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隔离开关触点静态接触下热稳定性研究
现阶段,随着社会的发展,现代化建设的发展也有了很大的进步。高压隔离
开关节能降耗和控制过热一直以来都是电力系统亟待解决的重要问题之一。实际
运行中,隔离开关由于受到恶劣环境和复杂气候条件的影响,随着运行时间的增
长,导电回路常会出现过热现象,尤其以触指/触头接触处最为严重。隔离开关
的主要失效形式是由于接触电阻产生的焦耳热使得收缩区温度升高,致使两接触
面产生熔焊。目前,由“导电斑点”接触的微观特征引发的收缩电阻以及接触电阻,
一直都是国内外学者关注的热点,并对电接触下热过程数学模型进行了大量的相
关研究。文中以GW4-220kV高压隔离开关两种不同截面触指的接触系统为研究
对象,采用建立数学模型和AnsysWorkbench有限元分析软件相结合的方式,对
触点静态接触下接触系统稳态热效应和暂态热效应进行理论分析和仿真计算,并
通过瞬态热—电耦合分析来讨论220kV隔离开关在50kA/3s下的热稳定性及其
影响因素。
标签:隔离开关触点;静态接触;热稳定性研究
引言
在配电系统中,配电装置承担着电能的分配、传输、保护和控制等重要功能,
是一个量大面广的基础元件。作为重要元器件之一,隔离开关的可靠性和稳定性
要求越来越高,其短时耐受电流能力是一项极为重要的性能指标。本文建立隔离
开关三维模型,使用Ansys进行仿真分析开关40kA/1s和50kA/0.5s短时耐受电
流。先校核动稳定性,分析开关动触头组件(刀闸)电磁力,后进行热稳定性分
析,采用Holm模型的等效接触电阻,分析开关在不同时间段最高温度,以此为
解决直流隔离开关短耐问题提供仿真设计依据。
1触指/触头接触电阻数学模型
高压隔离开关接触系统电阻由导体自身电阻和接触电阻两部分组成。为了对
比研究矩形和W形截面触指对热稳定性的影响,保持两种形式的电阻相同。两
种接触系统的铜触头尺寸相同,触指截面积s=286mm2;触指长度l=25mm2。由
于接触电阻值的大小与接触元件的材料、表面粗糙度、接触形式、接触力等都有
关,而矩形、W型截面存在触指/触头接触时接触线长度不相等的情况,无法在
同等情况下对这两种接触系统热稳定性进行研究。目前还未提出动态接触电阻数
学模型和数学表达式。因此,文中针对触指、触头稳定接触时的接触电阻,即静
态接触电阻。Williamso的实验表明接触电阻完全是由电流线收缩造成,表面膜
只是通过干扰导电斑点的形成来影响电流收缩。采用Holm单斑点一级收缩模型,
该模型将触点的形状处理为直径为D的圆形金属导电斑点。当电流通过此导电
斑点时电流线产生收缩产生收缩电阻,而电流线的变形主要与触点压力和触点形
状有关。文中提出的接触系统结构满足Hertz接触条件,即接触区的有效尺寸比
起每个部件的尺寸及其表面相对曲率半径是很小的,利用解析法得到触点接触半
径。接触力会对触点接触半径,进而对收缩电阻产生影响,另外在瞬时过热条件
下如果考虑接触力,触点半径会发生变化从而影响收缩电阻,对温升产生影响。
为了避免接触力对热稳定性的影响,在Workbench中进行有限元分析时,耦合节
点位移处施加恒定接触力,并建立接触对,从而保证文中只分析触头截面形式对
隔离开关热稳定性的影响。
2触指/触头接触系统稳态热稳定性分析
以GW4-220kV高压隔离开关为研究对象,该型号隔离开关实际运行中流过
的电流很大,额定电流2000A,额定短时耐受电流则高达50kA/3s,因此会产生
大量的电阻发热,尤其是在触指/触头接触处发热更为明显。文中忽略流经各个
触指的电流差异,近似认为触指上的电流分配均相同。
2.1接觸系统内电阻稳态发热
为了更准确研究接触系统的热稳定性,将接触电阻的影响通过其通电发热量
来反映。在对模型划分网格时,运用自由分网的方式。对接触系统采用较小的网
格尺寸,并采用柔性网格,网格划分比较精细;其余部件网格划分较粗,从而达
到即节省计算时间又保证计算精度的要求。在稳态温升仿真中,触头侧接线端子
加载额定电流2000A,同时将触指侧接线端子电压设置为0V。由于环境为常温
户外空间,空气处于自然对流状态。相关资料显示[6]:在此条件下,空气的对
流散热系数为5~10W/(m2·K)。施加的对流散热系数为10W/(m2·K),环境
温度为25℃。虽然A、B两类触指散热面积存在差异,但由触点稳态热过程数
学模型可以看出该物理量对触指稳态热过程影响微乎其微。先忽略接触电阻的影
响,只由
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