高压开关柜梅花触头触指压力及温度计算方法技术

本发明专利技术公开了一种高压开关柜梅花触头触指压力及温度计算方法，其步骤是：将电触头表面作为电接触面的导电斑点定义为微凸体，建立基于微凸体弹性变形的粗糙表面接触模型；计算单个导电斑点的接触电阻，接触电阻的大小取决于接触表面的粗糙度、材料参数与接触压力，且电阻与接触压力成反比，与表面粗糙度成正比；计算导体稳态温度。本发明专利技术根据触头发热与负载电流、触头接触电阻、接触压力关系建立数学模型，计算出触指与静触头两接触表面收缩电阻，进而得到触指压力，同时计算出接触斑点温度，根据触指压力及时更换不合格的触头和触脂，防止触头接触不良引起过热，导致安全事故。导致安全事故。导致安全事故。

【技术实现步骤摘要】
高压开关柜梅花触头触指压力及温度计算方法


[0001]本专利技术涉及一种配电
，尤其涉及一种高压开关柜梅花触头触指压力及温度计算方法。

技术介绍

[0002]移开式断路器作为发电厂、变电站中的重要设备，是电能分配调度重要的执行电气设备。移开式断路器数量多、应用面广，对电网的安全运行举足轻重。梅花触头是移开式断路器的核心部件之一，广泛应用在移开式断路器与柜体的连接，具有接触点多、导电性好、接触电阻小等特点。随着金属封闭高压开关柜的推广使用，柜内移开式断路器触头发热而导致的故障、事故增多，触头发热的问题也正在引起各运行单位的重视。在运行中，因移开式断路器的制造、安装的缺陷，导致触头接触不良，并引起过热。如果过热没有及时发现并处理，就会导致过热故障甚至发展成为事故。目前，针对梅花触头过热温没有有效的分析方法，不利于后序处理。

技术实现思路

[0003]本专利技术是要解决上述技术问题，提供一种高压开关柜梅花触头触指压力及温度计算方法。
[0004]本专利技术的技术解决方案是：一种高压开关柜梅花触头触指压力及温度计算方法，其步骤是：
[0005]步骤一将电触头表面作为电接触面的导电斑点定义为微凸体，建立基于微凸体弹性变形的粗糙表面接触模型，将粗糙表面接触转化为一个等效粗糙表面和一个光滑的刚性平面接触，并设置所有微凸体有相同曲率半径，微凸体顶峰高度在均值附近随机分布；
[0006]微凸体的概率密度用最大高度函数φ(z)来描述，即一个微凸体在区间[z,z+dz]有最大高度的概率为φ(z)dz，假设微凸体总数为N0，则在区间[z,z+dz]内概率等于N0φ(z)dz，对常见机加工表面，顶峰高度符合高斯分布：
[0007][0008]式中l是接触表面微凸体高度分布的均方根，即粗糙度；
[0009]步骤二根据Holm理论，如果很多微凸体接触，总电导率可通过所有微凸体的接触直径总和来计算，假设直径总和为L，称为接触长度，则单个导电斑点的收缩电阻为：
[0010][0011]其中Λ＝1/R为电导率；
[0012]如果单个弹性微凸体与刚性平面的接触，假设以微凸体高度均值作为Z轴原点，来定义相距h0，微凸体的总数为N0，忽略掉相邻微凸体间的相互作用，所有高度为z＞h0的微凸体都与刚性平面接触，高度为z的微凸体的变形量则为d＝z
‑
h0，单个微凸体接触半径为a2＝
dR，R为微凸体等效曲率半径，带入可得接触半径:
[0013][0014]单个微凸体的作用力:
[0015][0016]对所有接触微凸体的高度积分，可得到接触长度L与总接触压力F为：
[0017][0018][0019]得到接触长度L与接触压力F的比值约等于：
[0020][0021]将(7)带入到公式(2)，得两接触表面收缩电阻R
c
为：
[0022][0023]不考虑表面膜电阻的影响，接触电阻等于收缩电阻，由公式(8)可以看出，接触电阻的大小取决于接触表面的粗糙度、材料参数与接触压力，且电阻与接触压力成反比，与表面粗糙度成正比；
[0024]其中E
*
和ρ
*
分别为触电材料的等效弹性模量和等效电阻率，可由以下计算：
[0025][0026](25)
[0027][0028]式中E1和E2为接触两端材料的弹性模量，υ1和υ2为泊松比，ρ1和ρ2为材料电阻率；
[0029]步骤三高压开关柜在连续通电情况下，梅花触头金属导体产生的焦耳热与接触电阻产生的热量共同构成系统热源，系统发热的同时会通过热传导的方式向周围环境散热，当发热功率与散热功率达到动态平衡时，梅花触头达到稳定温升；材料表面镀金的梅花触头总电阻为导体电阻和接触电阻串联之和，总发热功率可由焦耳热公式得：
[0030]P1＝I2(R0+R
j
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(27)
[0031]式中R0为梅花触头导体电阻，R
j
为接触电阻；
[0032]通过牛顿散热定律计算触头散热功率：
[0033]P
s
＝K
T
(T0‑
θ0)A
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(28)
[0034]式中，A为触头有效散热面积，T0为导体稳态温度，K
T
为综合散热系数；
[0035]当P1＝P
s
时，联合公式(12)和(13)，计算导体稳态温度T0；
[0036]当电流通过接触斑点时，由于接触电阻存在，会出现接触斑点的温度高于触头与
弹簧固定座导体温度的现象，由理论，接触斑点温升为导体温升与理论温升值之和：
[0037][0038]U
j
＝IR
j
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(30)
[0039]式中T
m
为接触斑点温度；T0为收缩区外导体温度；U
j
为接触压降；I为负载电流；L＝2.4*10
‑8(V/K)2为洛伦兹系数。
[0040]本专利技术的有益效果是：根据触头发热与负载电流、触头接触电阻、接触压力关系建立数学模型，计算出触指与静触头两接触表面收缩电阻，进而得到触指压力，同时计算出接触斑点温度，根据触指压力及时更换不合格的触头和触脂，防止触头接触不良引起过热，导致安全事故。
附图说明
[0041]图1是本专利技术实例捆绑式梅花触头结构示意图；
[0042]图2是本专利技术实例梅花触头表面温度分布示意图；
[0043]图3是本专利技术实例接触面粗糙程度不同时温度峰值和谷值变化趋势图；
[0044]图4是本专利技术实例梅花触头表面温度梯度大小分布图；
[0045]图5是本专利技术实例接触面粗糙程度不同时温度梯度峰值和谷值的变化趋势图；
[0046]图6是本专利技术实例电势差不同时温度峰值和谷值的变化趋势；
[0047]图7是本专利技术实例电势差不同时温度梯度峰值和谷值的变化趋势；
[0048]图8是本专利技术实例梅花触头截面电流密度分布图；
[0049]图9是本专利技术实例收缩电阻大小随粗糙面平均高度的变化趋势图；
[0050]图10是本专利技术实例收缩电阻大小随接触面压力的变化趋势图。
具体实施方式
[0051]一种高压开关柜梅花触头温升建模方法，其步骤是：
[0052]步骤1将电触头表面作为电接触面的导电斑点定义为微凸体，建立基于微凸体弹性变形的粗糙表面接触模型，将粗糙表面接触转化为一个等效粗糙表面和一个光滑的刚性平面接触，并设置所有微凸体有相同曲率半径，微凸体顶峰高度在均值附近随机分布；
[0053]微凸体的概率密度用最大高度函数φ(z)来描述，即一个微凸体在区间[z,z+dz]有最大高度的概率为φ(z)dz，假设微凸体总数为本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高压开关柜梅花触头触指压力及温度计算方法，其特征是，步骤如下：步骤一 将电触头表面作为电接触面的导电斑点定义为微凸体，建立基于微凸体弹性变形的粗糙表面接触模型，将粗糙表面接触转化为一个等效粗糙表面和一个光滑的刚性平面接触，并设置所有微凸体有相同曲率半径，微凸体顶峰高度在均值附近随机分布；微凸体的概率密度用最大高度函数φ(z)来描述，即一个微凸体在区间[z,z+dz]有最大高度的概率为φ(z)dz，假设微凸体总数为N0，则在区间[z,z+dz]内概率等于N0φ(z)dz，对常见机加工表面，顶峰高度符合高斯分布：式中l是接触表面微凸体高度分布的均方根，即粗糙度；步骤二 根据Holm理论，如果很多微凸体接触，总电导率可通过所有微凸体的接触直径总和来计算，假设直径总和为L，称为接触长度，则单个导电斑点的收缩电阻为：其中Λ＝1/R为电导率；如果单个弹性微凸体与刚性平面的接触，假设以微凸体高度均值作为Z轴原点，来定义相距h0，微凸体的总数为N0，忽略掉相邻微凸体间的相互作用，所有高度为z＞h0的微凸体都与刚性平面接触，高度为z的微凸体的变形量则为d＝z
‑
h0，单个微凸体接触半径为a2＝dR，R为微凸体等效曲率半径，带入可得接触半径:单个微凸体的作用力:对所有接触微凸体的高度积分，可得到接触长度L与总接触压力F为：对所有接触微凸体的高度积分，可得到接触长度L与总接触压力F为：得到接触长度L与接触压力F的比值约等于：将(7)带入到公式(2)，得两接触表面收缩电阻R
c
为：不考虑表面膜电阻的影响，接触电阻等于收缩电阻，由公式(8)可以看出，接触电阻的大小取决于接触表面的粗糙度、材料参数与接触压力，且电阻与接触压力成反比，与表面粗糙度成正比；<...

【专利技术属性】
技术研发人员：李忠伟，潘月明，孟镇，邱鹏，祝杰，
申请(专利权)人：国家电网有限公司，
类型：发明
国别省市：