爆炸活塞式限流器的溫升仿真分析與試驗

孫巍 王晨 徐國順 陳搏

（1.海軍駐438廠軍事代表室，武漢430062；2.海軍工程大學電氣與信息工程學院，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斷速度很高、開斷容量很大的電力系統故障限流保護裝置[1-4]。

目前占據國際市場主導地位的爆炸式限流器是ABB公司的Is－limiter[5]。它的短路檢測判斷采用電子裝置，檢測電流上升率及電流幅值來判斷短路；主回路是中空的銅管結構，火工品裝置放置在銅管內部。火工品裝置爆炸后，銅管沿預制槽向兩端翻卷形成足夠電氣間隙。這種結構具有短路檢測速度快、結構緊湊等優點，但其短路檢測裝置體積大，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；而火工品裝置被發熱的銅管包圍，工作時受到烘烤作用，會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。為了解決這些問題，我們研制了爆炸活塞式限流器。它的短路檢測判斷采用電弧觸發器，電弧觸發器和普通熔斷器的結構類似，但其內部熔體只有一排并聯的狹頸。與普通熔斷器相比，其電阻很低，而從狹頸處流過的額定電流密度則很大，從而保證短路電流發生時能夠快速熔斷，熔斷后產生足夠的弧壓，來觸發電雷管。爆炸分斷裝置則分成爆炸活塞機構和橋體兩部分，經由活塞傳遞爆炸沖擊能使橋體分斷，包含火工品裝置的爆炸活塞機構放置在主電路之外，并經特殊設計的隔熱措施和主電路隔開。這樣就顯著降低了火工品裝置的長期工作溫度，有效延長了整機的使用壽命。

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

1 溫升模型的建立

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

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

①裝置處于無限大空間自然對流狀態；②對實際裝置中部分細微結構做近似處理，如忽略螺栓、螺孔，將彎角改為直角；③忽略對溫升影響不大且不易建模的部件，如電弧觸發器外殼及石英砂、脈沖變壓器、滅弧熔斷器、絕緣支柱等。

電氣設備在一定電流下的穩態溫升不僅取決于設備本身的結構、材料，外接電纜或銅排的影響往往也很大，不能忽略。因此，國標[7]中對溫升試驗中不同試驗電流對應的電纜或銅排的截面尺寸進行了嚴格規定，并要求試驗電纜或銅排有足夠長的長度，其中大于800 A的溫升試驗中電源和設備間銅排長度要大于3 m。要求足夠的長度是為了形成足夠的熱阻以避免電源的溫升影響被試設備。因此，本文在溫升建模中模擬溫升試驗的情況，把銅排和限流器作為一個整體考慮。

有限元網格剖分過程中應當對比較細致的結構和重點關心的位置進行細密的剖分，而對其他部分進行粗略的剖分，總有限單元數控制在 30萬～50萬個，在普通 PC機上耗時十幾分鐘即可計算完畢，既省時又可以保證精度。可以采用APDL語言的方式進行參數化建模，這樣改變結構參數時只需在程序中對應修改即可，非常有利于需要反復大量仿真計算的參數優化設計過程。

圖2 溫升仿真模型

2 仿真結果與試驗對比

應用ANSYS11.0對圖1所示的直流爆炸活塞式限流熔斷器在額定電流 2500 A下的穩態溫度場分布進行了三維仿真，結果如圖3所示。本文仿真和試驗中的室溫都是23℃。

圖3 爆炸活塞式限流熔斷器穩態溫升仿真結果

對于一般火工品裝置中使用的起爆藥和炸藥，溫度每降低10℃，其儲存壽命將延長2～4倍。因此降低裝藥位置的溫升對提高整機壽命的意義重大。其次關注的是接觸部位的溫度和電弧觸發器的溫度，接觸部位溫度過高將使接觸面氧化，導致接觸電阻增大，形成惡性循環，最終使接觸失效，因此國標對接觸部位的溫升有明確規定。電弧觸發器的內部溫度過高會導致內部材料的變形或氧化失效，然而電弧觸發器內部溫度在試驗中難以測得，只能從仿真中得到，然后對比電弧觸發器附近點的溫度仿真值與試驗值的誤差來推測內部材料溫度仿真值是否準確。因此在仿真結果中選擇 A～E點作為關鍵點對其溫升進行考察并與試驗結果進行對比。

仿真與試驗的最大誤差為7.7%，造成誤差的原因主要是裝置中各結構間的自然對流互相影響，各結構單獨計算的表面傳熱系數不準確。

從結果可以看出，安裝火工品裝置的部位C點，溫升僅21 K，可見這種結構中火工品裝置的長期工作溫度較低，有利于提高火工品裝置的壽命。觸發器內部是整個限流器最熱的部分，其最高溫度116℃，對應溫升93 K。各接觸部位的溫升都在國標允許范圍之內。

表1 仿真和實驗的結果對比

3 小結

按照爆炸活塞式限流器溫升試驗的布置建立了包括試驗銅排和爆炸活塞式限流器在內的溫升仿真模型。建模時進行了必要的假設，對溫升影響不大的結構進行了忽略或近似處理。應用ANSYS11.0進行三維熱電耦合仿真分析，仿真結果和試驗基本一致。

[1]陳搏, 莊勁武, 楊鋒. 爆炸活塞式高速開關的分析與設計[J]. 武漢理工大學學報(交通科學與工程版).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斷器分析與優化設計[J]. 高電壓技術. 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器的弧前特性[J]. 高電壓技術. 2010, 36(2)：350-355.

[4]李品德, 劉軍虎, 王永紅等. 電力系統故障電流限制器的應用和研究現狀[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熱分析教程與實例解析[M]. 北京：中國鐵道出版社, 2007.

[7]GB7251-2005低壓成套開關設備和控制設備. 第一部分： 形式試驗和部分形式試驗成套設備[S].