- 頭條大電流條件下，真空接觸器溫升特性的試驗測量與仿真分析2021-03-12 作者：薄凱 周學 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語哈爾濱工業大學電氣工程及自動化學院的研究人員薄凱、周學、翟國富、祖甘霖，在2019年第24期《電工技術學報》上撰文，搭建適用于大電流條件下的真空接觸器溫升特性測量試驗平臺，測量并分析了真空接觸器在不同電流等級下的溫升特性。研究成果可為大容量真空接觸器的熱設計提供一定參考。
真空接觸器廣泛應用于采礦、冶金、紡織及電力等企業的配電系統中，是完成電能轉換、分配與控制功能的重要電氣設備。由于真空接觸器的觸頭系統由陶瓷或玻璃密封在真空環境中，其散熱方式以熱傳導為主，散熱效率不高，所以在負載電流較高時會出現嚴重的發熱問題。
溫升過高不僅危害導體機械強度，帶來熔焊、疲勞及蠕變等問題，而且裸露在空氣中的部分材料表面還將變得易于氧化，生成的氧化物又會增加連接位置的接觸電阻進而影響真空接觸器接觸系統的電阻及電氣性能，此外，嚴重發熱還將增加絕緣的介質損耗，加速部件老化，影響使用壽命。
根據GB 14048.1 2006《低壓開關設備和控制設備 第一部分：總則》和GB 14048.4 2010《低壓開關設備和控制設備 第4-1部分：接觸器和電動機起動器機電式接觸器和電動機起動器（含電動機保護器）》中對交流接觸器溫升試驗的相關要求，對交流接觸器的發熱部件規定了溫升允許極限值為65K，部分企業還提出了50K等更嚴苛的指標要求。因此，系統測量真空接觸器溫升特性及準確模擬真空接觸器觸頭系統發熱的物理過程對于真空接觸器向小型化、大容量方向發展具有重要意義。
近年來，電力設備的熱仿真技術發展迅速。圍繞著真空斷路器、接觸器、繼電器及配電開關柜等的溫升研究取得很多有益的成果。
對于如真空斷路器等具有散熱裝置的開關電器，熱量主要由上下兩個散熱器通過自然對流和輻射的方式散出，有學者對影響真空斷路器溫升的散熱表面對流換熱系數、動靜觸頭接觸半徑、接觸點位置以及導電桿半徑四種因素進行了仿真分析。
有學者以某型號10kV/5kA真空直流斷路器作為研究對象，通過熱電耦合法對其進行了溫度場數值模擬。短時耐受電流條件下的熱穩定性是低壓斷路器的重要考核指標之一。
有學者在動靜觸點間導電橋模型周圍增加了一個傳導熱量的薄層解決了微小氣隙中熱輻射作用增長、導熱效果加強的問題，利用諧波電磁場分析結合瞬態溫度場，確定了焦耳熱損耗及溫度場分布，仿真計算了1s短路電流周期分量有效值為125kA正弦電流條件下觸頭溫升分布。
紐春萍、季良等建立了同時考慮主回路和電磁系統發熱的接觸器數值熱分析模型，并分別對長期閉合工作制下額定電流為100A的交流接觸器和帶反饋調壓系統的額定電流160A智能接觸器進行了溫度場仿真，但是該研究主要針對小型空氣式交流接觸器，與真空接觸器的觸頭及導電回路結構和發熱機理均存在較大差異。
對于繼電器、開關柜等具有封閉外殼的開關設備，其內部空氣流動的空間較小，因此傳導散熱模型被廣泛采用，蘇秀蘋等利用ANSYS建立了12V/20A的小型直流電磁繼電器熱電耦合模型，考慮了電阻率等參數隨溫度變化，并在散熱分析中計入了熱傳導、對流及輻射的影響，結果表明，熱導率隨溫度變化對仿真結果的影響較小。
楊文英等提出了一種基于有限元仿真的電磁-熱耦合建模方法，對不同環境溫度和反復短時工作狀態下繼電器電磁機構動態特性進行了仿真分析。
有學者提出填充層法的計算模型，分析了直流12V/70A商用密封汽車繼電器反復短時工作制下的瞬態熱問題。周學等仿真計算了500～3 000A的短路電流條件下智能電表用磁保持繼電器觸頭系統及導電回路的熱特性及熱應力引起的微小形變問題。
有學者完成了無殼和有殼下線圈恒定通電時，24V電壓下型號HFV6汽車繼電器溫度場的仿真。
李興文等采用計算流體力學方法計算了額定電流630A配電開關柜在自然對流、強迫對流條件下的溫升分布，并與試驗進行了對比，絕對誤差為13K；此外，還計算了含通風口的開關柜在降容運行條件下的溫升分布。
Barcikowski 等研究發現微型斷路器內部的對流與輻射傳熱過程對斷路器導電回路穩態溫升的影響可以忽略。還有一些研究學者計算了外殼不封閉的電力設備的溫升。
目前國內外針對真空接觸器溫升特性，特別是在大電流條件下的真空接觸器觸頭及導電回路整體發熱過程方面的文獻很少，已有的接觸器溫升研究也主要集中在經驗公式和電磁機構部分。
哈爾濱工業大學電氣工程及自動化學院的研究人員，針對JRS1600A單相交流真空接觸器在大電流條件下的溫升特性進行了研究，通過試驗和仿真總結了真空接觸器的相關溫升特點并結合研究結果對真空接觸器的過負載能力進行了評估。
圖1 實驗系統原理
首先，本文搭建了可用于2500A大電流條件下的真空接觸器溫升測量試驗平臺，在不同電流條件下對真空接觸器的導電排、外殼等相關標準規定位置不同通電時間下的溫度進行試驗測量，獲得了溫升特性曲線，討論了真空接觸器的過負載能力。
圖3 溫升測量點
圖6 真空接觸器觸頭及導電回路結構
其次，為探究真空接觸器觸頭及導電回路整體發熱情況，特別是試驗過程中無法測量的位置（如真空滅弧室內部觸頭及導電桿等）的溫升特性，建立三維電-熱場強耦合分析模型并采用COMSOL多物理場耦合有限元軟件對不同電流下的真空接觸器的溫度場、焦耳發熱功率分布等參數進行仿真計算，并提取相關標準規定位置的溫度數據與試驗結果進行對比分析，并得到如下結論：
1）通過試驗發現真空接觸器外殼、上下導電排3個測溫點在2500A/180min溫升未超過極限允許溫升，其中上導電排溫升在1600A及以下時均略高于下導電排溫升，最大差值為1.1K；在2500A時導電排的溫升時變曲線基本重合，最大溫升出現在上導電排測溫點51.9K；接觸器外殼因溫升較低在通電時間較短、電流較小的工程建模仿真中可以忽略。
2）搭建了適用于大電流條件的真空接觸器溫升特性測量試驗平臺，采用水冷可變負載電阻的設計，有效解決了2500kA/180min恒定負載條件下溫升引起的阻值波動及潛在安全隱患，該可調節水冷負載電阻滿足的指標為阻值調節范圍0～5m◆，最大負載功率9000W。
3）基于COMSOL軟件建立電熱耦合分析模型，并對不同電流下的真空接觸器觸頭系統的溫升特性進行仿真計算，計算結果與試驗數據吻合較好，最大相對溫升誤差為13.4%。
4）通過仿真結果發現，真空接觸器觸頭及導電回路中的彎曲部分是焦耳發熱功率密度相對較為集中的區域，因此在大容量真空接觸器熱設計過程中需要重點關注。
以上研究成果發表在2019年第24期《電工技術學報》，論文標題為“大電流條件下真空接觸器溫升特性的試驗測量與仿真分析”，作者為薄凱、周學、翟國富、祖甘霖。
