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大电流开关柜温度分布特性的影响因素分析

负荷电流、环境温度、接触电阻是影响大电流开关柜温升的重要因素。本文针对4000A大电流开关柜建立仿真建模,利用COMSOL进行电磁-传热-对流多物理场耦合仿真计算,归纳了4000A大电流开关柜内部温度分布规律;研究了负荷电流、环境温度以及开关柜各部位接触电阻的增加对于母线和梅花触头温升的影响情况。

本设计并进行了大电流开关柜不同负荷条件下稳态温升实验,实验结果验证了仿真模型的合理性。经计算得出,对于4000A大电流开关柜,在负荷达到约80%时,梅花触头温升已超出国标上限,需要对开关柜进行强制散热。

环境温度对开关柜内部温升有较大的影响,在设计开关柜温升监测系统时不能忽视环境温度的监测。梅花触头与静触头搭接点接触电阻的增加较大程度影响梅花触头和母线的温升,因此需要对梅花触头的温升实时监测以确保及时发现异常运行状态。

电流互感器是大电流开关柜中不可忽略的发热部位,若安装不当存在接触问题,则会产生异常温升影响整体母线温度分布。本文研究结果可为后续开展开关柜温升在线监测、故障位置判断以及设计运维方案提供一定的理论依据。

随着经济的发展,用电需求的快速增加,配电网的负荷越来越重。开关柜是配电网中重要的开关设备,维系着配电网的安全稳定性。过重的负荷给开关柜带来了严重的发热问题,异常的温升可能会导致开关柜异常状态运行产生故障甚至发生爆炸,危及人身安全和造成大停电事故。

开关柜的温升与回路电阻的大小密不可分,而接触电阻是回路电阻的主要组成部分,因此接触电阻的大小是影响开关柜温升的重要因素。

开关柜中的接触电阻主要存在于梅花触头与静触头的搭接点、断路器真空灭弧室内的动静触头以及电流互感器与母线的连接部位。从工程经验来看,梅花触头部位最易发生过热故障,这是由于断路器手车的频繁操作导致梅花触头磨损,造成接触电阻增大致使发热更加严重,温升的增加又加剧接触面氧化腐蚀[1],导致接触电阻进一步增加,形成恶性循环。

目前针对开关柜温升特性已开展了大量研究工作。贾文卓仿真计算了40.5kV高压开关柜在一定负荷电流下母排的温升情况,发现三相触头附近温升最高,接触部位是重要的热源[2]。

徐立群等仿真计算一定室温下额定负荷电流运行的KYN28A-12型开关柜温度场,但未考虑开关柜中的接触电阻[3]。任君鹏等和张炜等针对KYN-28型开关柜进行了一定室温和负荷下温度场仿真,将接触电阻的影响体现在发热功率的设置中,开关柜在4000A负荷下最大温升约57℃[4-5]。

李晶等针对1250A额定电流开关柜梅花触头进行了仿真和实验研究,发现触头接触不良会导致母线温度分布梯度变大[6]。王秉政等针对XGN2型开关柜开展了额定电流运行时不同接触电阻对开关柜温度场分布影响的仿真研究,隔离开关旋转触头、断路器触头、母线压接接头处温升随该部分接触电阻的增加呈线性增大趋势[1]。

综上所述,现阶段的研究大多忽视了负荷与室温的变化对于开关柜温升特性的影响,而对于接触电阻的研究普遍较为粗略,且缺少温升实验对开关柜整体温度分布特性的佐证。

因此,本文针对KYN-28型4000A大电流开关柜进行建模仿真,通过理论计算获得梅花触头与静触头搭接点接触电阻,研究不同负荷和环境温度下,开关柜温度分布规律,并通过温升实验验证了仿真模型的合理性。随后针对开关柜各部位接触电阻的增加对于开关柜整体温度分布特性的影响进行了研究。基于此模型可开展温升预测的研究工作,为测温传感器的布置方案提供理论依据,研究结果也有望为大电流开关柜运维计划提供理论指导。

图4  开关柜温度分布图
大电流开关柜温度分布特性的影响因素分析

图5  梅花触头温度传感器布置情况
大电流开关柜温度分布特性的影响因素分析

结论
本文对典型的KYN-28型4000A大电流开关柜型进行了温度场仿真研究,着重计算了负荷电流、室温以及接触电阻对于温度分布特性的影响,并通过温升实验验证了模型的合理性。研究结果可为开关柜温升在线监测以及大电流开关柜运维方案的设计提供理论参考。以下是相关结论:

1)对于4000A大电流开关柜,大负荷运行带来较高的温升,当负荷增加至约3250A时,开关柜内部梅花触头温升已超出相关标准规定上限,须及时采取强制散热措施。室温同样大幅度影响着开关柜内部温升,环境温度的改变对于上方母线及触头影响更大,在3000A负荷下,室温从10℃变化到30℃可使梅花触头温升增加约10℃~15℃。

2)梅花触头等部件处的接触电阻是影响温升的重要因素。梅花触头与静触头搭接点接触电阻的增加较大幅度影响上下方梅花触头及母线温升,在3000A负荷下,上方梅花触头处接触电阻增大10倍,会导致其自身温升增加180℃。且负荷越大,接触电阻对温升的影响越大。断路器真空灭弧室内动静触头接触电阻的增加对于整体温升影响相对较小。

3)通过仿真及实验发现电流互感器也是开关柜内部发热较为严重的部位,若安装不当使得接触不良,则会造成较高的温升,危及开关柜正常运行。在设计开关柜温度监测系统时,根据情况可将此部件的温升监测纳入设计方案中。
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