基于有限元的隔离开关触头系统电-热耦合场计算与热稳定性分析

刘雨芳 张 旻

（湖南工贸技师学院，湖南 株洲 412000）

在国民经济飞速发展的当今社会，高压开关不断向大容量、大电流升级，因此，对通流能力的高要求使得高压隔离开关的热稳定性需要经受更严格的考验。然而，以动、静触头接触系统为首的隔离开关导电回路过热问题一直没得到很好解决。温度对电气设备的安全运行具有重要影响，当隔离开关的温度较高时，会使材料老化速度加快，减少使用寿命，同时，当隔离开关承受短时冲击电流情况下，如若热稳定性不达标，则巨大的温升极易造成部件熔损，酿成安全事故。因此，研究隔离开关温升具有重要意义，而动、静触头接触系统又是隔离开关温升最高，发热最严重的部位，所以对触头系统进行热稳定性分析是重中之重。

许多高压设备生产企业中仍在使用经验法与试验法，这些方法投入成本高，效率低下，难以满足激烈的市场竞争与电网高速发展的需要，而计算机辅助工程（computer aided engineering, CAE）的发展，为高压开关设计、分析提供了一种新的手段，可以在计算机上仿真模拟工程试验，使得产品设计开发的难度与成本大幅降低。本文利用 ANSYS MAXWELL、ANSYS Workbench，对隔离开关钳夹式触头接触系统进行热稳定性试验温升仿真计算，提出了一种综合热接触理论、接触力学理论、电-热耦合分析的高压电器温升有限元计算方法。

1 有限元模型建立

隔离开关钳夹式触头如图1所示。有限元计算模型包括动触头座、动触指、弧角块、弧角、静触杆。

图1 GW16型隔离开关触头

在试验中，电流应从静触头流入，从动触头座流出，构成通路，可以忽略绝缘垫圈、塑料轴套等绝缘零件。本文采用自由方式与扫略方式相结合的网格划分方法，既满足计算精度需要，又符合节省计算机资源的要求。划分网格后有限元模型如图 2所示。

图2 有限元模型

2 涡流场计算

触头发热由多种因素造成，首先，导电回路中的电流会在导体自身电阻上产生热损耗；其次，各零部件接触面上存在的接触电阻也会造成大量热损耗，甚至可能使接触区域熔焊，同时，导体通入交变电流产生集肤效应，增大电阻，使发热加剧。

因此，在进行温升瞬态分析前，首先进行涡流场计算。材料参数见表1。

表1 材料属性

根据GB/T 762-2002《标准电流等级》标准，令短时耐受电流为 63kA，工频 50Hz。计算得到电流密度与欧姆损耗。其中欧姆损耗作为瞬态温度计算的载荷。

3 接触电阻生热计算

触头系统剖面视图如图 3所示。A、B、C、D为动触头的4对触指，每对触指与静触杆之间有两个接触面，分别为 A1、A2、B1、B2、C1、C2、D1、D2，即共有8对接触，可将其等效为8个阻值相同接触电阻并联，如图4所示。

图3 触头截面图

图4 触头系统等效电路

接触电阻的计算较为困难，在一般情况下，常采用式（1）经验公式计算接触电阻[2]。但本公式计算结果存在一定误差。因此在工厂中常通过测量电压降来实测接触电阻，即

式中，Rj为接触电阻，单位Ω；F为接触压力，单位为N；根据实验，压力不太大时，点接触时m取值0.5，线接触时取值为0.7左右，面接触时m=1；实验确定，表面未氧化的铜-铜接触，kj值在 0.08至0.14之间。

触指夹紧力为360N，则每对接触压力F=360/8=45N。静触杆与触指间为线接触，可令m=0.7，且二者皆为铜材料，因此可取kj=0.1，通过式（1）得到Rj约为 31.9μΩ。

热通量q为流过单位面积的热量，是计算温度场的边界条件。计算热通量需先计算每对接触的接触面积与接触电阻产生的热量。

根据 Hertz弹性接触理论，圆柱型静触杆与触指平面的接触面由于夹紧力的作用会发生弹性形变，接触面的接触半宽a可根据式（2）计算[4]。

式中，a为接触半宽；r为圆柱半径，静触杆 r=3×10-2m；μ1、μ2分别为圆柱与平面材料的泊松比；E1、E2分别为圆柱与平面材料的弹性模量。材料参数见表2。

表2 材料参数

根据式（2）计算得接触半宽为

由于接触面为矩形，长度l=5mm，则一对接触的接触面积为

从涡流场计算结果中提取8个接触面各自的最大电流密度，同时将其换算为电流之比，计算结果见表3。

表3 触指接触区内电流分配百分比

根据对称性原则，取A1、B1、C1、D1电流平均值为 I1，A2、B2、C2、D2的平均值为 I2。总电流 63kA，计算得到I1为8615A，I2为7134A。

由焦耳热定律、热通量公式：

式中，Q为焦耳热；I为电流；R为接触电阻。

式中，q为热通量；Q为焦耳热；s为接触面积。

得到各接触面热通量见表4。

表4 热通量计算结果

4 结果分析

加载涡流场分析结果为激励，加载热通量作为边界条件，将对流换热系数设为7W/m2·K[10]，设钢材的发射率为0.8，铝合金的发射率为0.1，铜合金的发射率为 0.2，令仿真环境温度为 29℃，进行瞬态温度场计算。

3s时间内，触头系统最高温度变化曲线如图 5所示。第3s时触头表面温度云图如图6所示。计算表明，在承受63kA短时耐受电流3s后，触头接触系统最高温度分布于动触指与静触杆狭小的接触区内，达到610.45℃，符合实际情况。GB/T 11022-2011规定热稳定性试验通过条件为试验中未造成部件损伤，当触指为裸铜材料时，熔点高达1000℃，大于610.4℃的最高温，触点不会发生粘连、熔焊等损坏，表明该触头系统满足热稳定性要求。

图5 最高温度-时间变化曲线

图6 触头接触部位温度场分布云图

高温将使化学反应加速，金属氧化加快。据实验，若空气中的铜触头达到100℃，1h后，接触电阻将增大近50倍。因此，需降低隔离开关的接触电阻，从而降低温升，提高性能。

针对触头系统氧化造成接触电阻大幅增加的问题，一方面可以优化机械设计，利用动、静触头间的滑动来清除氧化膜，从电接触方面来看，可以加大触头夹紧力，从而增大接触面积，实现降低温升的目的。

通过多次更改模型计算参数进行仿真计算，得到夹紧力与最高温度的关系如图7所示，接触长度与最高温度的关系如图8所示。

图7 夹紧力-最高温度关系曲线

图8 接触长度-最高温度关系曲线

根据仿真结果，在一定范围内，增大夹紧力或接触长度能够减小温升，但随着夹紧力和接触长度的不断增大，降低温升的效果愈发不明显。因此，在实际工程中取恰当即可。

提高触头的抗氧化性与耐腐蚀性，也可以有效减小接触电阻，因此，实际中通常在触头表面镀Ag、Zn等金属覆盖层，在增强抗氧化性的同时，也可增强导电性的导热性。除此之外，做好隔离开关维护工作，同样对提高性能、延长使用寿命具有重要意义。

5 结论

本文采用间接耦合法，对隔离开关钳夹式动、静触头系统进行热稳定性试验仿真与温升分析。

1）本文提出一种电-热耦合场分析方法，流程如图9所示。

图9 电-热耦合场计算流程

2）依据国标规定，通入63kA的短时耐受电流，3s后，动触指与静触杆接触区内的温度最高，达到610.45℃，该温度小于材料熔点，不会发生熔焊等损坏，符合情况。

3）隔离开关运行时的温度会加速接触电阻增加，降低温升的方法有：增加夹紧力；增加接触长度；改进机械设计；给触头加镀覆盖层；合理、有效维护。