大容量發電機斷路器鑄鋁外殼在高溫條件下的性能分析

張會杰 黃小鳳 唐 成 何晨光 徐 浩

大容量發電機斷路器鑄鋁外殼在高溫條件下的性能分析

張會杰1黃小鳳2唐 成1何晨光1徐 浩2

（1. 西安西電開關電氣有限公司，西安 710077；2. 南方電網調峰調頻發電有限公司，廣州 510000）

大容量發電機斷路器在實際運行時長期處于高溫環境，需對高溫環境下的發電機斷路器關鍵零件——鑄鋁外殼的性能進行分析。通過采用溫度傳感器對鑄鋁外殼及殼體內部SF6絕緣氣體溫度進行實測可知，長期通流后，殼體的溫度與殼體內部SF6氣體的溫度趨于平衡與一致。由殼體的最高工作溫度確定殼體內部SF6氣體的最高溫度，再依據SF6氣體溫度與氣體壓力的曲線關系，確定鑄件殼體的最高工作壓力。同時，還測定了不同溫度條件下與鑄件外殼同牌號的單鑄試棒的力學性能參數，最后根據最新判據對鑄件殼體機械強度進行仿真計算。

發電機斷路器；鑄鋁外殼；高溫環境；最高工作壓力；力學性能；機械強度

0 引言

發電機斷路器裝設在發電機組與變壓器之間，用于保護發電機組和變壓器[1-2]。早期變壓器與發電機之間一般不設發電機斷路器[3]，但是近年來隨著國產發電機斷路器技術的不斷成熟，發電機斷路器成本不斷降低，各類發電廠開始裝設發電機斷路器，在水電、火電及核電廠尤為突出。

不同于變壓器高壓系統側的開關設備，發電機斷路器屬于低電壓、大電流斷路器[4]，如燃氣機組所用的發電機斷路器，其額定電壓為24kV，額定電流可以達到18kA；核電機組用發電機斷路器，其額定電壓近30kV，額定電流可以達到35kA。在實際運行過程中，發電機斷路器通常滿負荷運行，這導致發電機斷路器零部件長期處于溫度較高的運行條件下。

鑄鋁外殼作為發電機斷路器的關鍵零部件，需長期通流，同時其內部還需耐受一定壓力的SF6氣體作用。在長期滿負荷運行條件下，鑄鋁外殼溫度會逐漸升高，隨著溫度的升高，鑄件殼體內SF6氣體的壓力會逐漸變大，因此有必要確定在此條件下鑄件殼體的最高工作壓力。同時，高溫條件下，發電機斷路器鑄鋁外殼力學性能指標如屈服強度、抗拉強度等是否會產生變化，也是需要研究的內容。

1 發電機斷路器鑄件殼體溫度實測

某型發電機斷路器主回路通流鑄件殼體如圖1所示，對其溫度進行實測在鑄件外殼溫升最高區域選取四個點設置溫度傳感器，即圖1中的A、B、C、D，同時在鑄件殼體內部設置兩個溫度傳感器測量SF6氣體溫度，即圖1中E和F。

圖1 發電機斷路器主回路通流鑄件殼體

在滿容量27kA通流條件下，測量鑄件殼體溫度及鑄件殼體內部SF6氣體溫度，各點溫度隨時間的變化曲線如圖2所示。

從圖2可以看出，在通流近9h后，各點溫度趨于穩定。各測量點的最終實測溫度見表1。

從表1可以看出，滿容量通流時，鑄件殼體表面及殼體內部氣體溫度接近80℃。此外，還可看出，長期通流后，殼體表面溫度與殼體內SF6絕緣氣體溫度相差不大，即在長期通流后，殼體溫度與殼體內部SF6氣體溫度趨于平衡與一致。

圖2 各點溫度隨時間變化曲線

表1 各測量點實測溫度

2 確定鑄件殼體最高工作壓力

上述發電機斷路器在20℃下的氣室額定壓力為1。假設氣室密封狀態良好，不會發生漏氣，由于氣室容積固定，在20℃時充入一定壓力的氣體后，充入氣體的質量也就確定，根據公式=/可知，即使氣體溫度升高，氣體的密度也不會隨之發生改變。通過貝蒂-布里奇曼SF6氣體狀態方程[5-6]可計算出斷路器氣室內在20℃時充入1壓力SF6氣體的密度。

SF6氣體狀態方程為

式中：為SF6氣體的絕對壓力（MPa）；為SF6氣體密度（kg/m3）；為SF6氣體熱力學溫度（K）。

表1列出的斷路器鑄件內部SF6氣體實測溫度為75.6℃、77.2℃，取均值76.4℃作為SF6氣體溫度。在密度已知的條件下，再次利用貝蒂-布里奇曼氣體狀態方程計算出此溫度下對應的SF6氣體壓力見表2。

表2 鑄件殼體實測溫度下對應壓力

實測溫度下，SF6氣體壓力為1.27倍的1，但是考慮產品使用環境和散熱條件的不同，溫度可能會有波動，需要確定波動的上限值。

文獻[7]對鑄鋁殼體的溫升作了限值要求，通常殼體溫度不能超過105℃。此外，從表1實測數據可以得出，在長期通流后，殼體溫度與內部絕緣氣體溫度相差不大。因此，可將標準中規定的殼體溫度上限值作為絕緣氣體的溫度上限值。再次利用貝蒂-布里奇曼狀態方程計算出該溫度條件下的絕緣氣體壓力為1.41倍的1，確定此壓力為殼體的最高工作壓力。

文獻[8]對鑄件的破壞壓力做了規定，要求破壞壓力為5倍的設計壓力，即5×1.411。

3 材料力學性能指標在高溫條件下的試驗驗證

為分析外殼材料在高溫條件下的力學性能指標，采用與鑄件外殼同牌號的單鑄試棒，分別測量在不同溫度條件下試棒的力學性能指標，單鑄試棒的外形如圖3所示。

圖3 單鑄試棒

鑄鋁合金材料屬于塑性材料，沒有明顯的屈服點，通常把材料產生的殘余塑性變形為0.2%時的應力值0.2作為條件屈服強度[9]。

溫度測量點分別取25℃、60℃、80℃、90℃、105℃、115℃，測量數據包括各溫度下的條件屈服強度0.2、抗拉強度、泊松比、彈性模量，具體測量數據見表3。

分析試驗結果可以看出，材料的條件屈服強度0.2和抗拉強度與溫度呈負相關，隨著溫度升高，材料的條件屈服強度與抗拉強度逐漸下降。材料的泊松比與溫度呈正相關，彈性模量與溫度呈負相關，但相對來說，泊松比與彈性模量隨溫度的變化值較小。

表3 不同溫度條件下單鑄試棒力學性能指標

材料條件屈服強度0.2和抗拉強度隨溫度的變化關系曲線如圖4所示。

圖4 材料力學性能指標隨溫度的變化曲線

表3給出了不同溫度下單鑄試棒的條件屈服強度與抗拉強度，文獻[8]規定鑄件本體試棒的條件屈服強度與抗拉強度值不得低于單鑄試棒的75%。對于泊松比與彈性模量，無論是單鑄試棒還是本體試棒，其值是一致的。因此，不同溫度條件下鑄件本體試棒力學性能指標見表4。

表4 不同溫度條件下鑄件本體試棒力學性能指標

4 高溫條件下鑄件外殼強度仿真計算

利用仿真軟件對鑄件外殼在破壞壓力條件下進行強度校核，施加載荷為7.051，判斷標準為105℃溫度條件下鑄件本體試棒的力學性能指標，同時在仿真之間對殼體材料賦予該溫度條件下的泊松比與彈性模量值。

為減小計算工作量，對發電機斷路器鑄造殼體的三維模型進行簡化，去除其上對計算結果影響微小的凸臺、尖銳的棱角等細微結構；為考核殼體的法蘭，增加試驗工裝蓋板，使殼體和蓋板均形成封閉容器。

鑄鋁合金屬于塑性材料，其雖沒有明顯的屈服點，但當應力集中部位的應力值超出條件屈服強度0.2時，該部位的應力值將不再增大，直到附近區域的應力值也達到0.2后，應力值才會繼續增大至材料的破壞強度[10-12]。

鑄造殼體在破壞試驗壓力下的應力云圖和形變云圖如圖5～圖8所示。

圖5 殼體內腔應力云圖

圖6 殼體外部應力云圖

對鑄造殼體在破壞試驗壓力作用下的仿真計算結果進行分析，允許應力值以105℃條件下的抗拉強度值作為判據，計算應力及形變值見表5。

圖7 殼體內腔形變云圖

圖8 殼體外部形變云圖

表5 發電機斷路器鑄造殼體的計算應力和形變值

鑄鋁殼體的內腔應力值在所要求范圍之內，鑄鋁殼體外部的最大應力值在加強筋的根部，此處應力值接近或大于抗拉強度，但是所占區域很小，屬應力集中部位。加強筋根部周圍的應力值都未超過0.2即160.22MPa，因此，此處的應力集中不會導致殼體破壞，可以剔除應力云圖中的應力畸變區域。

此外，從形變云圖圖7和圖8可以看出，殼體形變量很小，在允許的范圍之內。

5 結論

通過溫度傳感器對發電機斷路器外殼及內部絕緣氣體溫度進行實測，得出殼體表面溫度與內部絕緣氣體溫度相差不大這一結論。確定出殼體的最高工作溫度后，再依據SF6氣體溫度狀態方程，確定鑄件殼體的最高工作壓力。通過試驗測定不同溫度條件下單鑄試棒的抗拉強度與屈服強度參數可知，隨著溫度的升高，材料的抗拉強度與屈服強度呈下降趨勢。最后通過仿真軟件對發電機斷路器鑄件外殼進行強度校核，判定在高溫條件下鑄件殼體滿足設計要求。

本文所述驗證方法對其他產品在高溫條件下運行的鑄鋁殼體的設計具有一定的參考意義。

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Performance analysis of large capacity generator circuit breaker with cast aluminum housing under high temperature

ZHANG Huijie1HUANG Xiaofeng2TANG Cheng1HE Chenguang1XU Hao2

(1.Xi’an XD Switchgear Electric Co., Ltd, Xi’an 710077;2.China Southern Power Grid Peak Regulation and Frequency Regulation Power Generation Co., Ltd, Guangzhou 510000)

The large-capacity generator circuit breaker is in a high temperature environment for a long time in actual operation. It is necessary to analyze the performance of the generator circuit breaker cast aluminum housing under high temperature. The temperatures of the cast aluminum housing and the SF6gas inside are measured by the temperature sensor, and it is concluded that the temperature of the housing and the temperature of the SF6gas inside the housing tend to be balanced and consistent after a long-term flow. The maximum temperature of the SF6gas inside the shell is determined by the maximum working temperature of the shell, and then the maximum working pressure of the casting shell is determined according to the curve relationship between the temperature of the SF6gas and the gas pressure. At the same time, the mechanical property parameters of the single-casting test bars which are the same grade as the casting shell are measured under different temperature conditions, and finally the mechanical strength of the casting shell is simulated according to the latest criterion.

generator circuit breaker; cast aluminum housing; high temperature environment; maximum working pressure; mechanical property; mechanical strength

2022-04-20

2022-05-16

張會杰（1988—），男，陜西省西安市人，碩士，工程師，主要從事高壓電氣產品的設計與研發工作。

中國南方電網有限責任公司重點科技項目“抽水蓄能機組成套開關設備關鍵技術研究及應用”（STKJXM20190198）