基于ANSYS 的接觸線燒傷熱分析

古曉東，張慧潔，陳唐龍，徐曉鐘

0 引言

隨著國內(nèi)高速鐵路的發(fā)展，接觸線燒傷斷線事故頻繁發(fā)生，嚴(yán)重威脅了電氣化鐵道牽引供電設(shè)備的安全運(yùn)行。接觸線燒傷情況較為復(fù)雜，國內(nèi)外的研究都較少涉及，多集中在分析引起燒傷的故障原因方面，而對(duì)接觸線的被侵蝕程度缺乏了解。

近年來，國際上較大型的面向工程界的通用數(shù)值模擬軟件不斷問世并被陸續(xù)引入國內(nèi)，如ANSYS、MARC 等，受到了工程界的普遍歡迎和重視。ANSYS 是一個(gè)融結(jié)構(gòu)、流體、電磁場、聲場和耦合場于一體的大型通用有限元分析軟件[1]，廣泛地應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。它具有強(qiáng)大的前后處理功能，能夠取得很好的計(jì)算效果。本文利用ANSYS對(duì)故障時(shí)接觸線的燒傷情況進(jìn)行了瞬態(tài)熱分析，對(duì)接觸線的被侵蝕程度取得了很好的計(jì)算結(jié)果，從而為接觸網(wǎng)的運(yùn)營維護(hù)提供了可靠的依據(jù)，對(duì)保證電氣化鐵道牽引供電設(shè)備的安全運(yùn)行有重要作用。

1 接觸線燒傷分析

牽引供電系統(tǒng)在正常情況下通過接觸網(wǎng)向電力機(jī)車提供電能，電力機(jī)車通過受電弓從接觸網(wǎng)上獲取電能驅(qū)動(dòng)行駛，形成一個(gè)統(tǒng)一的整體[2]。

為保證弓網(wǎng)受流良好，接觸線的材質(zhì)類型主要有純銅接觸線、銅銀合金接觸線、銅鎂合金接觸線等[3]，其兩端的補(bǔ)償張力約為10～25 kN。高溫時(shí)接觸線金屬會(huì)出現(xiàn)軟化，在張力的作用下接觸線便有可能被拉斷而造成事故。造成接觸線局部高溫的原因基本可以歸為2 類：一類是由于材質(zhì)和作用力的影響，接觸線和受電弓之間存在一定的接觸電阻，當(dāng)流過大電流且長時(shí)間持續(xù)時(shí)將產(chǎn)生高溫；另一類是由于弓網(wǎng)間電弧的作用而引起的高溫。

1.1 大電流情況分析

大電流一般是由接觸網(wǎng)短路引起的，分為金屬性短路和非金屬性短路2 種。其中金屬性短路造成的短路電流較大，中高速鐵路上往往可達(dá)3 000 A以上。如果短路電流流過接觸電阻，則弓網(wǎng)接觸處易產(chǎn)生高溫，接觸線受熱傳導(dǎo)的作用發(fā)生溫度變化可能引起燒傷?，F(xiàn)利用ANSYS 有限元分析軟件的瞬態(tài)熱分析功能對(duì)機(jī)車靜止短路時(shí)接觸線的溫度變化進(jìn)行近似仿真。

ANSYS 進(jìn)行熱分析的基本原理就是根據(jù)能量平衡原理求解一定邊界條件和初始條件下的熱平衡方程。在機(jī)車靜止短路時(shí)接觸線的溫度變化過程中，系統(tǒng)濕度、熱流率、熱邊界條件及系統(tǒng)內(nèi)能均隨時(shí)間明顯變化，其能量平衡方程可表示為[4]

式中，[K]為傳導(dǎo)矩陣，包含熱系數(shù)，對(duì)流系數(shù)及輻射和形狀系數(shù)；[C]為比熱矩陣，考慮系統(tǒng)內(nèi)能的增加；{T}為節(jié)點(diǎn)溫度向量；為溫度對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)；{Q(t)}為節(jié)點(diǎn)熱流率向量隨時(shí)間變化，包括熱生成。

用ANSYS 進(jìn)行熱分析的一般步驟：①建立實(shí)體模型；②施加載荷計(jì)算；③確定分析選項(xiàng)并求解；④后處理。本文以目前廣泛使用的CTHA-120 銅銀接觸線為分析對(duì)象，設(shè)其橫截面為圓形，截面半徑r 為6.18 mm，電阻率ρ為0.017 77 ? · mm2/m，熱導(dǎo)率為400 W/(m ·℃)，密度為9 016 kg/m3，比熱容為300 J/(kg ·℃)。綜合各種因素，取弓網(wǎng)接觸面積為1 mm2，由于熱傳導(dǎo)過程時(shí)間很短，熱量還來不及散失到接觸部分以外的空間，故可假定所有的邊都是絕熱的，取環(huán)境初始溫度為20℃。選取接觸線中心到接觸面這一部分進(jìn)行分析建模。選取SOLID70 三維六面體單元進(jìn)行有限元分析，建立有限元模型并劃分網(wǎng)格，結(jié)果如圖1 所示。

圖1 有限元模型圖

載荷包含接觸電阻產(chǎn)生的熱流密度載荷和電流流過接觸線的熱生成體載荷2 部分，熱流密度的計(jì)算方法如下：

式中，S 為接觸面面積，m2；Rc為接觸電阻，μ?；其中接觸電阻Rc由文獻(xiàn)[5]可得：

式中，F(xiàn) 為滑板與接觸線間的接觸壓力，N；m 為與接觸形式、壓力范圍和實(shí)際接觸點(diǎn)數(shù)有關(guān)的指數(shù)；Kc為與接觸材料、表面狀況等有關(guān)的系數(shù)。

該處可取m = 1，Kc= 100。接觸線的熱生成體載荷的計(jì)算公式為

式中，ρ為電阻率，?·mm2/m；r 為接觸線截面半徑，mm。

為比較接觸壓力和短路電流對(duì)接觸線溫升的影響，參考實(shí)際運(yùn)行的情況，分別取接觸壓力70和100 N，短路電流3 000 和5 000 A 的情況進(jìn)行計(jì)算，并將計(jì)算所得的載荷施加在有限元模型上。設(shè)置分析選項(xiàng)為Transient 并設(shè)好各項(xiàng)參數(shù)后進(jìn)行求解運(yùn)算，選取接觸線表面和中心兩點(diǎn)的溫度繪制溫度隨時(shí)間變化曲線，結(jié)果如圖2—圖5 所示（圖中上部曲線均為接觸線表面溫度，下部曲線均為接觸線中心溫度）。

圖2 接觸壓力70 N、短路電流3 000 A 時(shí)接觸線溫升隨時(shí)間變化曲線圖

由圖2 可以看出短路時(shí)接觸線表面溫度迅速升高，只需0.11 s 就達(dá)到了熔點(diǎn)1 000℃，而由于熱量由表面?zhèn)鬟f到接觸線中心需要一定時(shí)間，所以中心位置的溫度變化有一定的滯后效應(yīng)，并始終和表面溫度保持一定差值，盡管如此在約0.16 s 時(shí)接觸線中心溫度也達(dá)到了熔點(diǎn)。

圖3 接觸壓力120 N、短路電流3 000 A 時(shí)接觸線溫升隨時(shí)間變化曲線圖

圖4 接觸壓力70 N、短路電流5 000 A 時(shí)接觸線溫升隨時(shí)間變化曲線圖

圖5 接觸壓力120 N、短路電流5 000 A 時(shí)接觸線溫升隨時(shí)間變化曲線圖

由圖2 和圖3 的曲線對(duì)比可以看出，后者溫度變化曲線上升得較慢，達(dá)到熔點(diǎn)的時(shí)間滯后約0.09 s，原因是接觸壓力增大后，接觸電阻減小，短路時(shí)所產(chǎn)生的熱量也隨之減小，使得溫度的上升速率減緩。

對(duì)比圖2 和圖4 可以看出，后者的溫度變化曲線上升得遠(yuǎn)快于前者，接觸線表面只需0.03 s 就可達(dá)到熔點(diǎn)，而接觸線中心也只需0.08 s 就達(dá)到了熔點(diǎn)。這是因?yàn)樵诮佑|壓力不變的情況下，短路電流增大后產(chǎn)生的熱量也隨之增大，使得溫度的上升速率加快。

對(duì)比圖2 和圖3，圖4 和圖5 可以發(fā)現(xiàn)短路電流相同時(shí)，隨著接觸壓力的增大，溫度曲線上升的速率明顯減緩。這說明增大接觸壓力對(duì)減緩短路時(shí)接觸線溫度上升速率有明顯效果。

綜合各圖可以看出，當(dāng)短路電流在3 000 A 以上時(shí)，接觸線的溫度上升極快，短時(shí)間內(nèi)即可達(dá)到熔點(diǎn)，如果保護(hù)裝置沒有及時(shí)動(dòng)作切斷電流的話，接觸線就會(huì)被燒傷，造成其機(jī)械性能迅速下降，在張力的作用下就會(huì)被拉斷。如2009 年滬昆線發(fā)生一起機(jī)車主斷路器爆炸接地事故，變電所記錄顯示短路電流高達(dá)6 877.5 A，保護(hù)裝置來不及動(dòng)作，接觸線燒傷后迅速被拉斷造成斷線事故，給鐵路正常運(yùn)營帶來極大的損失。

1.2 弓網(wǎng)電弧分析

弓網(wǎng)間電弧是由于機(jī)車受流時(shí)弓網(wǎng)發(fā)生離線造成的，接觸線和受電弓滑板從正常接觸位置開始向分離的方向運(yùn)動(dòng)，因接觸壓力逐漸減小，實(shí)際接觸和導(dǎo)電的面積減小，接觸電阻相應(yīng)增大。在接觸面最后分離前的一瞬間，能量集中作用于最后分離的金屬上，使其溫度迅速上升到金屬的沸點(diǎn)而引起爆炸式的氣化。由于弓網(wǎng)離線時(shí)滑板與接觸線之間的電壓和開斷的電流均大于弓網(wǎng)系統(tǒng)的生弧電壓和生弧電流，且間隙充滿了高溫金屬蒸汽，在10-8s 以內(nèi)就形成電弧[6]。電弧的熱量很大，弓網(wǎng)拉弧時(shí)離線間隙不大且由于熱量會(huì)向周圍介質(zhì)傳遞，從而電弧熱流主要傳給了滑板和接觸線，對(duì)接觸線會(huì)造成很大的危害。

機(jī)車靜止時(shí)電弧產(chǎn)生的危害要大于機(jī)車運(yùn)動(dòng)時(shí)，是因?yàn)殡娀∥恢玫目焖僮兓茉谝欢ǔ潭壬蠝p小電弧對(duì)接觸線的危害。本文就靜止時(shí)產(chǎn)生電弧的情況進(jìn)行分析，由于至今尚無一個(gè)完善的電弧侵蝕接觸線的物理模型用于計(jì)算接觸線的被侵蝕程度，現(xiàn)根據(jù)文獻(xiàn)[7]—[9]取電弧的熱流密度為 8×1010W/m2，忽略流過電流產(chǎn)生的熱能，利用ANSYS仿真靜止時(shí)電弧對(duì)接觸線的侵蝕情況，仍然以CTAH-120 銅銀接觸線為分析對(duì)象，分析結(jié)果如圖6 所示。

圖6 弓網(wǎng)拉弧時(shí)接觸線溫升隨時(shí)間變化曲線圖

由圖6 可以看出，機(jī)車靜止時(shí)在電弧作用下，接觸線的表面溫度上升極快，中心位置由于熱量是由外向內(nèi)傳遞，其溫度上升有一定的滯后，但也在極短的時(shí)間內(nèi)就達(dá)到了熔點(diǎn)，遠(yuǎn)小于保護(hù)裝置動(dòng)作需要的時(shí)間。

2 結(jié)論

由以上仿真結(jié)果分析可知，當(dāng)弓網(wǎng)接觸處流過大電流時(shí)，電流越大，持續(xù)時(shí)間越長，接觸線溫度就越高。弓網(wǎng)接觸壓力的增加能有效減緩接觸線溫度的上升速率。對(duì)于機(jī)車靜止時(shí)弓網(wǎng)拉弧的情況，由仿真可知極短的時(shí)間內(nèi)就可以燒斷接觸線。由于受電弓和接觸線都處于自然大氣的條件下，滅弧難度大，所以只能從盡量避免產(chǎn)生電弧入手來解決問題。因此解決接觸線的燒傷可采取以下措施：（1）合理選擇適當(dāng)?shù)墓W(wǎng)接觸壓力，盡可能減小弓網(wǎng)間的接觸電阻。但接觸壓力不能隨意增大否則會(huì)增加受電弓和接觸線的異常磨損，縮短其使用壽命。（2）采取有效措施避免機(jī)車絕緣被擊穿造成短路故障。機(jī)車的絕緣設(shè)計(jì)水平必須綜合考慮機(jī)車對(duì)各種作用電壓的耐受特性，同時(shí)對(duì)過電壓情況進(jìn)行治理。如可采取在車載變壓器的原邊兩端并聯(lián)RC 阻容回路等措施對(duì)過電壓進(jìn)行抑制。（3）改善接觸線的材質(zhì)。接觸線應(yīng)選取抗高溫、抗軟化性能較好的材料，這需要加強(qiáng)對(duì)新型合金材料的研究。（4）盡量縮短保護(hù)動(dòng)作時(shí)間，同時(shí)選取動(dòng)作時(shí)間快的斷路器以便及時(shí)斷開短路電流。（5）保證受電弓抬升力正常。機(jī)車靜止產(chǎn)生的電弧常發(fā)生于機(jī)車進(jìn)站后停車時(shí)，此時(shí)如果傳動(dòng)風(fēng)缸壓力不足或彈簧故障時(shí)就會(huì)造成受電弓抬升力不夠，從而發(fā)生離線造成電弧。因此保證受電弓抬升力符合標(biāo)準(zhǔn)能有效避免產(chǎn)生靜止電弧。

隨著電氣化鐵道高速化、重載化不斷發(fā)展，鑒于接地短路、弓網(wǎng)拉弧等故障對(duì)弓網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定性的危害影響，對(duì)此進(jìn)行深入而精確的研究勢(shì)在必行。從以上分析可以看出，用ANSYS 軟件仿真可以直觀地看出大電流情況下和靜止時(shí)弓網(wǎng)拉弧的接觸線溫升狀況，進(jìn)行準(zhǔn)確地?cái)?shù)值分析，從而可以得出故障接觸線的被侵蝕程度，這對(duì)牽引供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)營維護(hù)提供了依據(jù)，對(duì)保證牽引供電系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行有重要意義。

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