基于有限元分析的熔断器温度仿真计算

赵 阿 琴

[华润新能源(大同)风能有限公司, 山西 太原 030000]

0 引 言

熔断器作为保护电器的装置被广泛应用于各变电站中。熔断器的外壳和灭弧介质一般使用陶瓷、石英砂等化学结构稳定的材质,使用寿命约为30年。熔体选择银、铜、锡等材质,在运行过程中受到电流和环境的影响,不可避免地会发生老化,导致熔体瞬间无法正常开断并有效灭弧,造成熔断器局部温度升高,严重时会破坏熔体隔离筒绝缘,导致环网柜烧毁[1]。因此,熔断器运行温度分布是判断熔断器运行状态的重要参数,对提高其运行可靠性具有现实意义。

本文使用Ansys有限元软件,首先对SIBA 6/12 kV熔断器进行三维建模,然后仿真计算熔断器在不同工况下的温度场分布,最后找出熔断器最合适的测温点,以及熔断器运行状态的判别依据。

1 熔断器工作原理

无论是何种类型的熔断器,其工作原理都可看作是在电路中设置一个熔体,然后设置一个最小熔体熔断电流,当电流超过最小值时熔体发热熔断并产生电弧,熄弧后断开电路保护其他电气设备。熔体的熔断过程如图1所示。由图1可见,t1是从起始温度到熔化点之间的时间;t2是熔化时间;t3是从完全熔化到汽化点之间的时间;t4是汽化时间;t5是燃弧时间。在低电流倍数下,由于熔体温升较慢,与周围介质散热效果较为明显,从升温到熔断的时间较长,所以其熔断时间可以只考虑t=t1+t2[2-3]。

图1 熔体的熔断过程

1.1 熔体发热原理

在熔断器的熔体熔断过程中,其热源主要来自于熔体产生的焦耳热以及向周围介质交换的热能[3],熔体产生焦耳热的计算公式为

dQ1=I2Rdt

(1)

式中: dQ1——熔体通过电流产生的焦耳热;

I——流过熔体的交流电流有效值;

R——导体单位长度的直流电阻。

1.2 热传导原理

由热力学原理可知,熔断器在工作过程中与环境热交换主要包括热传导、热对流、热辐射。由于热辐射传热相较于热传导和热对流传热的影响较小,一般忽略不计[4]。所以熔体产生的焦耳热主要在熔体与灭弧介质、外套管之间进行热传导,而熔断器外壁与自然空气之间进行热对流。

1.2.1 热传导

热传导是由于温度的不同而发生的热量传递现象,热量会从温度高的区域传递到温度低的区域。单位时间内,从物体单位面积流过的热量,称为热流密度q[5]。

(2)

式中:q——热流密度;

Φ——热量;

A——单位面积;

λ——材料的导热系数或者热导率;

∂t——温度导数;

∂n——单位法向量。

q的大小是材料导热能力强弱的评判标准,不同的材料,具有不同的导热能力[6]。存在热源的情况下,热传导的微分方程为

(3)

式中:T——热力学温度;

qv——热源区域的体积发热量。

1.2.2 热对流

热对流类似于热传导,只是传导的介质在流体与固体之间或者不同流体之间,且在热对流过程中,总是伴随着热传导的存在[7]。对流换热的公式为

q=h·Δt

(4)

式中: Δt——流体和物体的表面温度;

h——表面传热系数或者对流换热系数。

对流换热系数与周围流体的特性有关[8],也易受多种因素的影响,如流体的各物理参数、形态、流速以及物体的形状、尺寸等。一般空气自然对流的换热系数h在1～10 W/( m2·K )。

在理想状态中(忽略流体的运动粘度﹑辐射和内热源),假设处于稳态时,对流换热的能量微分方程为

(5)

式中:u——流体流速在横轴的分量;

v——流体流速在纵轴的分量;

2 建模与仿真分析

2.1 物理建模

本文首先对SIBA 6/12 kV熔断器进行三维建模。熔断器剖面图、三维建模图分别如图2、图3所示。其主要由陶瓷外壳和中心骨架、石英砂灭弧介质、螺旋缠绕在骨架上的熔体以及两端的触头帽构成。熔断器各部分的材料属性如表1所示[9-10]。

使用Mesh模块对三维模型进行网格划分,由于熔断器各部分形状、尺寸不同,所以使用多区域不同网格划分法,外壳和熔体部分采用六面体网格划分,触头帽和灭弧介质采用四面体网格划分。触头帽和外壳、熔体网格划分分别如图4、图5所示。

图2 熔断器剖面图

图3 熔断器三维建模图

表1 熔断器各部分材料属性

图4 触头帽和外壳网格划分

图5 熔体网格划分

2.2 设置边界条件

本文采用电-热耦合仿真,熔断器的熔体通电发热,需设置熔体的通电电流与电压,由于研究的是熔断器的温度分布且熔断器外壁直接暴露于空气中,根据传热学的边界条件需给定表面对流换热系数及环境温度。其边界方程为

(6)

式中:n——流体温度场的外法线方向;

Γ——求解域边界;

h——对流换热系数;

Tf——周围环境空气温度。

2.3 仿真分析

设定空气对流换热系数为10 W/( m2·K),工作电流为45 A(额定电流为50 A),考虑到场站处于华北地区,一年四季环境温度变化较大,模拟环网柜内熔断器在春冬季、秋季、夏季下环境温度分别为5 ℃、15 ℃、25 ℃进行仿真分析。

熔断器整体温度分布、外壁温度分布分别如图6、图7所示。在环境温度为15 ℃下,熔断器的外壁温度范围为85.701～94.348 ℃,与实际测量的熔断器外壁温度值相差1.7 ℃,说明仿真模型可靠。从仿真结果中可知:熔断器外壁中间温度最高,触头帽温度最低,沿轴向温度逐渐降低,且两侧温度基本对称;熔断器温度虽然受到环境温度的影响,但是其外壁温差、整体温差基本不受环境温度的影响。

图6 熔断器整体温度分布

图7 熔断器外壁温度分布

考虑到过载情况下,熔断器的熔断电流为额定电流的1.5～2.0倍,设置熔断器电流为25 A、50 A、75 A、100 A。不同电流下熔断器温度分布如图8所示。由图8可见,加载电流越大,熔断器整体温度越高,且外壁温差越大;当加载电流为75 A和100 A时,熔断器处于过载熔断阶段,外壁温差到达24.02 ℃和42.72 ℃,因此可以选择外壁温差24～42 ℃作为判别熔断器是否更换的依据。

图8 不同电流下熔断器温度分布

2.4 仿真结论

(1) 熔断器外壁中间温度最高,触头帽温度最低,因此可以将测温点设置在熔断器中间、触头帽位置,得到熔断器外壁温度差。

(2) 虽然在实际工作现场中,熔断器温度测量会受到环境温度的影响,且熔断器内部的温度是不能直接测量的,但是根据仿真结果可知,其外壁温差基本不受环境温度的影响,且可以直接测量。因此熔断器外壁温差可以作为判别熔断器运行状态的依据。熔断器运行状态判别如表2所示。

表2 熔断器运行状态判别

在实际应用中,考虑到风电场的熔断器数量较多,分布较广,采用在线测温方式投资成本大、传感器安装工程量大,且熔断器老化需要一定的时间积累,因此选择离线测温方式比较稳妥。风电场可以利用风机巡检、风机停运、集电线路停运、小风天等,开展风机环网柜熔断器专项巡检,巡检时使用红外测温仪测量熔断器中间和两端处的温度并计算其温差,记录温度变化值。然后根据表2判别熔断器运行状态,发现异常及时进行熔断器更换,避免电气设备损坏。

3 结 语

环网柜内熔断器老化或故障会导致熔筒爆炸烧毁环网柜,场站应定期对环网柜运行温度以及熔断器温度进行监测记录。本文通过对6/12 kV熔断器“电-热”耦合仿真分析,提出了熔断器表面温度差作为判别熔断器运行状态的依据,提高了电气设备运行可靠性。