加热器参数对操动机构箱内温湿度有怎样的影响规律？

阅读提示：本文约 1300 字

西安西电高压开关操动机构有限责任公司、西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室的研究人员牛信强、黄婷、闫嫱、席雷、杨政衡，在2022年第7期《电气技术》上撰文，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。

高压断路器是电力系统中的重要设备，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。

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。有研究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，西安西电高压开关操动机构有限责任公司等单位的研究人员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。他们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。

图1  弹簧机构的物理模型

研究人员发现，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。另外，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。

他们指出，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%。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。

本文编自2022年第7期《电气技术》，论文标题为“加热器参数对操动机构箱内温湿度影响的数值研究”，作者为牛信强、黄婷 等。