GW16型隔離開關熱穩定性仿真分析

李付永， 姚燦江， 張 任， 時彥文， 趙維全， 李 偉

(河南平高電氣股份有限公司，河南 平頂山 467000)

0 引言

GW16是屬于單臂伸縮式隔離開關，其具有載流能力大、占地面積小、結構緊湊和運動部分密封良好等優點。隨著國家逐漸采用高壓、特高壓等輸電方式，GW16型隔離開關作為主要高壓產品之一，且長期運行在環境條件惡劣的戶外，由于接觸電阻的存在，其會產生一定的溫升，當溫度升高到臨界值時，會加速設備老化，使隔離開關發生故障次數急劇升高，從而影響其可靠性。

通常情況下，高壓設備中接觸區域電阻最大，造成接觸區域溫度升高最快，嚴重時會使兩接觸面發生熔焊，這是導致隔離開關發生故障的主要原因。針對隔離開關接觸發熱問題，國內外學者進行了大量相關研究，文獻[1]對GW5-110型隔離開關觸頭發熱缺陷進行分析及檢修處理；文獻[2]針對GW5-126型隔離開關觸頭燒損故障進行分析及提出相應措施；文獻[3]針對隔離開關觸頭結構和發熱原因進行分析，提出防止隔離開關過熱故障的措施；文獻[4]通過戶外高壓隔離開關電觸頭溫升機理研究，得出了影響電觸頭溫度的主要因素。以上研究學者僅對隔離開關接觸區域燒損和發熱故障進行相關分析，但無法確定隔離開關在運行過程接觸區域的溫度變化情況，因此，利用有限元研究隔離開關的熱穩定性，不僅可以明確其接觸位置的溫度分布情況，而且還可以提高其使用壽命，避免高壓設備的非計劃停運，提高電網運行的可靠性。

1 隔離開關數學模型的建立

GW16 型隔離開關是供高壓線路在無載流情況下進行切換和對被檢修的高壓母線及其他電氣設備進行明顯隔離的三極戶外高壓電器，該型隔離開關的動靜接觸裝置是單柱垂直斷口式，其主要在上下導電管內部進行傳動，受外界環境影響因素較小，在導電管內部，由于平衡彈簧的作用，抵消了相關動力組件的重力矩，因而致使其分、合閘動作平穩可靠[5]。本文以GW16型高壓隔離開關為例，其主導電結構圖如圖1所示。

圖1 GW16型高壓隔離開關主導電結構圖

通常情況下，GW16型高壓隔離開關動靜觸頭接觸示意圖如圖2所示，其接觸裝置的相關結構滿足Hertz公式的條件，可通過相應的數學運算得到接觸半徑r與深度h之間的關系，如下所示[6，7]。

(1)

(2)

式中：F為接觸力；E為接觸系統材料的楊氏模量；υ為接觸系統材料的泊松比；R1、R2為動靜接觸件的半徑。

圖2 GW16型高壓隔離開關動靜觸頭接觸示意圖

在自然界中，熱傳遞主要包括熱傳導、對流和輻射3種形式，GW16型高壓隔離開關也不例外，在其實際運行過程中，通常以兩種或3種熱傳遞形式向外散熱。對于其動靜接觸觸頭而言，由于接觸電阻的存在，動靜觸頭產生熱量，并主要通過金屬連接件表面利用對流的方式向外散熱，根據熱傳遞的相關理論，GW16型高壓隔離開關動靜觸頭傳熱數學模型如下所示[8，9]。

(3)

{L}TδT([D]{L}T)dV=

(4)

2 隔離開關熱電耦合仿真

2.1 隔離開關三維模型的建立

由于ANSYS的三維建模能力存在一定的局限性，本文主要采用NX來建立GW16型高壓隔離開關動靜接觸系統的三維實體模型。在建模之初，為了實現計算的便捷性，對動靜接觸系統模型進行合理的簡化，去除對分析結果影響較小的結構，簡化后的動靜接觸系統模型如圖3所示。

圖3 GW16型高壓隔離開關動靜接觸系統三維模型

2.2 隔離開關動靜接觸系統熱電耦合溫升仿真

耦合場分析指在一個分析過程包含有多個物理場相互耦合作用的分析類型，耦合場分析應用范圍十分廣泛，如研究感應加熱的磁—熱耦合分析、研究壓力容器的熱—應力分析、研究磁體成型的磁—結構分析、研究導體發熱的電—熱分析等。由于GW16型隔離開關是交流高壓電器，而ANSYS Workbench中的Electric模塊無法對交流傳導場進行分析，且GW16型高壓隔離開關動靜接觸系統溫度場分析需要保留模型的幾何特征以便于明確溫度分布情況，且施加載荷和邊界條件相對復雜。另外，為了同時保證分析的多樣性，因此選擇Maxwell與ANSYS Workbench聯合計算的間接分析模式[9，10]。

2.2.1 前處理

首先在Maxwell中對GW16型高壓隔離開關動靜接觸系統進行交流傳導場分析，確定其接觸系統Joule Heat，然后利用軟件間的無縫借口導入ANSYS Workbench中的Steady-State Thermal和Transient Thermal模塊，設置相應的初始條件，依次進行穩態和瞬態熱分析。

對于穩態和瞬態熱分析而言，僅僅是加載條件和求解及相應后處理存在一定的不同。通過穩態熱分析可以求解得到接觸系統在溫度趨于穩定情況下，其溫度分布情況；而瞬態熱分析獲知接觸系統在大電流和瞬時狀態下，最高溫度隨時間的變化情況。

2.2.2 網格劃分

由于GW16型高壓隔離開關動靜接觸系統結構相對簡單，在設置選用體掃描法加邊角控制函數法對其進行網格劃分。為保證仿真的精度和準確性，在動靜觸頭的接觸區域，進行了局部加密，共生成25 248個網格，45 429個節點。網格劃分如圖4所示。

圖4 GW16型高壓隔離開關動靜接觸系統網格劃分圖

2.2.3 施加載荷和邊界條件

在穩態熱分析中，對GW16型高壓隔離開關動靜接觸系統加載額定電流3 150 A的1.1倍，在瞬態熱分析過程中，對其加載短路電流為60 000 A，加載時間為3 s。為了保障施加電流的流向，將高壓隔離開關動靜接觸系統中的動觸頭施加電壓耦合和電流邊界條件，同時將靜觸頭末端面電壓設置為0。

經查文獻[9，10]可知，隔離開關的有限元仿真分析是在封閉常溫的環境下進行的，對流是主要的熱傳導方式，在此種狀態下，空氣的對流換熱系數范圍為5～10 W/(m·K)，環境溫度為15 ℃左右。

2.2.4 仿真結果分析

GW16型高壓隔離開關在通流3 465 A電流穩態運行時，其動靜觸頭穩態仿真的溫度場如圖5所示。

圖5 GW16型高壓隔離開關動靜觸頭溫度場分布圖

由圖5可知，GW16型高壓隔離開關動靜觸頭接觸區域的溫度最高，從該接觸區域到上導電管和靜觸桿末端溫度逐步降低，其主要原因是因為電流流經接觸區時，橫截面積變小，電流密度增大，從而導致動靜觸頭接觸區域產生大量的焦耳熱，而本次穩態仿真的最高溫度為59.606 ℃，其小于GW16型高壓隔離開關最大允許溫升。

2.2.5 接觸系統瞬態熱仿真分析

GW16型高壓隔離開關在運行過程中，可能會受到瞬時大電流沖擊，因此，為了確定其在沖擊下是否具備保持正常工作的能力，所以對其動靜接觸觸頭進行瞬態熱分析。

通過設置邊界條件和載荷，得到GW16型高壓隔離開關動靜接觸觸頭在通流60 000 A，時間為3 s的條件下，溫度場分布圖如圖6所示。

圖6 GW16型高壓隔離開關動靜觸頭瞬態溫度場分布圖

從圖6可知，動靜接觸系統溫升最大，通過對其溫升最高點溫度變化情況的監測得到其溫度隨時間的變化曲線如圖7所示。

圖7 GW16型高壓隔離開關動靜接觸溫升最高點溫度變化曲線圖

從圖6和圖7可知，其接觸區域最高溫度為206.97 ℃，該溫度值小于動靜接觸觸頭材料熔點，不會發生熔焊。因此，GW16型高壓隔離開關在瞬時大電流沖擊下，仍可以正常工作。

3 隔離開關溫升試驗對比分析

為了驗證有限元仿真結果的真偽性，對GW16型高壓隔離開關進行溫升試驗，試驗設置如圖8所示，其溫升測量點如圖9所示。試驗條件如下：電流3 465 A，風速小于0.5 m/s。環境溫度為15 ℃，試驗穩定條件為：在4小時內1和2測量點溫升小于80 K，3、4和5測試點溫升小于65 K[10]。通過試驗得到各測量點的溫升與仿真結果如表1所示。

圖8 GW16型高壓隔離開關現場溫升試驗圖

圖9 GW16型高壓隔離開關溫升測量點布置圖

測試點編號仿真結果/℃試驗值/℃131.80932.8232.2334.1342.49643.6456.10458.2559.60662.4

通過仿真結果與試驗數據對比分析可知，試驗結果與仿真值存在一定的誤差，分析其主要原因如下：

(1)采用有限元分析方法進行穩態熱分析過程中，僅考慮對流這一種熱傳遞方式，且無法確定對流換熱系數的準確值，只能以理想值來代替，從而引入了一定的誤差。

(2)由于有限元仿真前處理過程中，對模型存在一定程度的簡化，導致動靜觸頭接觸截面積比實際情況大，從而致使接觸區域溫升較低。

(3)在實際試驗過程中，由于外界環境因素的影響，一些灰塵或雜質進行動靜接觸系統，首先使動靜觸頭不能有效接觸，在一定程度上增大了接觸電阻；其次在觸頭與外界環境之間形成熱阻層，使動靜觸頭與外界環境的熱傳遞性能下降，最終導致溫升較大，與仿真結果存在一定的誤差。

通過仿真分析結果與試驗數據二者比較發現，兩者之間的誤差在5%以內，滿足精度要求，同時也驗證了有限元仿真計算的準確性。

4 結論

(1)利用Maxwell和ANSYS Workbench兩者聯合對GW16型高壓隔離開關進行穩態和瞬態熱分析，與通過試驗得到的結果基本一致，表明在實際工程中使用ANSYS Workbench有限元仿真分析的結果是可信的。

(2)有限元仿真分析方法可以更加清晰直觀地了解GW16型高壓隔離開關動靜接觸系統在實際工作過程中實際溫升情況，明確溫度分布區域。為優化其接觸系統結構、合理規劃溫度分布以及可靠性設計提供了一種重要的途徑。