牛信强 黄 婷 闫 嫱 席 雷 杨政衡

加热器参数对操动机构箱内温湿度影响的数值研究

牛信强1黄 婷1闫 嫱1席 雷2杨政衡2

（1. 西安西电高压开关操动机构有限责任公司，西安 710077;2. 西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室，西安 710049）

针对操动机构加热器参数设计的问题，开展高压断路器用弹簧操动机构加热器的温湿度数值仿真研究，分析环境温度、功率、尺寸等参数对机构箱内温度分布的影响规律。结果表明：加热器周围及正上方的空气温度最高、相对湿度最低，随着空气的横向流动，空气温度逐渐降低、相对湿度有所升高；环境温度和加热器的功率对操动机构箱体内的最低温度、最大相对湿度及加热器表面最高温度的影响非常显著；加热器尺寸对操动机构箱体内的最低温度和最大相对湿度的影响很小，但对加热器表面最高温度的影响比较显著。

操动机构；加热器；温度；湿度；数值研究

0 引言

高压断路器是电力系统中的重要设备[1]，操动机构是高压断路器的核心元件之一，其可靠性直接关系到电网的安全、稳定运行。环境温度是影响操动机构可靠性的关键因素之一。当环境温度极低时，操动机构的输出特性会发生较大的变化，进而影响高压断路器、开关等的分合闸时间、速度等。我国地域辽阔，气候差异巨大，北方严寒地区冬季环境温度可降到-40℃以下，温度对操动机构的影响更加突出，这对电网的安全、稳定运行提出了更高的 要求。

目前，国内外学者已就高压开关的设计问题展开了大量的研究，研究对象主要为高压断路器灭弧室、操动机构等；研究主题主要包括电压特性、开断特性、开断电流、建模与仿真、可靠性分析及处理、低温环境应对措施等[2]。然而，结合操动机构加热器参数设计和环境温度影响的研究还非常少。具体研究综述如下。

顾晨等[3]指出高压开关柜内空气凝露是变电站开关柜运行中出现闪络故障的主要诱因。Willieme J. M.等[4]研究指出断路器的可靠性主要取决于其操动机构的可靠性，为此他们为断路器选择了合适的冷却系统和操动机构，并精确地监测最高环境温度。陈亮等[5]设计了典型操动机构的温度检测和预警系统，提高了操动机构运行的可靠性。Wang Zhenhao等[6]设计了高压开关操动机构集成式无线温度监测终端，开发了传感器电路、加热器电流检测电路，该终端可以实时监测和控制机构箱体的温度变化。Liu Wei等[7]综述了高压断路器液压操动机构的研究进展和发展趋势，重点介绍了液压操动机构的特点和关键技术，并特别指出需要进行温度补偿，以保证液压操动机构的安全运行。张军伟等[8]和胡昌伦[9]着重阐述了对在低温环境下运行的SF6断路器本体和操动机构采取的常见应对措施，以提高SF6断路器在低温环境下的安全运行能力。王春生等[10]就GIS隔离开关用弹簧操动机构的拒动情况进行低温试验研究和分析，找出了相关原因。洪文福[11]研究环境温度对液压碟簧操动机构的影响，指出可以根据实际的环境温度需求调整加热器来满足运行的条件，但也要考虑其中的风险，即功率大的加热器，其稳定性及可靠性需经过验证。刘煜等[12]分析低温环境下液压碟簧操动机构的运行应对措施，指出需要为液压碟簧操动机构制定合适的温度补偿方案，才能保证操动机构的安全可靠运行。

上述文献对多种典型操动机构在低温环境下的故障问题进行了分析，并提出了一些应对措施，然而，几乎还没有文献对操动机构加热系统的优化设计开展详细研究。鉴于此，本文开展高压断路器用弹簧操动机构加热系统的温湿度数值仿真研究。以某型弹簧操动机构为研究对象，采用数值方法对不同环境温度时操动机构机箱内的温湿度分布状况进行仿真，分析加热器环境温度、功率、尺寸等参数对机箱内温度分布的影响规律，为操动机构加热器的设计提供计算依据。

1 数值方法

1.1 数值模型

图1所示为某型弹簧机构的物理模型，主要包括机芯、加热器、箱体等组件，并给出了加热器的初始位置。箱体的长、宽、高分别为784mm、790mm、1 225mm。加热器距离箱体右侧外壁的距离为84mm，距离箱体底面的距离为150mm。加热器的长、宽、高分别为220mm、75mm、55mm。加热器供电电压为AC 220V，加热功率为100W，为铝合金加热器。研究的工况参数为：环境温度-40℃～40℃，环境相对湿度95%，加热功率10～150W。研究的结构参数为：加热器长度84.5～253.5mm，加热器宽度10～100mm，加热器高度60～90mm。

图1 弹簧机构的物理模型

开展内部+外部流体域+固体域的流固耦合计算，计算模型如图2所示。在耦合传热计算方法中，将流体域与固体域的交界面设置为耦合面，该耦合面两侧具有相同的热通量和温度。流体域被假设为三维、定常、无重力的流动，采用基于有限元的有限差分法来离散控制方程，通过Ansys CFX求解三维可压缩的雷诺时均N-S方程，方程中的扩散项、源项和对流项均采用高精度的离散格式进行离散。

图2 弹簧机构的流固耦合计算模型

固体域只求解导热方程，数值模拟的整体残差水平设置为10-6。

根据操动机构实际运行工况，设置如下的边界条件：固体域外壁面与外部流体内壁面设置为流固耦合交界面；固体域内壁面和内部流体壁面同样设置为流固耦合交界面；固体域给定体热源，体热流密度根据功率计算；外流场侧面和顶面设置为开口条件，给定环境温度、压力和湿度。

1.2 参数定义

本文主要分析操动机构箱体内的温度分布和湿度分布。需要定义的参数有饱和湿度SH和相对湿度RH。

根据传热学[13]附录中湿空气的参数表，绘制图3所示饱和湿度和温度的关系，可以看出，湿空气中饱和湿度随着温度的增大而增大，且符合指数增长规律。因此，采用最小二乘法将湿空气的饱和湿度与温度的关系拟合为指数函数，其拟合结果为

式（1）的拟合确定系数R2=0.980 7，说明了该拟合公式的准确性。

饱和湿度与相对湿度的关系为

式中，s为湿空气中水蒸气的含量（g/m3）。

1.3 网格模型

图4为某型弹簧操动机构的网格模型。采用Workbench、ICEM等Ansys模块完成机构加热系统的非结构网格划分。根据箱体内各区域最小结构尺寸的1/5确定最小网格尺寸，最大网格尺寸初步取10mm，网格增长比为1.2，对于内部流体网格，还增加了边界层网格，层数为15，第一层网格根据网格高度值确定。通过调整最大网格尺寸来改变总网格数，最终通过网格无关性验证确定合适的总网格数。

图4 弹簧操动机构的网格模型

为保证数值方法的可靠性和经济性，进行弹簧机构的网格无关性验证。共开展6套网格的数值计算，总网格数分别为180万、260万、380万、500万、660万和810万。图5给出了机构箱体内的最低温度和最大相对湿度随总网格数的变化曲线。从图5可以看出，机构箱体内的最低温度随着总网格数的增大而逐渐降低，最大相对湿度随着总网格数的增大而逐渐增大，且最低温度和最大相对湿度在总网格数为500万和660万时的差值已经非常小，差值在3%以内，达到了网格无关性的要求。因此，机构的网格采用与第4套网格（总网格数500万，其中流体域419万，固体域81万）相同的网格划分策略。

图5 机构的网格无关性验证

2 数值方法验证

为验证本文仿真方法的正确性，对Sevilgen G.等[14]的实验进行仿真计算，并与其实验结果进行对比。该实验模型长、宽、高分别为4m、4m、3m；玻璃窗长、高分别为1.8m、1.3m，厚度为0.005m；双面板散热器长、高分别为1.5m、0.6m，厚度为0.1m；入口和出口长、高分别为1m、0.15m。

在CFX设置中，湍流模型采用RNG模型，组分运输模型中组分选择水蒸气和空气，边界条件设置：入口速度为0.15m/s，入口按比湿9.5g/kg设置组分中水蒸气的质量分数为0.009 5；出口压力为大气压环境，组分中水蒸气含量设置为0；入口和出口湍流度设置为10%；散热器表面设置为固定温度60℃；人体表面设置为固定温度33℃，并且按比湿为10g/kg设置组分中水蒸气的质量分数为0.01；玻璃外窗口设置对流边界条件，与0℃的外界环境进行对流换热，表面传热系数为25W/(m2·K)；其他表面设置为绝热壁面，未提及水蒸气含量的表面均按默认设置的0通量设置。计算采用压力耦合方程组的半隐式方法（semi-implicit method for pressure linked equations, SIMPLE），压力、速度、能量及水蒸气传输方程均采用二阶迎风格式，对所有方程进行迭代计算收敛至10-5。

本文仿真方法的计算结果与文献[14]的实验结果的对比如图6所示，可以看出，本文方法计算的温度、相对湿度与实验测得的温度、相对湿度相近，最大误差分别为4.4%和8.5%。因此本文的基于CFX的典型操动机构温湿度场数值仿真方法具有较高的可靠性和准确性。

图6 数值模拟与文献[14]实验的温度与相对湿度对比

3 结果分析与讨论

3.1 流场和温湿度场分布特性

图7为加热器在原始位置时机构箱体内的流场分布。从图7可以看出，加热器周围的空气由于受热膨胀，密度变小，开始垂直向上运动，热空气到达箱体顶壁后开始沿箱体宽度方向和长度方向运动，并倾斜着流向相邻的小箱体，最后从通风口流到箱体外部。加热器正上方的空气流动最快，最大流速可达0.5m/s，当空气向箱体长度和宽度方向横向流动时，空气流速逐渐减小。

图7 加热器在原始位置时机构箱体内的流场分布

图8为加热器在设计位置时机构箱体内的温度分布和相对湿度分布。从图8可以看出，加热器周围的空气受热后开始向上运动，由于加热器处于大箱体的底部正中心，因此空气在流动到大箱体顶壁后，向四周分散流动，形成了类似花瓣状的流场，之后从左侧小箱体经过并从百叶窗出口流出。加热器表面的温度最高、相对湿度最低，导致加热器周围及正上方的空气温度很高、相对湿度很低。随后空气从右侧大箱体顶部开始沿箱体长度和宽度方向流动，并逐渐向下流过小箱体内的零部件，这一过程中空气的温度逐渐降低，相对湿度逐渐增大，导致箱体内其他部件周围的空气表现出从上到下温度逐渐降低、相对湿度逐渐升高的趋势。

图8 加热器在设计位置时机构箱体内的温度分布和相对湿度分布

3.2 工况参数的影响

图9给出了环境温度对操动机构箱体内最低温度、最大相对湿度及加热器表面最高温度的影响规律，研究工况为环境相对湿度95%，加热器功率100W。从图9可以看出，环境温度对操动机构箱体内的最低温度、最大相对湿度及加热器表面最高温度的影响都非常显著。当环境温度从-40℃到40℃增大时，箱体内最低温度从-32℃增加到49℃，最大相对湿度则先增大后减小，0℃时的最大相对湿度值最高（约为69.5%），40℃时的最大相对湿度值最低（约为32%），而加热器表面的最高温度则从31℃增加到125℃，增长了3.03倍。可见不同环境温度下应当采用不同的加热功率计。

图10给出了加热器的加热功率对机构箱体内最低温度、最大相对湿度及加热器表面最高温度的影响规律，研究工况为环境相对湿度95%，环境温度25℃。从图10可以看出，加热器的加热功率对操动机构箱体内的最低温度、最大相对湿度及加热器表面最高温度的影响也都非常显著。当加热功率从10W增大到150W，箱体内最低温度从26.3℃增大到 37.2℃，增长了41.44%；最大相对湿度则从88.1%降低到36.5%，下降了58.57%；而加热器表面的最高温度则从38.6℃增加到142.3℃，增长了2.68倍。

图9 环境温度的影响

图10 加热器功率的影响

3.3 加热器尺寸的影响

图11给出了加热器长度对机构箱体内最低温度、最大相对湿度及加热器表面最高温度的影响规律，研究工况为环境温度25℃，环境相对湿度95%，加热器功率100W。从图11可以看出，操动机构箱体内的最低温度随着加热器长度的增大而先减小后增大，箱体内的最大相对湿度则随着加热器长度增大而先增大后减小，但二者受到加热器长度变化的影响很小。加热器表面最高温度则随着加热器长度的增大而明显降低，当加热器长度从84.5mm到253.5mm增大时，加热器表面的最高温度则从 120.4℃降低至78.2℃，降低了35.05%。

图11 加热器长度的影响

图12给出了加热器宽度对机构箱体内最低温度、最大相对湿度及加热器表面最高温度的影响规律，研究工况为环境温度25℃，环境相对湿度95%，加热器功率100W。从图12可以看出，加热器宽度对操动机构箱体内的最低温度、最大相对湿度及加热器表面最高温度的影响规律与加热器长度对这些指标的影响规律几乎相同，且加热器宽度对箱体内的最低温度和最大相对湿度的影响也很小；加热器宽度对加热器表面最高温度的影响也较为显著，当加热器宽度从10mm到100mm增大时，加热器表面的最高温度则从123.5℃降低至87.1℃，降低了29.47%。

图12 加热器宽度的影响

图13给出了加热器高度对操动机构箱体内最低温度、最大相对湿度及加热器表面最高温度的影响规律，研究工况为环境温度25℃，环境相对湿度95%，加热器功率100W。从图13可以看出，与加热器长度和宽度类似，加热器高度对操动机构箱体内的最低温度和最大相对湿度的影响不显著，对加热器表面最高温度的影响较为显著。与加热器长度和宽度的影响不同的是，箱体内最低温度随着加热器高度的增大而略微降低，最大相对湿度随着加热器宽度的增大而稍有增大。当加热器高度从60mm到90mm增大时，加热器表面的最高温度则从113.8℃下降到95.5℃，降低了16.08%。

图13 加热器高度的影响

综上分析可知，加热器尺寸对于操动机构箱体内的最低温度和最大相对湿度的影响很小，但对于加热器表面最高温度的影响比较显著，因此需要进一步通过改变加热器尺寸来进行加热器参数的优化设计。

4 结论

本文以某弹簧操动机构为研究对象，采用数值方法对不同环境温度时机构机箱内的温度分布状况进行仿真，得到的主要研究结果如下：

1）加热器周围及正上方的空气温度最高、相对湿度最低，随后随着空气横向的流动，空气温度逐渐降低、相对湿度有所升高。

2）环境温度和加热器的加热功率对操动机构箱体内的最低温度、最大相对湿度及加热器表面最高温度的影响非常显著。当环境温度从-40℃到40℃增大时，加热器表面的最高温度增长了3.03倍。当加热功率从10W增大到150W，箱体内最低温度增长了41.44%，最大相对湿度下降了58.57%，加热器表面的最高温度增长了2.68倍。

3）在研究范围内，加热器尺寸的变化只对箱体内最低温度和最大相对湿度带来小于5%的变化；加热器长度、宽度及高度的增大使加热器表面的最高温度分别降低35.05%、29.47%和16.08%。

4）加热器尺寸对于操动机构箱体内的最低温度和最大相对湿度的影响很小，但对于加热器表面最高温度的影响比较显著，因此需要进一步通过改变加热器尺寸来进行加热器参数的优化设计。

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Numerical research on the effect of heater parameters on the temperature and humidity in the operating mechanism box

NIU Xinqiang1HUANG Ting1YAN Qiang1XI Lei2YANG Zhengheng2

(1. Xi’an XD High Voltage Switchgear Operating Mechanism Co., Ltd, Xi’an 710077;2. State Key Laboratory of Mechanical Manufacturing System Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049)

Aiming at the design of the heater in the operating mechanism box, a numerical simulation study on the temperature and humidity of the heater in the operating mechanism box for high voltage circuit breakers is carried out, and the influence of environmental temperature, power, size and other parameters on the temperature distribution in the mechanism box is analyzed. The results show that the air temperature around and directly above the heater is the highest and the relative humidity is the lowest. As the air flows laterally, the air temperature gradually decreases and the relative humidity increases. The environmental temperature and the heating power of the heater have a significant effect on the minimum temperature, maximum humidity and the surface temperature of the heater in the operating mechanism box. The heater size has little effect on the minimum temperature and maximum humidity in the operating mechanism box, but it has a significant effect on the maximum temperature of the heater’s surface.

operating mechanism; heater; temperature; humidity; numerical research

2022-01-11

2022-02-26

牛信强（1988—），男，陕西省西安市人，硕士，工程师，主要从事高压开关操动机构研发设计工作。