基于ANSYS斷路器觸頭微間隙發熱產生機理的仿真研究

周　穎，李　想，王曉娟

(三峽大學 電氣與新能源學院， 湖北 宜昌 443002)

0　引　言

開關設備是電力系統中的常用器件，由于接觸電阻的存在，其觸頭/接頭間在電路導通時會出現溫升。目前對于電接觸的發熱原因已經有了很深入的研究，但對于溫升引起的觸頭間的塑性形變的研究較為缺乏。當斷路器溫升很高時，由于熱脹冷縮效應，熱脹后的觸頭/接頭將緊緊地接觸；溫升再高時，觸頭/接頭材料開始軟化，軟化后的觸頭/接頭在熱應力的作用下，將出現不可逆的塑性形變，溫降后形變不能復原，觸頭間就出現了微間隙。

1　電接觸模型

電接觸的分類大體分成面-面接觸、點-點接觸和線-線接觸，在實際中使用最多的是面-面接觸，如圖1所示。在電力系統中使用的接觸材料更多的是銅和鋁，雖然銀金屬的導電性能比銅和鋁的好很多，但是由于銀是貴金屬，一般只作為電接觸表面的金屬鍍層來存在，這樣在使用盡量少的貴重金屬的情況下使電接觸的性能提高很多。

2　電接觸形變理論分析

無論進行哪種熱分析，都會在接觸實體中存在熱傳導，就要遵循熱力學的熱傳導方程：

式中：ρ為接觸材料的密度；c為接觸材料的比熱容；T為溫度，它是空間坐標(x，y，z)和時間t的函數；kxx為接觸體材料的熱傳導系數，一般情況下熱傳導系數是常數，但有些情況下它是空間坐標和時間的函數；Sh為單位體積內的生熱率，如果沒有的話則為0。

圖1　電接觸現象

接觸界面上的熱流密度可以根據給出的接觸界面的參數來求解：

在電接觸理論方面，目前有兩種說法最為流行，第一種，表述溫度關系與接觸電壓降之間的聯系，即

U1/4A=T2m-T20

式中，U1為接觸電壓降。

其二是R.Holom提出來的集中電阻理論，即

R1=ρ/ 2a

式中，R1為集中電阻；a為接觸半徑。在1932年，嚯穆對這一理論在驗證時使用了純凈的鉑觸頭,最終得出結果的誤差范圍為±1.5%，目前這個理論被廣泛采用。但與電壓—溫度理論不同,這里我們假定一個常量為接觸區的溫度[2]。本文的研究建立在Holm的研究基礎上。由于嚯穆的集中電阻理論假定了：接觸面上沒有表面層的存在, 兩接觸元件的材料、幾何形狀尺寸完全相同或對稱，電流線收縮區的溫度不變，且僅考慮其穩定狀態[2]。

取參量的邊界條件，當μ=0，t=Tm；當μ→時t=T0。有

如果加在觸頭上的壓力為P，觸頭材料的壓縮或流動極限為σ，則有

P/πa2=σ

將上式合并則有

3　實例分析

目前有兩種方法用于ANSYS熱結構耦合分析：直接耦合法和順序耦合法。本文采用ANSYS順序耦合分析方法。第一步，熱分析求得結構的溫度場；第二步，初始載荷為溫度場，配合其他結構載荷進行熱結構分析，求得結構的應力、應變分布。以上耦合過程的仿真流程如圖2所示。

圖2　ANSYS仿真流程圖

根據圖2的流程，對斷路器觸頭的接觸電阻進行穩態熱分析，大致可以分三部分：(1)建立模型；(2)加載求解；(3)查看分析結果。其中，建立模型分為如下步驟：①完成必要的熱處理；②將結構分析作為分析類型；③進行單元轉換，將ANSYS熱分析單元轉變為結構分析單元；④定義材料附加性能參數，如彈性模量、熱傳導系數、熱膨脹系數、泊松比等；⑤將溫度載荷施加于結構模型，選擇前面熱分析生成的ANSYS結果文件主軸作為結構分析的熱載荷加到節點上；⑥定義結構分析選項并求解；⑦結果后處理[3-4]。

3.1　模型建立

首先按照實際斷路器觸頭接觸的圓柱型模型的尺寸進行一定比例的放大，建立兩個半徑為1 m、長為1 m的圓柱相接觸。

其次，根據觸頭的形狀和特性，選取耦合場六面體實體單元SOLID173進行計算，根據表1設定的仿真模型材料參數，進行銅-銅接觸的研究。

表1　材料特性

通過ANSYS內部單元及參數設定，建立球型接觸模型。最后，根據計算的精度要求，設置網格劃分密度為0.1，完成網格劃分后的模型如圖3所示。

圖3　電接觸模型網格劃分

3.2　邊界條件與載荷設定

在實際的電廠或變電站中，斷路器觸頭的接觸電阻尺寸往往只有幾微米，同時通過的電流也很小。為了在使用ANSYS軟件時方便網格劃分與計算，同時又具有實際研究價值，在本文的研究中，將電阻大小與電流大小按照一定比例放大，最終選取兩個半徑為1 m的圓柱體相接觸，接觸面的溫度為800°，其他表面的溫度為室溫20°。

導熱是固體-流體的邊界上最基本的能量交換方式，將這些能量帶走的方式是流體的對流。因此根據流體流動方式不同，對流換熱主要分成強迫對流換熱和自然對流換熱[5]。采用自然條件下的對流換熱后，結果如圖4所示。

圖4　電接觸模型載荷加載圖

3.3　ANSYS觸頭模型穩態結果處理

求解完畢后，查看通用后處理(General Postproc)可以得到銅制材料觸頭的溫度分布如圖5所示，得到的位移圖如圖6所示。

圖5　觸頭材料分布圖

圖6　觸頭材料位移圖

由圖5可知，觸頭接觸面的溫度最高，可達800℃。隨著溫度的升高，銅的硬度也在發生變化，在800℃的高溫下銅已經開始軟化，由于熱膨脹力觸頭間發生擠壓，在接觸面處產生明顯的形變。由圖6明顯可看出形變主要沿半徑方向發生。

4　結　論

通過例子分析可清晰得出，目前，用 ANSYS 仿真軟件可以直觀看出觸頭系統電接觸時的溫度場分布以及應變結果，得出電流產生的焦耳熱會使觸頭材料發生硬度上的改變致使觸頭形狀發生變化，從而估計若溫度再升高觸頭可能發生的熔焊現象，對保證繼電器可靠工作的性能具有重要作用。

參考文獻：

[1]Wilson C, McIntosh G， Roland S Timsit. Contact Spot Temperature and the Temperature of External Surfaces in an Electrical Connection[J]. International Conference on Electrical Contacts, 2012, 259(3):12-17.

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[3]李興山, 王愛良. 基于ANSYS的電主軸熱結構耦合分析[J]. 成組技術與生產現代化, 2013, 30(4):5-7.

[4]李興山, 王愛良. 鏜銑加工中心電主軸耦合溫度場的分析與研究[J]. 機床與液壓, 2014，(11):19-22.

[5]李想, 張琦, 王曉娟,等. 基于ANSYS電氣設備接頭的電熱耦合場分析[J]. 電工電氣, 2017，(10):34-37.

[6]任曉霞. ANSYS在低壓電器觸頭電接觸穩態熱分析中的應用[J]. 電氣技術, 2008，(12):83-85.