基于电—热—力耦合的螺旋弹簧触指稳态温升分布仿真研究.pdf

基于电热力耦合的螺旋弹簧触指稳态温升分布仿真研究马金财，刘刚，何龙（国网新疆电力有限公司昌吉供电公司，新疆 昌吉831100）摘要：气体绝缘金属封闭开关（GIS）中的母线触头弹簧触指热故障频发，甚至引起弹簧触指烧断并诱发击穿事故。文中构建了弹簧触指的三维电热机多物理场耦合仿真模型，首先基于经典CooperMikicYovanovich（CMY）理论计算接触电导与接触热导，研究了考虑导杆重力作用下的弹簧触指温升分布，其次通过真型试验进行模型验证，最后基于仿真计算分析了不同损伤状态下的弹簧触指温升分布，分析了损伤程度与损伤范围的影响，仿真结果与母线弹簧触指热故障的普遍特征吻合。文中对母线触头弹簧触指热故障排查分析，及其结构优化设计具有重要指导意义。关键词：弹簧触指；温升分布；多物理场耦合；接触电阻；热故障Simulation Study on Steadystate Temperature Rise Distribution of Helical SpringContact Finger Based on Electricalthermalmechanical CouplingMA Jincai，LIU Gang，HE Long（State Grid Changji Electric Power Supply Company，Xinjiang Changji 831100，China）Abstract:The frequent occurrence of thermal fault of the spring contact finger of contact of busbar in gas insulatedswitchgear（GIS）leads to burnout of the the spring contact finger and even induces breakdown fault.In this paper，a3D electrical thermalmechanical coupling simulation model of spring contact finger is constructed.Firstly，the contact conductance and contact thermal conductance are calculated based on the classical CooperMikicYovanovich（CMY）theory，and the temperature rise distribution of spring contact finger under the effect of guide rod gravity isstudied.Secondly，the simulation model is verified by true type test.Finally，based on the simulation model，the temperature rise distribution of spring contact finger under the different damage states is analyzed，and the influence ofdamage degree and range is analyzed.The simulation results are in agreement with the common characteristics of thethermal fault of the busbar spring contact finger.This paper has important guiding significance to the thermal faultelimination analysis and the optimization design of structure of the spring contact finger of the busbar contact.Key words:spring contact finger；distribution of temperature rise；multiphysics coupling；contact resistance；thermal failure0引言气体绝缘金属封闭开关(GIS)作为电力系统中的关键一次设备，已得到广泛应用1-8。GIS中的气体绝缘母线通过可分和接触方式(触头)与盆式绝缘子组件固定，由于触头数量多且传输容量大，因此需要设计低成本且高可靠的触头9-10。其中，螺旋弹簧触头相比于梅花触头，具有结构简单、体积小、成本低、装配简单、对触头座和导体要求的加工精度低、导电性好、针对不同的通流量很容易变更结构等特点，因此应用广泛11。然而，由于弹簧触头形变量较大、振动磨损严重等问题，使弹簧触指温升不均，频繁引发触指热故障。因此，需要对弹簧触指温升分布规律进行深入研究，查明温度分布的影响机制，进一步指导螺旋弹簧触头结构优化与通流能力设计。第59卷第8期：022302312023年 8月16日High Voltage ApparatusVol.59，No.8：02230231Aug.16，2023DOI:10.13296/j.10011609.hva.2023.08.026_收稿日期：20230220；修回日期：20230508基金项目：国网新疆电力有限公司科技项目(5230CJ220002)。Project Supported by Science and Technology of the State Grid Xinjiang Electric Power Co.，Ltd.(5230CJ220002).2023年8月第59卷第8期国内外学者针对GIS及其关键部件的温升规律进行了大量仿真研究。通过数值迭代计算求解热平衡方程是最早的温升计算方法，但缺乏多物理场耦合导致结果准确度偏低12，随后电磁热耦合模型的提出虽然提升了GIS温升仿真计算的精准度13，但仍忽略了气体流动与材料界面应力的影响，存在较大误差。如今，电磁热流体耦合模型在GIS与GIL温升计算领域广为应用14-19，由于其考虑了气体层流与接触电阻的影响，可以获得较好的计算结果。但常用的电磁热流体模型仅适用于设备整体或大尺寸部件(如导杆、壳体等)的温升计算，而不适用母线触头的触指温升计算，由于触指处缝隙小、气体流速慢，可忽略气体运动的影响，但接触收缩效应中不仅要考虑接触电阻，也要考虑接触热阻，因此需要构建触头电热力耦合模型20。此外，GIS及其关键部件的温升影响因素也已有研究，包括母线通流21、混合气体成分22、接触状态23等。但现有研究很少关注螺旋弹簧触指本身的温度分布及触指损伤状态的影响，仅有的仿真模型中也对螺旋弹簧触指进行了“手镯”型等效24，导致接触应力计算不准确，温升仿真结果难以具有参考价值。针对上述问题，文中构建GIS母线螺旋弹簧触头真型尺寸的三维电磁力耦合模型，基于经典CooperMikicYovanovich理论计算接触电导与接触热导，研究螺旋弹簧触指的温升分布特性，分析损伤程度对温升分布的影响规律。为螺旋弹簧触头热故障分析，结构优化与载流设计提供技术支撑。1仿真模型构建1.1仿真流程螺旋弹簧触头在电磁热力的耦合作用下产生温升，见图1。电场中考虑材料电阻率随温度的变化、集肤效应、压力影响下的接触电阻，而忽略邻近效应11；热场中考虑焦耳热源与压力影响下的接触热阻，热源中忽略磁场作用下的涡流损耗，是因为触头材料均采用非导磁材料制作，涡流远小于载流11；力场中考虑热应力作用以及载荷(含重力)。电场影响热场中的焦耳热源，而热场影响电应力分析中的材料电阻率，因此电场与热场为双向耦合关系；热应力影响力场中的材料形变，从而影响接触压力，而接触压力影响接触热阻与接触电阻，因此力场与热场为双向耦合关系，与电场为单向耦合关系。1.2控制方程电热力的耦合仿真的目的是求解触头温升，因此首先构建固体传热控制方程为TCPTt-T2T=QE(1)式(1)中：t为时间；T为触头材料在温度为T(K)时的密度，kg/m3；Cp为触头材料定压比热容，J/(kgK)；T为触头材料在温度为T时的导热系数；QE为焦耳热源，W/m3。式(1)等号左侧第一项表示温度随时间的变化，第二项表示材料内部热传导，等号右侧的焦耳热源为QE=JE(2)式(2)中：J为触头电流密度，A/m3；E为触头内电场，V/m。而J与E则由满足欧姆定律与电流守恒定律的电场控制方程求解：J=TE(3)J=0(4)E=-(5)式(3)-(5)中：T为触头材料在温度为T时的密度，S/m；为导体电势，V。由于触头材料均为导体，因此式(3)中忽略位移电流。求解电场控制方程时，还应考虑电导率的线性温变特性与集肤效应：T(T)=1201+20(T-293.15)(6)RT=KfST(7)式(6)、(7)中：20为触头材料在 20 时的电阻率，m；20为触头材料在20 时的电阻温度系数；RT为考虑集肤效应下的触头材料在温度T时的单位长度电阻，/m；Kf为集肤效应系数；S为触头导体截面积，m2。在结构力学控制方程中，不仅要考虑外力载荷的作用，也不能忽略温度变化造成的材料形变和力的作用，因此控制方程应描述计算对象的受力平衡、位移、应变条件、材料应力应变本构关系等，即包括广义胡克定律、平衡微分方程、应变位移关系：图1耦合仿真流程Fig.1Coupled simulation flow 2241)广义胡克定律x=2Gx+(x+y+z)-Em1-2Ty=2Gy+(x+y+z)-Em1-2Tz=2Gz+(x+y+z)-Em1-2Txy=xyGyz=yzGzx=zxG(8)式(8)中：x、y、z分别为 3 个方向的正应力，Pa；xy、xy、xy分别为3个面的剪应力，Pa；x、y、z分别为3个方向的正应变，m；xy、yz、zx分别为3个面的剪应变，m；为膨胀系数，K-1；为泊松比；G、Em、分别为剪切弹性模量，Pa、拉压弹性模量，Pa、拉梅常数，且上述3者满足如下关系：=Em(1+)(1-2)(9)G=Em2(1+)(10)2)平衡微分方程(+G)ex+G2u-Em1-2Tx+X=0(+G)ey+G2v-Em1-2Ty+Y=0(+G)ez+G2w-Em1-2Tz+Z=0(11)式(11)中：u、v、w分别为3个方向的位移，m；X、Y、Z分别为3个体积力分量，N/m3。3)应变位移关系x=uxxy=vx+uyy=vyyz=wy+vzz=wzzx=uz+wx(12)此外，在触头接触部位还需考虑界面压力影响下的接触电阻与接触热阻。由于GIS气室中的SF6气体状态被密切关切，因此触头接触面因氧化和污染形成的膜层电阻和膜层热阻忽略不计，而文中重点考虑因接触面粗糙引起的收缩效应。CooperMikicYovanovich(CMY)相关性模型是计算接触面收缩电阻与收缩热阻的常用方法：hc=1.25contactmaspasppcHc0.95(13)contact=2udu+d(14)asp=2asp,u+2asp,dmasp=m2asp,u+m2asp,d(15)式(13)-(15)中：hc为接触收缩电导率，S/m；pc是接触压力，Pa；Hc是两个接触材料中较软材料的硬度，Pa；u、d分别为上下两接触材料的电导率，S/m；contact是接触面电导率的调和平均值；asp，u、asp，d分别为上下两接触表面的平均粗糙度，m；asp是接触面等效粗糙度；masp，u、masp，d分别为上下两接触表面的平均斜率；masp是接触面等效斜率。将u与d分别替换成上下接触材料的热导率ku与kd，单位W/(mK)，即可获得接触面热导率调和平均值kcontact，从而代入式(13)获得接触面收缩热导率。1.3模型构建依据330 kV的GIS主变分支母线螺旋弹簧触头的真型尺寸，在有限元软件中构建几何模型，见图2(截取部分)。其中母线与触头基座材料为6061铝合金，弹簧触指材料为钴青铜且表面镀银(结构力学参数与体参数依据钴青铜材料设置，表面电导与热导参数依据银材料设置)。模型边界条件类型见表1。图2仿真模型Fig.2Simulation model表1模型边界条件类型Table 1Type of model boundary conditions物理场力场电场热场接触边界接触对、预紧力接触电阻接触热阻非接触边界基座固定位移、母线与弹簧自由基座端部与母线尾部设置电流密度，其他边界为电绝缘热对流、热辐射2正常状态下的仿真结果2.1弹簧触指界面压强分布整体界面压强分布见图3，由图3可知，在考虑开关设备马金财，刘 刚，何 龙.基于电热力耦合的螺旋弹簧触指稳态温升分布仿真研究 2252023年8月第59卷第8期母线导杆重力情况下，弹簧触指表面压强呈现上部高下部低的分布规律，而3条弹簧触指之间的压强分布规律并无明显差异。选取弹簧触指与母线导杆接触截线，绘制触指界面压力曲线见图4，触指最大压强出现在第4匝弹簧圈上，最大值为14.6 MPa，而第1匝弹簧接触点压力也超过13 MPa。图3整体界面压强分布Fig.3Overall interfacial pressure distribution图4接触边界压强分布Fig.4Contact boundary pressure distribution此外，由图4进一步可知，弹簧触指主要受力集中在其上部65范围内，弹簧触指90附近出现弱受力区域，因为此处接触面与重力方向相切，受重力影响较小，而在弹簧触指100附近以及160附近，接触压力出现回升，是因为圆形触指在重力作用下发生过形变，在100与160位置存在外突趋势，导致接触面压力上升。2.2弹簧触指电流密度分布以施加4 400 A电流情况为例，分析弹簧触指电流密度分布规律，见图5。由图5可知，弹簧触指法向电流密度分布与界面接触应力大小分布基本一致，由于接触应力较大的位置收缩电导较高，在相同电压差下具有更强的通流能力。图5界面法向电流密度Fig.5Interface normal current density选取弹簧触指与母线导杆接触截线，绘制触指界面法向电流密度曲线见图6。电流密度最大值出现在弹簧触指第4匝，与界面应力最大值出现的位置几乎一致，电流密度最大值为5.28 A/mm2。然而，与界面应力分布规律不同，法向电流密度在弹簧触指下半周(特别在100与160附近位置)并未出现回升现象，其原因是触指电流分布收到其内外两个接触面状态的影响，而在重力作用下弹簧触指100与160附近位置有外突趋势，导致其外表面接触应力增加而内表面接触不良，最终导致电流密度并未明显回升。图6接触边界法向电流密度Fig.6Contact boundary normal current density2.3弹簧触指温升分布以施加4 400 A电流情况为例，分析弹簧触指温升分布规律，见图7。由图7可知，弹簧触指上部温升高于底部温升，且在90位置附近的温度梯度最大，但3条弹簧触指之间的温升分布并未有明显差异。图7触头温升分布Fig.7Contact temperature rise distribution选取弹簧触指与母线导杆接触截线，绘制触指界面温升曲线见图8。端部最大温升约54.3 K，底端温升约为52.2 K，且由于金属材料导热性能良好，因此使温升分布更加均匀，并未出现突变点。由于温升分布与焦耳热直接相关，而焦耳热与电流平方正相关，因此图8所示的弹簧触指温升分布规律与图6所示的法向电流密度分布基本一致，均未在100与160附近位置出现回升现象。2.4仿真结果试验验证为验证仿真模型的准确性，文中对330 kV等级GIS主变分支母线螺旋弹簧触头真型模型进行温升 226试验，分别在4 400 A与2 100 A工况下进行弹簧触指温升测试。试验结果与仿真结果对比见图9。仿真结果普遍比实测结果稍低，其可能的原因是忽略了SF6气体层流与湍流的影响，但仿真与实测相比，最大误差不超过3.5%。图8接触边界温升分布Fig.8Distribution of temperature rise atcontact boundary图9仿真与试验结果对比Fig.9Comparison of simulation and test results3损伤状态下的仿真结果由文中第2章可知，正常情况下弹簧触头顶端温度高于底端温度，但弹簧触指实际热故障容易发生在触指底部，其原因是触指顶部长期处在较高温度以及较高机械应力的环境中，导致触指材料热老化、氧化、磨损更加严重。通过实测发现，仅银层磨损导致的损伤可使触指表面电导率下降约5%15%，而长期运行且气室环境质量不达标(含有水分及腐蚀性分解物)情况下的触指顶端表面电导率最多可下降约60%80%。但上述两种情况下的触指表面热导率均最多下降约20%。本章分别讨论弹簧触指表面电导率降低15%(轻度损伤)与 80%(重度损伤)，且界面热导率下降20%的状态下，弹簧触头的温升分布规律。3.1重度损伤状态下的温升分布重度损伤状态下，弹簧触指顶端与底端温升随损伤范围的变化规律见图10。重度损伤状态下的弹簧触指温升分布见表2。由图6可知，在重力作用下弹簧触指上部100范围内主要承担通流的任务，称之为主通流区。当损伤范围未超出主通流区时，因损伤部分电导率严重降低，即使有更大接触应力的作用，但仍导致接触电阻增加，因此主通流区内的未损伤部分承担大部分电流，发热严重，产生的热量向弹簧触指顶端与底端传递，但由于损伤部分热导率仅下降20%，在接触压力作用下仍可更快地将热量传导至基座和母线导杆上，因此其温升较低。图10重度损伤下的顶端与底端温升Fig.10Temperature rise at top and bottom under severedamage condition当损伤范围超出主通流区时，即使由于电导率下降造成了接触电阻增加，但仍比主通流区之外的接触电阻小(主通流区之外的接触电阻小，主要因为接触不良)，因此主通流区仍然承担通流任务，且电流密度分布与接触压力分布相关，导致弹簧触指顶部发热最严重。由图10可知在主通流区内，顶端与底端温升随损伤区域的增大而增加，且两者差值也逐渐增大。当损伤范围超出主通流区后，顶端温升与底端温升基本不变，且顶端温升高于底端温升。3.2轻度损伤状态下的温升分布轻度损伤状态下的弹簧触指温升分布见表3。开关设备马金财，刘 刚，何 龙.基于电热力耦合的螺旋弹簧触指稳态温升分布仿真研究 2272023年8月第59卷第8期表2重度损伤状态下的触头温升分布Table 2Temperature rise distribution of contact under severe damage condition角度/()204060801001201401604 400 A工况2 100 A工况 228表 3轻度损伤状态下的触头温升分布Table 3Temperature rise distribution of contact under slightly damage condition角度204060801001201401604 400 A工况2 100 A工况开关设备马金财，刘 刚，何 龙.基于电热力耦合的螺旋弹簧触指稳态温升分布仿真研究 2292023年8月第59卷第8期由于损伤部分电导率仅下降 15%，热导率仅下降20%，对接触电阻与接触热阻的影响相比于接触压力的影响甚小，因此对弹簧触指温度分布规律并无明显影响。轻度损伤状态下，弹簧触指顶端与底端温升随损伤范围的变化规律见图11。在极小的温升范围内，顶端与底端温升随损伤范围的变化规律与重度损伤下的基本一致。4结论文中构建GIS母线螺旋弹簧触头真型尺寸的三维电磁力耦合模型，基于经典CMY理论计算接触电导与接触热导，研究了弹簧触指的温升分布特性及损伤状态和范围的影响规律。得出以下结论：1)重力作用使弹簧触指上半周接触压力增加，接触位置的法向电流密度增加，导致弹簧触指上半部分温升较高。2)重度损伤状态下，当损伤范围不超过主通流区时，损伤部分的温升低于未损伤部分，主要原因是损伤部分电导率降低导致接触电阻增加，使其电流密度降低，产生焦耳热降低，而损伤部分热导率降低程度小使其散热能力依旧良好。轻度、损伤状态下，由于电导率降低程度较低，对弹簧触指温度分布规律并未产生明显影响。3)当损伤范围在主通流区内时，弹簧触指顶端与底端温升随损伤区域的增大而增加，两者差值也逐渐增大。当损伤范围超出主通流区后，顶端温升与底端温升基本稳定，且顶端温升高于底端温升。参考文献：1郭煜敬，张博，王之军，等.GIS整间隔温升仿真及典型通流结构优化技术研究J中国电机工程学报，2018，38(z1)：257265GUO Yujing，ZHANG Bo，WANG Zhijun，et al.Simulationtechnique on temperature rise of GIS bay and typicalcurrent carrying structure 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