液態金屬限流器穩態熱分析

朱兆芳，駱文平，鄒順，楊晨光，任志剛

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液態金屬限流器穩態熱分析

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）

針對液態金屬限流器，本文介紹了液態金屬限流器的穩態溫升結構，以載流5000 A為目標，對該種結構的液態金屬限流器進行熱電耦合仿真。考慮接觸面的接觸電阻，本文求解了限流器各個部件的發熱功率，然后以功率作為熱載荷，對流散熱表面使用綜合散系數，對限流器的穩態溫度場進行仿真分析，得到了滿足要求的液態金屬限流器結構。然后對該種結構的限流器進行穩態溫升試驗，通過監測監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金屬限流器的設計具有一定的指導意義。

液態金屬限流器 熱分析 穩態溫升試驗

0 引言

隨著電力系統不斷發展，電網結構日趨復雜，其中直流電網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]。基于自收縮效應的液態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點，在未來具有良好的應用前景[5-9]。

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

1 液態金屬限流器結構

液態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所示為該液態金屬限流器結構圖，限流器主要由L型銅排、銅極、液態金屬、中心隔板、環氧筒等組成，限流器的上下L型銅排分別與3 m長的母排相連接。

圖1 液態金屬限流器結構圖

圖1所示結構的液態金屬限流器，液態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、液態金屬、右銅盤、L型銅排，最后從右母排流出。可以看到，在隔板的中心孔處，液態金屬的通流密度最大，發熱最多，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時的溫度場即為穩態熱場。限流器的穩態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，T與T分別為固體表面的溫度與周圍流體的溫度。

使用ANSYS對限流器進行穩態熱分析，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。一般情況下物體為各向同性，因此三個方向的導熱系數相同。

3 限流器溫升仿真

限流器的最大溫升不能超過國標規定值，如表1所示：

限流器的熱源包括導體發熱以及接觸電阻生熱。導體發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。表面散熱系數的確定采用牛頓散熱公式確定，根據經驗值，綜合對流換熱系數一般在4~8 W/(m2﹒K)-1之間。

根據上述處理方式及相應參數，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熱功率，然后將得到的發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，進而進行熱場仿真。

首先對限流器進行發熱分析，電流密度越大，發熱功率密度越大。發熱仿真結果如圖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熱功率密度如表2所示，可以看到液態金屬的發熱功率最多，平均功率密度最大，主要是液態金屬的電阻率最大；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。考慮接觸電阻發熱，整個限流器的發熱功率為340 W，液態金屬的發熱功率密度為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熱載荷，設環境溫度為22℃，對限流器進行穩態溫升仿真。限流器的穩態溫度場如圖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。限流器內部的穩態溫度場如圖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 限流器穩態溫度場分布圖

圖5 限流器內部穩態溫度場分布圖

4 限流器穩態溫升試驗

對該結構的限流器進行穩態通流試驗，準備直流短路發電機、萬用表、溫升測量裝置、回路電阻測量儀等裝置。限流器的穩態溫升測量回路如圖6所示，短路發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。溫升穩定的判斷標準為一個小時內溫升變化值不超過2 K。

環境溫度為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，實時監測6個點的溫升數據，觀察到溫升相對穩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時監測點之間的電位差如下表3所示：

表3 限流器監測點之間電位測量/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時的個監測點的溫度值及溫升值如下表4所示：

表4 限流器各監測點溫度及溫升

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，液態金屬的發熱功率密度為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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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：液態金屬限流器仿真、分析。