本文摘要：摘要：中壓開關柜發熱故障占比較高，故障條件下難以滿足溫升標準，因此研究中壓開關柜在故障狀態下的溫升特性對于電網的安全運行具有重要意義。論文首先利用有限元仿真軟件ANSYSapdl和CFX建立了電磁-流體溫度場耦合的仿真模型，分析了1.1倍額定電流下的溫升分布，并通
摘要：中壓開關柜發熱故障占比較高，故障條件下難以滿足溫升標準，因此研究中壓開關柜在故障狀態下的溫升特性對于電網的安全運行具有重要意義。論文首先利用有限元仿真軟件ANSYSapdl和CFX建立了電磁-流體溫度場耦合的仿真模型，分析了1.1倍額定電流下的溫升分布，并通過實驗進行了驗證;之后分別仿真分析了真空滅弧室內和梅花觸頭處的接觸壓力對溫升的影響;最后分析了兩處接觸壓力同時變化對溫升的影響，并且基于仿真結果進行函數擬合得到了接觸電阻與溫升之間的關系式。研究結果表明：由于接觸壓力減小導致的接觸電阻增大將導致溫升升高，通過觀察其變化趨勢可以發現接觸電阻對溫升的影響呈線性關系;梅花觸頭處接觸電阻與真空滅弧室內接觸電阻對溫升的影響相互獨立。
關鍵詞：開關柜;溫升;接觸壓力;接觸電阻;有限元仿真
0引言
中壓開關柜被廣泛使用在配電網絡中，在居民、工廠、公共服務設施等中承擔了電能的分配、測量、控制和保護電路的作用。某供電企業對10kV開關柜進行了故障統計，結果顯示發熱故障占比最高[1]。因此，研究開關柜溫升特性，尤其是故障時的溫升特性具有重要意義。近年來針對電力設備的溫升研究發展迅速。楊永通等人通過研究開關柜溫升和氣流場分布，優化了開關柜的散熱設計[24]。汪倩等人利用AnsysEmag與CFX軟件模塊耦合，研究散熱風扇對于開關柜溫升的影響[5]。
L.Wang等人通過仿真建立的40.5kV的SF6充氣柜(CGIS)，分析獲得了不同填充氣體下的溫升分布，在溫升方面為尋找SF6替代氣體提供了參考[67]，同時他們研究分析了MAXWELLFLUENT與ANSYSapdlCFX兩種耦合方式在仿真中壓開關柜溫升方面的優缺點，并且提出了降低溫升的方法[89]。E.Fjeld等人對利用5種仿真方法對一個全新設計的開關柜進行了溫升仿真，并且與實驗進行了對比，他們發現，仿真的準確性與輻射率和可靠的接觸電阻值有關，而與仿真工具無關[10]。
李晶等人利用ANSYS對某開關柜建立了梅花觸頭接觸正常和不良情況下的仿真模型，對觸指不完全有效接觸的故障情況作出仿真[11]。SachinB.Paramane等人利用CFD研究了風向與風機對變壓器散熱器性能的影響[12]。曾國偉通過分析開關柜故障和改善案例，利用有限元軟件仿真了開關柜的電場和溫度場，提出了一種10kV新型開關柜結構和新型接線方式[13]。杜麗等人研究KYN9612的出線柜發現：環境溫度對開關柜溫升影響較小，引出排規格、斷路器觸臂材料對溫升影響較大[14]。
吳吉等人針對126kV三相共箱式GIS，仿真分析了電磁熱耦合模型與電磁熱流耦合模型[15]。蘇旭輝等人利用有限元仿真了不同觸頭接觸狀態和500A、1000A、1500A負載電流下GIS隔離開關的溫升分布，研究結果表明當觸頭接觸不良時，GIS的溫升與溫升增速變大[16]。過去的研究內容多數為開關柜正常情況下的溫升仿真[17]，對開關柜降低溫升提出改善結構，風機散熱等方式。而對接觸故障尤其是多處接觸故障同時發生的情況的溫升研究較少。
本文利用ANSYSapdlCFX耦合，建立了電磁流體溫度場的開關柜多物理場耦合模型，模型考慮了風機強制對流散熱以及真空滅弧室內和梅花觸頭的接觸電阻。首先獲得了1.1倍額定電流的溫升分布，并且與實驗進行了對比驗證;之后通過改變接觸電阻模型仿真分析了真空滅弧室內觸頭壓力變化，梅花觸頭處接觸壓力變化兩種故障情況下溫升分布;最后探究了兩者同時變化時對整體溫升分布的影響，分析數據獲得了接觸電阻與各個部位溫升之間擬合關系式。
1仿真模型
仿真模型包括了全部導電結構和部分非導電結構，如極柱、電流互感器、觸頭盒和殼體。極柱內設置為真空，來模擬真空斷路器的觸頭處于熱導率極低的真空環境[18]。在斷路器室和電纜室下側分別建立兩個等效軸流風機模型，用以模擬強制對流散熱。為考慮接觸電阻對于溫升的影響[19]，在真空滅弧室內的動觸頭和靜觸頭之間、梅花觸頭和靜觸頭的搭接處，兩個位置添加了導電橋模型作為接觸電阻模型。
斷路器內動靜觸頭的觸頭片材料為CuCr50，其接觸壓力為4800N，因此此處添加的接觸電阻模型材料選取為CuCr50，其布氏硬度為128N/mm2，計算得接觸電阻模型半徑為4.5mm，高度1.5mm，阻值約為1.672μΩ;梅花觸頭與靜觸頭均有鍍銀層，因此此處接觸電阻模型材料選取為Ag，接觸壓力約為180N，布氏硬度為80N/mm2，每個觸指與靜觸頭的接觸電阻阻值約為4.3μΩ，模型為弧片，截面的長方形尺寸為0.4mm×1.3mm，寬度約為0.6mm[21]。
在CFX仿真中，本文通過增加流體域來模擬開關柜內部和外部的氣流環境。為了模擬開關柜正常工作時所處的室內氣流情況，需要在空氣域的外部邊界上添加邊界條件。將極柱內的空氣域刪除，即可視為極柱內為真空條件。在仿真中，將空氣域四周邊界面類型設置為墻體(wall)，溫度為環境溫度，即305K，將其上表面設置為出口(outlet)，下表面設定為入口(inlet)，以模擬氣體自然流動。此種邊界條件的設置的目的是：1)避免了氣流場氣體流速為0時導致的CFX計算不收斂的問題;2)模擬了開關柜并柜運行時兩側空氣流動幾乎為0的情況;3)極大的降低了外部空氣自然流動對開關柜溫升造成的影響。
2正常情況下的仿真與實驗結果
在溫升實驗中，實驗在室內進行，環境溫度為32℃，實驗電流有效值為3465A(1.1倍額定電流3150A)，采用熱電偶作為傳感器，開關柜內溫升在5小時后達到穩定，此時記錄溫升作為實驗結果。正常情況下的仿真設置如前所述，添加激勵為3465A。通過與實驗結果對比，可以看出仿真結果準確，仿真與實驗的溫升分布均為真空滅弧室處溫度最高，隨著遠離真空滅弧室，溫升呈現減小的趨勢。同時從其中數據可以看出，無論是仿真還是實驗，溫升均符合國標要求[22]。國標的要求時，鍍銀處溫升<65K，其余裸露的銅處溫升<75K。
3故障條件下的仿真結果
3.1真空滅弧室內觸頭壓力變化對溫升的影響
當控制真空斷路器合閘、分閘操作的機構出現某些部位松動的時候，或因某些原因合閘不到位，可能會導致真空滅弧室內的動靜觸頭之間壓力減小。此時接觸電阻會減小，因為接觸電阻的大小，受到接觸壓力、接觸形式、接觸面材料特性等因素的影響。
3.2梅花觸頭處壓力變化對溫升的影響
梅花觸頭由彈簧負責緊固，當彈簧出現松動或老化時，勁度系數減小，緊固能力下降，梅花觸頭與靜觸頭之間接觸壓力減小，接觸電阻增大。在保持真空滅弧室內接觸壓力為4800N且其他設置與正常狀態下的仿真一致，負載電流為3150A(1倍負載)的情況下，通過式(1)，選取6組梅花觸頭與靜觸頭之間接觸壓力，其中電阻均為每個觸指處的接觸電阻。部分測溫點的溫升與梅花觸頭與靜觸頭之間接觸電阻關系。
3.3兩處壓力同時變化對溫升的影響
以上接觸電阻對溫升的影響均是在單一接觸電阻變量情況下得到，在研究滅弧室內接觸電阻對溫升影響時，保持了梅花觸頭處接觸壓力為180N不變;在研究梅花觸頭處接觸電阻對溫升影響時，保持了滅弧室內接觸壓力為4800N不變。由上述結果可見，雖然隨著真空滅弧室內接觸壓力變化，梅花觸頭處接觸電阻對溫升的影響有所變化，但其變化基本為平移變化，即其本身的斜率基本不變。
觀察擬合結果可見，真空滅弧室內接觸電阻與梅花觸頭處接觸電阻對柜內各測溫點的影響程度不同。其中，越靠近真空滅弧室的點位受真空滅弧室內接觸電阻的影響越大，滅弧室內的靜觸頭和動觸頭所受影響最明顯。而梅花觸頭處接觸電阻對梅花觸頭處溫升有明顯影響。可見，開關柜內各處接觸電阻對越接近接觸點的部件溫升影響越大。
4結論
本文對額定電流為3150A的中壓開關柜溫升進行了仿真分析，主要結論如下：
1)在仿真模型中考慮了接觸電阻以及風機強制對流等條件對溫升的影響，并通過1.1倍額定負載的溫升實驗驗證了仿真模型與方法的準確性。
2)通過計算多組不同接觸壓力下的溫升，得到了接觸電阻與溫升的函數擬合關系式。從中發現，梅花觸頭處接觸電阻與真空滅弧室內接觸電阻對溫升的影響相互獨立，但對各導體的影響能力前者小于后者。
3)在強制對流條件下，接觸壓力減小造成的溫升升高影響被減弱，因此在開關柜長期處于額定電流工作條件下，風機的長期工作可降低溫升過高風險。
參考文獻References
[1]吳宇翔.10kV開關柜運行中的常見故障及處理措施研究[J].機電信息,2013(9):6162.WUYuxiang.Researchoncommonfaultsandtreatmentmeasuresinoperationof10kVswitchgear,2013(9):6162.
[2]楊永通，彭彥卿，袁傳鎮，等.基于有限元分析的開關柜溫度場研究與優化[J].高壓電器，2019，55(10)：8186+92.YANGYongtong,PENGYanqing,YUANChuanzhen,etal.Researchandoptimizationoftemperatureriseofswitchcabinetbasedonfiniteelementanalysis[J].HighVoltageApparatus,2019,55(10):8186+92
[3]楊永通，彭彥卿，袁傳鎮，等.基于有限元分析的強迫對流條件下開關柜溫升特性研究[J].水電能源科學，2018，36(5)：175178.YANGYongtong,PENGYanqing,YUANChuanzhen,etal.Studyontemperatureriseofswitchcabinetbasedonfiniteelementanalysisunderforcedconvectionconditions[J].WaterResourcesandPower.2018,36(5):175178.
[4]楊永通.基于多物理場仿真技術的強迫風冷條件下12kV開關柜溫升絕緣性能研究[D].廈門：廈門理工學院，2017.
作者：馬信友,王立軍，王睿，張聞哲
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