GIS设备用表带触指电连接结构接触电阻的分形理论计算与分析.docx

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1、第55卷第4期工程科学与技术Vo1.55No.42023年7月ADVANCEDENGINEERINGSCIENCESJu1y2023面向双碳目标的环保型电力设备DOI:10.15961j.jsuese.202300890G1S设备用表带触指电连接结构接触电阻的分形理论计算与分析杨为1朱太云I,任汀2,王青于型，靳守锋2(1国网安徽省电力有限公司电力科学研究院，安徽合肥230601；2.西安交通大学电气绝缘与电力设备国家重点实险室，陕西西安710049)摘要：电连接结构的接触电阻(e1ectrica1Coniaciresistance,ECR)是评价电接触系统可靠性的重要指标。表带触指是环保气体

2、G1S设备中重要的电连接部件，其ECR不仅影响回路总电阻，通流过大导体振动、安装不当等因素也会导致电接触不良，引发触指局部过热，引起绝缘放电等故障，还会关系到环保气体GIS设备的运行稳定性。为研究触指ECR的产生机理和变化规律，采用MAT1AB和激光共聚焦显微镜捕捉接触区域灰度图像，获得触指接触区域的名义接触面积4。和分形维数运用分形理论模型，数值计算了表带触指电连接结构的ECR,并通过ECR试验测量，验证了应用分形理论模型解析计算表带触指电连接结构ECR的合理性和准确性；研究了表带触指电接触过程中的弹性变形、第一弹塑性变形、第二弹塑性变形和塑性变形4个阶段，对比分析了不同分形维数对触指电接触

3、实际接触面积的影响规律。研究发现：分形理论模型可用于GIS设备用表带触指的接触电阻理论计算；触指电接触表面形貌越复杂，分形维数越大，触点变形越先进入弹塑性阶段，也越易进入第二弹塑性变形阶段，达到相同承载能力所需实际接触面积也越小。研究成果有助于环保气体G1S电连接结构的优化设计，可为环保气体G1S设备触指电连接结构的多物理场计算和电接触性能的状态评估提供理论基础。关键词：分形模型；表带触指；接触电阻；弹塑性变形；实际接触面积中图分类号：TM85文献标志码：A文章编号：2096-3246(2023)04-0011-10Ca1cu1ationandAna1ysisoftheE1ectrica1Co

4、ntactResistanceoftheStrapContactsUsedinGISEquipmentBasedontheFracta1Mode1YANGWei1,ZHUTaiyun1,RENTi*WANGQingyir,JINShoufeng2(1.StateGridAnhuiE1ectricPowerResearchInst.Hefei230601.China;2.StateKey1ab.OfE1cctrica1Insu1ationandPowerEquipment.Xi,anJiaotongUniv.,Xi,an710049.China)Abstract:Contaciresis1anc

5、eofane1ectrica1connectionStruciure(ECR)isanimportantindicatortoeva1uatethere1iabi1ityofthee1ectrica1contactsystem.Thestrapcontactisanimportante1ectrica1connectioncomponentineco-friend1yinsu1atinggasGISequipment.ItsECRwi11affectthetota1resistanceoftheequipment.Factorssuchastheexcessivecurrentf1ow,the

6、conductorvibration,andtheimproperinsta11ationcana1so1eadstopoore1ectrica1contact,1oca1overheatingofthestrapcontacts,insu1ationdischargeandotherfai1ures,whichisdirect1yre1atedtotheoperationstabi1ityofenvironmenta1protectiongasGISequipment.Tdstudythemechanismandregu1arityofECR,MAT1ABand1aserconfoca1mi

7、croscopewereusedtocapturethegraysca1eimageofthecontactareain(hispaper.Thenomina1contactareaAaandfracta1dimensionDofthecontactareawereobtained.Usingthefracta1theoretica1mode1,thecontactresistanceofthestrapcontactwasnumerica11yca1cu1ated.Therationa1ityandaccuracyofapp1yingthefracta1theoretica1mode1toa

8、na1ytica11yca1cu1atethecontactresistanceofthee1ectrica1connectionstructurewas收稿日期:2023-08-24基金项目:国网安徽省电力有限公司科技项目(B312O521OOOZ)作者简介:杨为(1984)，男，高级工程师.研究方向：变电设备运维检测技术与标准修制订.Emai1:hfut_mars*通信作者：王青于，E-mai1：wqy.1991624网络出版时间:2023-07-0610:53:59网络出版地tzhttps7kcms2detai151.1773.TB.20230705.0905.1.htm1httpver

9、ifiedthroughECR1estmeasurements.SinceECRisc1ose1yre1atedtoIhcactua1con1actarea,thee1asticdeformation.Ihefirste1astic-p1asticdeformation,theseconde1astic-p1asticdeformationandthep1asticdefonnationduringthee1ectrica1contactprocessofthestrapcontactwerestudied.Whatsmore,theeffectofdifferentfracta1dimens

10、ionsontheactua1contactareaofthee1ectrica1contactwasstudied.Theresearchfoundthatthefracta1theoretica1mode1canbeusedfor(hetheoretica1ca1cu1ationofECRfor(hestrapcontactofIheGISequipment.I1wasobtainedthatthe1argerthefracta1dimensionofthee1ectrica1contactsurface,theear1ierthecontactdeformationentersthee1

11、astic-p1asticstage,andtheeasieritistoentertheseconde1asticstage.Inthep1asticdeformationstage,themorecomp1exthesurfacemorpho1ogy,thesma11ertheactua1contactarearequiredtoachievethesamebearingcapacity.Theresearchresu1tsarehe1pfu1fortheoptima1designoftheeco-iriend1yinsu1atinggasGISe1ectrica1connectionst

12、ructure,andcanprovideatheoretica1basisforthemu1ti-physicsca1cu1ationoftheeco-friend1yinsu1atinggasGISequipmente1ectrica1connectionstructureandthestateeva1uationofthee1ectrica1contactperformance.Keywords:fracta1mode1;strapcontact;contactresis1ance;e1astic-p1asticdeformation;actua1contactarea“双碳”目标和背景

13、下，环保气体绝缘开关设备GIS发展前景广阔I1G1S设备载流导体长径比大，金属外壳与载流导体膨胀收缩产生相对位移差，通常采用插接式滑动触头进行补偿，故而电接触部件成为电连接结构的关键部件。然而，GIS设备运行条件复杂苛刻，且随着中国特高压输电技术的不断发展，一次设备的运行电流大幅增加，触指电连接结构成为影响电力设备安全可靠运行的关键环节和薄弱部GIS中心载流导体分段处常采用弹簧、表带和梅花等类型的触指电连接结构。表带触指多圈同向安装在公头外侧或母头内壁上，触指叶片之间靠不锈钢龙骨连接并保持一定间距。表带触指能够在一定范围接触压力条件下保持良好的机械和电接触性能。GIS设备的公头与母头会因膨胀收

14、缩产生周期往复运动；同时，G1S导体会因电磁力作用发生振动，引起各个触指叶片通流不均匀，严重时将引发局部过热和电接触故障。近年来，G1S设备中大量使用的触指电连接结构因电接触区的性能劣化导致的事故时有发生，严重威胁了电网的安全稳定运行（图1）。因此，电连接结构的可靠性至关重要，其中，接触电阻图1G1S设备用触指电连接结构故障现场Fig.1Fau1tsceneofthee1ectrica1connectionstructureofthecontactfingerforGISequipment接触电阻源于不规则触指表面与导电杆的接触面之间通电后产生的导电斑点。当电连接结构通流，电流流过触指表面众多

15、尺寸较小的导电斑点时，发生大幅收缩，产生收缩电阻。除此之外，触指与导体的显微表面凹凸不平，接触面是众多导电斑点构成的集合，并非理想平面接触，故触指电连接结构的实际接触面积与名义接触面积有所不同，其实际接触面积与触指和导体表面的粗糙度、接触压力载荷等因素相关。由于导电斑点微观结构不规则，经典数学难以表征，随着非线性科学的发展，分形理论被应用于微观层面，可用于建立更为精准的粗糙表面接触模型6-8,oMandeIbrot于1975年描述了分形几何，后续建立了分形理论用以研究分形特征和应用叫MajUmdar等Ug”开发了一种新的各向同性粗糙表面之间的电接触理论模型，发现接触面积小于临界接触面积的所有接

16、触点都是塑性接触：当接触载荷增加时，这些塑性变形点会连接到一起而形成弹性接触，但所用分形粗糙参数与尺度无关。杨红平等阿基于分形理论，表征了粗糙微凸体表面，计算获得了微凸体在不同塑性指数下的接触刚度和接触载荷间的关系。1iou等”引建立了球体和圆柱体表面微凸体的分形参数模型，推导了弹性、弹塑性和塑性变形3个阶段的尺寸分布函数，得到接触微凸体弹性、弹塑性和完全塑性的变形机制与经典(统计)理论描述一致，在各种情况下预测的接触载荷和实际接触面积结果与使用统计方法获得的结果非常吻合。综上所述，国内外研究学者针对接触电阻计算的分形理论模型开展了大量工作，为分形理论模型在电接触领域的应用奠定了坚实的基础“3然而，有关实际GIS设备用表带触指接触电阻的理论计算报