李洪彬，劉穎，倪福生

（河海大學機電工程學院，江蘇常州213022）

50 kA/17.5 kV快速接地開關熱穩(wěn)定性分析

李洪彬，劉穎，倪福生

（河海大學機電工程學院，江蘇常州213022）

快速接地開關是一種關合短路電流的特殊接地開關。當短路電流流過快速接地開關動靜觸頭時，會產(chǎn)生很強的熱效應。針對檢驗快速接地開關在短路時能否可靠工作的目的，本文采用數(shù)值模擬的方法，運用Inventor和Ansys軟件對50 kA/17.5 kV快速接地開關進行了熱穩(wěn)定性分析，得出在短路狀態(tài)下，熱效應產(chǎn)生的最高溫度為173.68℃，未達到材料熔點，動靜觸頭不會發(fā)生熔焊狀態(tài)，能正常工作，本研究成果可提高快速接地開關設計的安全性。

快速接地開關；熱效應；熱穩(wěn)定性；Ansys

許多開關電器在設計完成后，都需要對產(chǎn)品樣機進行短時短路電流耐受測試，檢測電器產(chǎn)品的動、熱穩(wěn)定性[1]，比如，含接地開關的電器柜測試時，當巨大的短路電流通過快速接地開關的動靜觸頭時，會產(chǎn)生較大的熱量集中，導致觸頭接觸部分的溫度急劇上升，如果快速接地快關設計的不合理，動熱穩(wěn)定性不合格，會出現(xiàn)導體變形軟化、觸頭熔焊等現(xiàn)象[2-3]，使動靜觸頭不能安全地分閘，那么樣機的測試實驗就非常危險?？焖俳拥亻_關是具有關合短路電流能力的一種特殊用途的接地開關，當線路接地故障被切除后，由相鄰運行線路供電形成故障線路的潛供電流，利用快速接地開關關合，可消除潛供電流，再快速開斷接地開關，確保線路自動重合閘能成功[4，5]。接地開關作為電力系統(tǒng)故障切除的重要設備，其性能的好壞直接關系到開關設備的保護性能。熱穩(wěn)定性的定義為：當有短路電流通過開關設備時，會產(chǎn)生熱效應，電器在短時間內能夠耐受短路電流產(chǎn)生的熱效應，而沒有產(chǎn)生變形或損壞，說明電器具有熱穩(wěn)定性[6]。所以對快速接地開關的研究是非常有必要的。熱穩(wěn)定分析的方法是國內外研究的重點，相似的文章也較多，主要有限元法和熱網(wǎng)絡法[7]，兩者各有優(yōu)缺點，也都有相關論文的發(fā)表，例如，伊春賀等運用有限元法對隔離開關進行了熱分析[8]，而王稚惠等則用熱網(wǎng)絡法對隔離開關進行了熱分析[9]，袁若浩運用有限元法對熱分析爐的溫度模擬及優(yōu)化進行了研究[10]，劉承將有限元法應用在復合保溫砌塊孔型的布置上[11]，王富強等用有限元對太陽能吸熱器進行了熱分析[12]?？傮w來講，有限元法的計算精度高，廣泛應用于力學、熱學、流體、磁場等方面[13]，熱穩(wěn)定分析的計算論文也較多，但是，將有限元法應用在對快速接地開關的熱穩(wěn)定性分析還未見有相關的研究論文。

本文以運用Inventor軟件對快速接地開關進行簡化建模，將其導入ANSYS Workbench軟件中的瞬態(tài)電—熱耦合模塊中。所謂瞬態(tài)熱傳遞是指物體的溫度、邊界條件等隨時間的變化而變化[14]。通過該過程對動靜觸頭部分的機構進行熱仿真分析，得到動靜觸頭機構各個點的溫度分布云圖，分析快速接地開關的熱穩(wěn)定性。

1 觸頭機構的瞬態(tài)熱分析

1.1 觸頭機構三維實體模型

本文以某公司的50 kA/17.5 kV快速接地開關為研究對象，見圖1實物圖，研究快速接地開關的熱穩(wěn)定性，其中觸頭機構的電接觸處是主要的分析部位，根據(jù)電接觸相關的理論，動靜觸頭接觸處不是通過面接觸，而是通過許多個圓點進行接觸，當短路電流通過這些接觸點時，就會出現(xiàn)電流線收縮現(xiàn)象，實際導電面積減少，產(chǎn)生收縮電阻。另外，接觸表面通常會形成一層可以導電的金屬氧化物薄膜，這層氧化膜阻礙了電流的流動，會增加電路的電阻，我們把它稱之為氧化膜電阻。接觸電阻是因電流收縮產(chǎn)生的電阻和氧化膜的阻礙作用產(chǎn)生的電阻的總稱[15]。所以，當巨大的短路電流通過觸頭時，此時會產(chǎn)生很大的熱量集中，導致觸頭接觸部分的溫度急劇上升，威脅設備的安全。

圖1 50 kA/17.5 kV快速接地開關實物圖

50 kA/17.5 kV快速接地開關的動靜觸頭機構如圖2所示。圖2（b）為動靜觸頭接觸處的結構，材料為CuAg0.1，從圖中可以看出，動觸頭的觸指與靜觸頭接觸是通過中間的小圓柱體來接觸的，所以在進行瞬態(tài)熱仿真分析時，需計算每片觸指與靜觸頭實際接觸面積的大小。接觸面積的大小與觸頭的預壓力有關，觸頭的預壓力越大，實際接觸面積越大。50 kA/17.5 kV正常工作時，每片觸指與靜觸頭之間的接觸壓力為100 N。則觸指與靜觸頭接觸圓半徑為：

其中：ξ—和接觸面狀況相關的系數(shù)，其范圍在0.3～1之間；

Hk—觸頭材料的布氏硬度，單位N/mm2；

從而推導出理論接觸面積為：

由于快速接地開關動觸頭上流過每片觸指的電流值是不同的，所以為了研究快速接地開關的熱穩(wěn)定性，假設流過每片觸指的電流是相等的，在短路電流為50 kA的情況下，研究每片觸指在6 250 A/4 s的條件下的短時耐受電流能力，得出各個點的溫度分布情況，分析快速接地開關的熱穩(wěn)定性。

動靜觸頭的接觸部位直接關系到溫度的分布，所以必須按照實際結構建模，根據(jù)快速接地開關的原理及其結構，將觸頭機構進行簡化，得到每片觸指與靜觸頭接觸的模型，圖3為簡化后的觸指與靜觸頭接觸部分的三維模型。

圖3 觸指與靜觸頭接觸處簡化模型

根據(jù)快速接地開關各部分材料的物理屬性，包括密度、比熱、電阻率、熱導率等參數(shù)，進行材料屬性的設定。在動靜觸頭簡化的模型中，主要的結構是觸頭機構導電的部分，觸頭導電結構的材料主要為銅，銅的材料屬性參數(shù)如下表：

表1 材料屬性參數(shù)

在求解過程中，導電體與周圍空氣之間的熱交換系數(shù)是20 W/（m2·K）。

1.2 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分是有限元分析中的重要一步，網(wǎng)格質量的好壞對求解結果影響非常大，提高網(wǎng)格質量可以顯著提高求解結果精度，只有劃分好網(wǎng)格才能進行下一步的分析計算[16]，本文采用自由網(wǎng)格劃分的方法，對動靜觸頭機構進行了網(wǎng)格的劃分，由于觸頭接觸部位是分析的關鍵部分，所以對其進行了精密劃分，以提高計算的精度，網(wǎng)格劃分的越密，求解的時間越長，所以對于觸頭的其他導電部分可以進行粗略的網(wǎng)格劃分，從而達到節(jié)省求解時間的目的。這種方法既能保證求解速度，又可以滿足計算精度的要求。圖4為快速接地開關動靜觸頭接觸部分的網(wǎng)格劃分圖。

圖4 動靜觸頭網(wǎng)格劃分圖

1.3 電-熱仿真結果分析

對動靜觸頭接觸部分進行有限元分析，本動靜觸頭接觸時間約為4 s，取接觸面積0.199 mm2，對觸頭機構在50 kA/4 s的條件下進行瞬態(tài)熱仿真分析與計算。每對觸頭機構的動觸頭共有8片觸指，所以每片觸指通過的電流為6 250 A，分析在t=4 s時，接觸部分的溫度場分布。由于本文應用的是瞬態(tài)電—熱耦合場分析方法，因此需要設定初始溫度作為邊界條件，考慮快速接地開關的工作環(huán)境及其工作原理，初始溫度設為80oC。

對模型進行求解計算，得到觸指與靜觸頭接觸處的表面溫度場分布圖如圖5所示:

為了方便查看接觸處的溫度場分布情況，得到觸指接觸處的剖面溫度場分布圖如圖6所示：

由圖6可以看出，溫度最高的點是在觸指與靜觸頭接觸處，當有短路電流通過時會產(chǎn)生焦耳熱，熱量一部分用來加熱接觸電阻，另一部分散發(fā)到空氣中去。由于觸頭接觸處的散熱條件較差，故此處的溫升較高，越靠近中間接觸處的部位溫度越高，溫度由內向外逐漸降低，由此說明接觸電阻是引起快速接地開關溫升的最主要熱源之一。因此在設計快速接地開關時，應盡量減小接觸電阻，以控制發(fā)熱量。

根據(jù)瞬態(tài)熱仿真的結果可以得到，在50 kA的電流下，4 s內動靜觸頭接觸點的最高溫度變化曲線如圖7所示。

圖5 觸指接觸處的表面溫度場分布圖

圖6 接觸部分觸指的剖面溫度場分布圖

圖7 觸頭機構最高溫升點溫度-時間曲線

計算結果顯示了觸指接觸處溫度最大值達到173.68oC，由于動觸頭的材料為銅，銅的熔點為1 080oC，接觸處溫度最大值遠遠小于銅的熔點，因此觸點不會發(fā)生熔焊現(xiàn)象。

2 結 論

本文以50 kA/17.5 kV快速接地開關為例，建立了觸頭機構的有限元分析模型，仿真分析了50 kA/17.5 kV快速接地開關在50 kA/4 s下的瞬態(tài)溫升，得到了觸頭機構瞬態(tài)溫度分布云圖，動靜觸頭接觸處溫度最高，最高溫度為173.68oC沒有達到材料的熔點，不會造成觸頭的熔焊。本文的研究成果使傳統(tǒng)的經(jīng)驗設計上升到了定性分析，探索了一種新的設計方法，提高了快速接地開關的可靠性。為產(chǎn)品的設計或優(yōu)化提供了參考價值，為試驗過程中調整參數(shù)提供了理論依據(jù)。

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Researches on thermal stability of the 50 kA/17.5 kV high speed grounding switch

LI Hong?bin，LIU Ying，NI Fu?sheng
（College of Mechanical and Electrical Engineering，Hohai University，Changzhou213022，China）

High speed grounding switch is a special grounding switch which can make and break the short?circuit current.Great thermal performance will be produced when short?circuit current flows through moving contactor and fixed contactor.To determine if high speed grounding switch can work normally in the short?circuit conditions，this paper simulates numerically the thermal stability of the 50 kA/17.5 kV high speed grounding switch using Inventor and Ansys softwares.The highest temperature 173.68℃is lower than its material melting point，.Fusion welding does not happen at the joint of moving and fixes contactors in this situation.the switch can work normally.So the research can be used to improve the design safety of high speed grounding switch.

high speed grounding switch；thermal performance；thermal stability；Ansys

TN0

A

1674-6236（2017）22-0174-04

2016-10-20稿件編號：201610094

李洪彬（1983—），男，山東德州人，碩士研究生，實驗師。研究方向：機械電子。