大电流条件下，真空接触器温升特性的试验测量与仿真分析
武汉加油
风雨同行 共克时艰
哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院的研究人员薄凯、周学、翟国富、祖甘霖，在2019年第24期《电工技术学报》上撰文，搭建适用于大电流条件下的真空接触器温升特性测量试验平台，测量并分析了真空接触器在不同电流等级下的温升特性。研究成果可为大容量真空接触器的热设计提供一定参考。
真空接触器广泛应用于采矿、冶金、纺织及电力等企业的配电系统中，是完成电能转换、分配与控制功能的重要电气设备。由于真空接触器的触头系统由陶瓷或玻璃密封在真空环境中，其散热方式以热传导为主，散热效率不高，所以在负载电流较高时会出现严重的发热问题。
温升过高不仅危害导体机械强度，带来熔焊、疲劳及蠕变等问题，而且裸露在空气中的部分材料表面还将变得易于氧化，生成的氧化物又会增加连接位置的接触电阻进而影响真空接触器接触系统的电阻及电气性能，此外，严重发热还将增加绝缘的介质损耗，加速部件老化，影响使用寿命。
根据GB 14048.1 2006《低压开关设备和控制设备 第一部分：总则》和GB 14048.4 2010《低压开关设备和控制设备 第4-1部分：接触器和电动机起动器机电式接触器和电动机起动器（含电动机保护器）》中对交流接触器温升试验的相关要求，对交流接触器的发热部件规定了温升允许极限值为65K，部分企业还提出了50K等更严苛的指标要求。因此，系统测量真空接触器温升特性及准确模拟真空接触器触头系统发热的物理过程对于真空接触器向小型化、大容量方向发展具有重要意义。
近年来，电力设备的热仿真技术发展迅速。围绕着真空断路器、接触器、继电器及配电开关柜等的温升研究取得很多有益的成果。
对于如真空断路器等具有散热装置的开关电器，热量主要由上下两个散热器通过自然对流和辐射的方式散出，有学者对影响真空断路器温升的散热表面对流换热系数、动静触头接触半径、接触点位置以及导电杆半径四种因素进行了仿真分析。
有学者以某型号10kV/5kA真空直流断路器作为研究对象，通过热电耦合法对其进行了温度场数值模拟。短时耐受电流条件下的热稳定性是低压断路器的重要考核指标之一。
有学者在动静触点间导电桥模型周围增加了一个传导热量的薄层解决了微小气隙中热辐射作用增长、导热效果加强的问题，利用谐波电磁场分析结合瞬态温度场，确定了焦耳热损耗及温度场分布，仿真计算了1s短路电流周期分量有效值为125kA正弦电流条件下触头温升分布。
纽春萍、季良等建立了同时考虑主回路和电磁系统发热的接触器数值热分析模型，并分别对长期闭合工作制下额定电流为100A的交流接触器和带反馈调压系统的额定电流160A智能接触器进行了温度场仿真，但是该研究主要针对小型空气式交流接触器，与真空接触器的触头及导电回路结构和发热机理均存在较大差异。
对于继电器、开关柜等具有封闭外壳的开关设备，其内部空气流动的空间较小，因此传导散热模型被广泛采用，苏秀苹等利用ANSYS建立了12V/20A的小型直流电磁继电器热电耦合模型，考虑了电阻率等参数随温度变化，并在散热分析中计入了热传导、对流及辐射的影响，结果表明，热导率随温度变化对仿真结果的影响较小。
杨文英等提出了一种基于有限元仿真的电磁-热耦合建模方法，对不同环境温度和反复短时工作状态下继电器电磁机构动态特性进行了仿真分析。
有学者提出填充层法的计算模型，分析了直流12V/70A商用密封汽车继电器反复短时工作制下的瞬态热问题。周学等仿真计算了500～3 000A的短路电流条件下智能电表用磁保持继电器触头系统及导电回路的热特性及热应力引起的微小形变问题。
有学者完成了无壳和有壳下线圈恒定通电时，24V电压下型号HFV6汽车继电器温度场的仿真。
李兴文等采用计算流体力学方法计算了额定电流630A配电开关柜在自然对流、强迫对流条件下的温升分布，并与试验进行了对比，绝对误差为13K；此外，还计算了含通风口的开关柜在降容运行条件下的温升分布。
Barcikowski 等研究发现微型断路器内部的对流与辐射传热过程对断路器导电回路稳态温升的影响可以忽略。还有一些研究学者计算了外壳不封闭的电力设备的温升。
目前国内外针对真空接触器温升特性，特别是在大电流条件下的真空接触器触头及导电回路整体发热过程方面的文献很少，已有的接触器温升研究也主要集中在经验公式和电磁机构部分。
哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院的研究人员，针对JRS1600A单相交流真空接触器在大电流条件下的温升特性进行了研究，通过试验和仿真总结了真空接触器的相关温升特点并结合研究结果对真空接触器的过负载能力进行了评估。
图1 实验系统原理
首先，本文搭建了可用于2500A大电流条件下的真空接触器温升测量试验平台，在不同电流条件下对真空接触器的导电排、外壳等相关标准规定位置不同通电时间下的温度进行试验测量，获得了温升特性曲线，讨论了真空接触器的过负载能力。
图3 温升测量点
图6 真空接触器触头及导电回路结构
其次，为探究真空接触器触头及导电回路整体发热情况，特别是试验过程中无法测量的位置（如真空灭弧室内部触头及导电杆等）的温升特性，建立三维电-热场强耦合分析模型并采用COMSOL多物理场耦合有限元软件对不同电流下的真空接触器的温度场、焦耳发热功率分布等参数进行仿真计算，并提取相关标准规定位置的温度数据与试验结果进行对比分析，并得到如下结论：
1）通过试验发现真空接触器外壳、上下导电排3个测温点在2500A/180min温升未超过极限允许温升，其中上导电排温升在1600A及以下时均略高于下导电排温升，最大差值为1.1K；在2500A时导电排的温升时变曲线基本重合，最大温升出现在上导电排测温点51.9K；接触器外壳因温升较低在通电时间较短、电流较小的工程建模仿真中可以忽略。
2）搭建了适用于大电流条件的真空接触器温升特性测量试验平台，采用水冷可变负载电阻的设计，有效解决了2500kA/180min恒定负载条件下温升引起的阻值波动及潜在安全隐患，该可调节水冷负载电阻满足的指标为阻值调节范围0～5m，最大负载功率9000W。
3）基于COMSOL软件建立电热耦合分析模型，并对不同电流下的真空接触器触头系统的温升特性进行仿真计算，计算结果与试验数据吻合较好，最大相对温升误差为13.4%。
4）通过仿真结果发现，真空接触器触头及导电回路中的弯曲部分是焦耳发热功率密度相对较为集中的区域，因此在大容量真空接触器热设计过程中需要重点关注。