CN109556759B - 一种探究开关柜温升规律的实验方法 - Google Patents

一种探究开关柜温升规律的实验方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种探究开关柜温升规律的实验方法，所述方法包括：首先，选择监测点；其次，对所述监测点进行负荷电流影响测试、环境温度影响测试、通风设备影响测试、回路电阻影响测试；然后，基于所述测试，获取监测点温升数据以及变化趋势的检测结果；最后，基于温升数据与检测结果，分析、得出温升规律。所述方法根据各个影响因素的温升实验数据比较分析得出开关柜的温升分布规律，所述温升分布规律既给研究人员提供了开关柜研究依据，也增强了对开关柜温升问题的有效控制。

Description

一种探究开关柜温升规律的实验方法
技术领域
本发明属于开关柜技术领域，特别涉及一种探究开关柜温升规律的实验方法。
背景技术
高压开关柜在投入运行后，负荷电流长时间流经其导电回路，因为导电材料电阻的存在，会产生热损耗，从而导致高压开关柜内尤其是导电回路的温度升高。现有的对开关柜的研究包括一下几种实验方法：
厦门理工学院学报,2015(1):45-50公开了选定了一款常见的10kV开关柜，进行了一系列的温升试验，并得出发热最严重的部位是触臂后端，并分析了发热部位温升的原因。之后通过二次函数对不同负载下的温升进行了拟合，虽然其拟合效果很好，但是由于该开关柜额定电流只有1600A，在大容量开关柜中其公式的适用性还需要进一步验证。
电力科学与技术学报,2009,24(3):68-71公开了运用ANSOFT Maxwell3D和ePhysics软件对开关柜母排进行了电磁场和温度场的耦合仿真。验证了涡流对三相母排热损耗的影响，当母排间距减小时，热损耗会明显增大。该仿真存在的问题是将母排进行了简化，忽略了母排搭接面的接触电阻，并将双层的母排简化为单层，这些都对仿真计算的结果造成了一定的误差。
基于ANSYS的开关柜电场与温度场仿真计算公开了运用SolidWorks对40.5kV开关柜进行了建模，之后导入ANSYS中进行了电场和温度场仿真，并与温升试验数据进行了对比验证。虽然该仿真中建立了完整的导电回路模型，但是对于接触电阻的设定，只是人为规定电接触处的电阻率为正常电阻率的100倍，并没有实际回路电阻测量的支撑。故所得到的结果只能大致表示温度分布，并没有得到具体温度分布规律。
International Journal of Thermal Sciences,2014,82(1):122-129公开了运用ANSYS Maxwell和Fluent软件，对开关柜进行了电磁场、热场、空气流场的耦合数值仿真。该仿真考虑了集肤效应、邻近效应、涡流损耗，以及三种散热方法，对开关柜内的主导电回路以及自然对流下的空气流速进行了耦合分析，发现在断路器内温升最高，并且空气流速在0.2-0.3m/s范围内。尽管该仿真结果得到了试验数据很好的印证，但是可以看出所搭建的开关柜模型并没有安装风扇，属于额定电流较小的型号。在大容量开关柜内温度的分布和空气流场的分布仍是未知的。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供了一种探究开关柜温升规律的实验方法，该方法能够有效地获得适用强的温升规律。
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种探究开关柜温升规律的实验方法，采用以下技术方案：
一种探究开关柜温升规律的实验方法，所述方法包括，
选择监测点；
对所述监测点进行负荷电流影响测试、环境温度影响测试、通风设备影响测试、回路电阻影响测试；
基于所述测试，获取监测点温升数据以及变化趋势的检测结果；
基于温升数据与检测结果，分析、得出温升规律。
进一步，所述监测点包括以下一个或多个开关柜发热点，
A、B、C三相上的静触头盒出线处、分支排处、分支排与母排搭接处、B相上梅花触子内侧、A、B、C三相上、下梅花触头的外侧、断路器触臂后端内侧、断路器触臂后端外侧、断路器触臂前端外侧、静触头、静触头与分支排搭接面。
进一步，所述负荷电流影响测试包括三相平衡负荷电流测试与三相不平衡负荷电流测试，其中，包括，
调节开关柜三相回路中的负荷电流；
分别在多组三相平衡或三相不平衡负荷电流下对监测点进行温升测试。
进一步，所述环境温度影响测试包括，
在三相平衡负荷电流下，当监测点的温升达到限制温度，开启通风设备；
改变开关柜实验时的环境温度，分别在不同环境温度下对监测点进行温升测试。
进一步，所述通风设备影响测试包括，
在三相平衡负荷电流下，在全程或限制温度下开启通风设备；
分别在全程或限制温度开启通风设备下对监测点进行温升测试。
进一步，所述回路电阻影响测试包括梅花触指不同数量测试、母排搭接螺栓不同力矩测试以及断路器的接触位置测试，其中，包括，
改变梅花触指数量和/或母排搭接螺栓力矩和/或断路器的接触位置；
分别在不同数量的梅花触指和/或不同的母排搭接螺栓力矩和/或断路器欠位或过位下，对监测点进行温升测试。
进一步，所述基于温升数据与检测结果，分析、得出温升规律包括，
将监测点的温升数据绘制成的时间-温度曲线；
对监测点的一种或多种测试的时间-温度曲线进行比较。
进一步，所述限制温度为监测点的温升温度达到60K。
本发明的实验方法依据多种开关柜影响因素对开关柜的温升稳定值与温升速率进行实验研究，从而根据各个影响因素的实验数据比较分析得出开关柜的温升分布规律，所述温升分布规律既给研究人员提供了开关柜研究依据，也增强了对开关柜温升问题的有效控制。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了本发明实施例中一种开关柜的结构示意图；
图2示出了本发明实施例中一种测试电路结构示意图；
图3示出了本发明实施例中三相负荷电流均为4400A、3150A、2500A、1250A时C相上梅花触头的温升曲线示意图；
图4示出了本发明实施例中开关柜在三相不平衡负荷电流下的温升曲线示意图；
图5示出了本发明实施例中A、B、C相上断路器触臂内侧在A、C相电流为4400A，B相电流为0A时的温升曲线示意图；
图6示出了本发明实施例中A、B、C相上断路器触臂内侧在B、C相电流为4400A，A相电流为0A时的温升曲线示意图；
图7示出了本发明实施例中断路器触臂内侧在不同环境温度下的温升曲线示意图；
图8示出了本发明实施例中梅花触头在不同环境温度下的温升曲线示意图；
图9示出了本发明实施例中C相上梅花触头左侧在4400A负荷电流下开通风设备与不开通风设备时的温升曲线示意图；
图10示出了本发明实施例中梅花触指数量为84片、64片时B相上梅花触头外侧右以及开关柜在梅花触指数量更换后-更换前的温升曲线示意图；
图11示出了本发明实施例中断路器处于正常位置与断路器欠位时A相上梅花触头外侧上、下、左、右四处监测点的温升曲线示意图；
图12示出了本发明实施例中断路器欠位时A、B、C相上、下梅花触头外侧右的温升曲线示意图；
图13示出了本发明实施例中断路器正常位置与断路器过位时A相下梅花触头外侧左、以及开关柜温升差值的温升曲线示意图；
图14示出了本发明实施例中母排搭接螺栓力矩正常与母排搭接螺栓力矩为80Nm、50Nm、0Nm的温升曲线示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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、完整地说明，显然，所描述的实施例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。
本发明实施例中公开了探究开关柜温升规律的实验方法，所述实验方法包括，首先，选择监测点；其次，对所述监测点进行负荷电流影响测试、环境温度影响测试、通风设备影响测试、回路电阻影响测试；然后，基于上述测试，获取监测点温升数据以及变化趋势的检测结果；最后，基于温升数据与检测结果，分析、得出温升规律。
本发明实施例中以KYN28A-12(Z)架空进线柜为例进行示例性说明，如图1所示，KYN28A-12(Z)架空进线柜的额定电压10kV，额定电流4000A。该开关柜在母线室顶部安装3台风机，断路器室顶部安装2台风机，架空进线室前端安装有2台卷风机，其中风机功率65W/台，卷风机功率一台为70W，另一台为270W。其中，所述开关柜包括A为母线室，B为断路器手车室，C为进线母排室，D为继电器仪表室。1为开关柜风机，2为断路器手车，3为断路器动触头，4为断路器静触头盒，5为进线母排，6为母线套管，7为电流互感器。
基于图1的KYN28A-12(Z)架空进线柜，所述监测点包括以下一个或多个开关柜发热点：A、B、C三相上的静触头盒出线处、分支排处、分支排与母排搭接处、B相上梅花触子内侧上、下、左、右四处、A、B、C三相上、下梅花触头的外侧上、下、左、右各四处、断路器触臂后端内侧、断路器触臂后端外侧上、左两处、路器触臂断前端外侧、静触头、静触头与分支排搭接面。
进一步，基于所述开关柜的一个或多个监测点搭接测试电路，如图2所示，所述开关柜TO外接电流发生器；其中，所述电流发生器包括控制开关S1和S2，调压器VR，升流变压器T；电流发生器的输入为交流220V三相电压，通过调节电流发生器可得到预定的三相电流值。
具体的，所述负荷电流影响测试包括三相平衡负荷电流测试与三相不平衡负荷电流测试，其中，设置多组实验负荷电流，基于所述实验负荷电流，通过调节电流发生器调节开关柜三相回路中的负荷电流；分别在多组三相平衡或三相不平衡负荷电流下对监测点进行温升测试。所述环境温度影响测试包括，在三相平衡负荷电流下，当监测点的温升达到限制温度，开启通风设备；其中，设置多组环境温度，通过改变开关柜实验时的环境温度，分别在不同环境温度下对监测点进行温升测试；优选的，所述环境温度为在不同时间、不同气温时监测获得的。所述通风设备影响测试包括，在设定的三相平衡负荷电流下，在全程或限制温度下开启通风设备；分别在全程或限制温度开启通风设备下对监测点进行温升测试。所述回路电阻影响测试包括梅花触指不同数量测试、母排搭接螺栓不同力矩测试以及断路器的接触位置测试，其中，改变梅花触指数量和/或母排搭接螺栓力矩和/或断路器的接触位置，从而改变开关柜三相回路的电阻，因此，分别在不同数量的梅花触指和/或不同的母排搭接螺栓力矩和/或断路器欠位或过位下，对监测点进行温升测试。
进一步具体的，本发明实施例中对一个或多个监测点进行了15次实验，将15次实验分别记为实验1、实验2、……、实验15。所述15次实验的实验条件如表1所示，
表1、开关柜温升实验
Figure BDA0001865977670000061
Figure BDA0001865977670000071
通过实验1至实验15的温升实验获取温升实验数据，基于温升实验数据分析、得出温升分布规律。
具体的，所述负荷电流影响测试包括三相平衡负荷电流测试与三相不平衡负荷电流测试，其中，所述三相平衡负荷电流测试依据实验1至实验4的温升数据，具体如下所示，
将不同负荷电流下的温升数据绘制成的时间-温度曲线；
比较相同监测点在不同负荷电流下的时间-温度曲线，分析、得出同一监测点温升规律。以监测点为C相上梅花触头为例，如图3所示，在不同的三相平衡负荷电流下，温升速率及温升稳定值存在明显差异。
所述三相不平衡负荷电流测试依据表1中实验6、实验8、实验9的温升数据；如图4所示为三相电流是否平衡对开关柜温升的影响，图4中，当缺少一相电流时，由于开关柜整体发热功率下降，其温升速率以及温升稳定值均有一定的变化。以监测点为断路器触臂内侧为例，由图5、图6可知，当A、C两相通4400A电流时，B相温升稳定值在16℃，而B、C两相通4400A电流时，A相温升稳定值在10℃左右。验证了由于涡流损耗的存在，B相温升会高于A、C两相。
所述环境温度影响测试依据实验5、实验6的温升数据。以监测点为B相断路器上触臂后端内侧、B相上梅花触头为例，如图7、8所示，环境温度相差7.9℃时，断路器触臂内侧温升差值为2.5℃，梅花触头温升差值仅有2.2℃，因此，环境温度的变化对开关柜温升稳定值影响不大，且温升速率也基本一致。
所述通风设备影响测试依据实验1、实验2、实验6、实验7的温升数据，以监测点为C相上梅花触头左侧为例，如图9所示，监测点C相上梅花触头左侧在4400A负荷电流下不开通风设备与4400A负荷电流下开启通风设备的温升数据曲线，开启通风设备后，开关柜温升稳定值下降，温升速率下降，且开启通风设备后开关柜温升能够较快的达到稳定值。
所述回路电阻影响测试包括梅花触指不同数量测试、断路器位置测试以及母排搭接螺栓不同力矩测试，其中，所述梅花触指不同数量测试依据实验6与实验10的实验数据，如图10所示，梅花触指数量为84片、64片时B相上梅花触头外侧右以及开关柜在梅花触指数量更换后-更换前的温升曲线，由图10中的曲线可知梅花触指数量对开关柜温升速率及温升稳定值的影响不大。
所述断路器位置测试包括断路器欠位测试、断路器过位测试，其中，
所述断路器欠位测试依据实验6、实验11的实验数据，以监测点为A相上梅花触头外侧上、下、左、右四处为例，则图11中为断路器正常位置与断路器欠位时A相上梅花触头外侧上、下、左、右四处监测点的温升曲线，由图11中曲线可知断路器欠位时监测点的温升速率明显增大，监测点的温升稳定值也比标准状态下的温升稳定值高。进一步，图12中为断路器欠位时A、B、C相上、下梅花触头外侧右的温升曲线，则由图中曲线可知不同的梅花触头，其温升速率、温升稳定值差别较大，因此由实验可知断路器欠位时梅花触头的过热现象会造成梅花触头的加速老化甚至烧损。
所述断路器过位测试依据实验6、实验12的实验数据，以监测点为A相下梅花触头外侧左为例，则图13中为断路器正常位置与断路器过位时A相下梅花触头外侧左、以及开关柜温升差值的温升曲线，由图13中曲线可知断路器过位不会对开关柜的温升速率、温升稳定值产生影响。
所述母排搭接螺栓不同力矩测试依据实验6、实验13、实验14、实验15的实验数据，以监测点为分支排与母排搭接处，则图14中为母排搭接螺栓力矩正常与母排搭接螺栓力矩为80Nm、50Nm、0Nm的温升曲线，由图14中可知螺栓力矩变化为80Nm时温升基本不变；力矩为50Nm时温升略微上升，与标准力矩下的温升值相差6℃左右；力矩为0Nm时温升变化相差20℃，温升速率变化明显，因此，母排搭接螺栓力矩小范围变化时，对母排搭接处的接触电阻基本无影响；只有当力矩变化幅度很大时，才会影响母排搭接处的温升速率、温升稳定值；即使螺栓完全松开，母排搭接处的温升稳定值也没有超过规定的65K温升限值。
进一步，基于上述温升规律，对监测点的温升数据进行拟合计算；通过拟合计算，得出监测点的温升系数；然后，根据监测点的温升系数，确定监测点的温升经验公式；其中，所述温升经验公式为：
Figure BDA0001865977670000091
所述监测点的温升系数为温升稳定值τs1、温升差值τs2、热时间常数Tt，其中，τs2为温升稳定值τs1与温升初值τ0的，即
τs2＝τs1-τ0 (3-2)。
进一步，基于温升实验数据与温升数据，获取温升稳定值折算公式，其中，
获取监测点在负荷电流I1、I2下的温升稳定值τ1、τ2与不同负荷电流I1、I2的关系式为：
Figure BDA0001865977670000101
其中，I1、I2为不同的负荷电流；τ1、τ2分别为I1、I2下对应的温升稳定值，λ为经验值；
将所述关系式(3-3)转化为：
Figure BDA0001865977670000102
对监测点在负荷电流I1、I2下的温升数据进行拟合计算；
通过拟合计算，得出所述监测点的温升稳定值τ1、τ2；
根据将所述负荷电流I1、I2以及温升稳定值τ1、τ2代入公式(3-4)，计算、得出监测点的经验值λ；
计算多个监测点的经验值λ，并将计算得出的所有经验值λ取平均值，得到
Figure BDA0001865977670000104
确定温升稳定值折算公式：
Figure BDA0001865977670000103
进一步，基于温升数据，获取热时间常数折算公式，其中，
对监测点的温升数据进行拟合计算；通过拟合计算，获得热时间常数的系数；根据热时间常数的系数，确定热时间常数折算公式为
Tt＝a3·I2+a4·I+a5 (3-6)
其中，所述a3，a4，a5为热时间常数的系数。
进一步，基于所述温升数据，计算一个或多个监测点之间的温升稳定值的温差值，其中，
对一个或多个监测点的温升数据进行拟合计算；分别获取一个或多个监测点的温升稳定值；将一个或多个监测点的温升稳定值进行比较，获取一个或多个监测点之间的温差值。
进一步，将监测点的温升数据通过温升稳定值折算公式(3-5)、热时间常数折算公式(3-6)和温升初值的关系式(3-2)中的任一或组合进行计算；
通过计算，确定温升系数中的热时间常数、温升稳定值或温升差值。
进一步，基于同类发热垫的温升数据，获取所述同类监测点的平均温升系数与平均温升经验公式，具体包括，
对开关柜中同类监测点的温升数据分别进行拟合计算；通过拟合计算，分别获取所述同类监测点的温升系数，对获取的同类监测点的相应温升系数取平均值，所述平均值为同类监测点的平均温升系数；根据监测点的平均温升系数，确定同类监测点的平均温升经验公式。
进一步，所述一个或多个监测点之间的温差值至少包括：
断路器触臂内侧与外侧温差值、断路器外侧与梅花触头温差值、梅花触头与静触头温差值、静触头与分支排搭接处温差值、分支排搭接处与静触头盒出线处温差值、或静触头盒出线处与母排搭接处温差值。
本实施例中，上述温升规律普适性较强，可广泛地应用在开关柜的温升控制上，进一步的还可以根据温升规律实现温度预警，例如通过监测点的温升经验公式预测监测点的温升变化情况，当温升值超过预设值则产生报警信息等。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种探究开关柜温升规律的实验方法，其特征在于，所述方法包括，
选择监测点；
对所述监测点进行负荷电流影响测试、环境温度影响测试、通风设备影响测试、回路电阻影响测试；
所述负荷电流影响测试包括三相不平衡负荷电流测试，其中，包括，
调节开关柜三相回路中的负荷电流，
分别在多组三相不平衡负荷电流下对监测点进行温升测试；
所述回路电阻影响测试包括母排搭接螺栓不同力矩测试以及断路器的接触位置测试，其中，包括，
改变母排搭接螺栓力矩和/或断路器的接触位置；
分别在不同的母排搭接螺栓力矩和/或断路器欠位或过位下，对监测点进行温升测试；其中，所述不同的母排搭接螺栓力矩包括80Nm、50Nm、0Nm；
基于所述测试，获取监测点温升数据以及变化趋势的检测结果；其中，
在三相不平衡负荷电流下对监测点进行温升测试时，当缺少一相电流时，获取监测点在每相回路中温升稳定值；
基于温升数据与检测结果，分析、得出温升规律。
2.根据权利要求1所述的探究开关柜温升规律的实验方法，其特征在于，所述监测点包括以下一个或多个开关柜发热点，
A、B、C三相上的静触头盒出线处、分支排处、分支排与母排搭接处、B相上梅花触子内侧、A、B、C三相上、下梅花触头的外侧、断路器触臂后端内侧、断路器触臂后端外侧、断路器触臂前端外侧、静触头、静触头与分支排搭接面。
3.根据权利要求1所述的探究开关柜温升规律的实验方法，其特征在于，所述负荷电流影响测试还包括三相平衡负荷电流测试，其中，包括，
调节开关柜三相回路中的负荷电流；
分别在多组三相平衡下对监测点进行温升测试。
4.根据权利要求1所述的探究开关柜温升规律的实验方法，其特征在于，所述环境温度影响测试包括，
在三相平衡负荷电流下，当监测点的温升达到限制温度，开启通风设备；
改变开关柜实验时的环境温度，分别在不同环境温度下对监测点进行温升测试。
5.根据权利要求1所述的探究开关柜温升规律的实验方法，其特征在于，所述通风设备影响测试包括，
在三相平衡负荷电流下，在全程或限制温度下开启通风设备；
分别在全程或限制温度开启通风设备下对监测点进行温升测试。
6.根据权利要求1所述的探究开关柜温升规律的实验方法，其特征在于，所述回路电阻影响测试还包括梅花触指不同数量测试，其中，包括，
改变梅花触指数量；
在不同数量的梅花触指下，对监测点进行温升测试。
7.根据权利要求1-6任一所述的探究开关柜温升规律的实验方法，其特征在于，所述基于温升数据与检测结果，分析、得出温升规律包括，
将监测点的温升数据绘制成的时间-温度曲线；
对监测点的一种或多种测试的时间-温度曲线进行比较。
8.根据权利要求4或5所述的探究开关柜温升规律的实验方法，其特征在于，所述限制温度为监测点的温升温度达到60K。
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