10 kV自动更换式跌落熔断器的设计及仿真分析

吴远密，许守东

（1.云南电网有限责任公司西双版纳供电局，云南 景洪 666100； 2.云南电网有限责任公司电力科学研究院，云南 昆明 650217）

0 前言

目前，电网中的高压熔断器常因短时的电磁谐振、低频饱和电流、绕组绝缘降低、短路、接地、过负荷等原因而熔断，而这些故障大多数是瞬时性故障，可自行恢复。但会造成熔丝断开，需要人为更换合闸恢复供电[1-4]。为了解决以上问题，现研究一种自动更换式跌落熔断器，能实现跌落熔断器的自动更换功能及自动分合闸功能。

成都理工大学的王叔悦等人研究了一种基于形状记忆合金的可恢复跌落熔断器，利用记忆合金的双程记忆效应为基础改进现有跌落熔丝实现可恢复，但记忆合金的电气性能并不可靠[5]；国网安徽宿州供电公司的李毛根等人研究了一种用于跌落熔断器的智能预警装置，改装主要用于跌落熔断器的故障定位，不能用于故障自处理，无法满足现在配网的主要需求[6]；国网山东省莘县供电公司的张勇研究了一种基于复合尼龙塑料层的跌落熔丝，用于保护熔丝不受暂态故障影响，但尼龙层改变了熔丝的机械强度妨碍正常的跌落[7]。

作为高压配电系统中的保护设备，熔断器因电网故障产生断路、短路，暂态过程中熔丝快速熔断产生能量，对熔断器本体的绝缘水平要求较高，以及熔断器在带电压拉合过程中产生的能量，对熔断器本体的绝缘水平要求较高。一旦熔断器绝缘防护性能存在问题则容易导致熔断器故障，设备故障将造成居民停电、工商业企业停电，影响正常的生产、生活秩序，我们在研究过程中要重点关注熔断器绝缘特性[8-9]。因此，本文设计了一种新型的10 kV自动更换式跌落熔断器来解决传统跌落熔断器的一系列问题，并利用Comsol软件对温度场和静电场进行仿真分析，验证了其设计的可行性。

1 熔断器理论分析

1.1 静电场理论分析

空间中相对于观察者静止的电荷所产生的电场为静电场，静电场的问题大体可分为两类。一类是己知电荷分布，直接求解区域的电场强度和电位，此类问题可以通过库仑定律和高斯定理直接求解。另一种问题是边值型问题，该类问题主要通过计算法和实验法，计算法主要包括解析法和数值法[10]。静电场方程为：

静电场E无旋，即场沿任意闭合路径线积分为0，则势函数为：

由（1）（2）得Maxwell进行有限元求解基本方程：

式中E是电场强度，D是电位移矢量，也称为电通密度，Ф是标量电势，ρ为电荷密度，ε为材料的介电常数。

1.2 温度场理论分析

电流通过导体时使电子碰撞分子，使分子的运动加剧，分子运动剧烈，温度就升高，温度升高则释放热量，热量与电流的平方成正比，当有短路电流通过导体时将产生巨大的热量。温度场的计算需要两类条件，一是场源条件，即施加于求解域内的热源，另一类是描述求解域边界与外界关系的边界条件。边界条件描述的是求解域边界上控制方程的形式，它由实际研究对象在边界上的传热状态决定。热量交换的方式一般有3种，包括热传导、热对流、热辐射[11-14]。导热问题的基本规律并总结为傅里叶定律方程为：

式中：T为温度，Q为热流密度，Ф为热流量，A为面积，λ为材料的导热系数，负号表示热量流动的方向与温度升高的方向相反，表明热量总是从温度高的位置流向温度低的位置。

热对流中表达对流传热规律的基本方程是牛顿冷却公式：

式中：Δt是流体与物体表面的温差，h为物体表面对流换热系数。

任何温度值在绝对零度以上的物质表面都会以电磁波的形式向周围空间发射，能量热辐射的控制方程可以表达为：

式中：T为物体表面温度，A为参与辐射物体的表面积，σb为黑体辐射常数，一般取值为5.67×10-8W/(m2·K)，ε为辐射率。

2 新型熔断器装置设计

新型熔断器设计结构如图1所示，展示的是自更换熔断器模型图。自更换式跌落熔断器主要包括7个主要部件，部件1为接线机构、部件2为绝缘套管机构、部件3为喷射式熔管、部件4为跌落机构、部件5为填装拉退一体机构、部件6为熔管复位机构、部件7为绝缘支架。其工作过程为：熔丝因过载电流熔断，熔丝断开后触发熔管结构卡扣脱开，失去固定拉力，由重力作用下顺卡轨跌落。跌落后的旋转连接头底部和熔管更换导轨配合，为确保配合可靠性，推拉杆会辅助此过程。熔管更换部件固定结构打开使失效熔管可以顺绝缘套管内腔直线运动，由填装拉退一体机构将失效熔管从绝缘套管中抽出，推入回收仓中，失效熔管即可暂存至回收仓中。备件仓仓门通过操作杆打开，备用熔管通过操作杆推入到备件仓后被准确运至熔管更换轨道上，而后在填装拉退一体机构的推送填装作用下，备用熔管插入绝缘管套中。此时，备用熔管顶部压紧弧滑，底部和卡簧触发结构配合固定。最后推拉杆在开合电机带动下，将绝缘管套旋转复位，绝缘管套顶端和上接线柱接线卡座配合固定。至此，熔管（丝）更换完成，同时备用熔管存放至回收仓中，以备回收再利用。

图1 新型熔断器设计结构图

自动更换熔断器共由44个零部件组成，装置的绝缘重点在10 kV线路和熔管更换操动机构之间，绝缘的关键部件是绝缘套管机构如图1中的2和填装推拉一体机构如图1中的5。绝缘套管机构外的复合式熔断绝缘筒材料为环氧树脂，主要作用是给熔管提供工作环境，在熔管跌落后使熔管底端对准更换轨道；喷射式熔管下套管材料为环氧树脂，作为熔管更换时填装推拉一体机构的着力点，使熔管更换更加方便；填装推拉一体机构和跌落机构之间有绝缘陶瓷材料的绝缘子，在自更换熔断器的支架部分有绝缘陶瓷材料的绝缘子；填装推拉一体机构的整体绝缘采用环氧树脂，填装推拉一体机构中的丝杠螺母机构和拨叉结构都采用铝合金和环氧树脂复合。

3 新型熔断器装置仿真分析

3.1 新型熔断器装置静电场仿真分析

自更换熔断器的绝缘重点是10 kV高压部分和填装推拉一体机构中熔管更换机构低压之间，为合理地简化仿真分析，使模型可以充分的细化和计算，主要对10 kV的回路进行仿真分析，观察回路中的电磁场分布，并通过仿真结构进行数值分析验证绝缘可靠性。

利用Comsol软件对10 kV自动更换式跌落熔断器回路进行静电场仿真，仿真结果如图2所示。由图可知，在回路中的上下接线处的电场强度高，电场强度的最大值为22 kV/m，这是由于此处的通电结构较为复杂，电场有一定的畸变。主要绝缘材料环氧树脂的绝缘强度约为10 kV/m，高压侧和低压操动机构之间的最短距离有80 mm以上，完全复合绝缘要求，不会影响整个装置的正常工作。

图2 新型熔断器装置静电场仿真图

3.2 新型熔断器装置温度场仿真分析

利用Comsol软件对10 kV自动更换式跌落熔断器回路进行温度场仿真，仿真结果如图3所示。由图可知，回路的整体温度是从300 K（26.85℃）左右～325 K（51.85℃），熔丝部分因截面积和材质等因素导致温度较高于其他部分温度。稳态温度不会影响熔丝的正常工作，也不会影响环氧树脂和绝缘陶瓷的绝缘性能。温度较高于环境温度，不会明显加快绝缘层的老化，属于安全的温度范围。

图3 新型熔断器装置温度场仿真图

4 结束语

本文提出一种10 kV自动更换式跌落熔断器的设计，讨论了其绝缘特性的可靠性和材料的加工工艺。通过Comsol软件对其温度场和静电场进行仿真分析，分析结果表明在合理的材料选择后，该设计结构绝缘特性满足要求，故所设计的10 kV自动更换式跌落熔断器可行，能在10 kV配网中应用。