GIS隔离开关的温度场分布特性研究

刘 刚，苏 戈，史春玲，赵艳涛，刘 分，马志强

(平高集团有限公司，河南 平顶山 467001)

气体绝缘金属封闭开关(gas insulated switchgear，GIS)如今被广泛应用于电力系统中。GIS设备本身体积小、集成度高，三相共箱式GIS的隔离开关间距更小[1-3]。由于共箱式隔离开关的散热空间小，会导致内部通流导体局部温升过高，一方面温升高的部位机械强度会大大降低，另一方面会加速氧化程度[4-5]。对温升试验而言，考核的最苛刻之处是连接动、静触头的接触部[6-7]。接触部温升过高，接触电阻增加即导电回路电阻值偏大。长时间运行，触指熔融或者接触面熔焊引起接触不良等，造成的后续事故不堪设想[8-9]。因此，研究共箱式隔离开关的温度场分布，对导体材料的选择、结构的设计和装配都非常重要[10]。

1 数值计算

1.1 物理模型

考虑到温升试验有电流引入和引出的进出线端部，且端部温升值容易有偏差，因此在共箱式隔离开关的两端分别追加单独的气室(即连接母线)并用盆式绝缘子隔开，温升解析三维模型如图1所示。该模型共有7个气室。导体材料、壳体材料均为铝合金，盆式绝缘子的材料为环氧树脂，壳体内为0.45 MPa的SF6气体。模型简化时，忽略壳体法兰连接螺栓对温升的影响，且认为温度场是稳态的。另外，弹簧触指接触的物理模型简化如图2所示。

图1 温升解析三维模型

图2 弹簧触指接触物理模型

在解析计算前，首先添加材料和接触面的属性，如材料的电阻率和导热系数、接触面的电导率和热传导系数，以及每个气室的散热面系数等。其中，常用材料的导热系数根据经验获得。

1.2 边界条件

1.2.1材料属性

隔离开关及母线都采用圆形导体。当圆形导体上有交变电流流过时，会产生同心圆状磁场。若电流密度一样，则越靠近导体中心部位磁通越大，因磁通变化，导体内部产生的电压降也会越往中心越大。然而电压降必须内外一致，所以电流密度也必须越往内部越低，由此出现电流集中在导体表面的现象，这就是集肤效应[11-12]。因此在解析温升时，要定义材料的交流电阻率。其中集肤效应系数K和交流电阻率Ra分别为：

K=1+A1[1-t/d-A2(t/d)2]

(1)

A1=7[2.513tf/(D-t)Rdc]2/{315+

3[2.513tf/(D-t)Rdc]2}

(2)

A2=224/{211+[2.513tf/(D-t)Rdc]2}

(3)

Ra=K·Rd

(4)

式中：t为导体壁厚，mm；d为导体内径，mm；D为导体外径，mm；f为频率，Hz；Rdc为直流电阻，μΩ；Rd为直流电阻率，μΩ·mm。

由于交流电阻率与导体的形状有关，故将隔离开关(简称DS)内部导体简化、划分为不同规格的部分。简化后物理模型如图3所示。其材料属性等有关参数见表1。

表1 材料属性有关参数

1—盆；2—盆嵌件；3，10 —DS触指；4— DS导体①；5— DS导体②；6— DS导体③；7— DS导体④； 8— DS导体⑤；9— DS导体⑥；11— DS壳体

1.2.2接触面属性

接触面的电导率和热传导系数与接触面积和接触电阻相关。接触电阻包含接触表面的收缩电阻和接触表面电阻两个部分。影响接触电阻的因素有导体的表面状况、接触压力、材料硬度以及电阻率等。可用下面的经验公式表示接触电阻RC：

σ=1/(RC·A)

(5)

RC=KC(Fj/9.8)m

(6)

R0=0.2RC

(7)

λ=1/(R0·A)

(8)

式中：σ为电导率，S/mm2；A为接触面积，mm2；λ为热传导率，W/(m2·℃)；R0为热阻，μΩ；Fj为接触压力，N；m为与接触形式有关的系数，点接触m为0.5，面接触m为1.0；KC为与材料、表面状况有关的接触系数，铜镀银 - 铝镀银KC为100，铜镀银 -铝KC为450。

隔离开关的电导率和热传导系数推导结果见表2。

表2 接触面属性有关参数

1.2.3散热面系数

气体中的散热包含对流和辐射，本文不考虑辐射影响。影响对流的因素主要有气体成分和压力、导体形状、气体及环境温度等。本文解析计算时，导体与SF6气体之间、SF6气体与筒体之间以及壳体与空气之间平均传导率α分别取20，15，5 W/(m2·℃)。

1.3 解析结果

根据以上边界条件，施加电流、电压、散热面系数、气体温升值等。最终温升计算结果如图4所示。

图4 温升计算结果

2 试验

2.1 搭建试验平台

为验证上述解析结果，基于物理模型搭建温升试验平台，如图5所示。温升测试中使用最广泛的方法是热电偶法。热电偶的工作原理为导体的热电效应，即热电偶的冷端和热端处于不同的温度场时，会产生热电动势。试验时，将热电偶的热端固定在被测试品上作为探测端，冷端接入温升测试仪器作为采样端。这样，二者之间会因为温度差形成电位差，再经过模数转换得到温升试验数据，具体如图6所示。

图5 温升试验平台

图6 温升试验测试原理

隔离开关设备的测量点包含导体、壳体、气室、接触部、绝缘件、导流排等。不同部位固定热电偶的方法不同。导体类采用埋点法，即在被测部位钻一定深度的孔，将热电偶的一端焊接后放入孔中，再从侧面敲击使孔变形压紧热电偶。固定接触部的测点是在导体根部埋入热电偶。可动接触部即触指，采用锡焊法固定热电偶，焊点不宜过大或过小，不能影响与导体的接触。绝缘件类和壳体、导流排、气室内的测点采用粘贴固定法。另外，环境温度的获取使用煤油瓶，用3个煤油瓶把试验样机包围起来，测量后取其平均值。

隔离开关气室内部热电偶的引出是通过有密封作用的电偶盘形成气室内外测点一一对应的结果。首先抽真空，充入0.45 MPa的SF6气体，确认密封良好后，将气室外的热电偶接入温升测试仪。试验前回路电阻分别为：A相(边相)35 μΩ，B相(中相)37 μΩ，C相(边相)35 μΩ。然后利用大电流发生器给三相同时导入4 400 A电流。整个温升试验数据稳定大约需要8 h，最后1 h内所有测点温升值在1 K以内。试验结束后，立刻测量回路电阻，阻值为：A相38 μΩ，B相37 μΩ，C相37 μΩ。说明温升试验前后主回路电阻值变化不超过20%，试验结果有效。

2.2 试验结果分析

温升试验的布点图如图7所示，试验测量的温升数据见表3。

表3 共箱式隔离开关温升试验结果

图7 共箱隔离开关温升布点图

试验表明，中相温升偏高，两边相温升值比较接近。在隔离开关壳体内部靠上区域的导体可动接触部中相温升值最高。这是由于边相壳体与空气对流和辐射散热较中相多一些，而SF6气室内热量往上流动，可动接触部作为最薄弱部位，因此此处温升值最大。

试验结果与有限元解析结果对比，不考虑热量向上传导时，二者结果相近。除了热量流动方向的影响，有限元解析模型与试验相比实际上简化了模型，边界条件与实际情况也不同，另外试验过程中，触指焊点接触不良等都会干扰实际温升值。

3 结束语

本文建立了GIS型隔离开关的温升解析模型，赋予交流电阻率等边界条件，解析得到与试验结果接近的温升值，说明了基于有限元解析的方法的可靠性。通过试验获取了隔离开关的实际温升值，确定了其内部结构设计，为后续电流增容奠定了基础。同时利用有限元进行温升解析获得了隔离开关内部温度分布规律，可为以后其他电压等级的温升设计提供指导。