钟建英 2015年 11月 18日目 录 一 温升仿真的意义和必要性 二 基础理论研究 三 试验验证 四 特高压工程应用 五 技术推广温升仿真的意义和必要性开关电器中使用的金属材料和绝缘材料，在温度超过一定的范围之后，其机 械性能和绝缘性能会明显下降。电器工作温度过高，会降低其使用寿命，甚至引起 破坏。根据国际大电网会议（CIGRE）的统计，电器设备中因温升问题而引起的载 流故障占电器设备故障总量的8.9%。1 获得设备内部的温度分布，指导材料和结构设计。 温升仿真技术2 电器设备小型化设计需求。 是解决电器设 备中的过热故 障的最佳方案。3 提高产品设计效率，降低研发和试验成本。4 解决产品现场运行维护过程中的发热问题。 基础理论研究传热学集肤效应 自然对流多物理场耦合仿真 电接触理论温升仿真基础理论研究温升仿真技术涉及多学科交叉，主要有传热学、电磁原理、计算流体力学等。 可用于计算电力装备在稳态运行时的功率损耗、温度与流场分布，从而在设计阶段 解决因温升问题造成的各类过热故障。电磁场计算有限元理论流体力学电接触理论传热学理论温度测量技术温升仿真技术温升仿真基础理论研究之传热学传热学是进行温升仿真计算的基础，是研究由温差（temperature difference） 引起的热能传递规律的科学。

温升仿真研究的是热量产生和传递过程 ，即发热和散 热形成的热平衡过程。发热散热电力设备中热量的产生  导体本身的电阻损耗；  介质损耗 ，介质电导和介质极化的滞后效应产生；热量的传递  涡流损耗，交变电流时存在； 热传导；  集肤效应 ，交变电流时存在； 热对流；  接触电阻 ，电器设备常见的发热故障点； 热辐射 。  电阻温度系数的影响。温升仿真基础理论研究之发热集肤效应根据Maxwell方程组，当交变电流通过导线时，会产生交变电磁场，使沿导 线截面的电流分布不均匀，发生集肤效应 。对于几何形状简单的导体，交流电阻和 直流电阻的比值可以通过解析方法或查阅图表得出。而对于复杂的几何形状，则必 须进行交流电下的 电磁场计算，得出整个导体的功率损耗。直流时⎧∂D电流密∇× H = J + ∂t 全电流定律⎪度分布⎪∂B∇× E = −电磁感应定律⎨∂t特高压绝缘盆子中心嵌件⎪∇∙B = 0磁通连续性原理⎪⎩∇∙D = ρ高斯定律交流时电流密度分布Maxwell方程组温升仿真基础理论研究之散热自然对流在气体流动的模拟中，湍流对流冷却在计算流体动力学（CFD）领域仍是一 大难题，其中以 自然对流尤甚。

特高压温升仿真中所有的气体流动均为自然对流。 准确展现气体在温差下的自然流动过程是温升仿真技术的关键。自然对流自然对流gasgas ΔTgasgas特高压GIS母线的传热过程特高压GIS母线截面气体的流动温升仿真基础理论研究之多物理场耦合仿真由于研究对象的不同，温升仿真的方法也不尽相同。现今国内外最先进的方 法是多物理场耦合仿真。电流密度分布、功率场散热优化循环电磁场原理三维模型电磁场-温度场-数值离散气流场耦合温度场、流体场发热优化循环计算流体力学多物理场耦合仿真可以形象展现热量的产生和传递的过程，从而便于设计人 员对热结构进行全面优化改进，提高产品通流能力。温升仿真基础理论研究之电接触研究电接触理论的研究在高压电器温升仿真中至关重要。电接触研究涉及电磁场 理论、气体放电及等离子体科学、传热学及金属材料制造等学科。  所有导体之间的接触面都存 在微观的“ 凹凸不平”；  氧化层和接触面的“不平”典型电接触情况——弹簧触指 形成了接触电阻 ，即膜电阻和收 缩电阻之和。触指连接问题  接触电阻的大小直接影响通 接触电阻小 （3-5微欧），难以测量； 流回路的发热功率，从而影响温 接触结构复杂 ，难以模拟； 升大小。

温升仿真基础理论研究之电接触研究为了获得准确的接触电阻值，分别进行了理论计算和试验测量工作，并以验 证计算理论的准确性。弹簧触指大变形根据触指和导体接触仿真计算，的接触压力，利获得弹簧触指变用经验公式计算理论形后的压力数值接触电阻大小 对比理论计算结果计算和试验测量结果 ，误R = K /(0.1F )mj c j差为5.8% 。 准确的接触电阻数据为温升仿真计算奠利用 电流压降法设计用于测量触指接触电阻的专测量整体回路电定基础。阻，减去已知电业测量工装试验阻即为接触电阻理论计算试验平均测量6.8 μ Ω 7.2 μ Ω温升仿真基础理论研究之电接触研究仿真计算中将弹簧触指模拟成一个矩形圆环，使电连接和导体之间通流，根 据已经得到的触指接触电阻值 ，可以进一步研究不同触指数目的电流分配情况，从 而掌握触指发热功率变化的规律。弹簧触指的模拟触指的电路模型转化实际模型转化成为理论模型电连接触指II 导体模拟的准确性取决于接触电阻数值的准确与否温升仿真基础理论研究之电接触研究根据不同数目触指的发热功率计算结果，可以看出，随着触指数目的增多， 发热功率的降低趋于稳定，增加触指数目已不能明显降低其发热功率。

不同数目触指的功率变化趋势一根120.00%单根触指发热功率100.00%触指发热功率之和二根80.00%60.00%40.00%三根20.00%0.00%四根一根两根三根四根不同触指数目电流密度分布 试验验证试验验证为了验证温升仿真模型的准确性 ，针对一截试验母线段进行了一系列仿真和 试验，将试验数据和仿真结果对比，其误差在 10%以内。13图1 ：试验母线段三维图图2 ：温升仿真计算结果2图3 ：温升试验现场试验验证试验中为了减小误差，用恒温设备对多路热电偶进行标定。稳态温升试验得 到温度值可依据标定后的拟合曲线进行修正。热电偶实际安装时，根据位置不同， 选用三种固定方式。交流温升直流温升锡焊法钻孔铆紧法粘贴法 温升随电流增大而升高 ，最高温升出现在触头部位； 同一电流下，交流温升高于直流，交流集肤效应不容忽视；试验验证模型仿真和试验结果的对比，误差在 10%以内。4040403535353030升 302525温 25 交20 K实验升 20实验20实验/温筒15 升15套 15 流杆 10 温仿真头 10 K仿真座 10仿真触/电 5 点5头 50 #K导60触 0/1000 1500 2000 25001000 1500 2000 25001000 1500 2000 2500电流/A电流/A电流/A4040403535353030升 30 直25 K实验升 25实验温 25实验20 /温 20筒 2015 升15套 15 流杆 10 温仿真头 10 K仿真座 10仿真触/电 5 点5头 5#K导 0 60触 0/1000 1500 2000 25001000 1500 2000 25001000 1500 2000 2500电流/A电流/A电流/A导电杆弹簧触头触头座套筒 特高压工程应用特高压工程应用之大电流母线温升计算应用背景：随着特高压容量的提升，特高压额定通流从6300A提高到9000A ，甚至到10000A。

发热功率大幅提高的同时，需对GIS母线重新进行散热设计。 采用温升仿真技术将大幅缩短设计周期和降低试验成本。电流 10000增幅 800060004000200001.E+08功率增幅 8.E+076.E+074.E+07特高压GIS母线样机2.E+070.E+005000A10000A特高压工程应用之大电流母线温升计算根据关键部位温升试验数据和仿真计算数据的对比情况可以看出，仿真结果 可以较好的反映真实温升情况。计算流程触指等关键部位的温升三维模型 有限元模型 气流场分布 温度场分布试验与仿真数据对比特高压工程应用之大电流母线温升计算电连接电磁场仿真结果表明，由于集肤效应，原结构的电流路径较长，且密 度大，改进后的结构降低了集肤效应，缩短了电流路径 ，从而降低了电阻和发热 功率。原结构 模型中不同单元对应着不同的电流，因此每个单元的发发热热功率也不相同，按照公式积功率分求解可计算出整个电连接的降低21%发热功率。0.022∫0 σ(J m sin(100πt ))P ∫∫∫()dxdydzk0.0212∫∫∫σJ dxdydz2 mn新结构p ∑p kk 1特高压工程应用之低温地区断路器加热带功率计算应用背景：特高压工程蒙西站和晋北站属于高寒地区，为了使SF 开关设备6 正常运行，一般采用安装加热带的方法，温升仿真技术可以指导特高压断路器加热 带的选型与布置方式。

特高压断路器加热带布置方式特高压工程应用之低温地区断路器加热带功率计算该计算过程需要对模型进行大量简化，最后采用 1/2和 1/4模型进行温升仿 真计算，该模型单元数量达到2100万以上。该仿真考虑了气体重力、浮力 ，能够真实展现热量的传输过程，避免了采用 加载对流换热系数方法对计算结果产生的误差，对于容积较大的特高压断路器尤其 适用。三维模型及网格划分特高压工程应用之低温地区断路器加热带功率计算计算结果展示了断路器的整体温度分布。对于环境温度的变化和改变，该仿真可以通过参数化设计获得最优结果，从 而指导工程应用。加热带功率的筒体表面温度分布截面温度分布截面气体流动内部气体温度分布 技术推广技术推广温升仿真技术在特高压工程建设中的应用不止于此，在特高压串补工程旁路 开关设计中、特高压敞开式隔离开关设计中以及特高压直流工程中均有应用。特高压直流旁路开关温升仿真计算特高压直流穿墙套管温升仿真计算技术推广温升仿真技术同样可以应用于其他电压等级的开关设备中。234 1图1 ：真空断路器温升计算图2 ：断路器套管内外的温度分布图3 ：中压开关柜温升计算图4 ：触头片电磁场及功率计算技术推广同时，温升仿真技术可以在特高压工程运维过程中起到重要作用。

1、基于温升仿真技术的红外在线监测应用利用温升仿真技术建立电力设备产品内部温度与表面温度的对应关系，结合 红外在线监测技术，根据产品表面温升判断运行产品的正常与否。从而将过热故障 的发生扼杀在萌芽中。技术推广2、基于温度变化的特高压GIL长管道变形应力分析。在高寒地区由于昼夜和季节温差大，在特高压GIL运行过程中会出现由于温 度应力产生的裂纹。对其进行热-结构耦合仿真计算可以分析原因和进行优化。特高压GIL母线热应力计算综上所述，温升仿真技术在特高压工程建设中应用广泛。它不仅是解决电力 设备中各种温升问题的利器，还是降低电能损耗、提高输电效率的法宝。 谢 谢