大容量發電機斷路器溫升仿真與試驗*

張 鑫，朱 凱，張會杰，程小紅，唐 成

（西安西電開關電氣有限公司，西安 710077）

0 引言

發電機斷路器是安裝在發電機和變壓器之間的斷路器，可以高效地開斷發電機源和系統源短路故障，保護發電機和變壓器[1]。發電機斷路器額定電流較高，通常為6 300～36 000 A，較高的額定電流所產生的導體溫升直接影響了發電機斷路器的機械性能和電氣性能，導體結構設計為發電機斷路器設計的關鍵環節。本文以ZHN10-24 型發電機斷路器為分析對象，該產品為國內首臺用于300 MV-400 MVA 發電機用保護斷路器成套裝置，額定電壓24 kV，額定電流15 000 A，額定短路電流100 kA，峰值耐受電流300 kA，斷路器采用六氟化硫作為絕緣介質，采用自能雙氣室滅弧室，隔離開關、接地開關以空氣作為絕緣介質。斷路器、隔離開關、接地開關均采用三相聯動，斷路器配用液壓彈簧操動機構，隔離開關、接地開關采用電動機構，產品外形如圖1所示。

圖1 ZHN10-24發電機斷路器外形

設計時考慮該斷路器額定電流參數高，通過設計散熱翅片，增加導體與周圍空氣的接觸面積，增強與周圍空氣的熱對流，提高通流能力；對不同導體的連接部位增加接觸面積和增大接觸壓力，有效降低接觸電阻。對導體進行了各種優化設計。

為了驗證設計的合理性和研究大電流通流導體溫升的分布規律，基于電磁學和傳熱學原理，建立了大容量發電機斷路器導電回路穩態熱分析模型，計算出導體和周圍空氣的溫度場分布；隨后對發電機斷路器樣機進行了溫升試驗，并對仿真結果和試驗數據進行對比，驗證了溫升仿真方法的有效性和正確性。

1 仿真計算

溫升仿真計算時，通過建立該產品的有限元分析模型，對連續通流后的穩態發熱和散熱過程進行分析，使用Ansys Maxwell軟件計算其電流、磁場和渦流損耗分布情況。然后把Maxwell 磁場計算的熱損耗按網格節點導入Fluent，保持了各部分損耗的不均勻分布特性。使用Fluent軟件對產品進行熱流場分析，最終得出產品溫度場和氣流場分布云圖。其仿真流程如圖2所示。

圖2 仿真計算流程

1.1 溫升仿真分析基本理論

發電機斷路器在正常運行時，導體通15 000 A 交流電流，時變電流產生時變磁場，時變磁場產生時變電場，從而產生渦流[2-3]，麥克斯韋方程組：

式中：H為磁場強度；J為電流面密度；E為電場強度；B為磁通密度。

整個導體的損耗方程為：

式中：J為電流密度矢量；σ為導電率。

斷路器導體與靜觸頭、動觸頭之間主要傳熱方式為熱傳導，斷路器導體與周圍空氣之間的傳熱方式以熱對流為主[3-6]。

熱傳導遵循傅里葉定律為：

式中：k為導熱系數。

導體熱量通過空氣流動傳遞到方外殼的過程，可以用牛頓冷卻方程表達為[4-6]：

式中：h為對流換熱系數；Tm和Tk為斷路器導體和方外殼溫度。

1.2 仿真建模及求解

為了簡化計算，只取斷路器部分參與通流的部分為建模基礎，同時考慮到模型的左右對稱性，為減小計算量，提高仿真效率，取半模型計算[7-9]。模型簡化中，因額定通流回路和滅弧回路并聯，且滅弧回路電阻遠大于額定通流回路，所以去除了滅弧室中的滅弧回路和不參與通流的傳動系統部分，還去掉了導體上的螺紋孔等不必要的幾何細節，并對一些其他結構進行了合并，以減少網格數量和計算時間。為了保證準確的數據傳遞，電磁場與流場計算模型一致。圖3 所示為經過處理后的發電機斷路器仿真計算三維模型，保留了內部氣流道和散熱結構。有散熱翅片的為發電機斷路器導體，為鋁制零件，導體為密封結構，內部充有六氟化硫氣體，通流15 000 A。導體外部方外殼為鋁板焊接件，相當于通流導體的接地保護外殼。導體與方外殼之間為干燥空氣。

圖3 仿真計算模型

為使仿真更加接近實際工況，對斷路器靜主觸頭與動主觸頭、導體接觸部位增加接觸電阻。結合實測值對各接觸電阻賦值。接觸1和接觸2為彈簧滑動接觸，接觸3和接觸4位螺栓固定連接，如圖4 所示各電接觸位置。具體接觸電阻賦值情況如表1所示。

圖4 電接觸位置示意圖

表1 各接觸電阻值

計算過程如下4 個步驟：（1）建立有限元模型；（2）劃分網格；（3）加載激勵及邊界條件；（4）求解及后處理。計算中全面考慮了集膚效應、鄰近效應和外殼渦流的影響[10]。15 000 A交流損耗計算結果如表2所示。

表2 交流損耗

通15 000 A 交流電，仿真計算后，將Maxwell 計算結果導入Fluent，模型加周圍環境空氣，進行自然對流散熱仿真。圖5 所示為整個計算模型的網格劃分，包括周圍環境空氣、箱體、斷路器導體、箱體與導體之間的空氣、導體內六氟化硫氣體等6 部分的網格。圖6 所示為斷路器導體加六氟化硫網格。

圖5 流體模型的網格

圖6 斷路器網格

斷路器內部六氟化硫和外部空氣的溫度和流動情況如下，從圖7可以明顯看出，斷路器內部六氟化硫氣體溫升在60 K左右，斷路器方箱體內部空氣溫度依次遞減從斷路器表面溫升從60 K 左右到靠近方箱體溫升20 左右。斷路器底部流速基本在0.1 m/s 以下，而上部表面空氣流速均大于0.2 m/s 甚至最靠部位達到0.4 m/s，流動較快。

圖7 氣體溫度和流速

各部件溫度分布如圖8～10 所示。導體表面溫度分布、內部溫度場分布和外殼溫度分布的規律基本一致。箱體內斷路器導體上部空氣流動快溫度低，在斷路器導體A 和導體B 上，也是上部溫度低，下部溫度高。因接觸電阻原因，整個斷路器固定連接和滑動連接部位溫度較導體其他部位高。

圖8 導體A處溫度分布

圖9 觸指附近溫度分布

2 試驗驗證

為驗證發電機斷路器溫升仿真計算的正確性和導電回路設計的可靠性，設計搭建了完善溫升試驗樣機和試驗輔助工裝。

2.1 試驗回路

通過給該產品通過一定時間的額定電流，檢測其發熱狀況，驗證其載流能力，將電網的380 V/50 Hz 供電直接進行調壓、升流后實現，具體實現原理如圖11所示。

圖10 導體B處溫度分布

圖11 試驗回路原理

發電機斷路器額定電流較大，一般進行單相試驗，模擬發電機斷路器實際運行工況，兩端加裝離相封閉母線溫升工裝[11-13]，典型溫升試驗布置如圖12 所示，箭頭為電流運行方向。電流首先從進線側內導工裝進入，流經試品斷路器及其他通流元件，再經過回線側內導和回線側外殼，再經過方外殼，從進線側外殼回流。

圖12 典型溫升試驗布置

2.2 仿真與試驗對比

為了驗證產品的性能和仿真計算結果的準確性，在試驗室，給發電機斷路器通入15 000 A電流進行溫升型式試驗，如圖13 所示，用熱電偶原理測量斷路器溫升，選取了斷路器導體、觸頭、動觸頭上10 個關鍵點的最高點溫升值進行對比，仿真計算值與試驗實測值基本一致，誤差小于4 K，對比結果如表3所示。

表3 溫升值對比

圖13 試驗照片

3 結束語

本文建立了ZHN10-24 型發電機斷路器電磁流體溫度多物理耦合場模型，首次研究了大容量發電機斷路器導體溫升的仿真計算方法，并和試驗結果進行了對比，得出以下結論。

（1）接觸電阻是引起局部發熱的主因，可以通過增加電連接接觸面積和增大接觸壓力等方法減小接觸電阻。

（2）溫升仿真計算值和試驗值誤差不大于4 K，證明了計算方法和仿真模型的有效性，所建立的仿真模型和結論為以后設計提供了可靠的依據。

（3）本文中溫升仿真和溫升試驗方法不僅適用于大容量發電機斷路器的溫升研究，同時也可為大電流高壓電器產品的通流設計提供參考依據。