基于ANSYS的直流斷路器溫度場(chǎng)數(shù)值分析

劉樹華 ，樂洪有 ，駱文平

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基于ANSYS的直流斷路器溫度場(chǎng)數(shù)值分析

劉樹華1，樂洪有2，駱文平2

（1.海軍駐武漢712所軍事代表室，武漢430064； 2.武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

溫升作為斷路器的考核指標(biāo)之一，對(duì)斷路器的性能有著重要影響。筆者以某型4000A直流斷路器為研究對(duì)象，通過對(duì)熱源激勵(lì)和傳熱規(guī)律進(jìn)行分析后建模，經(jīng)ANSYS熱電耦合仿真獲得了斷路器的穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)分布，并與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比基本吻合。隨后，分析了散熱器材質(zhì)和觸頭接觸電阻對(duì)斷路器溫度場(chǎng)的影響，該項(xiàng)研究成果對(duì)斷路器的熱力設(shè)計(jì)具有一定的參考意義。

溫升 直流斷路器 熱電耦合 接觸電阻

0 引言

隨著直流斷路器理論研究的不斷深入，斷路器正在向著大容量、小型化方向發(fā)展，使用壽命和可靠性要求也在不斷提高，以滿足用戶更為苛刻的使用需求。顯然，這將使得斷路器熱功率密度日益提高，如果不采取有效的散熱方式，斷路器溫升必然加劇，這將對(duì)其機(jī)械壽命和電氣壽命產(chǎn)生重大影響。實(shí)際應(yīng)用中，斷路器因觸頭、外接端子等局部溫升過高造成的故障屢見不鮮[1-4]。因此，斷路器溫升問題已經(jīng)引起了國(guó)內(nèi)外同行的普遍重視，西安交通大學(xué)余小玲等從斷路器導(dǎo)電桿半徑、觸頭觸點(diǎn)半徑和位置等方面對(duì)真空斷路器溫升的影響進(jìn)行了仿真分析[5]。M. Lindmayer在考慮導(dǎo)電回路電阻、熱阻受溫度影響的條件下，對(duì)低壓斷路器進(jìn)行了熱分析，但是接觸電阻的處理有待改進(jìn)[6]。Weichert則針對(duì)一種電機(jī)使用的斷路器做了三維熱分析，并在接觸電阻的處理上做出了有益貢獻(xiàn)[7]。盡管如此，關(guān)于斷路器熱值分析的精確性仍有待提高，影響斷路器溫升的因素研究也并不全面。故此，本文將針對(duì)某型直流快速斷路器進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱分析，并將針對(duì)影響溫升的一些因素進(jìn)行研究，以對(duì)斷路器的熱設(shè)計(jì)提供參考。

1 直流快速斷路器熱源激勵(lì)及傳熱分析

斷路器作為電力系統(tǒng)中重要的過載保護(hù)設(shè)備，額定電流下的穩(wěn)態(tài)溫升是表征其性能的重要指標(biāo)之一。如果斷路器某些部位溫升過高，將使得相應(yīng)部件機(jī)械壽命降低，絕緣加速老化，對(duì)于可動(dòng)觸頭部位甚至發(fā)生熔焊等問題。因此，對(duì)于斷路器產(chǎn)品都有一定的溫升考核標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)其溫升過程進(jìn)行分析就顯得極為必要。由于斷路器的熱功率是內(nèi)部熱源激勵(lì)與對(duì)外散熱共同作用的結(jié)果，故而對(duì)其進(jìn)行溫升分析也就主要從確定內(nèi)部熱源與散熱條件兩個(gè)方面進(jìn)行。

1.1熱源的分析

圖1所示為某型4000A直流快速斷路器樣機(jī)的熱分析模型。該樣機(jī)動(dòng)導(dǎo)電桿與出線通過銷和軟連接連接在一起，可在相應(yīng)電磁機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)下通過旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)觸頭的分合操作，既未對(duì)動(dòng)導(dǎo)電桿的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生明顯影響，又顯著削弱了相應(yīng)位置的接觸電阻。該樣機(jī)熱分析模型中，散熱器為鋁制，觸頭材料為銀鎳合金，其余部分均為純銅制造。

導(dǎo)體因自身電阻而產(chǎn)生的焦耳熱無(wú)疑是斷路器主要內(nèi)熱源之一，在仿真中可以通過為各導(dǎo)電構(gòu)件賦予相應(yīng)的電阻率而準(zhǔn)確計(jì)算。對(duì)于既定導(dǎo)體，其材料屬性、截面尺寸等均已確定，故而可以準(zhǔn)確獲得導(dǎo)體內(nèi)部電流密度分布，通過導(dǎo)體電阻率即可求得相應(yīng)構(gòu)件的熱功率分布。

接觸電阻是影響斷路器溫升的另一核心要素，也是進(jìn)行熱分析的基礎(chǔ)。對(duì)于圖示模型，當(dāng)動(dòng)靜觸頭通過面接觸進(jìn)行電能傳遞時(shí)，由于觸頭接觸面不可避免的存在微觀的凹凸不平度，電流只能經(jīng)由無(wú)數(shù)分散的接觸點(diǎn)流過，故而在觸頭接觸面上形成了諸多電流流束，這就使得觸頭接觸面上產(chǎn)生了一附加電阻，即所謂的“收縮電阻”。如果接觸面上因?yàn)檠趸仍虍a(chǎn)生了薄膜，則還存在“膜電阻”，這兩種附加電阻之和即可視為觸頭間的接觸電阻。顯然，接觸電阻與接觸壓力、接觸面粗糙度、接觸形式、材料性質(zhì)等多種因素有關(guān)，實(shí)際上無(wú)法由解析法獲得。工程上雖然也有各類針對(duì)接觸電阻的經(jīng)驗(yàn)公式，然而用起來并不方便?？紤]到該樣機(jī)觸頭以及銷連接等處均為面接觸，故可采用導(dǎo)電薄層法對(duì)相應(yīng)接觸電阻予以處理。以使原模型盡可能不發(fā)生變動(dòng)又不顯著增加有限元計(jì)算的負(fù)擔(dān)為原則，觸頭處薄層厚度取為0.6 mm，銷連接處薄層厚度取為1 mm，如圖2所示。

1.2傳熱條件的確定

由于該斷路器直接處于空氣環(huán)境中，其既有內(nèi)部的熱傳導(dǎo)，也有和周圍環(huán)境之間進(jìn)行的對(duì)流換熱和輻射換熱。

1.2.1導(dǎo)體內(nèi)部的熱傳導(dǎo)

由于斷路器內(nèi)各處溫度并不相同，在溫差的驅(qū)使下，熱流將由高溫處沿著熱導(dǎo)體向低溫處傳遞，這一過程遵循傅里葉傳熱定律：

(1)

1.2.2導(dǎo)體表面與環(huán)境的對(duì)流傳熱

本文所分析的斷路器，其導(dǎo)電回路所有表面基本都裸露在空氣中，故而以自然對(duì)流換熱的方式將熱量散發(fā)到周圍環(huán)境中，此過程遵從牛頓冷卻方程：

1.2.3導(dǎo)體表面的輻射換熱

當(dāng)導(dǎo)體表面溫度處于100℃以下時(shí)，導(dǎo)體表面的輻射換熱量與自然對(duì)流換熱量幾乎處于同一數(shù)量級(jí)[9-10]，此時(shí)輻射換熱不可忽略。輻射換熱量可由Stefan-Boltzmann定律表述：

2 仿真分析及其試驗(yàn)驗(yàn)證

此直流斷路器額定電流為4000 A，因?yàn)閮H取1/2模型進(jìn)行分析，故對(duì)其加載2000 A的電流即可。經(jīng)仿真運(yùn)算，斷路器的溫度場(chǎng)云圖和電流密度場(chǎng)云圖分別如圖4、圖5所示。如前所述，觸頭部位和銷連接處均具有較大的接觸電阻，然而經(jīng)由銷連接流過的電流相對(duì)極少，故銷連接處集中產(chǎn)生熱量相對(duì)于觸頭部位輕微很多，相應(yīng)位置也并無(wú)溫度驟增現(xiàn)象。觸頭處因具有較大接觸電阻，電流密度相對(duì)極大，故而集中產(chǎn)生熱量很多，必然成為斷路器溫升最高部位。由此可見，欲改善斷路器溫升狀況，設(shè)法降低斷路器觸頭部位的接觸電阻將成為有效著力點(diǎn)。

為了定量得知樣機(jī)額定狀態(tài)下的溫升分布，特提取了圖1中被標(biāo)注6處的溫度值，具體見表2所示。為了驗(yàn)證數(shù)值分析的準(zhǔn)確性，對(duì)斷路器進(jìn)行了額定電流下的穩(wěn)態(tài)溫升試驗(yàn)。圖6給出了這6處溫升檢測(cè)點(diǎn)的試驗(yàn)值，并與相應(yīng)仿真值進(jìn)行了對(duì)比。顯然，各檢測(cè)處的仿真誤差均處于5℃以內(nèi)，這在工程上是允許的。

3散熱器材質(zhì)及接觸電阻對(duì)斷路器溫升的影響

3.1散熱器材質(zhì)對(duì)斷路器溫升的影響

銅和鋁均是熱和電的良導(dǎo)體，就導(dǎo)熱系數(shù)而言，在-100℃至600℃范圍內(nèi)，銅的導(dǎo)熱系數(shù)基本上是同溫下鋁的導(dǎo)熱系數(shù)的1.63倍以上，電阻率則總是要低于鋁。這表明，斷路器如果改鋁制散熱器為銅制散熱器，將有利于加強(qiáng)導(dǎo)熱，同時(shí)也會(huì)輕微降低相應(yīng)處熱功率，這都將促使斷路器溫升降低。為此，在相同仿真環(huán)境下，僅將斷路器所有散熱器由鋁制改為銅制，仿真所得溫度云圖如圖7所示。

顯見，斷路器觸頭處的最高溫度僅降低了1.322℃，其它部位溫度降低幅度也很低，這說明將散熱器由鋁制改為銅制帶來的溫度場(chǎng)改變極為有限，而銅的價(jià)格卻顯著高于鋁，亦即使得產(chǎn)品成本明顯增加。因此，在散熱器的取材上應(yīng)以鋁材為佳。

3.2接觸電阻對(duì)斷路器溫升的影響

由前述易知，斷路器觸頭接觸電阻顯著影響著斷路器的溫度場(chǎng)，為此有必要探尋接觸電阻與斷路器溫度場(chǎng)之間的關(guān)系。以該樣機(jī)觸頭的實(shí)際接觸電阻為基準(zhǔn)，定義無(wú)量綱接觸電阻為接觸電阻與基準(zhǔn)電阻的比值，則斷路器最高溫度、進(jìn)線端溫度、出線端溫度與觸頭無(wú)量綱接觸電阻之間的關(guān)系如圖8所示?？梢钥闯觯瑪嗦菲鳒囟入S觸頭接觸電阻的增加而線性增加，觸頭部位溫升增加幅度最為顯著，越遠(yuǎn)離觸頭部位，溫度增加幅度越小。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，斷路器觸頭溫升是斷路器溫升試驗(yàn)考核的重要指標(biāo)，為此在斷路器設(shè)計(jì)時(shí)須盡可能地降低觸頭接觸電阻。

4 結(jié)論

斷路器溫升是其設(shè)計(jì)過程中的重要考量指標(biāo)之一，筆者以4000A直流快速斷路器為研究模型，基于ANSYS熱電耦合仿真完成了對(duì)其溫度場(chǎng)的分析，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了仿真結(jié)果的有效性，得出結(jié)論如下：

1) 對(duì)于面接觸的觸頭接觸電阻，可以通過設(shè)置薄層并賦予一定的電阻率來模擬，薄層設(shè)置應(yīng)以不過分增加計(jì)算負(fù)擔(dān)又不改變?cè)Y(jié)構(gòu)為原則。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，這樣處理接觸電阻是合理有效的。

2) 制散熱器相比，銅制散熱器并不能使斷路器溫升明顯下降，卻反而增加了斷路器的制造成本，故在斷路器設(shè)計(jì)時(shí)，在導(dǎo)電回路中起導(dǎo)電作用輕微的構(gòu)件應(yīng)該盡可能選擇鋁材。

3) 接觸電阻對(duì)斷路器溫度場(chǎng)的影響極其顯著，且影響規(guī)律呈現(xiàn)出線性關(guān)系，因此在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采取優(yōu)化觸頭結(jié)構(gòu)、降低接觸表面粗糙度、提高觸頭壓力等措施，以盡可能地減小接觸電阻。

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ANSYS - based Numerical Analysis of Temperature Field of DC Circuit Breaker

Liu Shuhua1, Le Hongyou2, Luo Wenping2

（1.Naval Representatives office in 712 Research Institute, Wuhan 430064, China; 2.Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064,China）

As one of the indicators of circuit breaker for performance check, temperature rise has an important influence on the performance of the circuit breaker. Regarding a 4000A DC circuit breaker as the research object and building a model after making a analysis about heat source and heat transfer law, the author obtains the steady-state temperature field distribution of the circuit breaker by thermoelectric coupling simulation based on ANSYS. The simulation analysis is consistent with the test results by comparison. Then, the author analyzes the influence of the temperature field of a circuit breaker from the material of the heat sink and contact resistance, which will have certain reference significance for the thermal design of the circuit breaker.

temperature rise; DC circuit breaker; thermoelectric coupling; contact resistance

TM561

A

1003-4862（2016）03-0045-05

20154-121-09

劉樹華(1964-)，男，高級(jí)工程師。研究方向：艦船電氣設(shè)備。