一种新型快速隔离开关的触头系统热计算

吕敬高

一种新型快速隔离开关的触头系统热计算

吕敬高

(海装驻武汉地区军事代表局驻湘潭地区军事代表室，湖南省湘潭市 411100)

作为高压直流输配电系统中的重要保护设备，混合式高压直流断路器的开断时间主要由其快速机械开关决定。本文针对一种可用于混合式高压直流断路器的新型快速隔离开关的触头系统进行了热计算。热计算过程中使用可调电阻区域对动、静触头之间的接触电阻进行了等效处理，从而计算得到在不同触头压力条件下，整个触头区域的温度分布。通过对实物模型进行温升试验，得到了该触头结构下的实际温升数据，并验证了热计算结果的准确性。

快速隔离开关 热计算 温升 接触电阻

0 引言

直流输配电系统具有电能损耗小、易于调控、能量密度高的优点，是未来电网的发展方向，在轨道交通、船用电力系统、分布式发电等领域具有广阔的应用前景[1]。直流开关设备作为直流系统保护中的关键设备，其性能直接影响到整个直流系统的供电可靠性。

混合式中高压开关设备综合了固态开关和机械开关的优势，具有通态损耗低，开断速度快的特点[2,3]。当短路故障发生时，半导体器件换流回路率先动作，主回路电流迅速降低并转移至换流支路。由于电流幅值大幅降低，对主回路机械开关的开断能力要求大幅降低，可以使用高压直流快速隔离开关。

研制的160 kV/2.5 kA高速隔离开关采用了一种特殊的触头系统结构以满足超快速分合闸的要求。为了确定触头压力等其他参数，本文对高速隔离开关触头系统在额定工作状态下的温升进行了计算，并通过温升试验对计算结果进行了检验。

1 新型触头系统模型

新型隔离开关的触头系统采用多断口串联设计，以降低运动部分质量，提高隔离分闸速度，其结构如图1所示。系统包含并列排列的5个静触头单元与上下均为2×4对称排列的16个动触头单元。多断口结构会导致整个触头系统的接触电阻大幅提高，进而使触头通流时的温升提高。为了确定该触头系统实际工作时的温度分布，本文对其开展了一系列热计算与温升试验，目的主要是：(1)确定触头系统在最严酷与最大允许温升条件下的接触电阻值；(2)根据实际环境参数及接触电阻等条件确定最大温升数值及位置。

图1 一种新型的隔离开关触头系统

考虑到触头结构的高度对称性，使用触头系统的1/4模型进行热计算，计算模型如图2所示，电流幅值根据模型比例设置为625 A。接触电阻常用一定厚度的导体圆柱进行等效，但考虑触头间接触区域实际形状，模型中使用6 mm×1 mm×1 mm的导体方块来等效动、静触头之间的接触电阻con，其阻值可通过改变导体方块的电阻率来实现[4,5]。动、静触头和母排的电阻率根据实际材料设置为1.72∙10-8Ω∙m (20°C)，且计算过程中考虑温度系数。

图2 (a)触头系统1/4模型 (b)动、静触头接触电阻等效模型

热计算时假设隔离开关工作在最严酷的条件下，包括：

1) 初始环境温度较高，为40°C；

2) 触头表面对流散热散热条件较差，对流散热系数α=8~10 W/(m2·K)；

3) 假设触头系统热量无法通过母排热传导到触头系统外部。

2 最大接触电阻计算

根据前述计算模型，通过改变接触区域方块的电阻率，计算得到模型在不同的接触电阻con下的稳态温度分布，特定位置的温度与接触电阻之间的关系如图3。当con阻值较低时，母排区域的温度会高于动、静触头的温度。随着接触电阻的增加，母排和动、静触头的温度均不断上升，其中动、静触头的温度上升率十分接近，且要高于母排区域。

图3 不同大小的接触电阻时触头系统温度分布

图4为计算模型分别在con=0 μΩ以及con=30 μΩ时的温度分布。当con=0 μΩ时，母排与触头单元相比，电流密度大而对流散热面积较小，最高温度max=62°С，如图4(a)所示。当con=30 μΩ时，触头区域的热功率密度由于接触电阻增大而大幅增加，当其温度持续上升直至对流换热功率与触头区域热功率相等，此时max=100°С，位于动、静触头间的接触电阻位置，如图4(b)所示。

图4 不同大小的接触电阻时触头系统温度分布

根据相关行业标准和设计需求，镀银铜触头允许的最大温升不应超过60°С。考虑设计裕量后的触头系统的最大温升应控制在50°С以内，此时根据图3曲线可得接触电阻的最大阻值应低于22.5 μΩ。

3 触头样机热计算

为了验证触头实际温升，需要搭建触头系统样机。样机基本结构如图4所示，主要由动触头、静触头、调节触头压力的弹簧机构以及固定用的绝缘支架组成。触头样机包含一个完整的触头单元，通过对其进行温升试验并分析其试验数据有利于分析和计算整个触头系统在额定状态下的温度分布。

图5 温升试验样机结构图 1-母排，2-静触头，3-动触头，4-动触头压力弹簧，5-调节螺母

在温升试验前，对该实验样机进行了热计算。计算中仅保留了动、静触头和与其相连的金属结构，而忽略了距离较远或热导率较低的非金属部分，模型如图5所示，电阻率和热导率等参数按照实际样机的材料设置。在动、静触头接触处以及静触头与母排连接处设置与图2模型相同的可调电阻方块。图6为所建模型示意图，图7中字母标示位置为热计算过程中的参数测量点，黑色方块为样机中难以计算的接触电阻或焊接电阻，建模中使用一定体积的导体方块来进行等效，方块的阻值通过改变该区域的电阻率来实现。

为确定这些导体方块的电阻率参数，采用伏安法对实际样机中图7所示的特定位置之间的电阻进行测量，不同触头压力下的测量结果如表1所示。由触头系统结构和和图7示意图有BC=coppe+2con/4,其中copper为B与C之间除去接触电阻后的铜电阻，其数值不随接触压力大小改变而改变。通过将模型中con阻值调至0，计算到得到copper的理论值为3.1 μΩ，进而可以得到不同的触头压力下的实际接触电阻con。考虑到系统对短时耐受等其他方面的要求，触头压力不应低于250 N，此时触头间的接触电阻con=12.2 μΩ，触头系统样机具有最大温升。

图6 温升试验样机仿真模型

图7 可调区域与测量点示意图

同样通过调整静触头与母排之间的可调电阻阻值，使AD的计算值与实际测量值相等，得到母排与静触头之间的焊接电阻AB与CD约为5.73 μΩ。

表1 不同触头压力下的测量电阻

图8 触头压力为250 N时的温升分布

根据表1中触头压力为250 N状态下的相关计算结果，对样机在环境温度20°С，电流1250 A，导体表面对流散热系数为α=8.8 W/(m2·K)条件下的温度场进行了仿真计算，结果如图8所示(对模型中的母排进行了适当延长以补偿实际样机与外部电路连接部分对散热的影响)。

仿真结果显示触头上的最大温升为23.7°С，出现于触头接触电阻位置，是整个系统中温升最高的位置，表明较高的接触电阻会带来较大发热功率，导致该处温度明显上升。母排上的最大温升为20°С，出现在母排与静触头连接处，且随着与触头最大温升位置的距离增加而降低。

4 样机温升试验

为了验证前节热计算结果的准确性，按仿真模型搭建了如图9所示1:1的触头系统样机。样机中的导电材料为镀银黄铜。其中静触头直接固定在样机的绝缘支架上，一端与母排焊牢。动触头则是通过弹簧和螺杆固定在绝缘支架上，且可通过调节螺母改变弹簧压力，进而改变接触电阻值。

图9 触头系统样机

试验在开放环境下进行，环境温度为20°С，试验电流1260 A，弹簧压力设置为250 N。实验前对样机的电阻进行了测量，得到电阻BC=9.2 μΩ，AD=20.8 μΩ。温升试验的最后60 min内的所有测量点的温度变化均不高于0.5°С，可认为此时样机温度已经稳定，整个过程中的通电时间为90 min。试验结束后的电阻以及热电偶所测量得的各点温度如表2所示。

表2 触头压力为250 N时的温升分布

试验后触头区域最大温升为24.5°С，为整个区域最高，母排处最大温升为20°С，两处实际温度与仿真计算的差值分别为0.8°С与0°С，验证了仿真计算结果的有效性。

5 结论

本文针对某新型结构的160 kV高压直流快速隔离开关的触头系统进行了热计算，得到了其在额定工况下的温升分布，并通过温升试验进行了验证，得出了以下结论：

1）在最严酷的环境下(即不考虑触头系统对母排的热传导，触头对流散热系数为最低)，要求触头系统不高于最大允许温升且留有一定裕度时，动、静触头之间的接触电阻阻值应低于22.5 μΩ，这为接触压力的选取提供了依据。

2）通过建立单个触头结构的模型，并根据部分实际参数对其进行温度场仿真，得到了触头压力为250 N(即con=12.2 μΩ)情况下触头与母排的最大温升分别为23.7°С与24°С。

3）根据2)中的仿真模型搭建了温升试验样机，并进行了温升试验。试验后触头与母排的实际温升为24.5°С和20°С，与仿真结果高度一致，验证了计算方法和结果的有效性。

[1] Feltes, J.W., Gemmell, B.D., Retzmann, D.. From Smart Grid to Super Grid: Solutions with HVDC and FACTS for grid access of renewable energy sources[P]. Power and Energy Society General Meeting, 2011 IEEE, 2011.

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[3] 吴翊, 荣命哲, 钟建英, 杨飞, 吴益飞, 韩桂全. 中高压直流开断技术[J]. 高电压技术, 2018, 44(02): 337-346.

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Analysis of the Effect of Electric Field Distribution on Arc Restrike of Air DC-circuit Breaker

Lyu Jinggao

（Xiangtan Representatives Office, Naval Wuhan Representatives Bureau, Xiangtan 411101, Hunan, China）

TM564.1

A

1003-4862（2019）12-006-04

2019-09-17

吕敬高（1973-），男，高级工程师。研究方向：电气自动化工程。E-mail: xpxfmm@163.com