真空绝缘组合电器的发热分析

中国国际供电会议(CICED2006) 真空绝缘组合电器的发热分析 王宁1，刘卫东1，关永刚1，周远翔1，XavierGodeeho( (1清华大学电机工程及应用电子技术系，北京市，100084) (2AREVAT&D，1340ruedePinville，34965MontpellierCedex2，France) 摘要：清华大学与法国AREVAT&D公司合作，研究用真空代替sFs作为高压组合电器主绝缘介质的可行 性。本文建立了真空绝缘组合电器的热模型，应用有限元软件ANSYS对热模型进行了长期发热计算，分 析了导体尺寸、结构、回路电流、断路器和隔离开关的接触电阻大小、出线端温度、外壳温度等各种因素 的影响。为真空绝缘组合电器的可行性提供发热方面的依据。 关键词：真空绝缘组合电器，热模型，有限元，长期发热 一、引言 由于绝缘和灭弧性能优异，sF。已被广泛应用于高压电器设备，其中最典型的就是全封闭组合电器GIS。 但同时sF6是强温室效应气体(会造成气候改变和全球变暖)。1997年制定的京都议定书将sFs气体列为 全球管制的六种指名气体之一，并要求逐渐减少的sF。使用量。清华大学与法国AREVAT&D公司进行合 作，研究用真空代替sF6成为高压组合电器主绝缘介质的可行性。如可能，一种新型的组合电器——真空 绝缘组合电器(VacuumInsulatedSwitchgear，以下简称VIS)将诞生。对于VIS来说，其可行性研究集中 于真空系统真空度长期保持、真空绝缘特性和发热几个方面。异常温升会造成材料物理化学性能的改变， 影响材料的机械强度和电性能，甚至造成电器设备的故障和运行事故。本文主要介绍VIS相关的发热研究 情况。 由于VIS的绝缘介质是真空，对流散热可以忽略。相较于其他高压组合电器，VIS的径向热传递大大 减少，内部热量更不易散出。为分析VIS的发热特性，本文建立了VIS的简化热模型。该模型综合考虑了 热辐射、热传导和材料物理性能随温度变化的特点并利用有限元软件ANSYS对简化热模型进行了长期发 热计算。本文分析了导线直径、长度、回路电流、断路器和隔离开关接触电阻大小、出线端温度、外壳温 度等不同因素对VIS发热特性的影响。通过分析给出了VIS中减少热量产生和增加热传递的方法。 二、真空绝缘组合电器VIS中的热源 综合真空度维持的因素，VIS的外壳采用不锈钢等低磁导率材料，涡流造成的发热可忽略不计。因此， VIS中的发热主要来源于载流导体的焦耳热。组合电器的回路电阻由公式(1)表示。 尺=∑R+∑≮R (1) 其中，∑尺。是导电回路中的总接触电阻；K。是交流附加损耗系数，与集肤效应有关；Rb是直流导体电 阻。可得式f2) ， R52p一(Q) (2) 爿 其中，Z是导体的长度；A是导体的横截面积；P是导体的电阻率。导体的电阻率与导体温度有关， P=Po(1+at) (3) 其中，胁是导体在O。C时的电阻率，Qm，；口是电阻温度系数，l／K；t是导体的温度，℃。 中国国际供电会议(CICED2006) 如果真空绝缘组合电器的主回路导体为实心圆导体，导体交流附加损耗系数为 ～爿压万 “d2万、『了 一’ 其中，A是导体的横截面积；P是导体横截面的周长‘“；如果采用管状导体，K．可以根据图1得到‘“。 三、热模型的建立 图1铜管的交流附加损耗系数 图2是VIS的一种典型结构图f日立公司专利)。从图中可以看出VIS内部结构十分复杂，但热模型可 以根据其特点进行简化。 图2 VIS的一种结构(日立公司专利) 真空度足够高时(VIS中的真空度属于高真空度范围)，真空容器中的空气分子数量很少，内部对流散 热可忽略。因此在进行热分析时只需考虑热传导和辐射。两灰体封闭系统的辐射传热公式如下所示， 导：g：—1—1_一(巧44) (5)j292—+A1—(11)。11 r2’ p’ 占1 爿2占2 其中，￡和s．仅与材料的表面特性有关‘⋯。 VIS的热模型可以等效简化成图3所示的结构，图3中BUS为母线，DSl为隔离开关，ESl为接地开 中国国际供电会议(CICED2006) 关，CB为断路器，1A为电流互感器，Terminal为出线端。 图3 VIS的简化热模型 断路器处于合闸状态时，接地开关打开，因此可以忽略接地开关所在支路对散热的影响。另外，为了 简化计算，直接指定外壳温度和端部导体温度作为边界条件。 四、计算结果及分析 本文利用有限元软件ANSYS对简化的热模型进行长期发热计算，其中所取的主要参数(导体和外壳 材料结合真空系统 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 确定)如下所示： ◆导体材料：无氧铜 ◆外壳材料：不锈钢 ◆导体电阻率(O。C)：171e一8陋m] ◆导体热导率：390W／m—K ◆导体长度范围：1～10m ◆导体(管状)外半径：O06m或O07m ◆导体(管状)内半径：O05m ◆外壳的内半径：025m～050m ◆导体外表面的辐射率：018 ◆外壳内表面的辐射率：010 ◆回路电流：1000～3000A ◆环境温度和端部温度： 40～80。c ◆导体上电接触的位置： 1／4、1／2、3／4导体处 ◆导体上电接触的个数：1～3个 ◆电接触的阻值：o～250[¨叫 计算结果及其相关的分析如下。 (一)、导体内温度分布 图4(a)和图4(b)分别表示的是导体内不含接触电阻和导体内含有一个接触点(位于导体的1／4或1／2 处，接触电阻值取为100pQ)时的温度分布情况。从图4中可以看出，在没有接触电阻的情况下导体的最 高温度出现在导体中间处，而有接触电阻并且接触电阻值足够大时，最高温度出现在接触电阻处。从图4(b) 中还可以看出，在接触电阻相同的情况下，接触电阻位于导体中间时导体温度最高。 ／一’～、、＼ ， ＼ ／ ／ l ／ ＼ “ 、 } ＼ L㈨《m=4lnl∞”0㈣÷l【r堋^㈨r≈muE“㈣‰ ≤=“”竺竺竺；。：‘!掣竺：竺““1“!竺：：!!19竺!!：⋯一⋯8 ，*卜一一一A尝鬈4 。J 。}嚣訾：盘鎏。／∑一一!J 7zf ；⋯p二⋯、一～ ⋯≮⋯ ， ， ”卜≯7⋯⋯ 。。、■”＼i 1 8I；／尹 i 。。x、j≮1 *娑一案⋯一卜1i⋯i⋯吉⋯一}～蠹浏 图4．导体内温度分布 中国国际供电会议(CICED2006) (二)最高温度与导体横截面积的关系 图5表示导体最高温度与导体横截面积的关系。图中导体长度为4m，回路电流的范围是1000～3000A， 导体中间有一个大小为50“Q的接触电阻(模拟断路器或隔离开关触头间的接触电阻)。由图5可见，导体 横截面积大时，导体的最高温度低，这是因为增大导体横截面积增加了导体本身的热容，同时也有利于增 加导体的轴向热传导。如在回路电流是2000A，导体的横截面积为o0035m2(导体内外径分别为o05m和 O06m)时，导体的最高温度为182。C。而在同样的回路电流下，如果导体的横截面积增加到O0075m2(导体内 外径分别为o05m和o07m)时，导体的最高温度为126。C，相较于182。C降低了56。C。因此，增加导体的横 截面积有利于散热，可降低导体的最高温度。本文以下的计算中，导体内外半径分别采用o05m和o07m。 图5导体最高温度与横截面积的关系 (三)最高温度与导体端部和外壳温度的关系 图6表示的是导体最高温度与导体端部(出线端)和外壳(VIS外壳)温度的关系。图6中从上至下 的5条曲线依次代表导体端部和外壳温度分别为80。c、70。c、60。c、50。c和40。c时的计算结果。由图6 可见，在不同的导体端部和外壳温度下，各条曲线变化趋势基本相同。而且相近两条曲线间的温度差也近 似为10。C。因此可以近似得到式(6)： rm。，，=rm。“-I-(tl—to) (6) 其中，rm％是导体端部和外壳温度为f-时的最高温度；rm。。是导体端部和外壳温度为to时导体的最高 温度。本文后面的计算中，端部和外壳温度指定为40。C。 图6导体最高温度与端部温度(外壳温度)的关系 中国国际供电会议(CICED2006) (四)最高温度与外壳内半径的关系 VIS外壳内半径的改变会造成系统辐射功率的改变，从而影响导体的最高温度。但由于导体和外壳的 辐射系数不高(分别为018和010)，外壳内半径的改变对导体温度的影响幅度很小。计算结果显示其影 响可以忽略，因此在本文后面的计算中，外壳内半径指定为03m。 (五)最高温度与导体长度和回路电流的关系 图7表示的是在2000A的回路电流下，不含接触电阻和导体中间含有一个50uQ接触电阻时，导体最 高温度与导体长度关系。而图8则表示固定导体长度为4m，不含接触电阻和导体中间含有一个50uQ接触 电阻时，导体最高温度随回路电流的变化。由图可见，增加导体的长度和回路电流都会增加导体的最高温 度。并且在含有接触电阻的情况下，最高温度随长度和电流增加的幅度更大。如在图7中，在没有接触电 阻时，导体的长度从lm增加到10m时，最高温度增加了约58。c。而在同样的条件下，导体内含有接触电 阻时，最高温度增加了约174。C。 Loop⋯m2000A ，一 Elec”lcalcontact／@gistance50uOlali¨／Th⋯raIld。utE⋯d*us。fconduct。r005m007m，一7Th⋯⋯d*us。fshell03m⋯⋯⋯⋯，_一⋯ ，＼ 7Withelecmcdcontactpoints Leogth(M1 ElectricalOurrsNJ㈣ 图7导体最高温度与导体长度的关系 图8导体最高温度与回路电流的关系 (六)导体最高温度与接触电阻大小的关系 图9表示的是导体最高温度与接触电阻大小的关系。从图中可以看出，在接触电阻增加时，导体最高 温度显著增加。例如，如果导体内没有接触电阻，4m长的导体在2000A的回路电流下，导体的最高温度 为60。c。在相同的条件下，如果导体正中含有一个50uQ的接触电阻时，最高温度增加到143。c。如果接 触电阻增加到2509Q，最高温度将达到367。c。在此温度下，铜的机械强度将会减低到正常温度时的60％， 形成潜在的设备故障隐患。所以接触电阻的大小是影响VIS热稳定性的关键因素。 图9导体最高温度与接触电阻大小的关系 一|a=}{|ag|a；{|aⅡE|aF 中国国际供电会议(CICED2006) (七)多接触电阻时导体的温度分布 图10(a)和图10(b)表示导体中含有多个接触电阻时导体的温度分布。在图10(a)中，导体的1／4处和3／4 处分别含有50¨Q和2009Q的接触电阻。而在图10(b)中，导体的1／4、1／2和3／4处分别含有50¨Q、100¨Q 和150¨Q的接触电阻。从图10(a)和图10(b)中可以看出，在考虑导体电阻率随温度升高而线性升高的因素 下，每个接触电阻对导体的温度分布的影响是线性的。因此，导体含有多个接触电阻时的温度分布可以由 含有单个接触电阻时的温度分布进行线性叠加得到。 (a) (b) 图10多个接触电阻时导体的温度分布 (八)VIS中导体的许用长度 导电回路导体的尺寸对于高压开关设备的整体尺寸和发热来说影响巨大，因此对VIS进行其他部分的 结构设计之前选择导体的尺寸是必须的。根据IEC60694：1996和GB(763) 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 中对高压电器各部分允许 温度和温升的 规定 关于下班后关闭电源的规定党章中关于入党时间的规定公务员考核规定下载规定办法文件下载宁波关于闷顶的规定 ，取导体最大允许温度145。C，本文初步计算了VIS中导体的许用长度，供VIS实际设 计时参考。限于篇幅本文仅介绍如下条件下的计算结果：采用内外半径分别为o05m和o07m的管状导体； 导体端部和外壳温度为40。c；回路中具有1个断路器和2个隔离开关(断路器居中，3个开关在回路中均 匀分布)，断路器触头间的接触电阻取为25¨Q和125¨Q，隔离开关触头间的接触电阻取为10¨Q和5¨Q； 额定电流取为标准中规定的1600A、2000A和2500A。计算结果见表1。当然，在VIS的实际设计中要综 合考虑各个因素的影响来确定导体长度。 表1．不同额定电流下VIS导体的许用长度(m) 接触电阻／un 额定电流／A 断路器 隔离开关 1600A 2000A 2500A 25 10 56 36 24 25 5 64 4 28 125 10 7 44 32 125 5 82 52 36 五、结论 通过合理简化，本文建立了真空绝缘组合电器VIS的热模型，并利用有限元软件ANSYS进行了长期 发热计算。通过计算结果的分析，可以得到以下有助于VIS结构设计的结论： (1)VIS中的发热主要来源于载流导体的焦耳热。 (2)增加导体的横截面积可以显著降低VIS中导体的最高温度。 (3)减小回路电流有助于降低VIS中导体的最高温度。 (4)减小VIS回路导体的长度有助于降低导体的最高温度。 (5)为降低VIS中导体的最高温度应尽可能地减小回路中的接触电阻。(6)各个接触电阻对VIS中 导体的温度分布的影响是可以线性叠加的。 中国国际供电会议(CICED2006) 总的来说，导体的横截面积、端部和外壳温度、长度、回路电流、接触电阻的大小、数量和位置等因素均 会显著影响vIs的发热情况，在vIs设计时要综合考虑。 参考文献 『1]徐国政，张节容，钱家骊，等高压断路器原理和应用北京：清华大学出版社，2000 [2]吴励坚大电流母线的理论基础与设计北京：电力工业出版社，1984 [3]JohnHLienhardThirdEdition，AheattransferTextbookNew-Jersey：Printice—Hall，EnglewoodCliffs 1981 作者简介：王宁(1982一)，女，硕士研究生，主要研究方向为新型高压电器。清华大学电机 及应用电子技术系，电话：62780639，Email：heavenocl@mailstsinghuaeducn 刘卫东(1961一)，男，教授，主要研究方向为高压电器及其状态监测。清华大学电机及应 用电子技术系，Email：1wd—dea@tsinghuaeducn 关永刚(1974)，男，博士，主要研究方向为新型高压电器及状态监测。清华大学电机及 应用电子技术系，Email：eeagyg@tsinghuaedueel 周远翔(1966)，男，教授，主要研究方向为高电压绝缘技术。清华大学电机及应用电子 技术系。Email：zhouyx@tsinghuaeduen XavierGodechot，男，博士，主要研究方向为高压真空开关。法国AREVAT&D公司。Email