摘要：直流开关设备是直流输电系统换流站的重要设备，主要用于直流输电系统运行方式的转换、故障的清除，以及检修隔离等目的，关系到输电系统的可靠性、可利用率、可维护性。本文以平高集团自主研制的150kV直流隔离开关为例，应用ANSYS软件对直流隔离开关的温升试验进行仿真分析计算，然后又进行了实际的温升试验，并且将实际试验的数据与仿真后的数据结果进行了对比。对比结果表明，两者的差别并不大，结果验证了该仿真方法的可行性与有效性，对于直流隔离开关试验的验证具有重要的指导意义。
关键词：直流输电系统；直流隔离开关；ANSYS；温升试验；仿真
引言
电力作为经济发展的支撑，其需求量会随着经济的发展急剧上升。中国作为新兴经济体，对电力能源的需求越来越巨大。但中国的能源主要分布于西部地区，而电力需求较大的城市多集中在东南沿海地区。因此要实现能源布局和电力消耗的平衡，必须进行远距离输电。而直流大容量输电则是解决这种能源布局和电力消耗不平衡的最佳方法之一。
目前，特高压直流输电工程的输送距离在2500km以下，今后输电距离将提高到2500km～4000km。为了更好的配置资源，提高输送效率和线路的利用率，提高输送容量是比较经济的方法，增大系统的额定电流或提高系统电压，将会有效的提高输送功率[1]。从2008年开始，国内直流工程的直流输送容量一直在不断的提高。当直流输送容量提升后，在系统的额定电压不变的情况下，系统的额定电流及故障时的过负荷电流必然增大，因此需要着重研究在增加输送容量后的开关设备的温升情况。
1 高压直流系统中的直流隔离开关
直流隔离开关用于高压直流换流站直流场的隔离，系统正常运行时承载相应的电流应力。根据安装位置不同可分为极线隔离开关、中性线隔离开关和中性母线隔离开关。大部分直流隔离开关正常的运行状态为在电流接近设备额定电流下处于合闸位置很长时间工作而不进行操作，所以，直流隔离开关应具有承受过负荷电流能力。
2 平高集团研制的150kV中性母线直流隔离开关
ZGW5-150型中性母线直流隔离开关采用双柱水平开启单断口结构。主要由底座总装配、直流支柱绝缘子、主导电系统和电动机操动机构等组成，根据需要可附装一套或两套直流接地开关。
150kV中性母线直流隔离开关的主要技术参数如表1所示：
3 温升试验仿真研究
直流产品的发热主要是导体电阻的发热和接触部位的发热，选用合适的导电材料和接触方式可以尽量降低产品的发热。直流隔离开关的温升计算属于电磁场与温度场耦合分析问题，通常的计算方法主要包括解析法和有限元法。
本文以150kV中性母线直流隔离开关为研究对象，基于有限元分析软件Ansys，对其进行仿真计算和分析。首先，计算开关在合闸状态下的接触深度和接触半径；然后，建立热-电耦合场分析计算模型，设置边界条件；再进行网格划分，计算隔离开关的电流密度分布和温度分布，得出在合闸状态下各部分平均温升值与温度分布。通过网格加密一倍，前后两次计算误差在2%以内，认为计算是收敛的[2]。
对简化后的主导电部分模型进行仿真计算，通流8000A，仿真计算结果如图3～图5所示。
从图中可以看出，温升最高处出现在导电带内圈，而不是触指连接处。原因是导电带内圈的散热条件恶劣，且搪锡处与接线座连接的接触电阻较大。触指处的发热较大，但散热情况良好，因此不是最高温升处。
4 实际温升试验研究
温升试验是高压开关验证载流能力的重要试验，用于考核导电回路通以正常工作电流后的发热。温度升高的多少由发热和散热两方面因素决定，同时与载流体通过的电流大小、载流回路截面和材料、机械结构、零部件接触面的接合质量和产品装配质量等因素有关。
具体的温升试验方法为：用一调压变压器和大电流变压器组成试验回路，给试品供给所需的工作电流。试品的安装接线方式与在电力系统中工作的情况相同，测量被测点的温度。试验时的周围空气温度应该高于+10℃，但低于+40℃。在周围空气温度的这一范围内，不应该进行温升值的修正[3-5]。
与仿真计算内容相对应，对150kV中性母线直流隔离开关进行主回路温升试验，试验电流为额定电流6600A，2h过负荷电流8000A，根据GB/T 25091-2010《高压直流隔离开关和接地开关》标准相关内容进行试验。
5 仿真数据与试验数据的结果对比
对开关进行温升试验埋线，一共选择23个关键点进行测试，温升试验图如图6所示。
将实际温升试验后的数据与仿真数据进行对比，并在直角坐标系中进行描点，两者的对比如图7所示。
6 分析与讨论
通过以上的对比研究可得到以下结论：实际温升试验的数据与仿真数据存在着微小的差别，但两者温升值的升降趋势是基本一致的。结果验证了该仿真方法的可行性与有效性，对于直流隔离开关试验的验证具有重要的指导意义，可以根据温升仿真情况对产品结构进行优化。
参考文献：
［1］刘振亚．特高压直流电气设备［M］．北京：中国电力出版社．2009．LIU
［2］尚振球，郭文元．高压电器［M］．西安：西安交通大学出版社．1992．
［3］GB／T 25091-2010．高压直流隔离开关和接地开关［S］．
［4］GB／T 11022-2011．高压开关设备和控制设备标准的共用技术要求［S］．
［5］门博．高压直流旁路开关的温升仿真与试验研究[J]．高压电器，2016，52（5）：154-157．
作者简介：
熊萍萍（1987-），女，硕士，助理工程师，主要从事高压开关的研发与设计工作
李久良（1989-），男，学士，助理工程师，主要从事高压开关工程设计工作
论文作者:熊萍萍,李久良
论文发表刊物:《基层建设》2017年第24期
论文发表时间:2017/12/4
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