基于ANSYS的接觸線電連接線夾溫度場分析

何 攀，張福生，張小榮，谷 楓，邱文輝

(石家莊鐵道大學 電氣與電子工程學院，石家莊 050043)

基于ANSYS的接觸線電連接線夾溫度場分析

何 攀，張福生，張小榮，谷 楓，邱文輝

(石家莊鐵道大學 電氣與電子工程學院，石家莊 050043)

接觸線電連接線夾是保證接觸網(wǎng)供電系統(tǒng)電氣流通的重要裝置，容易發(fā)生異常過熱導致設備損壞，影響機車正常運行。目前的監(jiān)測方法無法實時準確得到其內(nèi)部溫度的變化情況。依據(jù)熱傳導理論，利用大型有限元軟件ANSYS對接觸線電連接線夾內(nèi)部溫度場進行穩(wěn)態(tài)熱分析；揭示了在不同電流、不同接觸電阻條件下，電連接線夾內(nèi)部溫度的變化規(guī)律，對其溫度監(jiān)測具有一定的指導意義。

接觸線電連接線夾；穩(wěn)態(tài)熱分析；ANSYS

近年來，接觸線電連接線夾灼傷斷線的故障頻發(fā)。接觸線電連接線夾長期處于露天環(huán)境，其溫度場受到電連接線夾本體與接觸線的接觸產(chǎn)熱以及外部環(huán)境溫度的共同作用，很難通過實驗手段準確獲得線夾的實際溫度。文獻[1]設計了一種電連接線夾溫度監(jiān)測裝置WJY-Ⅱ型。該測量裝置并不能實現(xiàn)實時監(jiān)測且因安裝在線夾上，一旦發(fā)生故障需整網(wǎng)停電檢修，造成不可估量的損失。文獻[2]利用熱釋電紅外傳感器采集溫差信號的方法，實現(xiàn)對接觸線電連接線夾溫度實時監(jiān)測。利用ANSYS Workbench對接觸線電連接線夾進行穩(wěn)態(tài)熱分析[3]，分別研究在不同電流、不同表面接觸電阻條件下電連接線夾內(nèi)部溫度場的變化情況，取得了良好的仿真效果，為電連接線夾溫度監(jiān)測提供了可靠依據(jù)，具有一定的實用價值。

1 接觸線電連接線夾溫度場分析

選用橫截面積為150 mm2的接觸線作為研究對象。我國高速鐵路接觸網(wǎng)線材料大多采用銅錫或銅鎂，本文中的有限元仿真分析選用銅鎂合金接觸線作為研究對象，其材料參數(shù)如表1所示。

表1 銅鎂合金接觸線參數(shù)

選用斜形接觸線電連接線夾作為有限元分析對象，它是由斜把主板和副板構成，搭配螺栓、螺母等零件固定在接觸網(wǎng)系統(tǒng)中[4]，目前多采用純銅制作線夾本體。

2 接觸線電連接線夾仿真模型

2.1穩(wěn)態(tài)傳熱分析

穩(wěn)態(tài)熱分析可以通過有限元計算確定由不隨時間變化的熱載荷引起的溫度、熱梯度、熱流密度、熱流率等指標參數(shù)。對于穩(wěn)態(tài)熱分析，熱平衡方程的矩陣形式[5]表示為：

[K]{T}={Q}

式中，[K]為熱傳導矩陣，矩陣中包含熱系數(shù)、對流散熱系數(shù)及輻射率系數(shù)；{T}為物體各節(jié)點的溫度向量；{Q}為物體節(jié)點熱流率向量，包括熱生成。

2.2接觸網(wǎng)電連接線夾數(shù)學模型

接觸線電連接線夾發(fā)熱狀態(tài)下的熱傳遞過程遵守熱力學定律。在分析接觸線電連接線夾模型穩(wěn)態(tài)溫度場過程中，當材料的溫度達到其熔點時，將會發(fā)生熱的吸收或釋放。本文在有限元分析過程中，不考慮因材料物相變化而引起的吸熱或發(fā)熱現(xiàn)象，并做出如下假設：

1)在熱的作用下，線夾材料特性不隨溫度和時間的改變而變化，且熱量無散失

2)將線夾產(chǎn)生的焦耳熱量作為體熱源施加在接觸線上

3)忽略接觸線自身電阻發(fā)熱對線夾溫度場的影響，不考慮接觸線與受電弓的熱傳導

4)研究模型的初始溫度為20 ℃，忽略螺母螺紋，主副板按照規(guī)則平面處理

2.3接觸線電連接線夾三維建模

在分析接觸線電連接線夾溫度場分布時，選取橫截面積150 mm2的接觸線作為有限元仿真的研究對象。電連接線夾固定接觸線的溝槽，接觸線從線夾本體的中心穿入。利用SolidWorks建立接觸線電連接線夾三維模型，并將線夾模型與接觸線組合一體，導入ANSYS workbench，如圖1所示。

2.4穩(wěn)態(tài)熱分析基本步驟

1)調(diào)用Thermal-Electric模塊，添加電連接線夾材料屬性。

2)劃分網(wǎng)格：網(wǎng)格劃分的精度直接影響有限元仿真結果的正確性。一般而言，隨著網(wǎng)格密度的增加，計算精度將大大提高，但計算時間也會相應增加。因此，要在仿真時間和計算精度之間尋找合適的平衡點[6]。由于接觸線電連接線夾的內(nèi)部結構和其空氣模型形狀都很不規(guī)則，綜合多種因素考慮，本文采用自由網(wǎng)格劃分，得到接觸線電連接線夾的有限元模型，如圖2所示。

3)接觸線電連接線夾散熱分析：接觸線電連接線夾在通電情況下產(chǎn)生的熱量一部分通過絕緣體以熱傳導的形式散失，另一部分通過接觸線電連接線夾與空氣之間的對流散熱散失掉，最終達到熱平衡。由于輻射散熱對電連接線夾的熱分析影響較小，所以在分析電連接線夾的散熱過程時，只需考慮電連接線夾熱傳導、對流散熱兩種傳熱方式。

a)內(nèi)部傳導散熱

接觸線電連接線夾主要是通過熱傳導散熱。當接觸線電連接線夾達到熱穩(wěn)態(tài)時，其內(nèi)部的傳導散熱遵循下式：

式中，T為電連接線夾的溫度，℃；λ為導熱系數(shù)，W/(M·℃)；q為單位體積內(nèi)熱源的生熱率。等式右側的負號表示熱量流向溫度降低的方向。采用ANSYS軟件進行熱穩(wěn)態(tài)分析時，通常只需定義材料的導熱系數(shù)。

b)表面對流散熱

流體流過固體壁時的熱量傳遞稱為表面對流散熱，電連接線夾外殼表面與外界空氣存在自然對流散熱，其公式[7]表示為：

q=hf(TS-TB)

其中，q為熱流率，即單位時間傳遞的熱量，W；Hf為對流換熱系數(shù)，W/(m2·℃)；TS為固體表面溫度，℃；TB為周圍流體的溫度，℃。

采用ANSYS進行熱穩(wěn)態(tài)分析時，對流載荷以面載荷的形式施加在接觸網(wǎng)電連接線夾模型的外表面，用以計算實體和流體之間的熱量交換。本文分析時選取電器學中的經(jīng)驗公式[8]作為其參考值：

hf=3.25×(TS-TB)0.25

因此對接觸線電連接線夾表面施加的自然對流系數(shù)為5.78 W/(m2·℃)，其外觀模型如圖3所示。

4)接觸線電連接線夾熱載荷的確定和施加：接觸線電連接線夾本體及接觸線的主要材料為銅，其電阻率較小。所以當有電流流經(jīng)接觸線電連接線夾時，因接觸電阻的存在，產(chǎn)生一定熱量，其接觸面的發(fā)熱功率為：

P=I2R

式中，I為通過接觸線的電流，A；R為接觸線與電連接線夾的接觸電阻，Ω。

采用ANSYS軟件進行熱分析時，單位體積內(nèi)接觸線電連接線夾的發(fā)熱功率以體載荷的形式施加到單元體積上，即單位體積的熱流率。其熱生成率的公式[9]表示為：

式中：Q為單位體積的熱生成率，w/m3；P為接觸線的發(fā)熱功率，w；V為與電連接線夾接觸部分的接觸線體積，m3；R為接觸線的半徑，m；l為選取接觸線長度100 mm，斜形接觸線電連接線夾長度一致。

3 接觸線電連接線夾內(nèi)部溫度場仿真分析

利用有限元法對接觸線夾模型進行仿真研究，重點分析在電流和接觸電阻的共同作用下電連接線夾接觸處的發(fā)熱情況，并分析在單一條件作用下：電流不變時，接觸電阻的變化對電連接線夾本體發(fā)熱的影響；接觸電阻不變時，接觸網(wǎng)電流的變化對電連接線夾本體發(fā)熱的影響。

3.1不同電流條件下的仿真分析

接觸線處于正常工作狀態(tài)時，列車的取流一般在1 000 A以下，即流經(jīng)接觸線電連接線夾的電流[10]。在以下仿真實驗中，假設流經(jīng)接觸線電連接線夾的電流分別為300 A、400 A、500 A、600 A、700 A、800 A等。

在仿真分析中假設產(chǎn)生的焦耳熱所歸算出來的生熱率全部施加在只與線夾接觸的接觸線上。由接觸電阻理論計算可知，在正常運行情況下，接觸電阻近似取為0.1×10-4Ω。當接觸電阻不變時，不同電流作用下的電連接線夾溫升云圖，如圖4所示，僅以流經(jīng)電連接線夾300A時的電流為例。電連接線夾在不同電流作用下的溫度變化規(guī)律，如表2所示。

表2 電連接線夾的最高溫度變化

3.2不同接觸電阻條件下的仿真分析

表3 電連接線夾的最高溫度變化

從表3中可看出，當接觸電阻增大為0.005 Ω時，正常的牽引電流作用于接觸線電連接線夾，即可在線夾上產(chǎn)生很大的溫升，溫度達到材料熔點，若長期在此種狀態(tài)下工作，則造成接觸線斷線。

4 結論

研究了在不同電流與不同接觸電阻情況下，接觸線電連接線夾溫度場的變化規(guī)律。通過有限元仿真得到，在穩(wěn)態(tài)溫度場的作用下，電流流經(jīng)接觸線產(chǎn)生的溫度變化對于接觸線夾溫度場的影響并不明顯。但當接觸線與接觸線電連接線夾之間的接觸電阻增大時，接觸線夾溫度劇烈上升。通過以上仿真分析，成功得出影響電連接線夾異常發(fā)熱的主要因素是接觸電阻的增大，因此可通過監(jiān)測接觸電阻值來判斷接觸線電連接線夾發(fā)熱狀態(tài)，為更好地監(jiān)測接觸線電連接線夾溫度場提供了參考。

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[7] 吳燕.基于ANSYS的汽車繼電器熱分析[D].天津：河北工業(yè)大學，2014.

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[10] 辛婷玉.高速鐵路接觸網(wǎng)關鍵部件溫度場分析[D].北京：北京交通大學，2015.

TemperatureFieldAnalysisofContactWireElectricalConnectionClampBasedonANSYS

HE Pan， ZHANG Fu-sheng， ZHANG Xiao-rong， GU Feng， QIU Wen-hui

(School of Electrical and Electronics Engineering, Shijiazhuang Tiedao University,Shijiazhuang 050043,Hebei，China)

Contact wire electrical connection clamp is an important equipment to ensure the electrical flow of the power supply system of contact network，and it is easy to overheat and cause damage to the equipment，which affects the normal operation of the locomotive. The current monitoring method cannot get the change of internal temperature in real time. Based on the theory of heat conduction，the steady-state thermal analysis of the internal temperature field of the contact wire electrical connection clamp is carried out by using the finite element software ANSYS. This paper reveals the variation of the electrical connection clamp internal temperature under different current and different contact resistance，and it has some guiding significance to the temperature monitoring.

contact wire electrical connection clamp; steady-state thermal analysis; ANSYS

TH165.3

A

1008-9446(2017)05-0040-04

2016-11-30

何攀(1990-)，男，安徽亳州人，碩士，從事接觸網(wǎng)監(jiān)測的工作，E-mail:1573585735@qq.com。