線處的電場(chǎng)強(qiáng)度高，電場(chǎng)強(qiáng)度的最大值為22 kV/m，這是由于此處的通電結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，電場(chǎng)有一定的畸變。主要絕緣材料環(huán)氧樹(shù)脂的絕緣強(qiáng)度約為10 kV/m，高壓側(cè)和低壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)之間的最短距離有80 mm以上，完全復(fù)合絕緣要求，不會(huì)影響整個(gè)裝置的正常工作。

圖2 新型熔斷器裝置靜電場(chǎng)仿真圖

3.2 新型熔斷器裝置溫度場(chǎng)仿真分析

利用Comsol軟件對(duì)10 kV自動(dòng)更換式跌落熔斷器回路進(jìn)行溫度場(chǎng)仿真，仿真結(jié)果如圖3所示。由圖可知，回路的整體溫度是從300 K（26.85℃）左右～325 K（51.85℃），熔絲部分因截面積和材質(zhì)等因素導(dǎo)致溫度較高于其他部分溫度。穩(wěn)態(tài)溫度不會(huì)影響熔絲的正常工作，也不會(huì)影響環(huán)氧樹(shù)脂和絕緣陶瓷的絕緣性能。溫度較高于環(huán)境溫度，不會(huì)明顯加快絕緣層的老化，屬于安全的溫度范圍。

圖3 新型熔斷器裝置溫度場(chǎng)仿真圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出一種10 kV自動(dòng)更換式跌落熔斷器的設(shè)計(jì)，討論了其絕緣特性的可靠性和材料的加工工藝。通過(guò)Comsol軟件對(duì)其溫度場(chǎng)和靜電場(chǎng)進(jìn)行仿真分析，分析結(jié)果表明在合理的材料選擇后，該設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)絕緣特性滿足要求，故所設(shè)計(jì)的10 kV自動(dòng)更換式跌落熔斷器可行，能在10 kV配網(wǎng)中應(yīng)用。