真空斷路器溫升模擬與散熱設(shè)計

石 磊，駱文平

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真空斷路器溫升模擬與散熱設(shè)計

石 磊1，駱文平2

（1.海軍駐武漢719所軍事代表室，武漢430064； 2.武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢430064）

溫升對斷路器的性能有著重要影響，是斷路器設(shè)計時重點(diǎn)考慮的指標(biāo)之一。筆者以某型10kV/5kA的真空直流斷路器作為研究對象，通過熱電耦合法對其進(jìn)行了溫度場數(shù)值模擬，與溫升試驗(yàn)結(jié)果高度吻合。此后，探討了散熱器的配置位置以及強(qiáng)迫風(fēng)冷方式對該型斷路器溫升分布的影響，最后提出了針對該斷路器行之有效的溫升改善措施。本文對真空斷路器的散熱設(shè)計有一定的參考意義。

溫升 真空斷路器 熱電耦合 散熱設(shè)計

0 引言

真空斷路器因?yàn)槭褂脡勖L、便于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，目前在國內(nèi)12 kV斷路器的市場占有率已經(jīng)高達(dá)98.85%[1]。隨著高壓電力系統(tǒng)發(fā)展的需要和人們對環(huán)境問題的日益重視，真空斷路器正在不斷向著小體積、高電壓、大電流的方向發(fā)展，這也使得散熱問題漸被重視[2]。張百華、搞乃奎等人分析了斷路器導(dǎo)電回路材料、斷路器相間距以及安裝工藝三方面因素對真空斷路器溫升的影響, 并提出了降低溫升的有效措施。張曉虹、張亮等人從實(shí)際設(shè)計經(jīng)驗(yàn)出發(fā), 指出通過合理設(shè)計風(fēng)道結(jié)構(gòu)、降低電阻損耗和鐵磁損耗可以有效控制真空斷路器內(nèi)的溫升。鑒于斷路器用散熱器通常為矩形肋散熱器，因此學(xué)者們針對矩形肋散熱器也做了相當(dāng)可觀的研究。Aung[5,6]等人研究了不對稱加熱的情況，他們采用數(shù)值方法和實(shí)驗(yàn)方法計算和測量了兩塊平行鋁板間氣流的溫度分布情況。隨后，Wirtz[7]等人采用實(shí)驗(yàn)方法測量了等熱流加熱情況下的溫度場。S.Acharya&A.Mehrotra[8]通過實(shí)驗(yàn)研究了等熱流和等壁溫情況下由光滑平板和翅片板所組成的豎直通道內(nèi)的自然對流換熱。盡管如此，目前還沒有文獻(xiàn)對高壓真空斷路器進(jìn)行詳細(xì)的溫度場分析與散熱設(shè)計。本文將以某型10 kV/5 kA真空斷路器作為研究對象，著重分析其溫度場分布特點(diǎn)與影響因素，可為高壓真空斷路器的熱設(shè)計提供參考。

1 真空斷路器的結(jié)構(gòu)

本文所研究的10 kV/5000 A真空斷路器導(dǎo)電回路部分結(jié)構(gòu)如圖1所示。顯然，

導(dǎo)電回路主要由進(jìn)線銅排、位于滅弧室內(nèi)的靜導(dǎo)電桿和動導(dǎo)電桿、兼導(dǎo)電作用的下散熱器、出現(xiàn)銅排等幾部分組構(gòu)成。其中，靜導(dǎo)電桿上端通過法蘭與進(jìn)線銅排形成固定連接，下散熱器與動導(dǎo)電桿通過彈簧觸指形成滑動連接，下散熱器與出線銅排通過螺栓形成固定連接。兩塊絕緣環(huán)氧板與斷路器機(jī)架固連，對整個導(dǎo)電回路起到支撐作用。所示結(jié)構(gòu)中，上散熱器為鋁制，真空滅弧室外殼為陶瓷材質(zhì)，下散熱器為銅制。真空滅弧室內(nèi)導(dǎo)電桿結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中觸頭部分為銅鉻合金，動導(dǎo)電桿外部和靜導(dǎo)電桿均為純銅制造，而動導(dǎo)電桿內(nèi)部為鈦合金材料，以保證斷路器在操動機(jī)構(gòu)作用下開斷時，動導(dǎo)桿具有足夠的抗拉強(qiáng)度。

2 真空斷路器溫度場模擬

在進(jìn)行溫度場仿真分析時，必須對原模型進(jìn)行相應(yīng)的簡化。真空滅弧室外殼為陶瓷制造，其熱傳導(dǎo)系數(shù)極小，故可以將其視為絕熱處理。對此真空斷路器而言，動靜觸頭處和彈簧滑動觸指處的接觸電阻在回路總電阻中占據(jù)主要地位，故這兩處應(yīng)為集中熱源，其余導(dǎo)電回路部分為分布熱源。對于接觸電阻，本文采用接觸電橋法處理。在熱分析中，彈簧觸指處僅體現(xiàn)為一集中熱源，故而在該處熱功率等效的條件下可對彈簧進(jìn)行模型等效。斷路器在進(jìn)行溫升試驗(yàn)時，在進(jìn)出線端須分別搭接5根長度均為3 m的銅排。為了和溫升試驗(yàn)進(jìn)行對比，在仿真模型建立時，理應(yīng)考慮到此外接銅排。顯然，此真空斷路器溫升仿真模型為一對稱結(jié)構(gòu)，為了提高計算精度和計算效率，文中僅采用1/2模型進(jìn)行仿真分析。最終仿真分析模型如圖3所示。在導(dǎo)電回路加載額定電流以后，所得溫度場如圖4所示，觸頭接觸處最高溫度為99.43℃。溫升試驗(yàn)中各檢測位置（圖3所示）的溫度值與相應(yīng)仿真值對比如圖5所示，仿真誤差保持在4℃以內(nèi)，可見仿真具備較高的可信性。

3 真空斷路器溫升改善措施

根據(jù)仿真結(jié)果可知，在環(huán)境溫度為20℃時，此真空斷路器觸頭處最高溫升為79.43℃，已然不符合國標(biāo)要求，其散熱條件仍需進(jìn)行改善。下面就散熱器的配置位置和是否需要采取強(qiáng)迫風(fēng)冷措施進(jìn)行探討。

3.1 僅靜導(dǎo)桿端配置散熱器

在圖1所示模型中，如果只保留靜導(dǎo)桿端散熱器，斷路器相關(guān)部位溫度隨該散熱器綜合散熱系數(shù)的變化關(guān)系如圖6所示。顯然，靜導(dǎo)桿溫度隨該散熱器換熱能力的提高而迅速減小，動導(dǎo)桿溫度變化幅度相對極為緩和。對于一散熱器而言，其散熱能力是由其換熱面積和翅片表面空氣流動狀況共同決定的。對于此尺寸一定的散熱器，翅片表面空氣流速增加到一定值后，其散熱能力基本可視為恒定。對于該斷路器而言，此種散熱條件下觸頭最高溫度為112℃，且該最高溫度點(diǎn)位于動觸頭處。當(dāng)散熱器散熱能力接近飽和時，觸頭最高溫度依然在100℃左右。當(dāng)散熱器綜合散熱系數(shù)大于自然冷卻條件下的綜合散熱系數(shù)時，意味著采取了強(qiáng)迫風(fēng)冷的散熱方式。這就是說，當(dāng)只在靜導(dǎo)桿端配置散熱器時，一味的增大散熱器的尺寸或者采用強(qiáng)迫風(fēng)冷的散熱方式，只能徒勞增加設(shè)備體積、造成額外功率消耗，并不能有效改善真空斷路器的溫升狀況。

3.2 僅動導(dǎo)桿端配置散熱器

在圖1所示模型中，如果只保留動導(dǎo)電桿處散熱器，斷路器相關(guān)部位溫度隨該散熱器綜合散熱系數(shù)的變化關(guān)系如圖7所示。同樣，隨著相應(yīng)散熱器散熱能力的增強(qiáng)，斷路器各處位置溫度均不斷下降。相比而言，動導(dǎo)桿處溫升下降最為劇烈，靜導(dǎo)桿處溫升下降較緩。然而，斷路器最高溫度始終位于動觸頭一側(cè)，并未轉(zhuǎn)移到靜觸頭側(cè)，這也說明了動靜觸頭間的熱量流動相當(dāng)困難。盡管動導(dǎo)桿處配備有散熱器，但是由于彈簧滑動觸指和觸頭接觸處均是主要集中熱源，故在散熱器較寬泛的有限散熱能力區(qū)間內(nèi)，動導(dǎo)桿的溫度都高于靜導(dǎo)桿端。由圖可知，在僅配置動導(dǎo)桿側(cè)散熱器時，自然冷卻條件下斷路器最高溫度為121.8℃，而當(dāng)該散熱器綜合散熱能力提高到20 W/(m2K)時，斷路器最高溫度仍高達(dá)110.5℃。如前所述，對于一定尺寸的散熱器而言，其散熱能力終將會達(dá)到飽和。因而可以預(yù)見，如果只配備此動導(dǎo)桿側(cè)散熱器并不斷加強(qiáng)強(qiáng)迫風(fēng)冷，盡管斷路器靜導(dǎo)桿處和觸頭處的溫升均會繼續(xù)下降，但下降的速率會越來越緩慢。換言之，此種條件下即便采取強(qiáng)迫風(fēng)冷，同樣難于使得斷路器的溫升達(dá)到國標(biāo)要求。即便勉強(qiáng)使得斷路器的溫升滿足國標(biāo)要求，卻也要造成巨大的功率消耗，同時必然增加了設(shè)備的體積。

3.3 靜動導(dǎo)桿端均配置散熱器

由前易知，如果只選擇靜導(dǎo)桿或者動導(dǎo)桿其中一側(cè)布置單一的散熱器，無論是否采用強(qiáng)迫風(fēng)冷，都難于使得真空斷路器溫升狀況分布良好。原因在于，真空斷路器觸頭為銅鉻合金，其熱傳導(dǎo)率較小，而動靜觸頭接觸面微觀上同樣是點(diǎn)接觸，從而具有一定的接觸熱阻，這在很大程度上阻礙了熱量在動靜觸頭間的傳遞。為了使得真空斷路器具有良好的

溫升分布，就必須在動靜導(dǎo)桿側(cè)分別配置一相應(yīng)的散熱器，只有當(dāng)斷路器開斷電流相當(dāng)大以至于在自然冷卻狀態(tài)下確實(shí)難于實(shí)現(xiàn)其溫升的有效改善時，才可考慮輔以強(qiáng)迫風(fēng)冷的手段。

對于本文的真空斷路器而言，動導(dǎo)桿側(cè)散熱器顯然具有充分的改善空間。為此，設(shè)計新的散熱器如圖8所示，相比原散熱器而言尺寸有所增加。在自然冷卻條件下，真空斷路器溫升分布如圖9所示。顯然，此時觸頭處最高溫升為62.26℃，已經(jīng)滿足國標(biāo)要求。

4 結(jié)論

隨著斷路器開斷容量的增加，散熱設(shè)計的重要性不言而喻。筆者針對某型10kV/5kA真空斷路器進(jìn)行溫度場分析，得出結(jié)論如下：

1）對于面接觸處的接觸電阻，可以采用接觸電橋進(jìn)行模擬，接觸電橋的設(shè)置不應(yīng)對原結(jié)構(gòu)造成較大改變。通過仿真與試驗(yàn)的對比，這樣處理接觸電阻是行之有效的。

2）對于真空斷路器，僅在靜導(dǎo)桿或者動導(dǎo)桿一端設(shè)置散熱器，難于達(dá)到滿意的散熱效果，即便是一味的增加散熱器尺寸或者采取強(qiáng)迫風(fēng)冷的散熱方式。

3）銅鉻合金觸頭接觸處總熱阻較大，嚴(yán)重阻礙了熱流在動靜導(dǎo)桿間的傳遞。因此，對真空斷路器而言，在動靜導(dǎo)桿端分別布置散熱器是散熱設(shè)計的最佳選擇。當(dāng)真空斷路器額定電流過大時，可輔以強(qiáng)迫風(fēng)冷。

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Thermal Design and Numerical Simulation of Temperature Rise for Vacuum Circuit Breaker

Shi Lei1, Luo Wenping2

（1.Naval Representatives office in 719 Research Institute, Wuhan 430064, China; 2.Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion,Wuhan 430064, China）

TM561

A

1003-4862（2016）05-0068-04

2016-04-09

石磊(1966-), 男，高級工程師。研究方向：電力電子技術(shù)。