基于導體溫升原理的隔離開關發熱改善方法研究

張 斌,李 健,鞠恒才,畢勝潔,李 峰

(1.天津國能盤山發電有限責任公司,天津 301900; 2.山東泰開隔離開關有限公司,山東 泰安 271000)

在高壓電網中,高壓隔離開關是使用最廣泛的高壓設備之一,其運行穩定性[1]和使用壽命直接影響電網的穩定運行,然而針對主要依賴動、靜觸頭接觸的隔離開關導電回路過熱問題迄今尚未找到有效的解決方法。徐剛等[2]通過建立理論模型與試驗研究相結合的方法得出高溫環境對觸頭溫升變化的影響大于低溫環境;王富勇[3]等對電觸頭內外發熱因素進行了分析,總結出一系列具體的措施;王磊[4]等采用軟件模擬方法得出了影響電觸頭溫度的主要因素;趙慶等[5]通過實驗對觸點發熱機制進行探究,提出了防止過熱故障的方案。

當隔離開關溫度較高時易導致隔離開關工作故障,如果隔離開關在短時沖擊電流的情況下不能滿足熱穩定性能的要求可能會導致嚴重的溫升,使觸頭部件熔化,引發安全事故。本研究分析了穩態熱力系統的構成,推導隔離開關溫升計算公式,結合接觸電阻理論提出隔離開關發熱改善方法,有效提高了隔離開關觸頭系統的通流能力。

1 穩態熱力系統

1.1 熱的產生

隔離開關的發熱來自于內部的能量損耗,包括電阻損耗和鐵磁損耗。當電流流經隔離開關導電部分時,由于導體有電阻,發熱產生電阻損耗。電阻損耗與導體電阻和電流的平方成正比,因此隔離開關額定電流的提高很困難。電阻損耗功率P可用式(1)表示：

P=I2R[W]

(1)

式中,I表示電流(A);R表示隔離開關回路電阻(Ω)。

隔離開關回路電阻R由兩部分組成,即：

R=Rc+KaRb

(2)

式中,Rc為導電回路中不同接觸部分的接觸電阻;交流附加損耗系數為Ka,其值受到集膚效應、導體直徑及材料電阻率等因素的影響;Rb是導體電阻,與導體的長度、截面積及導體材料的電阻率有關。

導體周圍的鋼鐵元件會引發渦流磁滯損耗,又被稱作鐵磁損耗。早期的觸指彈簧發熱現象即屬鐵磁損耗產生,隨著觸指彈簧采用非磁性的不銹鋼材料,此問題得到改善。因隔離開關主回路導電桿周圍沒有鋼鐵部件,實際計算時可不考慮鐵磁損耗。

1.2 溫升

隔離開關在運行中產生的能量損耗一般都變成熱能形式,使隔離開關零部件的溫度升高,即產生溫升。

根據能量平衡原理可得熱平衡方程式：

Pdt=P1dt+P2dt

(3)

式中,Pdt表示隔離開關電能損耗變成的熱能;P1dt表示消耗在使導體溫度升高的那一部分熱能;P2dt表示傳到導體以外的另一部分熱能。

當P2=0時,所有損耗都用來使導體溫度升高,即對應的短時溫升;當P1=0時,導體溫升達到一個穩定值,即形成了一個穩態熱力系統。在這種情況下,熱力系統任意節點的溫度和熱負荷保持不變,不會隨時間而改變。設備長期穩定發熱,本研究所指的溫升即長時溫升。

2 導體溫升計算

在額定通電時間內,觸頭系統會產生一定的發熱,但觸頭零部件之間的熱傳遞很少,在實際計算中通常可以忽略不計。

導體開始升溫時,它的溫度從初始值逐漸升高,最終達到穩定溫度Ts。導體的升溫過程可用熱量平衡來解釋,其向周圍介質散發的熱量是對流換熱量Qc與輻射換熱量Qr之和,這屬于復合換熱的情況。在工程分析和計算中為了方便,通常將輻射換熱量表示為類似于對流換熱的計算形式。因此引入一個綜合的換熱系數α,用于綜合考慮對流換熱和輻射換熱的影響,即

Qc+Qr=α(θw-θ0)F[W/m]

(4)

應用牛頓公式,對流換熱量Qc計算為：

Qc=αcA(tw-t0)[W/m]

(5)

式中：α為導體的總換熱系數,A為導體的散熱面積。

根據斯特藩-玻爾茲曼定律,輻射換熱量Qr計算為：

(6)

式中：ε代表輻射率,σb代表斯特藩-玻爾茲曼常數,絕對溫度為T。

在電流通過接觸區域時,電流線會呈現聚集現象。根據接觸區域的距離可分為收縮區、過渡區及導體區。根據理論研究,觸頭和觸指接觸區域內的收縮區表現為拋物線分布的溫升,而過渡區則呈現指數分布[6]。

計算過程中,觸頭/觸指通流發熱功率為：

(7)

式中,A為導體通流面積,ρ為電阻率,I為導體通流,導體長度為L。

在穩定的電流通行情況下,接觸電阻對導體區的溫升影響可以忽略,因此導體區的散熱功率主要受空氣的對流換熱影響[7]。散熱功率計算為：

P2=hLMΔt1

(8)

式中,h為散熱系數,LM為導體的散熱面積,Δt1為導體區溫升。

穩態時導體溫度恒定,即P1=P2,可計算得出導體區溫升為：

(9)

過渡區的溫升計算為：

(10)

式中,Rj為接觸電阻,λ為傳熱系數。

計算觸頭/觸指接觸點相對于收縮區的溫升公式為：

(11)

在穩態條件下,可使用如下公式計算觸頭/觸指接觸點相對于周圍環境的總溫升：

(12)

由式(12)可知,當過渡區和收縮區的接觸電阻數值發生變化時,溫升將受其影響,即Δt隨之發生變化。因此可通過減少接觸電阻的大小對隔離開關的通流性能起到促進作用。

3 接觸電阻計算分析

隔離開關是一種裸露在大氣環境中的電氣設備,在額定電流下正常運行時,導電系統的發熱主要受導電系統的電阻值控制,導電系統的電阻包括導體電阻和接觸電阻。

隔離開關的通流水平受載流系統接觸部位溫度大小的影響[8],導體電阻是導電載流體本身固有的電阻。為了降低導體電阻,通常會考慮增加導體的橫截面積。目前隔離開關導體一般采用管狀鋁合金導體,考慮到其機械性能及散熱性能,一般需要增大鋁合金管管徑而不是通過增加壁厚來實現導體通流面積的增加。接觸電阻主要存在于隔離開關導電系統不同部件的接觸部位,如軟連接、觸頭等。由于導體本身接觸面積有限且可能存在氧化膜等因素,接觸部分的電阻較高。

根據實際工程經驗,隔離開關的發熱主要集中在觸頭、軟連接、端子等接觸部位,因此在導體通流能力足夠的情況下,通過減小接觸電阻可增強隔離開關的通流能力。

3.1 接觸電阻理論

隔離開關的接觸電阻分為固定接觸和動接觸兩類,軟連接、端子都屬于固定接觸,只有觸頭觸指處為動接觸。

軟連接、觸頭、觸指與導體的連接為固定接觸,接觸電阻的大小與接觸面積、接觸壓力、接觸面光潔度等有很大關系,一般接觸面光潔度取3.2。隔離開關軟連接一般有2條或以上并聯通流,因為并聯通流的分散性,計算軟連接通流截面積時可按10%增加裕度。

對于接線端子,按照DL/T5222-2005《導體和電器選擇技術規定》[9]的要求,當回路工作電流大于2000 A時,應避免鋁-鋁接觸面超出0.0936 A/mm2載流密度,再進行端子尺寸計算,目前國網也提出了四統一要求。

觸頭或觸指之間的接觸屬于動態接觸,其總接觸電阻包含兩部分,即接觸面壓縮電阻和接觸面氧化膜電阻。計算方式如下所示：

(13)

式中,收縮電阻為Rs,膜電阻為Rb,材料的電阻率為ρ,接觸膜的電阻率為σ,n代表導電斑點的個數,a代表導電斑點的半徑。影響接觸電阻的因素主要包括接觸方式、接觸壓力、溫度、化學腐蝕、電化學腐蝕、材料特性及接觸面的光滑程度等。在實際工程計算中,由于計算觸頭或觸指接觸面的導電斑點數量及導電斑點半徑較為繁瑣,通常采用以下公式來計算接觸電阻：

(14)

式中,接觸電阻為Rj,接觸壓力為F,m表示與接觸方式有關的接觸系數(點接觸時m=0.5、線接觸時m=0.7、面接觸時m=1),kj代表與接觸材料有關的接觸系數(一般kj為0.08～0.14)。

3.2 隔離開關觸頭接觸方式

一般隔離開關觸頭接觸形式只有線接觸和點接觸兩種。如GW22/23、GW4、GW7皆為線接觸,GW6及環形觸指插入式結構的ZGW8等為點接觸。圖1為線接觸的觸頭結構,圖2為點接觸的觸頭結構。

圖1 線接觸觸頭結構

圖2 點接觸觸頭結構

在較小的接觸壓力情況下,點接觸具有的基本電阻較低,每個接觸點的電阻約為10 μΩ。隨著接觸壓力的增加,接觸電阻Rj的降低并不明顯。但在高壓條件下,隨著接觸壓力的提高,導致更多的接觸點形成,因此電阻會顯著下降。在接觸電阻的實際計算過程中,所有觸頭接觸形式均可視為點接觸處理。

由式(14)計算單片觸指的接觸電阻與接觸壓力關系曲線如圖3?？梢钥闯?對于鉗夾式隔離開關,隨著接觸壓力的增加,接觸電阻下降明顯,這是因為鉗夾式隔離開關觸頭為線接觸,接觸壓力增加,觸頭接觸更緊密,接觸點數會增多。

圖3 接觸壓力與接觸電阻的關系

隨著接觸壓力的增大,接觸電阻呈下降趨勢,但隨著接觸壓力增大,單片觸指壓力超過80 N后,接觸電阻變化趨于平穩。接觸壓力過大,對于觸頭材料及結構的要求就越嚴格,所以觸頭接觸壓力并非越大越好。

以ZGW-816特高壓直流隔離開關的環形觸指插入式結構為例,計算接觸點與接觸壓力的關系,如圖4所示。

圖4 接觸點個數與接觸壓力關系

可以看出,對于插入式結構,接觸點的數量也是隨著接觸壓力的增大而增加的。

3.3 接觸電阻計算示例

根據上述分析,以4000 A鉗夾式隔離開關為例,觸頭系統剖視圖如圖5所示。A、B、C、D為動觸頭中的4個觸指。

圖5 觸頭截面

每個觸指與靜觸頭銅管之間有兩條接觸線,共8條接觸線,可將其視為8個阻值相等的接觸電阻并聯,從而起到減小接觸電阻的作用,如圖6所示。

圖6 觸頭系統等效電路

由式(14)可計算觸頭系統單個接觸點的接觸電阻：

其中,4000 A隔離開關觸頭夾緊力為800 N,單個接觸點F為100 N。kj、m可在表1中選取,選取kj=0.1,線接觸m=0.7。

表1 影響接觸電阻的系數kj和m

則整個觸頭系統的接觸電阻為：

Rj=19.9/8≈2.5[μΩ]

采用接觸電阻等效并聯方式,將接觸電阻數值減小,從而提高隔離開關觸頭系統的通流能力、降低溫升,為隔離開關的發熱問題提供了一種有效的解決方法。

4 結論

導電系統的發熱在隔離開關的主要作用下是由電阻決定的,而電阻的大小主要受接觸電阻的影響,尤其是與動態接觸相關的觸頭系統的接觸電阻。改善觸頭系統接觸電阻的方法可通過增大接觸壓力,即一般單個接觸點接觸壓力不小于100 N;也可以改善接觸面接觸質量,避免線接觸為點接觸。在導體通流能力足夠的情況下,通過減小接觸電阻以增強隔離開關的通流能力,為實際工程解決隔離開關發熱問題提供一定的參考。