引言

現(xiàn)代電力設(shè)備小型化、高功率密度的發(fā)展趨勢,使得熱管理在產(chǎn)品設(shè)計、型式試驗、在線監(jiān)測方面的重要性更加突出。在電力開關(guān)柜中,溫升是影響導(dǎo)線載流能力的重要指標(biāo)。從技術(shù)上講,確保各部件在其合理的溫度范圍內(nèi)工作,避免超溫、超負(fù)荷運行是非常必要的。

1本文任務(wù)

本文通過建立溫升模型,計算和驗證KYN斷路器熱屬性常數(shù),并擬合出電流值跟對應(yīng)的最大溫升的關(guān)系。

2溫升模型算法推導(dǎo)

KYN斷路器熱源都來自于斷路器室和電纜室。電纜室中熱量絕大部分都是由通電的導(dǎo)體產(chǎn)生的:斷路器室熱源主要有兩部分,一部分是通電的導(dǎo)體產(chǎn)生的,另一部分是斷路器連接觸頭的接觸電阻產(chǎn)生的。

斷路器梅花觸頭的接觸電阻由收縮電阻和膜電阻組成。收縮電阻指的是電流經(jīng)過斷路器觸頭和導(dǎo)線連接處時,由于導(dǎo)電面積減小而增加的電阻:膜電阻是由于接觸表面受到污染產(chǎn)生的薄膜而增加的電阻。接線端子的發(fā)熱與接觸電阻、導(dǎo)體電阻、電磁線圈的渦流發(fā)熱有關(guān)[2]。散熱主要通過斷路器表面和電纜產(chǎn)生熱傳導(dǎo)的方式傳出。

取KYN斷路器梅花觸頭的發(fā)熱散熱做分析,梅花觸頭發(fā)熱量O約等效于導(dǎo)體電阻R1和斷路器的接觸電阻R2的發(fā)熱量之和。假設(shè)通過電流為I,時間為1,熱量O可以表示為:

根據(jù)能量守恒定律O=O吸+O散,在d1時間內(nèi),斷路器觸頭的溫升為dT,得:

將式(1)代入式(2)得:

式中:C為斷路器的比熱容:m為斷路器的質(zhì)量:K為斷路器設(shè)備的散熱系數(shù):A為導(dǎo)體的表面積:I為斷路器的電流。

解式(3)得:

其中,Tw=I2(R1+R2)/KA,7=Cm/KA。

由式(4)可知,梅花觸頭的最終溫升跟斷路器觸頭的電阻以及斷路器設(shè)備固有的結(jié)構(gòu)有關(guān)。當(dāng)梅花觸頭連接固定時,斷路器的穩(wěn)定溫升只跟通過導(dǎo)體的電流正相關(guān)。

把方程(4)改寫為:

兩邊取自然對數(shù)得到:

設(shè)y=en1T/Tw1,x=1,a=en1Tw/T01,b=/1/7,則方程(4)的非線性回歸問題可以化作線性回歸:

根據(jù)最小二乘法原理可以求得a、b:

求得最大溫升和熱時間常數(shù)的關(guān)系式:

由于y=1n|T-Tw|含待求量Tw,無法直接通過線性回歸方式求得參數(shù)a、b,可以結(jié)合數(shù)值分析方法來求得。

某次測得的溫度的時間為(l1,T1),(l2,T2),(l3,T3),…,(ln,Tn),假設(shè)Tw的值為T1w,按xi=li、yi=1n|T1w-li|輸入數(shù)據(jù),通過最小二乘法求出參數(shù)a1,b1代入式(10)可以求出Tw的計算值T11w:

即:T11w=ea1＋T0(Tw≥T0)或T11w=T0-ea1(Tw<T0)。設(shè)Tw的計算值和設(shè)定值的差為61w:

當(dāng)61w=0時,T1w即穩(wěn)定溫升Tw的推算值,這個過程相當(dāng)于求超越方程:f(Tw)=ea＋T0-Tw=0(Tw≥T0)或者f(Tw)=T0-ea-Tw=0(Tw<T0)的根。

采用逐步迭代法來求得該方程的Tw的值。函數(shù)f(x)具備連續(xù)單調(diào)性質(zhì),f(x)=0存在解,使得f(a)f(b)<0,且xe(a,b),f(x)=0。只要找到(a,b)區(qū)間并逐步縮小該區(qū)間使得最終求得的f(x)小于一定的精度要求即可求得Tw和7的值。

具體求解過程如圖1所示。

由以上算法可以計算出KYN柜電流對應(yīng)的穩(wěn)定溫升值(I1,Tw1),(I2,Tw2),(I3,Tw3),…,(In,Twn)。假設(shè)Tw(I)=aI2＋bI＋c,下面通過最小二乘法推算出KYN柜電流和穩(wěn)定溫升的擬合曲線。

設(shè):

Q分別對a、b、c求偏導(dǎo)數(shù)得:

令三個偏導(dǎo)數(shù)的值都為0可得最優(yōu)解,即:

聯(lián)立(17)(18)(19)三個方程可以求得系數(shù)a、b、c的值,這樣就求出了KYN柜穩(wěn)態(tài)溫升跟電流的函數(shù)關(guān)系。

3溫升算法實踐

3.1擬合KYN柜體的熱屬性參數(shù)

采用連續(xù)60天溫升房實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,用擬合數(shù)據(jù)跟采集數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,計算出各個溫度點的熱屬性常數(shù)。

圖2、圖3、圖4是KYN柜三種電流的實際溫升和擬合溫升的曲線圖,由圖可看出擬合數(shù)據(jù)曲線和源數(shù)據(jù)曲線都很接近。從圖3可以看出,電流不夠大的時候,溫升基本可以忽略。

表1中理論穩(wěn)定溫升始終比實際溫升大1~2℃,是因為實際穩(wěn)定溫升是一個經(jīng)驗值,規(guī)定只要在1h內(nèi)溫度上升不超過0.4℃,讀取的值即為實際溫升。理論溫升是指柜體內(nèi)穩(wěn)定電流持續(xù)運行無窮久時所能達(dá)到的溫升值,是溫升無限接近但無法到達(dá)的溫度值。

受實驗時使用傳感器精度和量程的限制,表2所采用的數(shù)據(jù)電流在采集點60以后發(fā)生下降,導(dǎo)致擬合出來的部分理論溫升值偏低1~2℃。

由表1和表2可以看出,測量的數(shù)據(jù)跟模型擬合得非常好。但如果電流發(fā)生抖動,溫升曲線容易變形,無法擬合或者擬合出溫升特性常數(shù)存在偏差。如果發(fā)熱電阻偏小通過的電流不大,通常需要等到溫升值達(dá)到穩(wěn)態(tài)時才可能準(zhǔn)確地擬合出熱屬性常數(shù)。

總之,如果柜體內(nèi)發(fā)熱量足夠大,可以形成溫度場,電流也足夠穩(wěn)定,通過以上算法就可以準(zhǔn)確地擬合出溫升特性常數(shù)。發(fā)熱量太小無法形成溫度場,或者電流抖動太大導(dǎo)致溫度場特征不明顯,模型擬合不可能會成功。發(fā)熱量越大,柜體內(nèi)部形成的溫度場特征越明顯,擬合出柜體熱屬性常數(shù)所需要采集的數(shù)據(jù)就越少。

3.2擬合設(shè)備電流跟最大溫升的關(guān)系

在額定電流內(nèi)選取幾個電流點,每個電流固定不變運行一段時間,讀取這段時間內(nèi)的溫度變化值,計算出其最大溫升值和熱時間常數(shù):最大溫升值再跟對應(yīng)的電流序列擬合出經(jīng)驗公式。

計算出來的各個電流對應(yīng)的最大溫升值如表3所示。

擬合電流跟最大理論溫升可得經(jīng)驗公式:

根據(jù)經(jīng)驗公式(20)可以計算出柜體在額定電流內(nèi)任意某個電流的最大溫升值。由圖5和圖6可知,實際溫升和由公式(20)計算得出的溫升誤差在±1℃左右,經(jīng)驗公式基本符合要求。

4結(jié)語

理論推導(dǎo)和實踐驗證是新技術(shù)產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)應(yīng)用的基礎(chǔ)。本文展示通過理論推導(dǎo)、計算機(jī)仿真和大量實驗,對KYN斷路器溫升預(yù)測技術(shù)進(jìn)行探索,得到的溫升模型能滿足電力系統(tǒng)對溫升誤差的要求,為該技術(shù)在電力系統(tǒng)的應(yīng)用提供了參考。