液態(tài)金屬型電弧觸發(fā)器穩(wěn)態(tài)溫升仿真及優(yōu)化設(shè)計(jì)

裴 峰，孫雷強(qiáng)，李 楓，曾 雄，辛子越

（1. 海軍裝備部沈陽地區(qū)軍事代表局，沈陽110031；2. 海軍大連地區(qū)裝備修理監(jiān)修室，大連116002；3. 海軍工程大學(xué)電氣工程學(xué)院，武漢430033）

液態(tài)金屬型電弧觸發(fā)器穩(wěn)態(tài)溫升仿真及優(yōu)化設(shè)計(jì)

裴 峰1，孫雷強(qiáng)2，李 楓3，曾 雄3，辛子越3

（1. 海軍裝備部沈陽地區(qū)軍事代表局，沈陽110031；2. 海軍大連地區(qū)裝備修理監(jiān)修室，大連116002；3. 海軍工程大學(xué)電氣工程學(xué)院，武漢430033）

本文以 Workbench為仿真平臺，建立了液態(tài)金屬型電弧觸發(fā)器的穩(wěn)態(tài)溫升模型，研究了不同通流孔數(shù)量對觸發(fā)器溫升特性的影響，獲取了優(yōu)化設(shè)計(jì)原則，可用于指導(dǎo)液態(tài)金屬型電弧觸發(fā)器的穩(wěn)態(tài)溫升設(shè)計(jì)。

液態(tài)金屬 電弧觸發(fā)器 故障電流 自收縮效應(yīng) 溫升特性

0 引言

現(xiàn)代艦船電力系統(tǒng)容量不斷增大，隨之帶來了短路電流水平的急劇上升，目前艦船上常用的電磁脫扣器速度較慢，無法滿足電力系統(tǒng)保護(hù)需求。液態(tài)金屬型電弧觸發(fā)器相較于電磁脫扣器及固態(tài)電弧觸發(fā)器具有反應(yīng)速度快、可自恢復(fù)等優(yōu)點(diǎn)，可作為替代短路電流檢測的更新裝置。液態(tài)金屬型電弧觸發(fā)器通常應(yīng)用于大電流場合，因此其穩(wěn)態(tài)溫升特性至關(guān)重要。中壓直流電力系統(tǒng)是未來艦船電力系統(tǒng)發(fā)展的主要方向[1]，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生短路故障時，短路電流可在 2-5 ms內(nèi)上升到100 kA以上[2-3]。目前艦船使用的電磁脫扣式直流保護(hù)設(shè)備動作時間通常為十幾毫秒，無法限制短路電流峰值，為系統(tǒng)提供有效保護(hù)。混合型限流斷路器兼具真空分?jǐn)嗉夹g(shù)和有源換流技術(shù)兩者特性，體積小、容量大、分?jǐn)嗫?，能有效解決這一問題[4]。

混合型限流斷路器通常采用電子測控式傳感器作為短路電流檢測裝置，通過不同的故障判斷算法，可將檢測時間縮短到幾十微秒[5]。但電子測控式傳感檢測裝置元器件多、邏輯判斷電路復(fù)雜，可能因?yàn)槠骷?、失電等造成拒動。電弧觸發(fā)器體積小、通流能力強(qiáng)、可靠性高，是比較理想的短路電流檢測裝置[6]。其缺點(diǎn)主要在于不可重復(fù)使用，每次動作后必須更換，不利于系統(tǒng)供電的連續(xù)性。

上世紀(jì)60-80年代液態(tài)金屬型限流器曾得到世界各國廣泛關(guān)注，但當(dāng)時廣泛采用的鈉、鉀及汞金屬由于其高活潑性或毒性最終限制了液態(tài)金屬限流器的發(fā)展。近年來隨著一種無毒、低熔點(diǎn)的金屬合金鎵銦錫（GaInSn）的成功研制，使得液態(tài)金屬在限流保護(hù)領(lǐng)域中再次得到關(guān)注[7-10]。液態(tài)金屬型電弧觸發(fā)器利用液態(tài)金屬在大電流條件下的自收縮效應(yīng)產(chǎn)生電弧，作為短路故障觸發(fā)信號，可作為混合型限流熔斷器的短路檢測裝置。

由于混合型限流熔斷器通常應(yīng)用于大電流場合，而觸發(fā)器直接承載額定通流，因此有必要對其溫升特性進(jìn)行研究。本文利用Workbench仿真平臺建立了液態(tài)金屬型電弧觸發(fā)器穩(wěn)態(tài)溫升模型，研究了不同通流孔數(shù)量條件下其溫升變化規(guī)律，最后通過分析得出了液態(tài)金屬型電弧觸發(fā)器的溫升優(yōu)化設(shè)計(jì)原則，可用于指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)。

1 液態(tài)金屬型電弧觸發(fā)器結(jié)構(gòu)及基本原理

液態(tài)金屬型電弧觸發(fā)器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 液態(tài)金屬型電弧觸發(fā)器結(jié)構(gòu)圖

主要由兩個 L型銅電極、環(huán)氧外殼和以及SMC絕緣隔板三部分組成。液態(tài)金屬灌裝于環(huán)氧外殼內(nèi)，與兩端電極接觸，并被SMC隔板分開，板上開有圓孔，兩側(cè)液態(tài)金屬通過圓孔連通。

液態(tài)金屬型電弧觸發(fā)器基本工作原理為：電流經(jīng)由電極通過中部液態(tài)金屬流過，在 SMC絕緣隔板上的通流孔內(nèi)由于電流線收縮，電流密度增大，磁場增強(qiáng)，引起液態(tài)金屬的徑向收縮力，額定電流條件下，這一收縮力與重力、液體粘滯力等平衡。但當(dāng)短路故障發(fā)生、短路電流增大到某一臨界值時，液態(tài)金屬柱發(fā)生收縮并最終斷裂，產(chǎn)生電弧，弧壓即作為短路故障信號，如圖2所示。

圖2 液態(tài)金屬型電弧觸發(fā)器工作原理

本文建立了液態(tài)金屬電弧觸發(fā)器的穩(wěn)態(tài)溫升數(shù)學(xué)模型，采用Workbench電熱分析單元對穩(wěn)態(tài)溫升特性進(jìn)行了仿真計(jì)算。

2 液態(tài)金屬型電弧觸發(fā)器的仿真模型

2.1 數(shù)學(xué)模型

額定電流條件下，電磁作用力微弱，因此可不考慮液態(tài)金屬型電弧觸發(fā)器的電磁力作用及流場問題，有利于簡化模型，節(jié)省計(jì)算資源。此外可忽略觸發(fā)器輻射散熱，并認(rèn)為觸發(fā)器各部分材料各向均勻同性，則根據(jù)上述假設(shè)，可得到觸發(fā)器穩(wěn)態(tài)電熱場方程組為：

式中λ、γ分別為材料的熱導(dǎo)率與電導(dǎo)率，φ為導(dǎo)體上的電位，Q為焦耳熱功率，T為溫度。

2.2 幾何模型

采用Workbench仿真平臺中的電熱模塊對液態(tài)金屬型電弧觸發(fā)器進(jìn)行幾何建模，為模擬實(shí)際溫升試驗(yàn)條件，建立800 A標(biāo)準(zhǔn)溫升模型，包含溫升試品及通流銅排，如圖3所示。

圖3 液態(tài)金屬型電弧觸發(fā)器幾何模型

模型中通流孔數(shù)量為1個，長度5 mm，半徑2.45 mm，通流銅排長3 m，截面積為1000 mm2。

2.3 材料物性及邊界條件

溫升銅排及觸發(fā)器銅接線端子材料為 T2紫銅，液態(tài)金屬材料為配比 66:20.5:13.5成分的鎵銦錫合金，具體物性參數(shù)見文獻(xiàn)[7]。邊界條件設(shè)置為：800 A恒定電流從溫升銅排一側(cè)端面流入，從另一側(cè)流出，觸發(fā)器初始溫度為環(huán)境溫度25℃，觸發(fā)器及溫升銅排表面為自然對流散熱，頂面、側(cè)面及底面分別為14 W/（m2·℃）、28 W/（m2·℃）、7 W/（m2·℃）。

3 液態(tài)金屬型電弧觸發(fā)器穩(wěn)態(tài)溫升仿真結(jié)果及優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 仿真結(jié)果

單通流孔液態(tài)金屬型電弧觸發(fā)器額定通流800 A條件下溫升仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 單通流孔液態(tài)金屬型電弧觸發(fā)器仿真結(jié)果

從圖4可以看出，由于通流孔處電流密度最大，因此通流孔內(nèi)溫度最高為208.71℃，熱量經(jīng)由兩側(cè)L型電極向溫升銅排傳導(dǎo)。

3.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)

液態(tài)金屬型電弧觸發(fā)器主要性能參數(shù)為額定通流條件下的穩(wěn)態(tài)溫升特性以及短路電流條件下的弧前特性，兩者主要由通流孔的大小決定，即通流孔截面積越小，額定通流越低、弧前時間越短；通流孔截面積越大，額定通流越高、弧前時間越長。通常希望在不降低弧前特性的前提下盡可能獲得大的通流特性，因此在上述建立的液態(tài)金屬型電弧觸發(fā)器穩(wěn)態(tài)溫升模型基礎(chǔ)上，通過保持通流孔截面積不變，研究通流孔數(shù)量對液態(tài)金屬型電弧觸發(fā)器溫升特性的影響。

以額定通流800 A的液態(tài)金屬型電弧觸發(fā)器為對象，分別建立4孔、6孔模型，在通流截面積相同條件下，其半徑分別為1.225 mm和1 mm，如圖5所示。

材料物性參數(shù)與邊界條件與第2.3節(jié)相同，仿真結(jié)果如圖6所示。

根據(jù)相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)，低壓開關(guān)設(shè)備用于外部連接的端子溫升必須在70 K以內(nèi)，因此選取三種觸發(fā)器的端子溫升進(jìn)行比較，結(jié)果如表1所示。

由表1可以看出，觸發(fā)器電極溫升隨著通流孔數(shù)量增多而降低。四孔觸發(fā)器較單孔下降了7.52 K（平均值），但六孔觸發(fā)器較四孔僅下降了1.41 K，表明隨著孔數(shù)的增加，電極溫升下降趨勢變緩。而文獻(xiàn)[8]的研究表明，通流孔直徑過小將阻礙液態(tài)金屬的回流，從而影響液態(tài)金屬電弧觸發(fā)器的自恢復(fù)特性，因此800 A額定通流條件下，通流孔數(shù)取4較為合適。

表1 不同通流孔液態(tài)金屬型電弧觸發(fā)器端子溫升

圖5 液態(tài)金屬型電弧觸發(fā)器多通流孔模型

圖6 多通流孔液態(tài)金屬型電弧觸發(fā)器仿真結(jié)果

4 結(jié)論

本文針對液態(tài)金屬型電弧觸發(fā)器穩(wěn)態(tài)溫升過程建立了模型，采用Workbench電熱模塊進(jìn)行了仿真計(jì)算，研究了通流截面積一定條件下不同通流孔數(shù)量對液態(tài)金屬型電弧觸發(fā)器的溫升特性影響。通過仿真結(jié)果對比表明液態(tài)金屬型電弧觸發(fā)器的穩(wěn)態(tài)溫升隨通流孔數(shù)量增大而降低，但下降趨勢逐漸變緩，而過小的孔徑會影響液態(tài)金屬的自恢復(fù)特性，因此液態(tài)金屬型電弧觸發(fā)器的通流孔數(shù)量應(yīng)在不影響液態(tài)金屬回流的前提下盡可能增多。

[1] 馬偉明. 艦船動力發(fā)展的方向—綜合電力系統(tǒng)[J].海軍工程大學(xué)學(xué)報, 2002, 14(6): 1-5, 9.

[2] 莊勁武. 艦艇直流電網(wǎng)故障電流限制技術(shù)研究[D].武漢: 海軍工程大學(xué), 2005．

[3] 劉路輝. 大容量快速中壓直流真空開關(guān)分?jǐn)嗉夹g(shù)研究[D]. 武漢: 海軍工程大學(xué), 2014.

[4] 莊勁武, 張曉鋒, 楊鋒, 等. 船舶直流電網(wǎng)短路限流裝置的設(shè)計(jì)與分析[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報, 2005, 25(20): 26-30.

[5] 任春鋼, 沈兵, 莊勁武. 一種新的故障判斷原理在電力系統(tǒng)應(yīng)用[J]. 電力自動化設(shè)備, 2008, 28(6): 77-80.

[6] 陳搏, 莊勁武, 肖翼洋, 等．10 kV/2 kA 混合型限流熔斷器用電弧觸發(fā)器的分析與設(shè)計(jì)[J]. 高電壓技術(shù), 2012, 38(8): 1948-1956．

[7] Wu H R, Li X H, Zhang M, et al. Analysis of a liquid metal current limiter[J]. IEEE Transactions on Components and Packaging Technology, 2009, 32(3): 572-577.

[8] 劉懿瑩, 吳翊, 榮命哲, 等. 自收縮效應(yīng)型液態(tài)金屬限流器限流特性影響因素的研究[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報, 2012, 32(4): 178-185.

[9] He H L, Rong M ZH, Wu Y, et al. Experimental investigation of GaInSn current limiter based on a novel principle [C]. The second International Conference on Electric Power Equipment, 2013.

[10] Zienicke E, Li B W, Thess A. Theoretical and numerical stability analysis of the liquid metal pinch using the shallow water approximation [J]. Journal of Thermal Science, 2008, 17(3): 261-266.

Simulation and Optimal Design of Temperature Rise of Liquid Metal Arc-trigger

Pei Feng1, Sun Leiqiang2, Li Feng3, Zeng Xiong3, Xin Ziyue3

（1. Shenyang Bureau of Naval Equipment Department，Shenyang110031, China; 2. Dalian Room Supervision，Dalian116002, Liaoning, China; 3. College of Electrical Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China）

A model of the thermoelectric coupling field of GaInSn liquid metal Arc-trigger is established and analyzed by using Workbench. The effects law of different number of channels on temperature-rise characteristic is studied. The results could be used as the principle to design liquid metal arc-trigger.

liquid metal; arc-trigger; fault current; self-pinch effect; temperature-rise characteristic

TM77

A

1003-4862（2017）02-0020-04

2016-09-29

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51307179)

裴峰（1974-），男，高級工程師 研究方向：電力系統(tǒng)安全運(yùn)行。E-mail：alalifeng@163.com