爆炸活塞式限流器的溫升仿真分析與試驗(yàn)

孫巍 王晨 徐國(guó)順 陳搏

（1.海軍駐438廠軍事代表室，武漢430062；2.海軍工程大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，武漢 430033）

0 引言

爆炸活塞式限流器是爆炸式限流器的一種，爆炸式限流器是一種開(kāi)斷速度很高、開(kāi)斷容量很大的電力系統(tǒng)故障限流保護(hù)裝置[1-4]。

目前占據(jù)國(guó)際市場(chǎng)主導(dǎo)地位的爆炸式限流器是ABB公司的Is－limiter[5]。它的短路檢測(cè)判斷采用電子裝置，檢測(cè)電流上升率及電流幅值來(lái)判斷短路；主回路是中空的銅管結(jié)構(gòu)，火工品裝置放置在銅管內(nèi)部。火工品裝置爆炸后，銅管沿預(yù)制槽向兩端翻卷形成足夠電氣間隙。這種結(jié)構(gòu)具有短路檢測(cè)速度快、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，但其短路檢測(cè)裝置體積大，必須附加直流電源，且其電子裝置有可能受電磁干擾而失效；而火工品裝置被發(fā)熱的銅管包圍，工作時(shí)受到烘烤作用，會(huì)加速火工品中的起爆藥和炸藥分解，從而降低了裝置的使用壽命。為了解決這些問(wèn)題，我們研制了爆炸活塞式限流器。它的短路檢測(cè)判斷采用電弧觸發(fā)器，電弧觸發(fā)器和普通熔斷器的結(jié)構(gòu)類似，但其內(nèi)部熔體只有一排并聯(lián)的狹頸。與普通熔斷器相比，其電阻很低，而從狹頸處流過(guò)的額定電流密度則很大，從而保證短路電流發(fā)生時(shí)能夠快速熔斷，熔斷后產(chǎn)生足夠的弧壓，來(lái)觸發(fā)電雷管。爆炸分?jǐn)嘌b置則分成爆炸活塞機(jī)構(gòu)和橋體兩部分，經(jīng)由活塞傳遞爆炸沖擊能使橋體分?jǐn)?，包含火工品裝置的爆炸活塞機(jī)構(gòu)放置在主電路之外，并經(jīng)特殊設(shè)計(jì)的隔熱措施和主電路隔開(kāi)。這樣就顯著降低了火工品裝置的長(zhǎng)期工作溫度，有效延長(zhǎng)了整機(jī)的使用壽命。

溫升性能是這種新設(shè)計(jì)的爆炸活塞式限流器的重要性能之一。溫升過(guò)高不僅會(huì)降低裝置內(nèi)火工品的壽命，也會(huì)加速裝置中絕緣件的老化，并可能經(jīng)匯流排傳熱而抬高附近電氣設(shè)備的溫升。為了提高裝置的壽命并獲得緊湊性的設(shè)計(jì)，必須對(duì)爆炸活塞式限流器在額定通流下的溫度場(chǎng)分布進(jìn)行計(jì)算。本文采用有限元仿真軟件ANSYS11.0對(duì)裝置在額定工作狀況下的電流場(chǎng)和溫度場(chǎng)進(jìn)行耦合分析，得到了裝置溫度場(chǎng)分布特性[6]。

1 溫升模型的建立

圖1 爆炸活塞式限流器主要結(jié)構(gòu)尺寸(A=300mm，B=240mm，C=65mm，D=140mm)

使用ANSYS11.0進(jìn)行三維熱電耦合分析，在建立幾何模型并輸入材料參數(shù)、載荷、約束量和其他必要參數(shù)后，即可求解限流器和銅排上的溫度場(chǎng)分布，減去室溫后，可得到各點(diǎn)的溫升值。在建模過(guò)程中必須要進(jìn)行一定的假設(shè)以簡(jiǎn)化仿真模型：

①裝置處于無(wú)限大空間自然對(duì)流狀態(tài)；②對(duì)實(shí)際裝置中部分細(xì)微結(jié)構(gòu)做近似處理，如忽略螺栓、螺孔，將彎角改為直角；③忽略對(duì)溫升影響不大且不易建模的部件，如電弧觸發(fā)器外殼及石英砂、脈沖變壓器、滅弧熔斷器、絕緣支柱等。

電氣設(shè)備在一定電流下的穩(wěn)態(tài)溫升不僅取決于設(shè)備本身的結(jié)構(gòu)、材料，外接電纜或銅排的影響往往也很大，不能忽略。因此，國(guó)標(biāo)[7]中對(duì)溫升試驗(yàn)中不同試驗(yàn)電流對(duì)應(yīng)的電纜或銅排的截面尺寸進(jìn)行了嚴(yán)格規(guī)定，并要求試驗(yàn)電纜或銅排有足夠長(zhǎng)的長(zhǎng)度，其中大于800 A的溫升試驗(yàn)中電源和設(shè)備間銅排長(zhǎng)度要大于3 m。要求足夠的長(zhǎng)度是為了形成足夠的熱阻以避免電源的溫升影響被試設(shè)備。因此，本文在溫升建模中模擬溫升試驗(yàn)的情況，把銅排和限流器作為一個(gè)整體考慮。

有限元網(wǎng)格剖分過(guò)程中應(yīng)當(dāng)對(duì)比較細(xì)致的結(jié)構(gòu)和重點(diǎn)關(guān)心的位置進(jìn)行細(xì)密的剖分，而對(duì)其他部分進(jìn)行粗略的剖分，總有限單元數(shù)控制在 30萬(wàn)～50萬(wàn)個(gè)，在普通 PC機(jī)上耗時(shí)十幾分鐘即可計(jì)算完畢，既省時(shí)又可以保證精度?？梢圆捎肁PDL語(yǔ)言的方式進(jìn)行參數(shù)化建模，這樣改變結(jié)構(gòu)參數(shù)時(shí)只需在程序中對(duì)應(yīng)修改即可，非常有利于需要反復(fù)大量仿真計(jì)算的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程。

圖2 溫升仿真模型

2 仿真結(jié)果與試驗(yàn)對(duì)比

應(yīng)用ANSYS11.0對(duì)圖1所示的直流爆炸活塞式限流熔斷器在額定電流 2500 A下的穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)分布進(jìn)行了三維仿真，結(jié)果如圖3所示。本文仿真和試驗(yàn)中的室溫都是23℃。

圖3 爆炸活塞式限流熔斷器穩(wěn)態(tài)溫升仿真結(jié)果

對(duì)于一般火工品裝置中使用的起爆藥和炸藥，溫度每降低10℃，其儲(chǔ)存壽命將延長(zhǎng)2～4倍。因此降低裝藥位置的溫升對(duì)提高整機(jī)壽命的意義重大。其次關(guān)注的是接觸部位的溫度和電弧觸發(fā)器的溫度，接觸部位溫度過(guò)高將使接觸面氧化，導(dǎo)致接觸電阻增大，形成惡性循環(huán)，最終使接觸失效，因此國(guó)標(biāo)對(duì)接觸部位的溫升有明確規(guī)定。電弧觸發(fā)器的內(nèi)部溫度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部材料的變形或氧化失效，然而電弧觸發(fā)器內(nèi)部溫度在試驗(yàn)中難以測(cè)得，只能從仿真中得到，然后對(duì)比電弧觸發(fā)器附近點(diǎn)的溫度仿真值與試驗(yàn)值的誤差來(lái)推測(cè)內(nèi)部材料溫度仿真值是否準(zhǔn)確。因此在仿真結(jié)果中選擇 A～E點(diǎn)作為關(guān)鍵點(diǎn)對(duì)其溫升進(jìn)行考察并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

仿真與試驗(yàn)的最大誤差為7.7%，造成誤差的原因主要是裝置中各結(jié)構(gòu)間的自然對(duì)流互相影響，各結(jié)構(gòu)單獨(dú)計(jì)算的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)不準(zhǔn)確。

從結(jié)果可以看出，安裝火工品裝置的部位C點(diǎn)，溫升僅21 K，可見(jiàn)這種結(jié)構(gòu)中火工品裝置的長(zhǎng)期工作溫度較低，有利于提高火工品裝置的壽命。觸發(fā)器內(nèi)部是整個(gè)限流器最熱的部分，其最高溫度116℃，對(duì)應(yīng)溫升93 K。各接觸部位的溫升都在國(guó)標(biāo)允許范圍之內(nèi)。

表1 仿真和實(shí)驗(yàn)的結(jié)果對(duì)比

3 小結(jié)

按照爆炸活塞式限流器溫升試驗(yàn)的布置建立了包括試驗(yàn)銅排和爆炸活塞式限流器在內(nèi)的溫升仿真模型。建模時(shí)進(jìn)行了必要的假設(shè)，對(duì)溫升影響不大的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了忽略或近似處理。應(yīng)用ANSYS11.0進(jìn)行三維熱電耦合仿真分析，仿真結(jié)果和試驗(yàn)基本一致。

[1]陳搏, 莊勁武, 楊鋒. 爆炸活塞式高速開(kāi)關(guān)的分析與設(shè)計(jì)[J]. 武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)(交通科學(xué)與工程版).2010, 34(3)： 468-471.

[2]戴超, 莊勁武, 楊鋒等. 大容量爆炸活塞式高速開(kāi)斷器分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 高電壓技術(shù). 2011, 37(1)：221-226.

[3]戴超, 莊勁武, 楊鋒等. 高壓混合型限流熔斷器用電弧觸發(fā)器的弧前特性[J]. 高電壓技術(shù). 2010, 36(2)：350-355.

[4]李品德, 劉軍虎, 王永紅等. 電力系統(tǒng)故障電流限制器的應(yīng)用和研究現(xiàn)狀[J]. 高壓電器, 2000, 3：31-33.

[5]Karl-Heinz Hartung, Volker Schmidt. Limitation of Short Circuit Current by an Is - Limiter[C]. 10thinternational conference of electrical power quality and utilization. Lodz, Poland, 2009： 9-15.

[6]張朝暉. ANSYS熱分析教程與實(shí)例解析[M]. 北京：中國(guó)鐵道出版社, 2007.

[7]GB7251-2005低壓成套開(kāi)關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備. 第一部分： 形式試驗(yàn)和部分形式試驗(yàn)成套設(shè)備[S].