基于熱網(wǎng)絡(luò )法的高壓開(kāi)關(guān)設備熱特性分析

第46卷第5期高樂(lè )也Vol 46 No53405月High Voltage Apparatusay2010基于熱網(wǎng)絡(luò )法的高壓開(kāi)關(guān)設備熱特性分析張敬菽1,王其愷2,孫會(huì )剛(1.ABB集團研究中心,北京100016;2.ABB集團高壓技術(shù)中心,北京100016)摘要:引人熱網(wǎng)絡(luò )技術(shù),建立了某型號瓷柱式高壓斷路器主回路的仿真模型。溫升試驗表明,實(shí)驗結果與仿真結果之差的最值誤差為7.9%,該仿真方法的準確度在工程許可范圍之內?；诖朔抡婺Ｐ?利用3種改善揹施,觀(guān)察其對斷路器溫升的影響程度。研究結果表明,應用熱網(wǎng)絡(luò )方法可以方便快捷地修改任意參數,了解其對電力設備熱特性的影響,為產(chǎn)品設計提供參考。關(guān)鑣詞:高壓斷路器;熱路;溫升試驗;仿真分析中圖分類(lèi)號:TM561.3獻標志碼:A文章編號:1001-16092010)05-0034Thermal Analysis of High Voltage Circuit Breaker Based on Thermal NetworkZHANG Jing-shu', WANG Qi-kai?, SUN Hui-gang'(1. ABB Corporate Research, Beijing 100016, China; 2. ABB China HV Technology Center, Beijing 100016, China)Abstract: Based on the thermal network technology, a high voltage circuit breaker simulation model was established in this paper.e difference value between experimental and simulation results was 7.9%, and the thermal network method is effective for theequipment thermal analysis. To observe the influence degree of circuit breaker terThis study shows that it is easily to modify parameter in the method which provides the characteristic reference for products design.Key words: high voltage circuit breaker; thermal network temperature rise test; simulation analysis標準規定了周?chē)諝獾臏囟炔怀^(guò)40℃,不同滅弧0引言介質(zhì)中各金屬材料、接觸連接部位及絕緣材料的最熱特性是電力設備設計中的一個(gè)關(guān)鍵因素。要大溫升值口。進(jìn)行合理的熱設計,關(guān)鍵是要了解設備內部的溫度筆者根據熱網(wǎng)絡(luò )法原理,建立了額定電壓為分布,這對于材料的選擇、結構的設計以及裝配是145kⅤ某型號SF6高壓斷路器的熱網(wǎng)絡(luò )模型,對其非常重要的叫。生產(chǎn)廠(chǎng)家一般需要通過(guò)溫升實(shí)驗驗進(jìn)行了熱分析,并通過(guò)實(shí)驗驗證了模型的正確性。證電力設備的熱性能,這使產(chǎn)品設計周期加長(cháng)、費為提高斷路器的散熱能力,降低穩態(tài)溫升,筆者還用提髙。如果能在產(chǎn)品設計階段通過(guò)數值方法對產(chǎn)基于建立的熱網(wǎng)絡(luò )模型,分析了絕緣子尺寸、材料品進(jìn)行準確的熱分析,了解設計方案的溫度分布情熱導率以及接觸電阻對斷路器溫升的影響。況,及時(shí)修改不滿(mǎn)足熱設計要求的方案,就可大大提高產(chǎn)品的設計效率減少設計費用。因此研究電1高壓斷路器熱分析的理論基礎力設備的熱分析具有重要的實(shí)際應用價(jià)值和發(fā)展高壓斷路器熱分析遵循熱力學(xué)第一定律,即能前景。量守恒定律。主要研究高壓斷路器的穩定工作時(shí)溫溫升試驗主要考核產(chǎn)品額定電流下的載流能度分布情況,即其中的發(fā)熱和散熱過(guò)程,因此首先力,檢驗載流導體部分的結構是否合理,對已定型要分析熱源。的產(chǎn)品,也是檢驗裝配質(zhì)量的一種好方法,它是高11熱源的分析壓開(kāi)關(guān)設備的型式試驗項目之一。IEC標準和國家高壓斷路器在工作時(shí),由于電流、電壓的作用熱中國煤化工的焦耳損耗鐵磁體內CNMHG材料中的介質(zhì)損收稿日期:2009-1206;修回日期:20100309作者簡(jiǎn)介:張敬菽(1975博士,高級工程師,主要從事電力設備產(chǎn)品設計及其仿真技術(shù)的研究。2010年05月高樂(lè )地置第46卷第5期耗國。瓷柱式斷路器其結構上基本沒(méi)有產(chǎn)生鐵磁諧熱網(wǎng)絡(luò )方法將有限差分法和熱路的方法結合振的材料,同時(shí)認為絕緣材料的介質(zhì)遠小于焦耳損起來(lái),以其所特有的優(yōu)勢,在近幾年的熱分析中得耗。筆者主要考慮焦耳損耗。到研究者們的關(guān)注。它采用有限差分法的思想對熱1.2傳熱機制分析路進(jìn)行求解,用節點(diǎn)、熱阻和熱源代替實(shí)際開(kāi)關(guān)元髙壓斷路器產(chǎn)生的熱損耗通過(guò)傳導、對流和輻件來(lái)建立熱網(wǎng)絡(luò )模型,基于熱路與電路的相似性,射3種方式散失到周?chē)橘|(zhì)中去。熱傳導是靠物體采用求解電路的相關(guān)理論對熱路進(jìn)行求解,用此方之間直接接觸,或物體內部各部分之間發(fā)生的傳法可以方便地進(jìn)行參數化設計。20世紀90年代,熱,在導電和非導電固體、液體和氣體中都可以進(jìn)ABB公司就已將熱網(wǎng)絡(luò )法應用到電力設備的熱分行。熱對流僅在流體(液體和氣體)中存在,是由于析。該方法現已廣泛應用于A(yíng)BB的各電壓等級電力粒子的彼此相對移動(dòng)而產(chǎn)生熱能的轉移。根據對流產(chǎn)品設計或優(yōu)化設計,如低壓斷路器、接觸器、真換熱的基本計算式牛頓冷卻公式,對流散熱功率可空斷路器、發(fā)電機斷路器、中、高壓開(kāi)關(guān)柜等電力表示為設備P=-aA·d6(1)熱量傳輸與電量轉移的基本規律類(lèi)似,熱網(wǎng)絡(luò )式(1)中,a為表面傳熱系數,W(m2K);A為發(fā)熱的熱阻表明傳熱過(guò)程的阻力。傳熱過(guò)程的求解一般體的表面積,m2主要是各種傳熱過(guò)程熱阻的計算,表1列出幾種熱表面傳熱系數的大小與傳熱過(guò)程中的許多因量傳遞過(guò)程的熱阻計算式,表1中8為兩導熱面間素有關(guān)。它不僅取決于流體的物性參數以及換熱表的距離,A為導熱壁熱導率,;和n2分別為導熱壁的面的形狀、大小和布置,而且還與流速有密切的關(guān)內徑和外徑,h和h,分別為對流和輻射換熱系數系?；谙嗨圃?根據下面的經(jīng)驗公式計算得到衰1幾種熱量傳遞過(guò)程的單位面積熱阻計算式此系數。熱量傳遞過(guò)程熱阻計算式(2)平壁導熱R=8/A圓筒壁導熱In(rln)式(2)中,AM是流體的熱導率,是特征長(cháng)度,努塞爾數N=c1(G,P)·,Gn、P和分別是與溫度有關(guān)的球壁導熱格拉曉夫數和普朗特數,筆者研究的內容屬于自然對流換熱對流換熱,根據文[5]特征長(cháng)度取斷路器各導體相應輻射換熱的高度值,實(shí)驗常數c1取0.15,n取1/3高壓斷路器由通斷元件、中間傳動(dòng)機構、操動(dòng)熱輻射無(wú)需任何介質(zhì),是物體通過(guò)電磁波來(lái)傳機構絕緣支撐件和基座組成。主回路的通斷由操遞能量的方式。根據斯忒藩波耳茲曼定律可計算動(dòng)機構接到操作指令后,經(jīng)中間傳動(dòng)機構傳送到通得到輻射功率。斷元件,通斷元件執行命令,使主回路接通或斷開(kāi)。2熱網(wǎng)絡(luò )法計算高壓斷路器溫升通斷元件是斷路器的核心部分,包括有弧觸頭、主導電部分、噴口和滅弧介質(zhì)等,一般安裝在絕緣支由于電力設備的發(fā)熱和散熱過(guò)程非常復雜,影撐件上,使帶電部分與地絕緣,而絕緣支撐件則安響因素很多,很難建立考慮所有影響因素的熱過(guò)程裝在基座上。這些基本組成部分的結構,隨斷路器解析公式,因此對它進(jìn)行準確的熱分析計算比較困類(lèi)型不同而異。以某額定電流3150A、額定電壓難。工程上一般采用牛頓熱計算公式把3種傳熱方145kV瓷柱式SF6斷路器為例,其單極柱結構見(jiàn)式合并在一起考慮電力設備的熱分析。最早采用圖1。滅弧室極柱由復合絕緣套管1作為絕緣支柱的數值方法是有限差分法,對簡(jiǎn)單幾何形狀的傳熱載流部分有上法蘭2、下法蘭3、靜觸頭部分4、壓氣問(wèn)題是一種最容易實(shí)現的數值方法,但其主要缺點(diǎn)室5和動(dòng)觸頭部分6,滅弧室和絕緣瓷柱內腔相通,是對復雜區域的適應性較差。近些年,數值計算的充有相同壓力的SF6氣體。有限元法、有限容積法也被廣泛地應用到結構簡(jiǎn)單高壓斷路器的導體主回路包括:上下法蘭、導的電力設備的熱分析中,如變壓器、電機、電磁鐵和體回辟中國煤化工分熱量通過(guò)連接接觸器的熱分析中。對于結構復雜的電力設備,母排采用這兩種方法將會(huì )使熱分析非常復雜,幾乎不能輻射的CNM凵熱量通過(guò)對流和部。法蘭與動(dòng)靜進(jìn)行計算。觸頭支座、動(dòng)觸頭支座與氣缸、動(dòng)靜觸頭之間均存May 2010High Voltage ApparatusVol 46 No5緣層傳導的熱阻單元用R。表示,從絕緣層表面通過(guò)對流和輻射的形式散失到周?chē)橘|(zhì)中的熱阻單元從節點(diǎn)b引出,分別為R和R=,T為導體周?chē)h(huán)境溫度。導體焦耳損耗圖1斷路器柱結構示意圖R圖R在電接觸。實(shí)際上,當兩表面接觸時(shí),是由有限個(gè)接觸點(diǎn)接觸,因此通過(guò)這種接觸面的熱傳導實(shí)際上是接觸的導熱、縫隙中空氣的導熱和弱自然對流以及由縫隙形成的空腔壁熱輻射的綜合作用結果。接觸圖2帶絕緣層的一段導體的熱網(wǎng)絡(luò )產(chǎn)生的熱損耗由PR計算得到,其中接觸電阻為實(shí)測值用節點(diǎn)、熱阻和熱源代替實(shí)際的高壓斷路器元熱網(wǎng)絡(luò )基本原理見(jiàn)圖2。左圖是帶絕緣層的一件,建立了熱網(wǎng)絡(luò )模型,見(jiàn)圖3。為忽略接入主回路導體的,電流從L端流入,LX端流出。右圖的導的臨時(shí)連接線(xiàn)帶走的少量熱量和簡(jiǎn)化仿真模型,體中部的節點(diǎn)a有導體產(chǎn)生的焦耳熱P流入,沿導熱網(wǎng)絡(luò )模型的環(huán)境溫度T取實(shí)驗測得的環(huán)境溫度體兩端傳導的熱阻單元各為傳導總熱阻的一半,絕202℃,斷路器的上下法蘭進(jìn)出線(xiàn)端的T2和7分RCD32IRCD38RCDI7 RCDI8 PCIIPIrORC023RRARRARA9PIRORRAzOCDS6RRAZICD54PI2R0OI RCDSI RCDS PCIORRA12E ERCO13Ha中國煤化工CNMHG圖3斷路器主電路的熱網(wǎng)絡(luò )模型2010年05月高樂(lè )地置第46卷第5期別取實(shí)測值582℃和552℃。測溫點(diǎn)位于載流導體及導體間的接觸位置處計算值各點(diǎn)具體含義見(jiàn)表2。法蘭和下載流通道為鋁材,壓氣室和上載流通道為銅材,在圖3中熱網(wǎng)絡(luò )的頂部和底部單元組代表上下法蘭,且分左右兩部分,因693此各部分熱阻單元的尺寸參數為實(shí)際法蘭尺寸的一半。熱網(wǎng)絡(luò )圖中部的P2Ro01-PI2R04是導體間電接觸產(chǎn)生的焦耳損耗,即下法蘭、下載流通道、壓氣室、上載流通道和上法蘭間接觸造成的損耗。圖3位置編號右側框10中的3個(gè)熱阻代表絕緣子的熱傳導及其對流和輻射單元。圖5測溫點(diǎn)實(shí)測值和計算值的比較的情況下,改變絕緣子厚度、材料的熱導率和某點(diǎn)表2測溫點(diǎn)的位置接觸電阻值,觀(guān)察它們對斷路器主回路溫度分布的測溫點(diǎn)影響程度。下法蘭1)絕緣子厚度不變,增加和減少其內、外徑值。下法蘭和下載流通道接觸處如初始內徑值是210mm,改為190mm和230mm下載流通道進(jìn)行仿真;下載流通道接和壓氣室接觸處2)下載流通道是鑄鋁材料,熱導率初始值是壓氣室145W/(m·K),改用銅材料的熱導率385W/(mK)壓氣室和上載流通道接觸處上載流通道進(jìn)行仿真;上載流通道接和上法蘭接觸處3)減小接觸電阻,如將測溫點(diǎn)6的接觸電阻初上法蘭始值3.654μΩ減小到2654μ和1.654μQ進(jìn)行仿真。3仿真與實(shí)驗結果3種改進(jìn)方法對斷路器溫度分布的影響見(jiàn)圖溫升試驗是考核產(chǎn)品在額定電流下的載流能6,仿真結果表明:力,以檢驗載流部分的結構是否合理,對已定型的1)絕緣子內徑變化20mm,整體溫度平均變化產(chǎn)品也可以檢驗裝配質(zhì)量。測量高壓斷路器穩態(tài)2℃左右。絕緣子內徑越大,越利于斷路器散熱;2)下載流通道的熱導率改用銅材料,相當于熱溫度的實(shí)驗現場(chǎng)圖見(jiàn)圖4,額定電流3150A。測溫導率增加到2.65倍,溫度曲線(xiàn)呈下降趨勢。如圖點(diǎn)溫度的實(shí)測值和計算值的曲線(xiàn)見(jiàn)圖5?？梢钥闯?(b)所示,溫度變化最大的是測溫點(diǎn)4,數值上少了兩條曲線(xiàn)吻合較好。近5℃;選用熱導率大的載流導體,可明顯降低該導體上的溫度分布;3)接觸電阻減少1μΩ2,該接觸點(diǎn)溫度能降低近5℃,該點(diǎn)附近導體平均溫度也能降低2℃多。4結論將熱網(wǎng)絡(luò )法應用到高壓斷路器的熱分析中,用節點(diǎn)、熱阻和熱源建立斷路器的熱分析模型?；谀芰科胶庠斫⒐濣c(diǎn)的方程,實(shí)現斷路器主回路溫度分布的計算。利用建立的熱網(wǎng)絡(luò )數學(xué)模型定量地分析了絕緣子尺寸、材料物性和接觸電阻對斷路器溫唐圖4測量高壓斷路器穩態(tài)溫度的實(shí)驗現場(chǎng)圖中國煤化工為提高斷路器的散熱能力和降低其穩態(tài)溫升,實(shí)驗CNMHG二絡(luò )器的穩態(tài)溫升,℃左右,即誤差釆取了以下3種改進(jìn)方法,即在仿真初始條件不變79%該仿真方法的準確度在工程許可范圍之內。38·May 2010High Voltage ApparatusVol 46 No5如導體段分得更細小,材料參數值更精確使斷路器的溫度分布更加準確地呈現出來(lái)參考文獻:50→D210mm+D-190mm+D=230mm[徐國政錢(qián)家驪高壓斷路器原理和應用M北京清華大學(xué)出版測溫點(diǎn)位置(a)改變絕緣子內徑[2]IEC62271-l. 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