液態(tài)金屬限流器穩(wěn)態(tài)熱分析

朱兆芳，駱文平，鄒順，楊晨光，任志剛

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液態(tài)金屬限流器穩(wěn)態(tài)熱分析

朱兆芳，駱文平，鄒順，楊晨光，任志剛

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

針對液態(tài)金屬限流器，本文介紹了液態(tài)金屬限流器的穩(wěn)態(tài)溫升結構，以載流5000 A為目標，對該種結構的液態(tài)金屬限流器進行熱電耦合仿真?？紤]接觸面的接觸電阻，本文求解了限流器各個部件的發(fā)熱功率，然后以功率作為熱載荷，對流散熱表面使用綜合散系數(shù)，對限流器的穩(wěn)態(tài)溫度場進行仿真分析，得到了滿足要求的液態(tài)金屬限流器結構。然后對該種結構的限流器進行穩(wěn)態(tài)溫升試驗，通過監(jiān)測監(jiān)測點的溫升得到其最大載流量，將仿真結果與試驗結果進行對比分析，驗證了仿真的合理性。該仿真方法及試驗對液態(tài)金屬限流器的設計具有一定的指導意義。

液態(tài)金屬限流器 熱分析 穩(wěn)態(tài)溫升試驗

0 引言

隨著電力系統(tǒng)不斷發(fā)展，電網(wǎng)結構日趨復雜，其中直流電網(wǎng)由于故障電流擴展速度快，短路電流大，對斷路器的開斷能力提出了更加苛刻的要求。對此，限流器應運而生，大大降低了斷路器的分斷要求[1-4]?；谧允湛s效應的液態(tài)金屬限流器有自動檢測限流、故障排除后可自恢復、填充介質友好、結構簡單以及體積小的獨特優(yōu)點，在未來具有良好的應用前景[5-9]。

由于液態(tài)金屬限流器串聯(lián)在系統(tǒng)中，在正常工作時承擔系統(tǒng)的額定電流，因此需要考慮在載流時的溫度分布情況，務必滿足標準規(guī)定。而目前對液態(tài)金屬限流器的穩(wěn)態(tài)溫升仿真和試驗的研究都較少，基于此，本文針對該液態(tài)金屬限流器在承載額定電流時的穩(wěn)態(tài)溫升進行仿真分析，并且與試驗結果進行對比。

1 液態(tài)金屬限流器結構

液態(tài)金屬限流器在正常時要求承載額定電流5000 A，溫升不過允許值。圖1所示為該液態(tài)金屬限流器結構圖，限流器主要由L型銅排、銅極、液態(tài)金屬、中心隔板、環(huán)氧筒等組成，限流器的上下L型銅排分別與3 m長的母排相連接。

圖1 液態(tài)金屬限流器結構圖

圖1所示結構的液態(tài)金屬限流器，液態(tài)金屬填充在中心隔板與左右銅極之間，起到連接左右載流回路的作用。整個導電回路為電流從左母排流入，流經L型銅排、左銅極、液態(tài)金屬、右銅盤、L型銅排，最后從右母排流出?？梢钥吹?，在隔板的中心孔處，液態(tài)金屬的通流密度最大，發(fā)熱最多，限制了整個限流器的最大載流量，因此需要得到合適的通孔直徑值。

2 限流器的熱分析方法

限流器正常載流狀態(tài)時的溫度場即為穩(wěn)態(tài)熱場。限流器的穩(wěn)態(tài)熱分析包含熱源及熱傳遞兩部分。

限流器的熱源包含整個導電路徑上的導體產生的焦耳熱，以及導體與導體接觸表面的接觸電阻產生的熱量，一般接觸電阻為2微歐。

限流器的熱傳遞有三種方式，分別為熱傳導、熱對流以及熱輻射，而在200攝氏度以內的熱場通常忽略熱輻射的作用，只考慮熱傳導以及熱對流。熱傳導遵循傅里葉定律：

熱對流用牛頓冷卻方程來描述：

式中，h為綜合對流換熱系數(shù)，T與T分別為固體表面的溫度與周圍流體的溫度。

使用ANSYS對限流器進行穩(wěn)態(tài)熱分析，它表示熱傳遞的微分方程為[10]：

相應的有限元平衡方程為：

式中，為熱源，kxx、kyy、kzz分別為物體沿著x、y、z三個方向的導熱系數(shù)。一般情況下物體為各向同性，因此三個方向的導熱系數(shù)相同。

3 限流器溫升仿真

限流器的最大溫升不能超過國標規(guī)定值，如表1所示：

限流器的熱源包括導體發(fā)熱以及接觸電阻生熱。導體發(fā)熱主要由導體的電阻率決定，一般會隨著溫度的變化而變化。該結構中銅與液態(tài)金屬的電阻率會隨著溫度的變化而變化。對于接觸電阻采用接觸薄層法模擬，使用2mm厚的接觸薄層，通過改變接觸薄層的電阻率模擬接觸發(fā)熱量。結構中的固定螺栓接觸有母排分別與左右L型銅排之間的接觸、L型銅排與左右銅極之間的接觸，取為2微歐。

限流器的熱傳遞主要由物體的導熱率與表面散熱系數(shù)決定。物體的導熱率為各向同性，同樣會隨著溫度的變化而變化。表面散熱系數(shù)的確定采用牛頓散熱公式確定，根據(jù)經驗值，綜合對流換熱系數(shù)一般在4~8 W/(m2﹒K)-1之間。

根據(jù)上述處理方式及相應參數(shù)，使用ANSYS workbench進行熱電耦合仿真，首先計算在直流額定電流下的發(fā)熱功率，然后將得到的發(fā)熱功率作為生熱載荷，添加分析對象的表面綜合對流散熱系數(shù)，進而進行熱場仿真。

首先對限流器進行發(fā)熱分析，電流密度越大，發(fā)熱功率密度越大。發(fā)熱仿真結果如圖2所示，可以看到，電流密度最大的地方位于L型銅排彎角處，該處載流面積最小，電流密度最大，次之為中心隔板通孔中的液態(tài)金屬處，其余地方電流密度相對較小。

圖2 限流器電流密度圖

限流器各個部件的發(fā)熱功率密度如表2所示，可以看到液態(tài)金屬的發(fā)熱功率最多，平均功率密度最大，主要是液態(tài)金屬的電阻率最大；次之為L型銅排的功率密度；銅極由于載流面積大，因此功率密度最小?？紤]接觸電阻發(fā)熱，整個限流器的發(fā)熱功率為340 W，液態(tài)金屬的發(fā)熱功率密度為157250 W/m3。

限流器的電位分布如圖3所示，限流器L排最內側的電位差為53.5 mV，L排最外側的電位差為68.5 mV，母排上的電位差為96 mV。

將以上功率作為限流器的發(fā)熱載荷，設環(huán)境溫度為22℃，對限流器進行穩(wěn)態(tài)溫升仿真。限流器的穩(wěn)態(tài)溫度場如圖4所示，限流器L排最內側的溫度為92℃左右，溫升70 K，限流器L排最外側的溫度為79℃左右。限流器內部的穩(wěn)態(tài)溫度場如圖5所示，其最大溫度位于中心隔板通孔中的液態(tài)金屬處，為115℃，溫升93 K，到達內部中心隔板的溫升極限值。此時中心隔板通孔直徑為50 mm，載流密度2.5 A/mm2。

圖4 限流器穩(wěn)態(tài)溫度場分布圖

圖5 限流器內部穩(wěn)態(tài)溫度場分布圖

4 限流器穩(wěn)態(tài)溫升試驗

對該結構的限流器進行穩(wěn)態(tài)通流試驗，準備直流短路發(fā)電機、萬用表、溫升測量裝置、回路電阻測量儀等裝置。限流器的穩(wěn)態(tài)溫升測量回路如圖6所示，短路發(fā)電機的進出線端分別使用5根截面為100 mm×10 mm、長度為3 m的母線并聯(lián)后與限流器連接，每根母線的載流量為1000 A，使用毫伏表測量限流器兩端的電位差。

圖6 測量回路示意圖

限流器的溫升檢測位置如圖7所示，監(jiān)測點1與 6位于母排距離樣機1000 mm處，使用熱電偶粘在相應的測量點位置的物體表面。溫升穩(wěn)定的判斷標準為一個小時內溫升變化值不超過2 K。

環(huán)境溫度為22℃，最大溫度不超過87℃，溫升極限不超過65 K。

圖7 限流器溫升檢測位置示意圖

為測試該限流器的最大通流值，從通流4000 A開始，實時監(jiān)測6個點的溫升數(shù)據(jù)，觀察到溫升相對穩(wěn)定后未超過允許值則增加1000A。溫升試驗得到限流器在通流6000 A時兩個半小時內L型銅排溫度達到91℃，已超過允許值。降為5000A，通流5個小時L型銅排溫度達到92℃，超過溫升極限5 K。因此，該限流器在長時工作制下最大通流不超過5000 A。

限流器在通流5000 A時監(jiān)測點之間的電位差如下表3所示：

表3 限流器監(jiān)測點之間電位測量/mV

對比仿真結果與試驗結果，可以看到仿真與試驗誤差在6 mV以內，平均相對誤差在5%以內。

限流器在通流5000 A時的個監(jiān)測點的溫度值及溫升值如下表4所示：

表4 限流器各監(jiān)測點溫度及溫升

對比仿真結果與試驗結果，可以看到仿真與試驗誤差在2K之內，相對誤差在5%以內。

5 結論

本文針對中心通孔結構的液態(tài)金屬限流器進行了熱電耦合仿真。通流5000 A，接觸電阻取為2微歐，可以的得到仿真與試驗的電位分布基本相同，此時整個限流器的生熱功率為340 W，液態(tài)金屬的發(fā)熱功率密度為157250 W/m3。通過溫升仿真與試驗驗證，可以得到在中心隔板通孔直徑為50mm時，其最大載流為5000A，載流密度2.5A/mm2，此時限流器內部的最高溫度為115℃，溫升為93K，達到了溫升要求極限值。

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[10] 胡仁喜,康士延,等. ANSYS14.0熱力學有限元分析從入門到精通[M]. 機械工業(yè)出版社, 2013.

Steady State Thermal Analysis of Liquid Metal Current Limiter

Zhu Zhaofang, Luo Wenping, Zou Shun, Yang Chenguang, Ren Zhigang

（Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China）

U664

A

1003-4862（2018）07-0047-04

2018-03-23

朱兆芳(1990-)，女，助理工程師。研究方向：液態(tài)金屬限流器仿真、分析。