CN109711078A - 一种断路器触头系统短时耐受过程中热稳定性的计算方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种断路器触头系统短时耐受过程中热稳定性的计算方法。本申请所提供的计算方法，主要是将触头系统在短时耐受过程中的材料电阻率、热导率、热容、布氏硬度等各个物理量的瞬时相互作用过程，简化为载荷步内各平均值的相互作用，最终获取各个载荷步内导体温度分布规律和短时耐受电流。本申请考虑了涡流效应、集肤效应和邻近效应对触头系统瞬态温升的影响，实现了温度和物理量之间的实时双向传递，能准确地求解出断路器瞬时温度分布，为提高框架断路器的短时耐受电流提供必要的理论基础，对中低压配用电系统，尤其是风力发电领域提升短路情况下短时耐受过程中的短时耐受电流提供了准确、有效、方便和快速的计算方法。

Description

一种断路器触头系统短时耐受过程中热稳定性的计算方法

技术领域

本申请涉及风力发电用框架断路器热稳定性领域，尤其涉及一种断路器触头系统短时耐受过程中热稳定性的计算方法。

背景技术

随着电网容量的不断扩大，低压配电系统的用电设备和分支回路日益增多，电力系统供电的可靠性越来越重要，这就对低压框架断路器提出了更高的要求。理论上，上级选择性断路器的短时耐受电流只有在等于它的额定极限短路分断能力电流或者额定运行短路分断能力电流时，才能够实现全电流范围选择性保护。可见，准确计算断路器触头系统短时耐受电流，对实现全选择性保护具有重要的意义。

然而，现有的短时耐受电流计算方法未能考虑到涡流效应、集肤效应和邻近效应通过改变多并联导电杆电流分布而影响框架断路器电动斥力，而电动斥力又在很大程度上影响着导电桥的接触面积，进而影响框架断路器的热稳定性，计算求解得到短时耐受电流存在较大的误差，会对电力系统的可靠性和稳定性具有误判的可能性变大。此外，温度对热导率、布氏硬度等关键性的物理量具有很大的影响，反过来物理量的变化也会产生温升，进而影响框架断路器的热稳定性，令短时耐受电流的计算存在误差。

发明内容

本申请提供了一种断路器触头系统短时耐受过程中热稳定性的计算方法，以解决现有计算方法计算误差大的问题。

本申请提供了一种断路器触头系统短时耐受过程中热稳定性的计算方法，包括：建立初始导电桥模型；

根据所述初始导电桥模型，建立三相触头系统三维有限元正弦电磁场耦合模型；

根据所述三相触头系统三维有限元正弦电磁场耦合模型，计算获得第一结果值，所述第一结果值包括：导体的平均发热功率分布和各个导电杆归算至触头上的电动力在当前载荷步内的平均值；

建立三相触头系统三维有限元瞬态热传导模型，根据所述第一结果值，计算第二结果值，所述第二结果值包括：导体在所述当前载荷步内的瞬时温度分布和各个导电斑点表面温度在所述当前载荷步内的平均值；

根据所述各个导电斑点表面温度在所述当前载荷步内的平均值，计算导电斑点布氏硬度；

根据所述导电斑点布氏硬度、总电动斥力距平均值和触头弹簧力，计算接触压力，并进一步计算导电桥在所述当前载荷步内的平均半径；

根据所述导电桥在当前载荷步内的平均半径，采用相邻两次迭代方法计算第三结果值，判断所述第三结果值是否收敛，如果收敛，则求解所述当前载荷步内的电流有效值、导体温度、电动斥力距、侧偏力矩和滑动力矩的分布；

判断当前迭代计算时间是否大于或者等于预设计算时间阈值，如果否，则按照上述方法进入下一载荷步的计算；如果是，则终止计算。

可选地，所述计算方法还包括：所述预设计算时间阈值设定为1s；设定仿真计算步长为10ms，设定载荷步数为100。

可选地，所述计算方法还包括：

根据下式计算导电斑点的半径，

其中，r代表导电斑点的半径，F_c代表接触压力，ζ代表经验系数，H代表导电斑点布氏硬度；所述ζ为0.3-0.6；

根据下式计算导电桥电阻率，

其中，ρ代表导电桥电阻率，r代表导电斑点的半径，R_e动静触头之间的接触电阻的实验值，H代表导电斑点布氏硬度；

根据下式计算导电桥热导率，

Aρ＝LT

其中，Λ代表导电桥热导率，ρ代表导电桥电阻率，L代表洛伦兹系数，T代表绝对温度。

可选地，所述计算方法还包括：

根据下式转换所述预设计算时间阈值内各个载荷步的短路电流为正弦电流，

其中，I代表短路电流周期分量有效值，t代表时间，ψ代表电压初相角，代表功率因数角，f代表频率，L代表线路等效电感，R代表线路等效电阻。

可选地，所述计算方法还包括：

采用物理场文件提取所述第一结果值、所述第二结果值和所述第三结果值，并获取各个载荷步内的电流有效值、导体温度、电动斥力距、侧偏力矩和滑动力矩的分布。

可选地，所述根据所述导电桥在当前载荷步内的平均半径，采用相邻两次迭代方法计算第三结果值，判断所述第三结果值是否收敛的具体步骤包括：

判断任意两个导电桥在当前载荷步内的平均半径的差值是否小于10^-5m；

如果是，则判断任意两个导电斑点表面温度在当前载荷步内的平均值的差值是否小于1℃：

如果是，则确定所述第三结果值收敛。

可选地，所述计算方法还包括：

在计算当前载荷步内的各结果值之前，根据前两个已收敛的载荷步内所对应的导电桥的平均半径，线性预测所述当前载荷步内的导电桥的平均半径。

可选地，所述计算方法还包括：

根据下式线性预测当前载荷步内的导电桥的平均半径，

其中，代表第m个载荷步内的导电桥的平均半径的预测值，r_(m-1)和r_(m-2)分别代表第m-1和第m-2个载荷步内的导电桥的平均半径的收敛值，Δt_(m)和Δt_(m-1)分别代表第m个和第m-1个载荷步时间的步长。

由以上技术可知，本申请提供了一种断路器触头系统短时耐受过程中热稳定性的计算方法，包括：建立初始导电桥模型；根据所述初始导电桥模型，建立三相触头系统三维有限元正弦电磁场耦合模型；根据所述三相触头系统三维有限元正弦电磁场耦合模型，计算获得第一结果值，所述第一结果值包括：导体的平均发热功率分布和各个导电杆归算至触头上的电动力在当前载荷步内的平均值；建立三相触头系统三维有限元瞬态热传导模型，根据所述第一结果值，计算第二结果值，所述第二结果值包括：导体在所述当前载荷步内的瞬时温度分布和各个导电斑点表面温度在所述当前载荷步内的平均值；根据所述各个导电斑点表面温度在所述当前载荷步内的平均值，计算导电斑点布氏硬度；根据所述导电斑点布氏硬度、总电动斥力距平均值和触头弹簧力，计算接触压力，并进一步计算导电桥在所述当前载荷步内的平均半径；根据所述导电桥在当前载荷步内的平均半径，采用相邻两次迭代方法计算第三结果值，判断所述第三结果值是否收敛，如果收敛，则求解所述当前载荷步内的电流有效值、导体温度、电动斥力距、侧偏力矩和滑动力矩的分布；判断当前迭代计算时间是否大于或者等于预设计算时间阈值，如果否，则按照上述方法进入下一载荷步的计算；如果是，则终止计算。本申请所提供的计算方法，能够有效解决现有计算方法计算误差大的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请提供的一种断路器触头系统短时耐受过程中热稳定性的计算方法的流程图；

图2为相关参数变化示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1，一种断路器触头系统短时耐受过程中热稳定性的计算方法的流程图。

本申请实施例提供了一种断路器触头系统短时耐受过程中热稳定性的计算方法，包括：

S101、建立初始导电桥模型；

S102、根据所述初始导电桥模型，建立三相触头系统三维有限元正弦电磁场耦合模型：

S103、根据所述三相触头系统三维有限元正弦电磁场耦合模型，计算获得第一结果值，所述第一结果值包括：导体的平均发热功率分布和各个导电杆归算至触头上的电动力在当前载荷步内的平均值；

S104、建立三相触头系统三维有限元瞬态热传导模型，根据所述第一结果值，计算第二结果值，所述第二结果值包括：导体在所述当前载荷步内的瞬时温度分布和各个导电斑点表面温度在所述当前载荷步内的平均值；

S105、根据所述各个导电斑点表面温度在所述当前载荷步内的平均值，计算导电斑点布氏硬度；

S106、根据所述导电斑点布氏硬度、总电动斥力距平均值和触头弹簧力，计算接触压力，并进一步计算导电桥在所述当前载荷步内的平均半径；

S107、根据所述导电桥在当前载荷步内的平均半径，采用相邻两次迭代方法计算第三结果值，判断所述第三结果值是否收敛，如果收敛，则求解所述当前载荷步内的电流有效值、导体温度、电动斥力距、侧偏力矩和滑动力矩的分布；

S108、判断当前迭代计算时间是否大于或者等于预设计算时间阈值，如果否，则按照上述方法进入下一载荷步的计算；如果是，则终止计算。

使用时，预先设定初始化温度T、时间t和迭代步数n，通过QJ44型直流双臂电桥测量出动、静触头之间接触电阻的实验值，并求解出电阻率，同时更新经验系数，修正导电桥半径，接着利用韦德曼弗朗兹定律计算热导率，最后确定导电桥的其它物性参数，并建立初始导电桥模型。

利用初始导电桥模型，采用谐波分析法，并通过ANSYS有限元分析软件，使用高阶三维电磁耦合单元solid236，建立三相触头系统三维有限元正弦电磁场耦合模型，考虑涡流效应、相间效应和集肤效应，计算得到第一结果值。

正弦电磁场将各物理量转换到频域中，设置模型外表面的磁矢量位通量为0，将出线端子表面的电势设置为0，并将三相进线端子表面的电势分别耦合起来，添加电流激励方式略有不同，正弦电磁场分析中按照三相电流相序，将其以复数形式分别施加咋三相进线端子表面，求解之后，计算时域中平均洛伦兹力密度和焦耳热损耗。

采用电磁场-结构场-温度场多物理场耦合分析法，利用高阶三维热场单元solid90，构建三相触头系统三维有限元瞬态热传导模型，计算得到第二结果值，并利用物理场文件耦合法，实现模型间和迭代步间的数据传递，瞬态传热分析中，仅将导体区域有限元网络纳入到求解域中。根据下式，分析瞬态热，

其中，ρ代表密度，c代表比热容，λ代表热导率，T代表温度。

根据各个导电斑点表面温度平均值通过插值法获得导电斑点的布氏硬度，此外，利用Holm公式计算各导电桥在载荷步内的平均半径。

使用相邻两次迭代计算结果，判定触头系统短时耐受过程中的状态，若当前所计算出的第三结果值为收敛，则求解出当前载荷步内的电流有效值、导体温度、电动斥力距、侧偏力矩和滑动力矩的分布，并继续下一计算流程。

设定计算时间阈值，如果当前迭代计算时间小于预设计算时间阈值，则进入下一个载荷步内的计算求解，如果当前迭代计算时间大于或者等于预设计算时间阈值，则终止全部计算。

本申请所提供的一种断路器触头系统短时耐受过程中热稳定性的计算方法，主要是将触头系统在短时耐受过程中的材料电阻率、热导率、热容、布氏硬度等各个物理量的瞬时相互作用过程，简化为载荷步内各平均值的相互作用，最终获取各个载荷步内导体温度分布规律和短时耐受电流。本申请考虑了涡流效应、集肤效应和邻近效应对触头系统瞬态温升的影响，实现了温度和物理量之间的实时双向传递，能准确地求解出断路器瞬时温度分布，为提高框架断路器的短时耐受电流提供必要的理论基础，对中低压配用电系统，尤其是风力发电领域提升短路情况下短时耐受过程中的短时耐受电流提供了准确、有效、方便和快速的计算方法。

可选地，所述计算方法还包括：所述预设计算时间阈值设定为1s；设定仿真计算步长为10ms，设定载荷步数为100。

对于触头系统的短时耐受过程来说，一般会持续1秒，故设计预设计算时间阈值为1秒。

可选地，所述计算方法还包括：

根据下式计算导电斑点的半径，

其中，r代表导电斑点的半径，F_c代表接触压力，ζ代表经验系数，H代表导电斑点布氏硬度；所述ζ为0.3-0.6；

根据下式计算导电桥电阻率，

其中，ρ代表导电桥电阻率，r代表导电斑点的半径，R_e动静触头之间的接触电阻的实验值，H代表导电斑点布氏硬度；

根据下式计算导电桥热导率，

Λρ＝LT

其中，Λ代表导电桥热导率，ρ代表导电桥电阻率，L代表洛伦兹系数，T代表绝对温度。

所建立的初始导电桥模型，需要确定高度和半径，高度一般为几十微米，而半径需要进行估算和校验，导电斑点半径的准确性是模型精度的关键。根据弹性力学分析和导电斑点半径估算公式计算出导电斑点的半径。

其中，经验系数ζ主要与触头材料的粗糙度和触头的弹性变形有关，并根据实验接触电阻和仿真结果的对比来确定该经验系数。通过更新经验系数ζ，使得接触电阻实验值与仿真值吻合，从而确定经验系数ζ，将经验系数ζ带入公式，即可获得初始导电桥半径。

此外，导电桥热导率可根据魏德曼弗朗兹定律计算。为了更准确地描述热传导过程的接触问题，本申请对导电桥进行了完善，在动、静触头之间的导电桥周围增加了一个传导热量的薄层，用以模拟触点之间的热传导过程，相应的材料属性按照触点材料选取。

可选地，所述计算方法还包括：

根据下式转换所述预设计算时间阈值内各个载荷步的短路电流为正弦电流，

其中，I代表短路电流周期分量有效值，t代表时间，ψ代表电压初相角，代表功率因数角，f代表频率，L代表线路等效电感，R代表线路等效电阻。

用正弦电磁场方法计算平均电动斥力和发热功率，即半波平均值。因此，瞬态热场分析的最小载荷步为10ms，载荷步为10ms的整数倍。此外，为了考虑短时耐受过程初始阶段暂态电流对热稳定性的影响，本申请利用∫i²dt等效原则，将1s时间内各个载荷步内短路电流转换为正弦电流进行加载。

可选地，所述计算方法还包括：

采用物理场文件提取所述第一结果值、所述第二结果值和所述第三结果值，并获取各个载荷步内的电流有效值、导体温度、电动斥力距、侧偏力矩和滑动力矩的分布。

可选地，所述根据所述导电桥在当前载荷步内的平均半径，采用相邻两次迭代方法计算第三结果值，判断所述第三结果值是否收敛的具体步骤包括：

判断任意两个导电桥在当前载荷步内的平均半径的差值是否小于10^-5m；

如果是，则判断任意两个导电斑点表面温度在当前载荷步内的平均值的差值是否小于1℃；

如果是，则确定所述第三结果值收敛。

为了加快收敛速度，本申请提供了一种加快收敛的方法。

在计算当前载荷步内的各结果值之前，根据前两个已收敛的载荷步内所对应的导电桥的平均半径，线性预测所述当前载荷步内的导电桥的平均半径。

其中，

根据下式线性预测当前载荷步内的导电桥的平均半径，

其中，代表第m个载荷步内的导电桥的平均半径的预测值，r_(m-1)和r_(m-2)分别代表第m-1和第m-2个载荷步内的导电桥的平均半径的收敛值，Δt_(m)和Δt_(m-1)分别代表第m个和第m-1个载荷步时间的步长。

参见图2，相关参数变化示意图。

本申请所提供的断路器触头系统短时耐受过程中热稳定性计算方法应用于具备短路故障发生时计算触头系统热稳定性效果。1)导电斑点温度-时间变化：可以看出短时耐受过程初期，各触点温度上升迅速，t＝0.05s时，各触点温度已达600摄氏度左右；此后各导电斑点温度上升速度变缓，t＝1s时，各触点温度大约为800摄氏度。而随着温度的上升，导电斑点半径迅速增大(可达毫米量级)，热时间常数也相应增大。一般来说，通电时间达到4倍热时间常数其温度几乎已达到稳定，从而造成上述计算结果中，t＜0.05s时各触点温度上升迅速，随后上升速度变缓，t＝1s时，B1导电斑点平均温度达到866℃，小于动静触头熔点；2)动导电杆电流-时间变化：短时耐受电流开始时，由于相间效应的影响，B1动导电杆电流(有效值)大于B相其余动导电杆电流；这使得B1导电斑点及其周围导体温度相对B相其余导电斑点及周围导体温度上升速度快。考虑温度与电阻率的关系，B1支路电阻比B相其余支路电阻增长速度快，这就使得B1动导电杆电流随着时间降低，而且短时耐受初期下降速度较快，随后下降变缓。需要说明的是，大约t＝0.04s时，B1动导电杆温度-时间曲线出现波谷，这主要是因为，B1动导电杆大约在这个时间率先达到软化温度，导电斑点半径迅速增大，接触电阻迅速降低，电流快速下降；但是随后随着其余B相其余导电斑点温度达到软化温度，使得B1动导电杆电流略有回升，电流-时间波形在这个时段呈现波谷；3)动导电杆电动斥力-时间变化：随着电流的下降和导电斑点半径的增加，动静触头间的Holm力随着时间下降，这使得动导电杆上电动斥力Tr随着时间下降，而且起初下降速度较快，随后下降速度较慢；4)导电斑点半径-时间变化：由于Tr随时间降低，而软连接上的电磁力下降幅度较少(磁感应强度变化不大，电流下降幅度较少)，这就使得T随着时间增大，接触压力也随之增大；另一方面，随着温度的上升，触点硬度下降。这两方面的因素共同作用使得导电斑点半径随着时间上升，而且起初上升速度较快，随后上升速度变缓；t＝1s时，B1导电斑点载荷步内平均半径达到1.05mm。该计算方法所得到计算结果可以使用相关理论进行合理解释，并根据以往的实验数据进行对比分析发现，误差在可接受范围内，从而验证了该方法的准确性和有效性。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (8)

1.一种断路器触头系统短时耐受过程中热稳定性的计算方法，其特征在于，包括：

建立初始导电桥模型；

根据所述初始导电桥模型，建立三相触头系统三维有限元正弦电磁场耦合模型；

根据所述三相触头系统三维有限元正弦电磁场耦合模型，计算获得第一结果值，所述第一结果值包括：导体的平均发热功率分布和各个导电杆归算至触头上的电动力在当前载荷步内的平均值；

建立三相触头系统三维有限元瞬态热传导模型，根据所述第一结果值，计算第二结果值，所述第二结果值包括：导体在所述当前载荷步内的瞬时温度分布和各个导电斑点表面温度在所述当前载荷步内的平均值；

根据所述各个导电斑点表面温度在所述当前载荷步内的平均值，计算导电斑点布氏硬度；

根据所述导电斑点布氏硬度、总电动斥力距平均值和触头弹簧力，计算接触压力，并进一步计算导电桥在所述当前载荷步内的平均半径；

根据所述导电桥在当前载荷步内的平均半径，采用相邻两次迭代方法计算第三结果值，判断所述第三结果值是否收敛，如果收敛，则求解所述当前载荷步内的电流有效值、导体温度、电动斥力距、侧偏力矩和滑动力矩的分布；

判断当前迭代计算时间是否大于或者等于预设计算时间阈值，如果否，则按照上述方法进入下一载荷步的计算；如果是，则终止计算。

2.根据权利要求1所述的计算方法，其特征在于，所述计算方法还包括：所述预设计算时间阈值设定为1s；设定仿真计算步长为10ms，设定载荷步数为100。

3.根据权利要求1所述的计算方法，其特征在于，所述计算方法还包括：

根据下式计算导电斑点的半径，

其中，r代表导电斑点的半径，F_c代表接触压力，ζ代表经验系数，H代表导电斑点布氏硬度；所述ζ为0.3-0.6；

根据下式计算导电桥电阻率，

其中，ρ代表导电桥电阻率，r代表导电斑点的半径，R_e动静触头之间的接触电阻的实验值，H代表导电斑点布氏硬度；

根据下式计算导电桥热导率，

Λρ＝LT

其中，Λ代表导电桥热导率，ρ代表导电桥电阻率，L代表洛伦兹系数，T代表绝对温度。

4.根据权利要求1所述的计算方法，其特征在于，所述计算方法还包括：

根据下式转换所述预设计算时间阈值内各个载荷步的短路电流为正弦电流，

其中，I代表短路电流周期分量有效值，t代表时间，ψ代表电压初相角，代表功率因数角，f代表频率，L代表线路等效电感，R代表线路等效电阻。

5.根据权利要求1所述的计算方法，其特征在于，所述计算方法还包括：

采用物理场文件提取所述第一结果值、所述第二结果值和所述第三结果值，并获取各个载荷步内的电流有效值、导体温度、电动斥力距、侧偏力矩和滑动力矩的分布。

6.根据权利要求1所述的计算方法，其特征在于，所述根据所述导电桥在当前载荷步内的平均半径，采用相邻两次迭代方法计算第三结果值，判断所述第三结果值是否收敛的具体步骤包括：

判断任意两个导电桥在当前载荷步内的平均半径的差值是否小于10^-5m；

如果是，则判断任意两个导电斑点表面温度在当前载荷步内的平均值的差值是否小于1℃；

如果是，则确定所述第三结果值收敛。

7.根据权利要求6所述的计算方法，其特征在于，所述计算方法还包括：

在计算当前载荷步内的各结果值之前，根据前两个已收敛的载荷步内所对应的导电桥的平均半径，线性预测所述当前载荷步内的导电桥的平均半径。

8.根据权利要求7所述的计算方法，其特征在于，所述计算方法还包括：

根据下式线性预测当前载荷步内的导电桥的平均半径，

其中，代表第m个载荷步内的导电桥的平均半径的预测值，r_(m-1)和r_(m-2)分别代表第m-1和第m-2个载荷步内的导电桥的平均半径的收敛值，Δt_(m)和Δt_(m-1)分别代表第m个和第m-1个载荷步时间的步长。