|
斷路器手車觸頭過(guò)熱性故障機(jī)理分析及防止措施
黃勐哲1 ，陳麗安2(1.國(guó)網(wǎng)三明供電公司 ，福建三明365000;2.廈門(mén)理工學(xué)院電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福建廈門(mén)361024)
摘 要：斷路器手車觸頭接觸不良發(fā)熱，會(huì)導(dǎo)致過(guò)熱 ，甚至?xí)l(fā)展成為電網(wǎng)事故。基于多場(chǎng)耦合有限元法建立了斷路器手車觸頭溫升計(jì)算的三維模型，采用該模型對(duì)不同插入深度和偏移角度進(jìn)行了力場(chǎng)計(jì)算，分析了靜觸頭插入深度和偏移角度對(duì)接觸壓力的影響，并進(jìn)行了插入深度試驗(yàn)，結(jié)果表明，插入深度不足導(dǎo)致的梅花觸頭接觸電阻增大是斷路器手車觸頭過(guò)熱性故障的主要原因。接著計(jì)算分析了在額定電流作用下靜觸頭插入深度為1/2時(shí)的斷路器手車觸頭穩(wěn)定溫升、電流密度與應(yīng)力分布。最后搭建了裝有記憶合金材料壓片的梅花觸頭和裝有普通材料壓片的梅花觸頭的對(duì)比溫升試驗(yàn)平臺(tái)，結(jié)果表明，使用記憶合金壓片有助于 降低梅花觸頭溫升，有效地降低了過(guò)熱性故障的故障率。關(guān)鍵詞：斷路器手車；梅花觸頭 ；靜觸頭；溫升計(jì)算；記憶合金壓片；過(guò)熱性故障
0 引言開(kāi)關(guān)柜柜體產(chǎn)生細(xì)微變形或者斷路器通過(guò)手車推進(jìn)至開(kāi)關(guān)柜運(yùn)行位置不到位情況時(shí) ，容易造成梅花觸頭與柜體的靜觸頭插人深度不夠或者沒(méi)有對(duì)中。此時(shí)由于接觸不對(duì)稱會(huì)導(dǎo)致接觸處壓力減小，接觸電阻增大。梅花觸頭在這種情況下通人大電流長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行會(huì)造成緊固觸指的壓片過(guò)熱，壓片的彈性系數(shù)減小，從而對(duì)觸指的壓力降低，接觸電阻進(jìn)一步增大，溫度持續(xù)升高，惡性循環(huán)，最終引發(fā)過(guò)熱性故障?div id="d48novz" class="flower left"> ，F(xiàn)有的預(yù)防措施主要有在線測(cè)溫裝置和快速弧光保護(hù)裝置，受靈敏度限制，某些情況下不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障，造成損壞。
文中提出一種采用記憶合金壓片的防止措施，通過(guò)在梅花觸頭觸指的外周套設(shè)由記憶合金制成的壓片 ，利用記憶合金對(duì)溫度變化的形變特性，當(dāng)梅花觸頭和靜觸頭由于接觸不良而引起觸頭溫度超過(guò)記憶合金溫度形變點(diǎn)時(shí)，記憶合金壓片發(fā)生溫度形變，向內(nèi)緊扣梅花觸頭觸指，降低梅花觸頭觸指和靜觸頭、觸指和觸臂之間的接觸電阻，減小發(fā)熱，能有效降低過(guò)熱性故障的故障率。有限元的思想就是把要處理的復(fù)雜的解分解成大量的計(jì)算時(shí)間較短的解的集合 ，并按一定的方式銜接整合COMSOL模擬物理場(chǎng)分布時(shí)，會(huì)對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，根據(jù)實(shí)際需求構(gòu)建網(wǎng)格，實(shí)現(xiàn)各個(gè)區(qū)域劃分，按區(qū)域進(jìn)行物理場(chǎng)展開(kāi)求解。1 壓片產(chǎn)生的力值測(cè)量首先將壓片按圖1所示用夾具固定后放人盛冷水的容器內(nèi)，然后放在壓力機(jī)下 ，壓片一端以恒定的速率被壓下2.8mm(靜觸頭插人梅花觸頭時(shí)，壓片被壓下的距離)，保持壓盤(pán)的頂針不動(dòng)，通過(guò)加熱棒加熱水，調(diào)節(jié)水的溫度由20℃升至100℃，用溫度計(jì)監(jiān)測(cè)水溫，記錄電腦上顯示的力值，溫度每變化 10°C記錄一次力值。記憶合金壓片和普通壓片測(cè) 量結(jié)果見(jiàn)表1。
圖1 力值測(cè)量 由表1可以看出 ，隨著溫度的升高，普通彈簧鋼壓片的力值基本不變 ，而記憶合金壓片的力值在達(dá)到溫度形變點(diǎn)(50時(shí)迅速增大 ，并在高溫時(shí)逐漸趨于平緩。在20～30℃的范圍 ，記憶合金壓片的力值比普通壓片的力值?div id="jfovm50" class="index-wrap">。淮笥?span>30℃ ，記憶合金壓片的力值比普通壓片的力值大 。
表1 壓片力值與溫度的關(guān)系
2 斷路器手車觸頭有限元計(jì)算模型2.1 斷路器手車觸頭基本結(jié)構(gòu)觸頭結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2,觸頭設(shè)有觸臂、靜觸頭以及梅花觸頭 ，而梅花觸頭又由觸指 、支撐架和壓片組成。支撐架的中間設(shè)有通孔 ，支撐架的外周設(shè)有用
于固定觸指和壓片的定位孔 ；觸指裝配于支撐架上并構(gòu)成環(huán)形體，壓片裝設(shè)于觸指外側(cè) ，壓片的中間部分固定于支撐架定位孔側(cè)壁 ，壓片兩端與觸指兩端扣接，扣接后壓片為觸指和靜觸頭 、觸指和觸臂的電接觸面提供接觸壓力 。為了降低接觸電阻，在觸指和靜觸頭的表面鍍銀，厚度為12μm
圖2 觸頭結(jié)構(gòu) 2.2 計(jì)算原理一般情況下 ，電流和熱流只能通過(guò)接觸面從一個(gè)部分傳遞到另一部分。C0MS0L中分別在結(jié)構(gòu)力場(chǎng)中設(shè)置接觸對(duì)，電流場(chǎng)中設(shè)置電子接觸對(duì)，傳熱場(chǎng)中設(shè)置熱接觸對(duì)(接觸對(duì)即觸指和靜觸頭、觸指和觸臂的電接觸面)。具體原理如下：首先在觸指的上表面施加邊界載荷(普通壓片為恒定壓力38N；記憶合金壓片為由表1記憶合金壓片溫度和力值關(guān)系定義的內(nèi)插函數(shù)，參變量為溫度，函數(shù)為對(duì)應(yīng)的力值)，代人到結(jié)構(gòu)力場(chǎng)去計(jì)算出觸點(diǎn)的初始接觸壓力，由觸點(diǎn)的初始接觸壓力進(jìn)一步計(jì)算出初始接觸電阻和初始接觸熱阻；然后將接觸電阻當(dāng)作輸人的參數(shù)代人到電流場(chǎng)計(jì)算出每一部分的焦耳損耗，并當(dāng)作熱量輸人與接觸熱阻一起代人到傳熱場(chǎng)來(lái)計(jì)算各個(gè)節(jié)點(diǎn)的溫度 ，觸點(diǎn)溫升產(chǎn)生的熱應(yīng)力會(huì)影響接觸壓力，進(jìn)而影響接觸電阻和接觸熱阻 ，接觸電阻和接觸熱阻的變化又會(huì)反過(guò)來(lái)影響傳熱場(chǎng) ，直到溫度趨于穩(wěn)定值，因此斷路器手車觸頭溫升計(jì)算需要多次迭代直至收斂 。
3 插入深度和偏移角度(普通壓片）靜觸頭插人深度試驗(yàn)平臺(tái)見(jiàn)圖3,在控制臺(tái)輸人移動(dòng)距離 ，斷路器手車移動(dòng)到不同的指定位置，使靜觸頭全插人 、插人3/4 、插人1/2和插人1/4，用回路電阻測(cè)試儀分別測(cè)量不同插人深度下的普通梅花觸頭的接觸電阻 ，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表2 。
圖3 靜觸頭插入深度試驗(yàn)平臺(tái)
表2 不同插入深度下梅花觸頭接觸電阻試驗(yàn)值
由表2和圖3可以看出，靜觸頭插人的越少 ，接觸壓力就越小 ，電阻值也就越大。插入深度在一定范圍內(nèi) ，電阻值變化并不顯著；而當(dāng)插人深度小于某一值時(shí) ，電阻值迅速增長(zhǎng) ，主要原因是觸指的弧面與靜觸頭末端錐形端面連接(為了更容易插人而設(shè)計(jì)的)，在壓片壓力作用下 ，弧形的觸指接觸端面對(duì)靜觸頭的軸向擠壓力將變大 ，靜觸頭開(kāi)始從觸指中退出，靜觸頭和觸指接觸不充分 ，造成接觸電阻迅速增大 。
采用文中所建立的斷路器手車觸頭模型，在環(huán) 境溫度為28℃(301.15K),僅對(duì)結(jié)構(gòu)力場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算 。添加參數(shù)dx ，選擇靜觸頭作為移動(dòng)對(duì)象 ，移動(dòng)距離設(shè)置為dx (即靜觸頭插人的距離),然后參數(shù)化掃描dx，范圍從0 mm到28 mm ，仿真結(jié)果見(jiàn)圖4 。
圖4 插入深度和接觸面平均壓力的關(guān)系 計(jì)算接觸電阻的經(jīng)驗(yàn)式為
式（1）中：R1為觸頭的接觸電阻，μΩ ；m為與接觸形式有關(guān)的系數(shù) ；K為與接觸材料、表面情況 、接觸方式等有關(guān)的系數(shù) 。
由式(1)可以看出，接觸電阻和接觸壓力呈反比 ，仿真得到的接觸壓力平均值隨插人深度的變化規(guī)律和試驗(yàn)得出的梅花觸頭接觸電阻隨插人深度的變化規(guī)律相近 ，驗(yàn)證了仿真的正確性。
同理添加參數(shù)sx ，選擇靜觸頭作為偏移對(duì)象 ，偏移角度設(shè)置為sx，然后參數(shù)化掃描范圍從0°到2° ，
仿真結(jié)果見(jiàn)圖5 。
圖5 偏移角度和接觸面平均壓力的關(guān)系
靜觸頭的同軸偏移角度越大，接觸面平均壓力越小 ，但是在一定范圍內(nèi)接觸面平均壓力減小并不明顯 ，所以插歪的情況對(duì)接觸電阻影響相對(duì)較小。
當(dāng)電流通過(guò)觸頭時(shí)接觸點(diǎn)的溫升計(jì)算式為
式(2)中：L為系數(shù) ，2.4xl0-8V2/K2 ；T為觸頭平均溫度。由式(2)可以看出 ，隨著接觸電阻增大 ，接觸點(diǎn)溫升呈平方型大幅度增長(zhǎng)。
4 插入深度為1/2情況下的仿真分析采用文中所建立的斷路器手車觸頭模型 ，在環(huán)境溫度為28℃(301.15K),以靜觸頭插人深度1/2為例 ，計(jì)算頻率為50HZ電流大小為1250
A，斷路器手車觸頭的電流密度分布 、溫度分布和應(yīng)力分布 。
4.1 電流場(chǎng)仿真結(jié)果分析電流密度分布見(jiàn)圖6。從圖6可看出 ，電流由觸臂通過(guò)觸指流到靜觸頭 ，電流線在觸指和靜觸頭、觸指和觸臂的電接觸面收縮形成附加的接觸電阻 ，接觸電阻乘以電流的平方在觸點(diǎn)上形成了額外的焦耳熱源。
圖6 電流密度分布 4.2 溫度場(chǎng)仿真結(jié)果分析由于梅花觸頭和靜觸頭都處于觸頭盒內(nèi) ，相對(duì)封閉，換熱系數(shù)要低于空氣自然對(duì)流換熱系數(shù) ，據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)置為2W/(m2·K) 。
1) 裝有普通壓片觸頭的溫度分布見(jiàn)圖7(a)，由于導(dǎo)體的熱傳導(dǎo)性好 ，觸頭穩(wěn)定溫升范圍為78.7?78.9
K,整體溫度分布基本一致 ，但超過(guò)國(guó)標(biāo)允許的75K，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行會(huì)引發(fā)過(guò)熱性故障 。從圖7(b)可以看出 ，觸指和觸臂接觸點(diǎn)上的溫度要高于其他部位，這主要是由于電流流經(jīng)接觸點(diǎn)時(shí)發(fā)生收縮 ，形成了接觸電阻 ，接觸電阻乘以電流的平方產(chǎn)生額外的焦耳熱源。
2) 裝有記憶合金壓片觸頭的溫度分布見(jiàn)圖8 ，觸頭穩(wěn)定溫升范圍為74?74.1K ，與圖7(a)普通壓片相比整體溫升下降了4.8 K。
4.3 結(jié)構(gòu)力場(chǎng)仿真結(jié)果分析靜觸頭上的應(yīng)力分布見(jiàn)圖9,從圖9可以看出 ，由于壓片壓力施加在觸指和靜觸頭接觸面積很小的觸點(diǎn)上 ，在觸點(diǎn)上出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象。銀的屈服強(qiáng)度是35 MPa ，觸點(diǎn)的初始應(yīng)力大致為6MPa,最 終應(yīng)力大致為56 MPa ，所以觸指和靜觸頭接觸部分的鍍銀溫升前處于彈性形變狀態(tài)，溫升穩(wěn)定時(shí)處于塑性形變狀態(tài) 。
圖7 溫度分布(普通壓片）
圖8 溫度分布(記iz合金壓片}
圖9 靜觸頭應(yīng)力分布
5 對(duì)比溫升試驗(yàn)B相位于三相中的內(nèi)側(cè),散熱條件較A 、C相差,而A相和C相的梅花觸頭均位于三相中的外側(cè),散熱條件可以基本認(rèn)為一樣,所以對(duì)比試驗(yàn)選擇A相和C相。
首先將斷路器上的A相梅花觸頭上的普通壓片取下,然后替換成試驗(yàn)所需的記憶合金壓片 。用熱電偶在需要測(cè)量溫升的部位進(jìn)行測(cè)量 。熱電偶上貼上編好序號(hào)的標(biāo)簽,利用能夠耐高溫的膠帶在所對(duì)應(yīng)的測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行粘貼,主要在梅花觸頭、靜觸頭以及觸臂上,見(jiàn)圖10 。最后將斷路器手車推入開(kāi)關(guān)柜內(nèi),為了模擬對(duì)接深度不足的情況,斷路器手車推到位后手樹(shù)逆時(shí)針搖動(dòng)一圈半(約退出15mm) 。
圖10 斷路器布點(diǎn)
采用的是TDCZ-接觸式調(diào)壓器,調(diào)節(jié)后輸出1250A的電流。利用12kV1250A開(kāi)關(guān)柜進(jìn)行整柜試驗(yàn) 。溫升試驗(yàn)示意圖見(jiàn)圖11。
圖11 12kV1250A開(kāi)關(guān)柜對(duì)比溫升試驗(yàn)
A相和C相梅花觸頭穩(wěn)定溫升對(duì)比見(jiàn)表3,由于熱氣流密度小往上升,所以導(dǎo)致上端梅花觸頭的溫升高于下端梅花觸頭的溫升 。C相上下端普通梅花觸頭溫升均超過(guò)國(guó)標(biāo)允許的75K,長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行會(huì)引發(fā)過(guò)熱性故障。A相上下端記憶合金梅花觸頭溫升比C相上下端普通梅花觸頭溫升分別降低了5.7K和4.2K,可有效降低梅花觸頭過(guò)熱性故障的故障率。
表3 A相和C相梅花觸頭穩(wěn)定溫升對(duì)比
6 結(jié)語(yǔ)插入深度不足導(dǎo)致的梅花觸頭接觸電阻增大是斷路器手車觸頭過(guò)熱性故障的主要原因 。使用記憶合金壓片有助于降低梅花觸頭溫升,可在一定程度上降低插入深度不足引發(fā)的過(guò)熱性故障的故障率 。 |
