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摘要：现阶段，随着社会的发展，现代化建设的发展也有了很大的进步。高压隔离开关节能降耗和控制过热一直以来都是电力系统亟待解决的重要问题之一。实际运行中，隔离开关由于受到恶劣环境和复杂气候条件的影响，随着运行时间的增长，导电回路常会出现过热现象，尤其以触指/触头接触处最为严重。隔离开关的主要失效形式是由于接触电阻产生的焦耳热使得收缩区温度升高，致使两接触面产生熔焊。目前，由“导电斑点”接触的微观特征引发的收缩电阻以及接触电阻，一直都是国内外学者关注的热点，并对电接触下热过程数学模型进行了大量的相关研究。文中以GW4-220kV高压隔离开关两种不同截面触指的接触系统为研究对象，采用建立数学模型和AnsysWorkbench有限元分析软件相结合的方式，对触点静态接触下接触系统稳态热效应和暂态热效应进行理论分析和仿真计算，并通过瞬态热—电耦合分析来讨论220kV隔离开关在50kA/3s下的热稳定性及其影响因素。
关键词：隔离开关触点;静态接触;热稳定性研究
引言
在配电系统中，配电装置承担着电能的分配、传输、保护和控制等重要功能，是一个量大面广的基础元件。作为重要元器件之一，隔离开关的可靠性和稳定性要求越来越高，其短时耐受电流能力是一项极为重要的性能指标。本文建立隔离开关三维模型，使用Ansys进行仿真分析开关40kA/1s和50kA/0.5s短时耐受电流。先校核动稳定性，分析开关动触头组件（刀闸）电磁力，后进行热稳定性分析，采用Holm模型的等效接触电阻，分析开关在不同时间段最高温度，以此为解决直流隔离开关短耐问题提供仿真设计依据。
1触指/触头接触电阻数学模型
高压隔离开关接触系统电阻由导体自身电阻和接触电阻两部分组成。为了对比研究矩形和W形截面触指对热稳定性的影响，保持两种形式的电阻相同。两种接触系统的铜触头尺寸相同，触指截面积s=286mm2;触指长度l=25mm2。由于接触电阻值的大小与接触元件的材料、表面粗糙度、接触形式、接触力等都有关，而矩形、W型截面存在触指/触头接触时接触线长度不相等的情况，无法在同等情况下对这两种接触系统热稳定性进行研究。目前还未提出动态接触电阻数学模型和数学表达式。因此，文中针对触指、触头稳定接触时的接触电阻，即静态接触电阻。Williamson的实验表明接触电阻完全是由电流线收缩造成，表面膜只是通过干扰导电斑点的形成来影响电流收缩。采用Holm单斑点一级收缩模型，该模型将触点的形状处理为直径为D的圆形金属导电斑点。当电流通过此导电斑点时电流线产生收缩产生收缩电阻，而电流线的变形主要与触点压力和触点形状有关。文中提出的接触系统结构满足Hertz接触条件，即接触区的有效尺寸比起每个部件的尺寸及其表面相对曲率半径是很小的，利用解析法得到触点接触半径。接触力会对触点接触半径，进而对收缩电阻产生影响，另外在瞬时过热条件下如果考虑接触力，触点半径会发生变化从而影响收缩电阻，对温升产生影响。为了避免接触力对热稳定性的影响，在Workbench中进行有限元分析时，耦合节点位移处施加恒定接触力，并建立接触对，从而保证文中只分析触头截面形式对隔离开关热稳定性的影响。
2触指/触头接触系统稳态热稳定性分析
以GW4-220kV高压隔离开关为研究对象，该型号隔离开关实际运行中流过的电流很大，额定电流2000A，额定短时耐受电流则高达50kA/3s，因此会产生大量的电阻发热，尤其是在触指/触头接触处发热更为明显。文中忽略流经各个触指的电流差异，近似认为触指上的电流分配均相同。
2.1接觸系统内电阻稳态发热
为了更准确研究接触系统的热稳定性，将接触电阻的影响通过其通电发热量来反映。在对模型划分网格时，运用自由分网的方式。对接触系统采用较小的网格尺寸，并采用柔性网格，网格划分比较精细;其余部件网格划分较粗，从而达到即节省计算时间又保证计算精度的要求。在稳态温升仿真中，触头侧接线端子加载额定电流2000A，同时将触指侧接线端子电压设置为0V。由于环境为常温户外空间，空气处于自然对流状态。相关资料显示[6]：在此条件下，空气的对流散热系数为5～10W/（m2·K）。施加的对流散热系数为10W/（m2·K），环境温度为25℃。虽然A、B两类触指散热面积存在差异，但由触点稳态热过程数学模型可以看出该物理量对触指稳态热过程影响微乎其微。先忽略接触电阻的影响，只由接触系统导体内电阻生热导致的温度场分布云图。
2.2接触系统接触电阻稳态发热
文中隔离开关接触电阻稳态温升的研究对象为单个的触指模型，从而达到简化模型的目的。忽略温度对电阻率的影响，将隔离开关接触系统处理成一个并联电路，则流经各个触指的额定电流近似为250A。这种接触方式的接触面积较小，传热效果不佳，接触系统的发热主要集中在接触线上。A类触指最高温度约为56.4℃，而B类触指约为51.0℃。接触系统发热的主要热源为接触电阻发热。仿真计算和理论分析结果一致，说明模型正确。
3触指/触头接触系统瞬态热稳定性分析
许多电器都必须经受短路电流的考验[13]。对于GW4-220kV高压隔离开关，即短路大电流50kA/3s的作用下，要求触头接触面不会出现过热现象。
3.1接触系统瞬态热过程数学模型
在短路电流条件下，由于电流的作用时间较短，触点温升计算可以忽略散热。相关资料表明：对于Cu导体，当A=1cm2、p=1cm2、V=1cm3时，即在短路电流下接触面上的温升主要取决于接触焦耳热而非导体内热源。
3.2接触系统热—电耦合瞬态温升仿真
流经各个触指的额定短时耐受电流为6250A/3s，接触电阻产生的热量为Qc'=I2dRc=6250×6250×0.0875×10-3≈3417.97W。将以上计算得到的接触电阻瞬态发热量施加到触指/触头接触线上，得到3s内接触线上最高温度变化曲线。A、B两类触指瞬态温度场分布分别见图11、12。由于额定短时耐受电流作用时间只有3s，可将其视为绝热过程，因此热量主要集中在触指/触头配合接触线上。A类触指接触线上的最高温度约为883℃，而B类为865℃。接触处触指材料为Cu（熔点为1083℃），接触线处不会发生粘连。
结语
通过建立GW4-220kV高压隔离开关接触系统的稳、瞬态热过程数学模型以及三维有限元分析模型，并在其基础上对接触线部位进行了热稳定研究，得出以下结论：1）采用两种不同截面型式触指作为对比，利用Holm单斑点一级收缩模型计算出的接触电阻远远大于导体内电阻，并通过接触系统稳、瞬态热过程数学模型，从理论上证明了导电回路发热主要出现在接触系统，而接触处发热又主要为接触电阻发热。2）当隔离开关导电回路通以额定电流2000A时，结果显示最高温度均出现在接触线处，分别为56.4℃和51.0℃，在隔离开关允许温升范围之内。因此，在通入额定电流2kA时，该型号的隔离开关可以稳定、正常工作。3）在导电回路承受短路电流50kA/3s时，A、B两类接触线最高温升为883℃和865℃，虽然低于触指、触头材料熔点，但也说明此时接触系统已属于过热状态，热稳定性较差。4）在忽略导体自身电阻对热稳定性影响的前提下，触指截面型式会对接触系统最大温升产生影响，B类接触系统最大温升明显小于A类。
参考文献
[1]吴涛，余海涛，戴永正，等.550kV高压隔离开关热稳定性分析[J].高压电器，2013，49（9）：134?141.
[2]程礼椿.电接触理论及应用[M].北京：机械工业出版社，1988.
[3]姚文华.电触点材料接触电阻分析[J].电工材料，2005（3）：22?25..
[4]刘卫峰.高压隔离开关自力型触指结构优化设计及其成形技术研究[D].洛阳：河南科技大学，2011.
[5]程礼椿.论接触电阻模型与应用问题[J].高压电器，1993，29（2）：34?40..
关键词：隔离开关触点;静态接触;热稳定性研究
引言
在配电系统中，配电装置承担着电能的分配、传输、保护和控制等重要功能，是一个量大面广的基础元件。作为重要元器件之一，隔离开关的可靠性和稳定性要求越来越高，其短时耐受电流能力是一项极为重要的性能指标。本文建立隔离开关三维模型，使用Ansys进行仿真分析开关40kA/1s和50kA/0.5s短时耐受电流。先校核动稳定性，分析开关动触头组件（刀闸）电磁力，后进行热稳定性分析，采用Holm模型的等效接触电阻，分析开关在不同时间段最高温度，以此为解决直流隔离开关短耐问题提供仿真设计依据。
1触指/触头接触电阻数学模型
高压隔离开关接触系统电阻由导体自身电阻和接触电阻两部分组成。为了对比研究矩形和W形截面触指对热稳定性的影响，保持两种形式的电阻相同。两种接触系统的铜触头尺寸相同，触指截面积s=286mm2;触指长度l=25mm2。由于接触电阻值的大小与接触元件的材料、表面粗糙度、接触形式、接触力等都有关，而矩形、W型截面存在触指/触头接触时接触线长度不相等的情况，无法在同等情况下对这两种接触系统热稳定性进行研究。目前还未提出动态接触电阻数学模型和数学表达式。因此，文中针对触指、触头稳定接触时的接触电阻，即静态接触电阻。Williamson的实验表明接触电阻完全是由电流线收缩造成，表面膜只是通过干扰导电斑点的形成来影响电流收缩。采用Holm单斑点一级收缩模型，该模型将触点的形状处理为直径为D的圆形金属导电斑点。当电流通过此导电斑点时电流线产生收缩产生收缩电阻，而电流线的变形主要与触点压力和触点形状有关。文中提出的接触系统结构满足Hertz接触条件，即接触区的有效尺寸比起每个部件的尺寸及其表面相对曲率半径是很小的，利用解析法得到触点接触半径。接触力会对触点接触半径，进而对收缩电阻产生影响，另外在瞬时过热条件下如果考虑接触力，触点半径会发生变化从而影响收缩电阻，对温升产生影响。为了避免接触力对热稳定性的影响，在Workbench中进行有限元分析时，耦合节点位移处施加恒定接触力，并建立接触对，从而保证文中只分析触头截面形式对隔离开关热稳定性的影响。
2触指/触头接触系统稳态热稳定性分析
以GW4-220kV高压隔离开关为研究对象，该型号隔离开关实际运行中流过的电流很大，额定电流2000A，额定短时耐受电流则高达50kA/3s，因此会产生大量的电阻发热，尤其是在触指/触头接触处发热更为明显。文中忽略流经各个触指的电流差异，近似认为触指上的电流分配均相同。
2.1接觸系统内电阻稳态发热
为了更准确研究接触系统的热稳定性，将接触电阻的影响通过其通电发热量来反映。在对模型划分网格时，运用自由分网的方式。对接触系统采用较小的网格尺寸，并采用柔性网格，网格划分比较精细;其余部件网格划分较粗，从而达到即节省计算时间又保证计算精度的要求。在稳态温升仿真中，触头侧接线端子加载额定电流2000A，同时将触指侧接线端子电压设置为0V。由于环境为常温户外空间，空气处于自然对流状态。相关资料显示[6]：在此条件下，空气的对流散热系数为5～10W/（m2·K）。施加的对流散热系数为10W/（m2·K），环境温度为25℃。虽然A、B两类触指散热面积存在差异，但由触点稳态热过程数学模型可以看出该物理量对触指稳态热过程影响微乎其微。先忽略接触电阻的影响，只由接触系统导体内电阻生热导致的温度场分布云图。
2.2接触系统接触电阻稳态发热
文中隔离开关接触电阻稳态温升的研究对象为单个的触指模型，从而达到简化模型的目的。忽略温度对电阻率的影响，将隔离开关接触系统处理成一个并联电路，则流经各个触指的额定电流近似为250A。这种接触方式的接触面积较小，传热效果不佳，接触系统的发热主要集中在接触线上。A类触指最高温度约为56.4℃，而B类触指约为51.0℃。接触系统发热的主要热源为接触电阻发热。仿真计算和理论分析结果一致，说明模型正确。
3触指/触头接触系统瞬态热稳定性分析
许多电器都必须经受短路电流的考验[13]。对于GW4-220kV高压隔离开关，即短路大电流50kA/3s的作用下，要求触头接触面不会出现过热现象。
3.1接触系统瞬态热过程数学模型
在短路电流条件下，由于电流的作用时间较短，触点温升计算可以忽略散热。相关资料表明：对于Cu导体，当A=1cm2、p=1cm2、V=1cm3时，即在短路电流下接触面上的温升主要取决于接触焦耳热而非导体内热源。
3.2接触系统热—电耦合瞬态温升仿真
流经各个触指的额定短时耐受电流为6250A/3s，接触电阻产生的热量为Qc'=I2dRc=6250×6250×0.0875×10-3≈3417.97W。将以上计算得到的接触电阻瞬态发热量施加到触指/触头接触线上，得到3s内接触线上最高温度变化曲线。A、B两类触指瞬态温度场分布分别见图11、12。由于额定短时耐受电流作用时间只有3s，可将其视为绝热过程，因此热量主要集中在触指/触头配合接触线上。A类触指接触线上的最高温度约为883℃，而B类为865℃。接触处触指材料为Cu（熔点为1083℃），接触线处不会发生粘连。
结语
通过建立GW4-220kV高压隔离开关接触系统的稳、瞬态热过程数学模型以及三维有限元分析模型，并在其基础上对接触线部位进行了热稳定研究，得出以下结论：1）采用两种不同截面型式触指作为对比，利用Holm单斑点一级收缩模型计算出的接触电阻远远大于导体内电阻，并通过接触系统稳、瞬态热过程数学模型，从理论上证明了导电回路发热主要出现在接触系统，而接触处发热又主要为接触电阻发热。2）当隔离开关导电回路通以额定电流2000A时，结果显示最高温度均出现在接触线处，分别为56.4℃和51.0℃，在隔离开关允许温升范围之内。因此，在通入额定电流2kA时，该型号的隔离开关可以稳定、正常工作。3）在导电回路承受短路电流50kA/3s时，A、B两类接触线最高温升为883℃和865℃，虽然低于触指、触头材料熔点，但也说明此时接触系统已属于过热状态，热稳定性较差。4）在忽略导体自身电阻对热稳定性影响的前提下，触指截面型式会对接触系统最大温升产生影响，B类接触系统最大温升明显小于A类。
参考文献
[1]吴涛，余海涛，戴永正，等.550kV高压隔离开关热稳定性分析[J].高压电器，2013，49（9）：134?141.
[2]程礼椿.电接触理论及应用[M].北京：机械工业出版社，1988.
[3]姚文华.电触点材料接触电阻分析[J].电工材料，2005（3）：22?25..
[4]刘卫峰.高压隔离开关自力型触指结构优化设计及其成形技术研究[D].洛阳：河南科技大学，2011.
[5]程礼椿.论接触电阻模型与应用问题[J].高压电器，1993，29（2）：34?40..