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(shè)備熱特性分析張敬菽1,王其愷2,孫會(huì)剛(1.ABB集團(tuán)研究中心,北京100016;2.ABB集團(tuán)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(hào)瓷柱式高壓斷路器主回路的仿真模型。溫升試驗(yàn)表明,實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果之差的最值誤差為7.9%,該仿真方法的準(zhǔn)確度在工程許可范圍之內(nèi)?；诖朔抡婺Ｐ?利用3種改善揹施,觀察其對(duì)斷路器溫升的影響程度。研究結(jié)果表明,應(yīng)用熱網(wǎng)絡(luò)方法可以方便快捷地修改任意參數(shù),了解其對(duì)電力設(shè)備熱特性的影響,為產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供參考。關(guān)鑣詞:高壓斷路器;熱路;溫升試驗(yàn);仿真分析中圖分類號(hào):TM561.3獻(xiàn)標(biāo)志碼:A文章編號(hào):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(biāo)準(zhǔn)規(guī)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(shè)備設(shè)計(jì)中的一個(gè)關(guān)鍵因素。要大溫升值口。進(jìn)行合理的熱設(shè)計(jì),關(guān)鍵是要了解設(shè)備內(nèi)部的溫度筆者根據(jù)熱網(wǎng)絡(luò)法原理,建立了額定電壓為分布,這對(duì)于材料的選擇、結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)以及裝配是145kⅤ某型號(hào)SF6高壓斷路器的熱網(wǎng)絡(luò)模型,對(duì)其非常重要的叫。生產(chǎn)廠家一般需要通過(guò)溫升實(shí)驗(yàn)驗(yàn)進(jìn)行了熱分析,并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了模型的正確性。證電力設(shè)備的熱性能,這使產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期加長(zhǎng)、費(fèi)為提高斷路器的散熱能力,降低穩(wěn)態(tài)溫升,筆者還用提髙。如果能在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段通過(guò)數(shù)值方法對(duì)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(zhǔn)確的熱分析,了解設(shè)計(jì)方案的溫度分布情熱導(dǎo)率以及接觸電阻對(duì)斷路器溫升的影響。況,及時(shí)修改不滿足熱設(shè)計(jì)要求的方案,就可大大提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)效率減少設(shè)計(jì)費(fèi)用。因此研究電1高壓斷路器熱分析的理論基礎(chǔ)力設(shè)備的熱分析具有重要的實(shí)際應(yīng)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(wěn)定工作時(shí)溫溫升試驗(yàn)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(yàn)載流導(dǎo)體部分的結(jié)構(gòu)是否合理,對(duì)已定型要分析熱源。的產(chǎn)品,也是檢驗(yàn)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(shè)備的型式試驗(yàn)項(xiàng)目之一。IEC標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)家高壓斷路器在工作時(shí),由于電流、電壓的作用熱中國(guó)煤化工的焦耳損耗鐵磁體內(nèi)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(jí)工程師,主要從事電力設(shè)備產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(guó)。瓷柱式斷路器其結(jié)構(gòu)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(jié)合振的材料,同時(shí)認(rèn)為絕緣材料的介質(zhì)遠(yuǎn)小于焦耳損起來(lái),以其所特有的優(yōu)勢(shì),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(duì)熱1.2傳熱機(jī)制分析路進(jìn)行求解,用節(jié)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(dǎo)、對(duì)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(dǎo)是靠物體采用求解電路的相關(guān)理論對(duì)熱路進(jìn)行求解,用此方之間直接接觸,或物體內(nèi)部各部分之間發(fā)生的傳法可以方便地進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)。20世紀(jì)90年代,熱,在導(dǎo)電和非導(dǎo)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(yīng)用到電力設(shè)備的熱分行。熱對(duì)流僅在流體(液體和氣體)中存在,是由于析。該方法現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于ABB的各電壓等級(jí)電力粒子的彼此相對(duì)移動(dòng)而產(chǎn)生熱能的轉(zhuǎn)移。根據(jù)對(duì)流產(chǎn)品設(shè)計(jì)或優(yōu)化設(shè)計(jì),如低壓斷路器、接觸器、真換熱的基本計(jì)算式牛頓冷卻公式,對(duì)流散熱功率可空斷路器、發(fā)電機(jī)斷路器、中、高壓開(kāi)關(guān)柜等電力表示為設(shè)備P=-aA·d6(1)熱量傳輸與電量轉(zhuǎn)移的基本規(guī)律類似,熱網(wǎng)絡(luò)式(1)中,a為表面?zhèn)鳠嵯禂?shù),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(jì)算,表1列出幾種熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的大小與傳熱過(guò)程中的許多因量傳遞過(guò)程的熱阻計(jì)算式,表1中8為兩導(dǎo)熱面間素有關(guān)。它不僅取決于流體的物性參數(shù)以及換熱表的距離,A為導(dǎo)熱壁熱導(dǎo)率,;和n2分別為導(dǎo)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(nèi)徑和外徑,h和h,分別為對(duì)流和輻射換熱系數(shù)系?；谙嗨圃?根據(jù)下面的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到衰1幾種熱量傳遞過(guò)程的單位面積熱阻計(jì)算式此系數(shù)。熱量傳遞過(guò)程熱阻計(jì)算式(2)平壁導(dǎo)熱R=8/A圓筒壁導(dǎo)熱In(rln)式(2)中,AM是流體的熱導(dǎo)率,是特征長(zhǎng)度,努塞爾數(shù)N=c1(G,P)·,Gn、P和分別是與溫度有關(guān)的球壁導(dǎo)熱格拉曉夫數(shù)和普朗特?cái)?shù),筆者研究的內(nèi)容屬于自然對(duì)流換熱對(duì)流換熱,根據(jù)文[5]特征長(zhǎng)度取斷路器各導(dǎo)體相應(yīng)輻射換熱的高度值,實(shí)驗(yàn)常數(shù)c1取0.15,n取1/3高壓斷路器由通斷元件、中間傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、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(jī)構(gòu)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(jù)斯忒藩波耳茲曼定律可計(jì)算動(dòng)機(jī)構(gòu)接到操作指令后,經(jīng)中間傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳送到通得到輻射功率。斷元件,通斷元件執(zhí)行命令,使主回路接通或斷開(kāi)。2熱網(wǎng)絡(luò)法計(jì)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(dǎo)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(shè)備的發(fā)熱和散熱過(guò)程非常復(fù)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(jié)構(gòu),隨斷路器解析公式,因此對(duì)它進(jìn)行準(zhǔn)確的熱分析計(jì)算比較困類型不同而異。以某額定電流3150A、額定電壓難。工程上一般采用牛頓熱計(jì)算公式把3種傳熱方145kV瓷柱式SF6斷路器為例,其單極柱結(jié)構(gòu)見(jiàn)式合并在一起考慮電力設(shè)備的熱分析。最早采用圖1。滅弧室極柱由復(fù)合絕緣套管1作為絕緣支柱的數(shù)值方法是有限差分法,對(duì)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(xiàn)的數(shù)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(nèi)腔相通,是對(duì)復(fù)雜區(qū)域的適應(yīng)性較差。近些年,數(shù)值計(jì)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(yīng)用到結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單高壓斷路器的導(dǎo)體主回路包括:上下法蘭、導(dǎo)的電力設(shè)備的熱分析中,如變壓器、電機(jī)、電磁鐵和體回辟中國(guó)煤化工分熱量通過(guò)連接接觸器的熱分析中。對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的電力設(shè)備,母排采用這兩種方法將會(huì)使熱分析非常復(fù)雜,幾乎不能輻射的CNM凵熱量通過(guò)對(duì)流和部。法蘭與動(dòng)靜進(jìn)行計(jì)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(dǎo)的熱阻單元用R。表示,從絕緣層表面通過(guò)對(duì)流和輻射的形式散失到周?chē)橘|(zhì)中的熱阻單元從節(jié)點(diǎn)b引出,分別為R和R=,T為導(dǎo)體周?chē)h(huán)境溫度。導(dǎo)體焦耳損耗圖1斷路器柱結(jié)構(gòu)示意圖R圖R在電接觸。實(shí)際上,當(dāng)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(dǎo)實(shí)際上是接觸的導(dǎo)熱、縫隙中空氣的導(dǎo)熱和弱自然對(duì)流以及由縫隙形成的空腔壁熱輻射的綜合作用結(jié)果。接觸圖2帶絕緣層的一段導(dǎo)體的熱網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的熱損耗由PR計(jì)算得到,其中接觸電阻為實(shí)測(cè)值用節(jié)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(dǎo)體的,電流從L端流入,LX端流出。右圖的導(dǎo)的臨時(shí)連接線帶走的少量熱量和簡(jiǎn)化仿真模型,體中部的節(jié)點(diǎn)a有導(dǎo)體產(chǎn)生的焦耳熱P流入,沿導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)模型的環(huán)境溫度T取實(shí)驗(yàn)測(cè)得的環(huán)境溫度體兩端傳導(dǎo)的熱阻單元各為傳導(dǎo)總熱阻的一半,絕202℃,斷路器的上下法蘭進(jìn)出線端的T2和7分RCD32IRCD38RCDI7 RCDI8 PCIIPIrORC023RRARRARA9PIRORRAzOCDS6RRAZICD54PI2R0OI RCDSI RCDS PCIORRA12E ERCO13Ha中國(guó)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(cè)值582℃和552℃。測(cè)溫點(diǎn)位于載流導(dǎo)體及導(dǎo)體間的接觸位置處計(jì)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(shù)為實(shí)際法蘭尺寸的一半。熱網(wǎng)絡(luò)圖中部的P2Ro01-PI2R04是導(dǎo)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(hào)右側(cè)框10中的3個(gè)熱阻代表絕緣子的熱傳導(dǎo)及其對(duì)流和輻射單元。圖5測(cè)溫點(diǎn)實(shí)測(cè)值和計(jì)算值的比較的情況下,改變絕緣子厚度、材料的熱導(dǎo)率和某點(diǎn)表2測(cè)溫點(diǎn)的位置接觸電阻值,觀察它們對(duì)斷路器主回路溫度分布的測(cè)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(nèi)、外徑值。下法蘭和下載流通道接觸處如初始內(nèi)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(dǎo)率初始值是壓氣室145W/(m·K),改用銅材料的熱導(dǎo)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(cè)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(yàn)結(jié)果3種改進(jìn)方法對(duì)斷路器溫度分布的影響見(jiàn)圖溫升試驗(yàn)是考核產(chǎn)品在額定電流下的載流能6,仿真結(jié)果表明:力,以檢驗(yàn)載流部分的結(jié)構(gòu)是否合理,對(duì)已定型的1)絕緣子內(nèi)徑變化20mm,整體溫度平均變化產(chǎn)品也可以檢驗(yàn)裝配質(zhì)量。測(cè)量高壓斷路器穩(wěn)態(tài)2℃左右。絕緣子內(nèi)徑越大,越利于斷路器散熱;2)下載流通道的熱導(dǎo)率改用銅材料,相當(dāng)于熱溫度的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖見(jiàn)圖4,額定電流3150A。測(cè)溫導(dǎo)率增加到2.65倍,溫度曲線呈下降趨勢(shì)。如圖點(diǎn)溫度的實(shí)測(cè)值和計(jì)算值的曲線見(jiàn)圖5?？梢钥闯?(b)所示,溫度變化最大的是測(cè)溫點(diǎn)4,數(shù)值上少了兩條曲線吻合較好。近5℃;選用熱導(dǎo)率大的載流導(dǎo)體,可明顯降低該導(dǎo)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(dǎo)體平均溫度也能降低2℃多。4結(jié)論將熱網(wǎng)絡(luò)法應(yīng)用到高壓斷路器的熱分析中,用節(jié)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?jié)點(diǎn)的方程,實(shí)現(xiàn)斷路器主回路溫度分布的計(jì)算。利用建立的熱網(wǎng)絡(luò)數(shù)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(duì)斷路器溫唐圖4測(cè)量高壓斷路器穩(wěn)態(tài)溫度的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖中國(guó)煤化工為提高斷路器的散熱能力和降低其穩(wěn)態(tài)溫升,實(shí)驗(yàn)CNMHG二絡(luò)器的穩(wěn)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(zhǔn)確度在工程許可范圍之內(nèi)。38·May 2010High Voltage ApparatusVol 46 No5如導(dǎo)體段分得更細(xì)小,材料參數(shù)值更精確使斷路器的溫度分布更加準(zhǔn)確地呈現(xiàn)出來(lái)參考文獻(xiàn):50→D210mm+D-190mm+D=230mm[徐國(guó)政錢(qián)家驪高壓斷路器原理和應(yīng)用M北京清華大學(xué)出版測(cè)溫點(diǎn)位置(a)改變絕緣子內(nèi)徑[2]IEC62271-l. Common Specifications for High-voltage Switchgear3]李志兵許沛豐劉華偉等斷路器電容器介損隨電壓變化關(guān)系研究印電力電容器,2007(6):26-314楊世銘陶文銓傳熱學(xué)M北京:高等教育出版社,1998[] MICHEJEW M A Grundlagen der Warmeubertragung [M]. Verlag[6]張冠生電器理論基礎(chǔ)M北京:機(jī)械工業(yè)出版杜,1989測(cè)溫點(diǎn)位置(b)改變材料[7 TENYENHUIS E G, GIRGIS RS, MECHLER G F, et al Calculationof Core Hot-spot Temperature in Powerribution Traformers U IEEE Trans on Power Delivery17(4):991-[8]黃學(xué)良,胡敏強(qiáng)周鶚電機(jī)三維溫度場(chǎng)新的有限元計(jì)算模型門(mén)中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),1998,18(2):78-829黃琳敏.計(jì)及物理參數(shù)隨溫度變化時(shí)螺管電磁鐵溫度場(chǎng)和瞬態(tài)s0→8-364+82654+81634熱路的仿真分析門(mén)電工技術(shù)學(xué)報(bào)2003,18(5):27-31[0紐春萍交流接觸器熱分析方法及應(yīng)用D西安交通大學(xué),200測(cè)溫點(diǎn)位置(c)改變接觸電阻值[1] GRAMSCH C, BLASZCZYK A, LOBL H, et al. Thermal NetworkMethod in the Design of Power Equipment [] Mathe-matics in圖63種改進(jìn)方法對(duì)斷路器溫度分布的影響ndustry,2007(11):2l3-2192)運(yùn)用熱網(wǎng)絡(luò)法可以方便、快捷地實(shí)現(xiàn)高壓斷12】 SCHOENEMANN T, PLEINES M, SCHENK M,etal. Optimal路器主回路的熱設(shè)計(jì),量化分析改變材料物性、結(jié)Design of Generator Circuit Breakers up to a Capacity of 2 000 MV.A構(gòu)尺寸和接觸狀況對(duì)主回路溫度的影響。該方法可Using Thermal Models [Cy/ Proceedings of the 50th IEEE Holm應(yīng)用到各電壓等級(jí)的電力設(shè)備熱分析Conference on Electrical Contacts and the 22nd InternationalConference on Electrical Contacts, 2004: 111-1173)為提高計(jì)算的精度,可進(jìn)一步細(xì)化仿真模型,國(guó)網(wǎng)公司對(duì)中國(guó)西電承攬的特高壓變壓器項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案進(jìn)行進(jìn)度檢查和評(píng)審2010年4月1日,由國(guó)家電網(wǎng)公司主辦西電西變、西電常變承辦的“國(guó)網(wǎng)100kV特高壓變壓器進(jìn)度檢查和設(shè)計(jì)方案評(píng)審會(huì)”在西電常變召開(kāi)。國(guó)家電網(wǎng)公司特高部領(lǐng)導(dǎo)、變壓器行業(yè)專家、西電西變專家及相關(guān)主設(shè)計(jì)人員共25人參加了評(píng)審會(huì)。國(guó)網(wǎng)公司專家組通過(guò)聽(tīng)取匯報(bào),現(xiàn)場(chǎng)提問(wèn),了解、考察西電常變超(特)高壓變壓器生產(chǎn)車(chē)間,對(duì)由西電西變承攬的1000kV特高壓變壓器項(xiàng)目進(jìn)度和設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了認(rèn)真檢查和評(píng)審。評(píng)審會(huì)由國(guó)網(wǎng)公司專家組組長(zhǎng)王寧華主持。西電副總工程師、西電常變董事長(zhǎng)宓傳龍?jiān)跁?huì)上表示,希望專家們對(duì)1000kV特高壓變壓器項(xiàng)目進(jìn)度和設(shè)計(jì)方案多提寶貴意見(jiàn)。評(píng)審期間,與會(huì)變壓器專家和國(guó)網(wǎng)公司特高部領(lǐng)導(dǎo)專程到西電常變超(特)高壓變壓器生產(chǎn)車(chē)間,詳細(xì)考賽了高端變壓生產(chǎn)試驗(yàn)裝備。當(dāng)專家們了解到該公司V凵中國(guó)煤化工!一年多所制造的30多臺(tái)各種型號(hào)的高端變壓器均一次通過(guò)全部試驗(yàn)項(xiàng)先進(jìn)的高端變壓器制造能力。西電常變董事長(zhǎng)宓傳龍、總經(jīng)理王紹君、黨委書(shū)iCNMH2,同考察并介紹企業(yè)生產(chǎn)情況。