基于6SigmaET中性点接地电阻温升热仿真及实验研究

刘国庆 孙全亮

(1.淮南联合大学，安徽 淮南 232001；2.溧阳众诚达交通科技有限公司 研发中心，江苏 溧阳 213300)

在电力系统中，三相交流电力系统中性点与大地之间的电气连接方式，称为电网中性点接地方式。中性点接地电阻主要用于110KV以下电力系统中。中性点接地电阻特别适用于城市配电网、大型工业园区、电厂、海上平台配电系统、大型化工企业等，其优点是发生接地故障时，接地变压器流过很强零序电流，继电保护灵敏度高，能迅速切断故障线路[1]。中性点运行方式有不接地、经消弧线圈接地、直接接地或者经电阻接地等多种方式[2]。中性点接地方式涉及电网的安全可靠性、经济性，同时，直接影响系统设备绝缘水平的选择、过电压水平及继电保护方式、通讯干扰等。为限制因发生单相故障而产生的内部过电压，越来越多的中性点采用经电阻接地方式。中性点接地电阻是多个电阻单元(电阻片)通过串、并联连接而成，在故障通流过程中温度分布的不均匀性将导致不同部位电阻材料的热性能产生差异，如何有效预测在接地故障下中性点接地电阻温度场分布成为中性点接地电阻设计的关键。掌握中性点接地电阻在故障状态下温升、发热、散热及温度场分布，对中性点电阻性能优化，材料选择，成本节约和提高设计效率等方面具有重要的实际应用价值。

1 瞬态热分析仿真

1.1 电阻排热分析仿真模型的建立

由于单一电阻排通流实验环境与接中性点地电阻器整体通流环境一致，建立合适的单一电阻排热分析仿真模型对整体模型的建立极为关键。电阻排固定的中间螺杆，间隔绝缘瓷件，电阻片包边组件全部省略。

根据能量守恒：电阻体吸收的净能量=流入电阻体能量—电阻体散去热量

相应的数学表达式：

式中，Q总热量是电阻体通电后，电能转化为热能的总热量(J)；U是电阻器2端施加的电压(V)；I是电阻器2端流经的电流(A)；t是电阻器施加电压U的持续时间(s)。

电阻的散热主要考虑对流换热和辐射散热(前面已经做过假设)，其中对流散热：

是电阻器通过对流散热散去的热量(J)；A是电阻器有效的散热面积(m2)；h是表面传热系数[W(m2*K)]； tw是电阻器温度(℃)；tf是电阻器周围流体(空气温度)(℃)

辐射散热采用斯蒂芬—波尔兹曼定律的经验修正公式：

仿真计算按照上述总体公式，进行迭代求解，仿真中性点电阻温升情况。

1.2 电阻热分析仿真

选取目前应用研发制造的平板型栅格型电阻片为单元，电阻单元是由电阻片通过串联方式组合而成，中性点电阻器通过电阻单元串、并联而成。通过solidworks软件建立电阻排模型，采用6SigmaET对仿真模型的网格划分。每个电阻排被划分1 483 650个网格单元。中性接地点电阻模型网格划分如下页图1所示，为仿真准确性，按电阻片材料属性，通过6SigmaET软件设置材料属性如下页表1所示[4]。设置电阻单元为短路状态，其短路故障电流在100—1 000 A，仿真模拟10s温升情况。

热仿真结果如下页图2所示，仿真结果显示，温升基本处于电阻片中间部位，最大温度值为440℃。主要由于电阻单元是通过多个电阻片串联而成，中间电阻片散热能力不及边缘散热情况，并且电阻片主要有效材料集中在电阻片中间格栅，电阻中间吸收更多热量，也导致中间温度较高。

表1 材料性能参数Tab.1 The material parameter sheet

图1 中性接地点电阻单元网格划分Fig.1 Neutral grounding point resistance unit meshing

图2 电阻单元温升仿真结果Fig.2 Temperature rise simulation of the resistor

图3 电阻单元最高点温度Fig.3 Maximum temperature of resistance bank

图4 电阻单元电流随时间变化曲线Fig.4 The relation curve of current with times

2 中性接地电阻单元通流实验

根据中性点接地电阻器最大通流能力、材料、电气性能及尺寸规格，搭建了等比例电阻排通流测试实验平台。电阻单元最大通电电流可达1 000 A左右。将电阻单元安装试验台的4个绝缘子上，测试电阻单元在通流10 s的温升情况，通流过程中保持电压值不变，使用录波仪记录测量电阻器通流电流大小，并用热成像仪实时记录通流过程中电阻器温升变化情况。实验电阻片的材料为SUS304不锈钢(0Cr18Ni9)，其材料性能参数与上页表1相同。

电阻单元短时通流实验数据及温升测量结果如表2所示，从实验测试数据可见，最大温度值为431.6℃，温升值为414.5℃。电阻片通流过程中热成像仪记录下的电阻单元温度最高点在中间部位，如上页图3所示。电阻单元通流过程中电流大小随时间的变化曲线如上页图4所示。由图4可以看出，在通流过程中由于温度急剧升高，电阻明显增加，电流值不断减少，这种变化将导致电阻器材料性能参数发生相应变化。通流实验研究结果对中性点接地电阻器材料的筛选提供一定的参考依据。

表2 电阻单元通流测试数据Tab.2 The resistance bank test data

3 小结

基于6SigmaET软件建立中性点接地电阻瞬态热分析仿真模型，仿真中性点接地电阻温升情况，并对中性接地点电阻整体进行10s通流试验，仿真结果和实验结果皆显示中部温升最为明显，最大温度在中间部位。仿真最大温度为440℃，实验测试结果最大温度为431.6℃，温升值为414.5℃，仿真结果与实验结果吻合。仿真和实验结果对中性点接地电阻单元设计及优化提供了依据，对于中性点电阻整体性能优化，材料选择，成本节约和提高设计效率等方面具有重要的参考和实际应用价值[5]。