基于热网络法的高压开关设备热特性分析

第46卷第5期高乐也Vol 46 No53405月High Voltage Apparatusay2010基于热网络法的高压开关设备热特性分析张敬菽1,王其恺2,孙会刚(1.ABB集团研究中心,北京100016;2.ABB集团高压技术中心,北京100016)摘要:引人热网络技术,建立了某型号瓷柱式高压断路器主回路的仿真模型。温升试验表明,实验结果与仿真结果之差的最值误差为7.9%,该仿真方法的准确度在工程许可范围之内。基于此仿真模型,利用3种改善揹施,观察其对断路器温升的影响程度。研究结果表明,应用热网络方法可以方便快捷地修改任意参数,了解其对电力设备热特性的影响,为产品设计提供参考。关镳词:高压断路器;热路;温升试验;仿真分析中图分类号:TM561.3献标志码:A文章编号:1001-16092010)05-0034Thermal Analysis of High Voltage Circuit Breaker Based on Thermal NetworkZHANG Jing-shu', WANG Qi-kai?, SUN Hui-gang'(1. ABB Corporate Research, Beijing 100016, China; 2. ABB China HV Technology Center, Beijing 100016, China)Abstract: Based on the thermal network technology, a high voltage circuit breaker simulation model was established in this paper.e difference value between experimental and simulation results was 7.9%, and the thermal network method is effective for theequipment thermal analysis. To observe the influence degree of circuit breaker terThis study shows that it is easily to modify parameter in the method which provides the characteristic reference for products design.Key words: high voltage circuit breaker; thermal network temperature rise test; simulation analysis标准规定了周围空气的温度不超过40℃,不同灭弧0引言介质中各金属材料、接触连接部位及绝缘材料的最热特性是电力设备设计中的一个关键因素。要大温升值口。进行合理的热设计,关键是要了解设备内部的温度笔者根据热网络法原理,建立了额定电压为分布,这对于材料的选择、结构的设计以及装配是145kⅤ某型号SF6高压断路器的热网络模型,对其非常重要的叫。生产厂家一般需要通过温升实验验进行了热分析,并通过实验验证了模型的正确性。证电力设备的热性能,这使产品设计周期加长、费为提高断路器的散热能力,降低稳态温升,笔者还用提髙。如果能在产品设计阶段通过数值方法对产基于建立的热网络模型,分析了绝缘子尺寸、材料品进行准确的热分析,了解设计方案的温度分布情热导率以及接触电阻对断路器温升的影响。况,及时修改不满足热设计要求的方案,就可大大提高产品的设计效率减少设计费用。因此研究电1高压断路器热分析的理论基础力设备的热分析具有重要的实际应用价值和发展高压断路器热分析遵循热力学第一定律,即能前景。量守恒定律。主要研究高压断路器的稳定工作时温温升试验主要考核产品额定电流下的载流能度分布情况,即其中的发热和散热过程,因此首先力,检验载流导体部分的结构是否合理,对已定型要分析热源。的产品,也是检验装配质量的一种好方法,它是高11热源的分析压开关设备的型式试验项目之一。IEC标准和国家高压断路器在工作时,由于电流、电压的作用热中国煤化工的焦耳损耗铁磁体内CNMHG材料中的介质损收稿日期:2009-1206;修回日期:20100309作者简介:张敬菽(1975博士,高级工程师,主要从事电力设备产品设计及其仿真技术的研究。2010年05月高乐地置第46卷第5期耗国。瓷柱式断路器其结构上基本没有产生铁磁谐热网络方法将有限差分法和热路的方法结合振的材料,同时认为绝缘材料的介质远小于焦耳损起来,以其所特有的优势,在近几年的热分析中得耗。笔者主要考虑焦耳损耗。到研究者们的关注。它采用有限差分法的思想对热1.2传热机制分析路进行求解,用节点、热阻和热源代替实际开关元髙压断路器产生的热损耗通过传导、对流和辐件来建立热网络模型,基于热路与电路的相似性,射3种方式散失到周围介质中去。热传导是靠物体采用求解电路的相关理论对热路进行求解,用此方之间直接接触,或物体内部各部分之间发生的传法可以方便地进行参数化设计。20世纪90年代,热,在导电和非导电固体、液体和气体中都可以进ABB公司就已将热网络法应用到电力设备的热分行。热对流仅在流体(液体和气体)中存在,是由于析。该方法现已广泛应用于ABB的各电压等级电力粒子的彼此相对移动而产生热能的转移。根据对流产品设计或优化设计,如低压断路器、接触器、真换热的基本计算式牛顿冷却公式,对流散热功率可空断路器、发电机断路器、中、高压开关柜等电力表示为设备P=-aA·d6(1)热量传输与电量转移的基本规律类似,热网络式(1)中,a为表面传热系数,W(m2K);A为发热的热阻表明传热过程的阻力。传热过程的求解一般体的表面积,m2主要是各种传热过程热阻的计算,表1列出几种热表面传热系数的大小与传热过程中的许多因量传递过程的热阻计算式,表1中8为两导热面间素有关。它不仅取决于流体的物性参数以及换热表的距离,A为导热壁热导率,;和n2分别为导热壁的面的形状、大小和布置,而且还与流速有密切的关内径和外径,h和h,分别为对流和辐射换热系数系。基于相似原理,根据下面的经验公式计算得到衰1几种热量传递过程的单位面积热阻计算式此系数。热量传递过程热阻计算式(2)平壁导热R=8/A圆筒壁导热In(rln)式(2)中,AM是流体的热导率,是特征长度,努塞尔数N=c1(G,P)·,Gn、P和分别是与温度有关的球壁导热格拉晓夫数和普朗特数,笔者研究的内容属于自然对流换热对流换热,根据文[5]特征长度取断路器各导体相应辐射换热的高度值,实验常数c1取0.15,n取1/3高压断路器由通断元件、中间传动机构、操动热辐射无需任何介质,是物体通过电磁波来传机构绝缘支撑件和基座组成。主回路的通断由操递能量的方式。根据斯忒藩波耳兹曼定律可计算动机构接到操作指令后,经中间传动机构传送到通得到辐射功率。断元件,通断元件执行命令,使主回路接通或断开。2热网络法计算高压断路器温升通断元件是断路器的核心部分,包括有弧触头、主导电部分、喷口和灭弧介质等,一般安装在绝缘支由于电力设备的发热和散热过程非常复杂,影撑件上,使带电部分与地绝缘,而绝缘支撑件则安响因素很多,很难建立考虑所有影响因素的热过程装在基座上。这些基本组成部分的结构,随断路器解析公式,因此对它进行准确的热分析计算比较困类型不同而异。以某额定电流3150A、额定电压难。工程上一般采用牛顿热计算公式把3种传热方145kV瓷柱式SF6断路器为例,其单极柱结构见式合并在一起考虑电力设备的热分析。最早采用图1。灭弧室极柱由复合绝缘套管1作为绝缘支柱的数值方法是有限差分法,对简单几何形状的传热载流部分有上法兰2、下法兰3、静触头部分4、压气问题是一种最容易实现的数值方法,但其主要缺点室5和动触头部分6,灭弧室和绝缘瓷柱内腔相通,是对复杂区域的适应性较差。近些年,数值计算的充有相同压力的SF6气体。有限元法、有限容积法也被广泛地应用到结构简单高压断路器的导体主回路包括:上下法兰、导的电力设备的热分析中,如变压器、电机、电磁铁和体回辟中国煤化工分热量通过连接接触器的热分析中。对于结构复杂的电力设备,母排采用这两种方法将会使热分析非常复杂,几乎不能辐射的CNM凵热量通过对流和部。法兰与动静进行计算。触头支座、动触头支座与气缸、动静触头之间均存May 2010High Voltage ApparatusVol 46 No5缘层传导的热阻单元用R。表示,从绝缘层表面通过对流和辐射的形式散失到周围介质中的热阻单元从节点b引出,分别为R和R=,T为导体周围环境温度。导体焦耳损耗图1断路器柱结构示意图R图R在电接触。实际上,当两表面接触时,是由有限个接触点接触,因此通过这种接触面的热传导实际上是接触的导热、缝隙中空气的导热和弱自然对流以及由缝隙形成的空腔壁热辐射的综合作用结果。接触图2带绝缘层的一段导体的热网络产生的热损耗由PR计算得到,其中接触电阻为实测值用节点、热阻和热源代替实际的高压断路器元热网络基本原理见图2。左图是带绝缘层的一件,建立了热网络模型,见图3。为忽略接入主回路导体的,电流从L端流入,LX端流出。右图的导的临时连接线带走的少量热量和简化仿真模型,体中部的节点a有导体产生的焦耳热P流入,沿导热网络模型的环境温度T取实验测得的环境温度体两端传导的热阻单元各为传导总热阻的一半,绝202℃,断路器的上下法兰进出线端的T2和7分RCD32IRCD38RCDI7 RCDI8 PCIIPIrORC023RRARRARA9PIRORRAzOCDS6RRAZICD54PI2R0OI RCDSI RCDS PCIORRA12E ERCO13Ha中国煤化工CNMHG图3斷路器主电路的热网络模型2010年05月高乐地置第46卷第5期别取实测值582℃和552℃。测温点位于载流导体及导体间的接触位置处计算值各点具体含义见表2。法兰和下载流通道为铝材,压气室和上载流通道为铜材,在图3中热网络的顶部和底部单元组代表上下法兰,且分左右两部分,因693此各部分热阻单元的尺寸参数为实际法兰尺寸的一半。热网络图中部的P2Ro01-PI2R04是导体间电接触产生的焦耳损耗,即下法兰、下载流通道、压气室、上载流通道和上法兰间接触造成的损耗。图3位置编号右侧框10中的3个热阻代表绝缘子的热传导及其对流和辐射单元。图5测温点实测值和计算值的比较的情况下,改变绝缘子厚度、材料的热导率和某点表2测温点的位置接触电阻值,观察它们对断路器主回路温度分布的测温点影响程度。下法兰1)绝缘子厚度不变,增加和减少其内、外径值。下法兰和下载流通道接触处如初始内径值是210mm,改为190mm和230mm下载流通道进行仿真;下载流通道接和压气室接触处2)下载流通道是铸铝材料,热导率初始值是压气室145W/(m·K),改用铜材料的热导率385W/(mK)压气室和上载流通道接触处上载流通道进行仿真;上载流通道接和上法兰接触处3)减小接触电阻,如将测温点6的接触电阻初上法兰始值3.654μΩ减小到2654μ和1.654μQ进行仿真。3仿真与实验结果3种改进方法对断路器温度分布的影响见图温升试验是考核产品在额定电流下的载流能6,仿真结果表明:力,以检验载流部分的结构是否合理,对已定型的1)绝缘子内径变化20mm,整体温度平均变化产品也可以检验装配质量。测量高压断路器稳态2℃左右。绝缘子内径越大,越利于断路器散热;2)下载流通道的热导率改用铜材料,相当于热温度的实验现场图见图4,额定电流3150A。测温导率增加到2.65倍,温度曲线呈下降趋势。如图点温度的实测值和计算值的曲线见图5。可以看出6(b)所示,温度变化最大的是测温点4,数值上少了两条曲线吻合较好。近5℃;选用热导率大的载流导体,可明显降低该导体上的温度分布;3)接触电阻减少1μΩ2,该接触点温度能降低近5℃,该点附近导体平均温度也能降低2℃多。4结论将热网络法应用到高压断路器的热分析中,用节点、热阻和热源建立断路器的热分析模型。基于能量平衡原理建立节点的方程,实现断路器主回路温度分布的计算。利用建立的热网络数学模型定量地分析了绝缘子尺寸、材料物性和接触电阻对断路器温唐图4测量高压断路器稳态温度的实验现场图中国煤化工为提高断路器的散热能力和降低其稳态温升,实验CNMHG二络器的稳态温升,℃左右,即误差釆取了以下3种改进方法,即在仿真初始条件不变79%该仿真方法的准确度在工程许可范围之内。38·May 2010High Voltage ApparatusVol 46 No5如导体段分得更细小,材料参数值更精确使断路器的温度分布更加准确地呈现出来参考文献:50→D210mm+D-190mm+D=230mm[徐国政钱家骊高压断路器原理和应用M北京清华大学出版测温点位置(a)改变绝缘子内径[2]IEC62271-l. Common Specifications for High-voltage Switchgear3]李志兵许沛丰刘华伟等断路器电容器介损随电压变化关系研究印电力电容器,2007(6):26-314杨世铭陶文铨传热学M北京:高等教育出版社,1998[] MICHEJEW M A Grundlagen der Warmeubertragung [M]. Verlag[6]张冠生电器理论基础M北京:机械工业出版杜,1989测温点位置(b)改变材料[7 TENYENHUIS E G, GIRGIS RS, MECHLER G F, et al Calculationof Core Hot-spot Temperature in Powerribution Traformers U IEEE Trans on Power Delivery17(4):991-[8]黄学良,胡敏强周鹗电机三维温度场新的有限元计算模型门中国电机工程学报,1998,18(2):78-829黄琳敏.计及物理参数随温度变化时螺管电磁铁温度场和瞬态s0→8-364+82654+81634热路的仿真分析门电工技术学报2003,18(5):27-31[0纽春萍交流接触器热分析方法及应用D西安交通大学,200测温点位置(c)改变接触电阻值[1] GRAMSCH C, BLASZCZYK A, LOBL H, et al. Thermal NetworkMethod in the Design of Power Equipment [] Mathe-matics in图63种改进方法对断路器温度分布的影响ndustry,2007(11):2l3-2192)运用热网络法可以方便、快捷地实现高压断12】 SCHOENEMANN T, PLEINES M, SCHENK M,etal. Optimal路器主回路的热设计,量化分析改变材料物性、结Design of Generator Circuit Breakers up to a Capacity of 2 000 MV.A构尺寸和接触状况对主回路温度的影响。该方法可Using Thermal Models [Cy/ Proceedings of the 50th IEEE Holm应用到各电压等级的电力设备热分析Conference on Electrical Contacts and the 22nd InternationalConference on Electrical Contacts, 2004: 111-1173)为提高计算的精度,可进一步细化仿真模型,国网公司对中国西电承揽的特高压变压器项目设计方案进行进度检查和评审2010年4月1日,由国家电网公司主办西电西变、西电常变承办的“国网100kV特高压变压器进度检查和设计方案评审会”在西电常变召开。国家电网公司特高部领导、变压器行业专家、西电西变专家及相关主设计人员共25人参加了评审会。国网公司专家组通过听取汇报,现场提问,了解、考察西电常变超(特)高压变压器生产车间,对由西电西变承揽的1000kV特高压变压器项目进度和设计方案进行了认真检查和评审。评审会由国网公司专家组组长王宁华主持。西电副总工程师、西电常变董事长宓传龙在会上表示,希望专家们对1000kV特高压变压器项目进度和设计方案多提宝贵意见。评审期间,与会变压器专家和国网公司特高部领导专程到西电常变超(特)高压变压器生产车间,详细考赛了高端变压生产试验装备。当专家们了解到该公司V凵中国煤化工!一年多所制造的30多台各种型号的高端变压器均一次通过全部试验项先进的高端变压器制造能力。西电常变董事长宓传龙、总经理王绍君、党委书iCNMH2,同考察并介绍企业生产情况。