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真空接觸器廣泛應(yīng)用于采礦、冶金、紡織及電力等企業(yè)的配電系統(tǒng)中，是完成電能轉(zhuǎn)換、分配與控制功能的重要電氣設(shè)備。由于真空接觸器的觸頭系統(tǒng)由陶瓷或玻璃密封在真空環(huán)境中，其散熱方式以熱傳導(dǎo)為主，散熱效率不高，所以在負(fù)載電流較高時(shí)會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的發(fā)熱問(wèn)題。

溫升過(guò)高不僅危害導(dǎo)體機(jī)械強(qiáng)度，帶來(lái)熔焊、疲勞及蠕變等問(wèn)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(huì)增加連接位置的接觸電阻進(jìn)而影響真空接觸器接觸系統(tǒng)的電阻及電氣性能，此外，嚴(yán)重發(fā)熱還將增加絕緣的介質(zhì)損耗，加速部件老化，影響使用壽命。

根據(jù)GB 14048.1 2006《低壓開(kāi)關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備 第一部分：總則》和GB 14048.4 2010《低壓開(kāi)關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備 第4-1部分：接觸器和電動(dòng)機(jī)起動(dòng)器機(jī)電式接觸器和電動(dòng)機(jī)起動(dòng)器（含電動(dòng)機(jī)保護(hù)器）》中對(duì)交流接觸器溫升試驗(yàn)的相關(guān)要求，對(duì)交流接觸器的發(fā)熱部件規(guī)定了溫升允許極限值為65K，部分企業(yè)還提出了50K等更嚴(yán)苛的指標(biāo)要求。因此，系統(tǒng)測(cè)量真空接觸器溫升特性及準(zhǔn)確模擬真空接觸器觸頭系統(tǒng)發(fā)熱的物理過(guò)程對(duì)于真空接觸器向小型化、大容量方向發(fā)展具有重要意義。

近年來(lái)，電力設(shè)備的熱仿真技術(shù)發(fā)展迅速。圍繞著真空斷路器、接觸器、繼電器及配電開(kāi)關(guān)柜等的溫升研究取得很多有益的成果。

對(duì)于如真空斷路器等具有散熱裝置的開(kāi)關(guān)電器，熱量主要由上下兩個(gè)散熱器通過(guò)自然對(duì)流和輻射的方式散出，有學(xué)者對(duì)影響真空斷路器溫升的散熱表面對(duì)流換熱系數(shù)、動(dòng)靜觸頭接觸半徑、接觸點(diǎn)位置以及導(dǎo)電桿半徑四種因素進(jìn)行了仿真分析。

有學(xué)者以某型號(hào)10kV/5kA真空直流斷路器作為研究對(duì)象，通過(guò)熱電耦合法對(duì)其進(jìn)行了溫度場(chǎng)數(shù)值模擬。短時(shí)耐受電流條件下的熱穩(wěn)定性是低壓斷路器的重要考核指標(biāo)之一。

有學(xué)者在動(dòng)靜觸點(diǎn)間導(dǎo)電橋模型周圍增加了一個(gè)傳導(dǎo)熱量的薄層解決了微小氣隙中熱輻射作用增長(zhǎng)、導(dǎo)熱效果加強(qiáng)的問(wèn)題，利用諧波電磁場(chǎng)分析結(jié)合瞬態(tài)溫度場(chǎng)，確定了焦耳熱損耗及溫度場(chǎng)分布，仿真計(jì)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(shí)考慮主回路和電磁系統(tǒng)發(fā)熱的接觸器數(shù)值熱分析模型，并分別對(duì)長(zhǎng)期閉合工作制下額定電流為100A的交流接觸器和帶反饋調(diào)壓系統(tǒng)的額定電流160A智能接觸器進(jìn)行了溫度場(chǎng)仿真，但是該研究主要針對(duì)小型空氣式交流接觸器，與真空接觸器的觸頭及導(dǎo)電回路結(jié)構(gòu)和發(fā)熱機(jī)理均存在較大差異。

對(duì)于繼電器、開(kāi)關(guān)柜等具有封閉外殼的開(kāi)關(guān)設(shè)備，其內(nèi)部空氣流動(dòng)的空間較小，因此傳導(dǎo)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(shù)隨溫度變化，并在散熱分析中計(jì)入了熱傳導(dǎo)、對(duì)流及輻射的影響，結(jié)果表明，熱導(dǎo)率隨溫度變化對(duì)仿真結(jié)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(duì)不同環(huán)境溫度和反復(fù)短時(shí)工作狀態(tài)下繼電器電磁機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了仿真分析。

有學(xué)者提出填充層法的計(jì)算模型，分析了直流12V/70A商用密封汽車?yán)^電器反復(fù)短時(shí)工作制下的瞬態(tài)熱問(wèn)題。周學(xué)等仿真計(jì)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(tǒng)及導(dǎo)電回路的熱特性及熱應(yīng)力引起的微小形變問(wèn)題。

有學(xué)者完成了無(wú)殼和有殼下線圈恒定通電時(shí)，24V電壓下型號(hào)HFV6汽車?yán)^電器溫度場(chǎng)的仿真。

李興文等采用計(jì)算流體力學(xué)方法計(jì)算了額定電流630A配電開(kāi)關(guān)柜在自然對(duì)流、強(qiáng)迫對(duì)流條件下的溫升分布，并與試驗(yàn)進(jìn)行了對(duì)比，絕對(duì)誤差為13K；此外，還計(jì)算了含通風(fēng)口的開(kāi)關(guān)柜在降容運(yùn)行條件下的溫升分布。

Barcikowski 等研究發(fā)現(xiàn)微型斷路器內(nèi)部的對(duì)流與輻射傳熱過(guò)程對(duì)斷路器導(dǎo)電回路穩(wěn)態(tài)溫升的影響可以忽略。還有一些研究學(xué)者計(jì)算了外殼不封閉的電力設(shè)備的溫升。

目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)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(dǎo)電回路整體發(fā)熱過(guò)程方面的文獻(xiàn)很少，已有的接觸器溫升研究也主要集中在經(jīng)驗(yàn)公式和電磁機(jī)構(gòu)部分。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程及自動(dòng)化學(xué)院的研究人員，針對(duì)JRS1600A單相交流真空接觸器在大電流條件下的溫升特性進(jìn)行了研究，通過(guò)試驗(yàn)和仿真總結(jié)了真空接觸器的相關(guān)溫升特點(diǎn)并結(jié)合研究結(jié)果對(duì)真空接觸器的過(guò)負(fù)載能力進(jìn)行了評(píng)估。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)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(cè)量試驗(yàn)平臺(tái)，在不同電流條件下對(duì)真空接觸器的導(dǎo)電排、外殼等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定位置不同通電時(shí)間下的溫度進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)量，獲得了溫升特性曲線，討論了真空接觸器的過(guò)負(fù)載能力。

圖3 溫升測(cè)量點(diǎn)

圖6 真空接觸器觸頭及導(dǎo)電回路結(jié)構(gòu)

其次，為探究真空接觸器觸頭及導(dǎo)電回路整體發(fā)熱情況，特別是試驗(yàn)過(guò)程中無(wú)法測(cè)量的位置（如真空滅弧室內(nèi)部觸頭及導(dǎo)電桿等）的溫升特性，建立三維電-熱場(chǎng)強(qiáng)耦合分析模型并采用COMSOL多物理場(chǎng)耦合有限元軟件對(duì)不同電流下的真空接觸器的溫度場(chǎng)、焦耳發(fā)熱功率分布等參數(shù)進(jìn)行仿真計(jì)算，并提取相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定位置的溫度數(shù)據(jù)與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，并得到如下結(jié)論：

1）通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)真空接觸器外殼、上下導(dǎo)電排3個(gè)測(cè)溫點(diǎn)在2500A/180min溫升未超過(guò)極限允許溫升，其中上導(dǎo)電排溫升在1600A及以下時(shí)均略高于下導(dǎo)電排溫升，最大差值為1.1K；在2500A時(shí)導(dǎo)電排的溫升時(shí)變曲線基本重合，最大溫升出現(xiàn)在上導(dǎo)電排測(cè)溫點(diǎn)51.9K；接觸器外殼因溫升較低在通電時(shí)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(cè)量試驗(yàn)平臺(tái)，采用水冷可變負(fù)載電阻的設(shè)計(jì)，有效解決了2500kA/180min恒定負(fù)載條件下溫升引起的阻值波動(dòng)及潛在安全隱患，該可調(diào)節(jié)水冷負(fù)載電阻滿足的指標(biāo)為阻值調(diào)節(jié)范圍0～5m◆，最大負(fù)載功率9000W。

3）基于COMSOL軟件建立電熱耦合分析模型，并對(duì)不同電流下的真空接觸器觸頭系統(tǒng)的溫升特性進(jìn)行仿真計(jì)算，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好，最大相對(duì)溫升誤差為13.4%。

4）通過(guò)仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)，真空接觸器觸頭及導(dǎo)電回路中的彎曲部分是焦耳發(fā)熱功率密度相對(duì)較為集中的區(qū)域，因此在大容量真空接觸器熱設(shè)計(jì)過(guò)程中需要重點(diǎn)關(guān)注。

以上研究成果發(fā)表在2019年第24期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“大電流條件下真空接觸器溫升特性的試驗(yàn)測(cè)量與仿真分析”，作者為薄凱、周學(xué)、翟國(guó)富、祖甘霖。