基于ANSYS的直流斷路器溫度場數值分析

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數值分析

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.武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

溫升作為斷路器的考核指標之一，對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象，通過對熱源激勵和傳熱規律進行分析后建模，經ANSYS熱電耦合仿真獲得了斷路器的穩態溫度場分布，并與試驗結果對比基本吻合。隨后，分析了散熱器材質和觸頭接觸電阻對斷路器溫度場的影響，該項研究成果對斷路器的熱力設計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，這將對其機械壽命和電氣壽命產生重大影響。實際應用中，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引起了國內外同行的普遍重視，西安交通大學余小玲等從斷路器導電桿半徑、觸頭觸點半徑和位置等方面對真空斷路器溫升的影響進行了仿真分析[5]。M. Lindmayer在考慮導電回路電阻、熱阻受溫度影響的條件下，對低壓斷路器進行了熱分析，但是接觸電阻的處理有待改進[6]。Weichert則針對一種電機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[7]。盡管如此，關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，本文將針對某型直流快速斷路器進行穩態熱分析，并將針對影響溫升的一些因素進行研究，以對斷路器的熱設計提供參考。

1 直流快速斷路器熱源激勵及傳熱分析

斷路器作為電力系統中重要的過載保護設備，額定電流下的穩態溫升是表征其性能的重要指標之一。如果斷路器某些部位溫升過高，將使得相應部件機械壽命降低，絕緣加速老化，對于可動觸頭部位甚至發生熔焊等問題。因此，對于斷路器產品都有一定的溫升考核標準，對其溫升過程進行分析就顯得極為必要。由于斷路器的熱功率是內部熱源激勵與對外散熱共同作用的結果，故而對其進行溫升分析也就主要從確定內部熱源與散熱條件兩個方面進行。

1.1熱源的分析

圖1所示為某型4000A直流快速斷路器樣機的熱分析模型。該樣機動導電桿與出線通過銷和軟連接連接在一起，可在相應電磁機構的驅動下通過旋轉實現觸頭的分合操作，既未對動導電桿的運動產生明顯影響，又顯著削弱了相應位置的接觸電阻。該樣機熱分析模型中，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。

導體因自身電阻而產生的焦耳熱無疑是斷路器主要內熱源之一，在仿真中可以通過為各導電構件賦予相應的電阻率而準確計算。對于既定導體，其材料屬性、截面尺寸等均已確定，故而可以準確獲得導體內部電流密度分布，通過導體電阻率即可求得相應構件的熱功率分布。

接觸電阻是影響斷路器溫升的另一核心要素，也是進行熱分析的基礎。對于圖示模型，當動靜觸頭通過面接觸進行電能傳遞時，由于觸頭接觸面不可避免的存在微觀的凹凸不平度，電流只能經由無數分散的接觸點流過，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生了一附加電阻，即所謂的“收縮電阻”。如果接觸面上因為氧化等原因產生了薄膜，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、材料性質等多種因素有關，實際上無法由解析法獲得。工程上雖然也有各類針對接觸電阻的經驗公式，然而用起來并不方便。考慮到該樣機觸頭以及銷連接等處均為面接觸，故可采用導電薄層法對相應接觸電阻予以處理。以使原模型盡可能不發生變動又不顯著增加有限元計算的負擔為原則，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境中，其既有內部的熱傳導，也有和周圍環境之間進行的對流換熱和輻射換熱。

1.2.1導體內部的熱傳導

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

(1)

1.2.2導體表面與環境的對流傳熱

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

1.2.3導體表面的輻射換熱

當導體表面溫度處于100℃以下時，導體表面的輻射換熱量與自然對流換熱量幾乎處于同一數量級[9-10]，此時輻射換熱不可忽略。輻射換熱量可由Stefan-Boltzmann定律表述：

2 仿真分析及其試驗驗證

此直流斷路器額定電流為4000 A，因為僅取1/2模型進行分析，故對其加載2000 A的電流即可。經仿真運算，斷路器的溫度場云圖和電流密度場云圖分別如圖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，然而經由銷連接流過的電流相對極少，故銷連接處集中產生熱量相對于觸頭部位輕微很多，相應位置也并無溫度驟增現象。觸頭處因具有較大接觸電阻，電流密度相對極大，故而集中產生熱量很多，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，設法降低斷路器觸頭部位的接觸電阻將成為有效著力點。

為了定量得知樣機額定狀態下的溫升分布，特提取了圖1中被標注6處的溫度值，具體見表2所示。為了驗證數值分析的準確性，對斷路器進行了額定電流下的穩態溫升試驗。圖6給出了這6處溫升檢測點的試驗值，并與相應仿真值進行了對比。顯然，各檢測處的仿真誤差均處于5℃以內，這在工程上是允許的。

3散熱器材質及接觸電阻對斷路器溫升的影響

3.1散熱器材質對斷路器溫升的影響

銅和鋁均是熱和電的良導體，就導熱系數而言，在-100℃至600℃范圍內，銅的導熱系數基本上是同溫下鋁的導熱系數的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，將有利于加強導熱，同時也會輕微降低相應處熱功率，這都將促使斷路器溫升降低。為此，在相同仿真環境下，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改變極為有限，而銅的價格卻顯著高于鋁，亦即使得產品成本明顯增加。因此，在散熱器的取材上應以鋁材為佳。

3.2接觸電阻對斷路器溫升的影響

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，為此有必要探尋接觸電阻與斷路器溫度場之間的關系。以該樣機觸頭的實際接觸電阻為基準，定義無量綱接觸電阻為接觸電阻與基準電阻的比值，則斷路器最高溫度、進線端溫度、出線端溫度與觸頭無量綱接觸電阻之間的關系如圖8所示。可以看出，斷路器溫度隨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，越遠離觸頭部位，溫度增加幅度越小。根據相關標準，斷路器觸頭溫升是斷路器溫升試驗考核的重要指標，為此在斷路器設計時須盡可能地降低觸頭接觸電阻。

4 結論

斷路器溫升是其設計過程中的重要考量指標之一，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其溫度場的分析，并通過試驗驗證了仿真結果的有效性，得出結論如下：

1) 對于面接觸的觸頭接觸電阻，可以通過設置薄層并賦予一定的電阻率來模擬，薄層設置應以不過分增加計算負擔又不改變原結構為原則。經試驗驗證，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，故在斷路器設計時，在導電回路中起導電作用輕微的構件應該盡可能選擇鋁材。

3) 接觸電阻對斷路器溫度場的影響極其顯著，且影響規律呈現出線性關系，因此在設計時應采取優化觸頭結構、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，高級工程師。研究方向：艦船電氣設備。