直流斷路器觸頭系統溫度場仿真分析

沈 文，陳 程，李 明

直流斷路器觸頭系統溫度場仿真分析

沈 文1，陳 程2，李 明2

（1. 武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064；2. 武漢長海電氣科技開發有限公司，武漢 430064)

溫升是斷路器設計的重要考核指標之一，嚴重時會使斷路器的使用壽命降低甚至影響周邊設備。本文以某型直流斷路器為研究對象，基于有限元分析熱電耦合法對其主回路進行了溫度場仿真計算。仿真結果與溫升試驗結果基本一致。此后，探討了在總接觸電阻一定情況下，主、弧雙檔觸頭的接觸電阻占比分布對該斷路器溫升分布的影響，得出斷路器在主、弧觸頭接觸電阻最優占比下溫升分布，對相似結構斷路器的觸頭系統研究具有一定的參考意義。

直流斷路器 有限元分析 主、弧觸頭

0 引言

溫升是表征斷路器性能的重要指標，其熱源主要來自于主回路動靜觸頭間的接觸電阻[1]。接觸電阻的過大會導致觸頭接觸處溫升過高，同時使得主回路母排溫升變高，嚴重時會導致開關絕緣老化引發火災。而今，開關電器結構小型化的發展趨勢尤為明顯，降低開關電器溫升已成為斷路器設計的重要內容。

斷路器在結構設計時為解決觸頭合閘彈跳對開關合閘帶電性能的影響及帶電分斷對觸頭燒蝕的影響，將觸頭設計成兩檔結構，即主觸頭結構和弧觸頭結構，因此存在主觸頭接觸電阻和弧觸頭接觸電阻。根據結構設計要求，斷路器合閘通電時，絕大部分電流流經主觸頭，較少部分電流流經弧觸頭，因而主觸頭的接觸電阻一般小于弧觸頭的接觸電阻。所以，兩檔觸頭結構存在兩個發熱源，該熱源的大小及分布情況對斷路器溫升的影響是本文所要研究的主要內容。

如圖1所示，為本文所研究的直流斷路器主回路觸頭系統的結構，觸頭系統由主觸頭與弧觸頭組成。下面靜主觸頭嵌有純銀片，動主觸頭采用滾輪結構，外圈嵌有純銀環以減小接觸電阻；動、靜弧觸頭分別采用純銅、鎢合金材料制造，具有良好的耐電弧、抗熔焊能力。

圖1 直流快速斷路器主回路模型

本文對該斷路器主回路觸頭系統進行溫度場計算并與溫升試驗結果進行對比，說明了仿真計算結果的正確性；然后在斷路器主回路總接觸電阻一定情況下，對主、弧觸頭接觸電阻不同占比下進行溫升仿真，分析了主、弧雙檔觸頭的接觸電阻占比分布對該斷路器溫升分布的影響。

1 熱源與散熱分析

斷路器在額定工作電流下，當發熱量與散熱量相等時，斷路器主回路就處于熱穩定狀態，溫度不再發生變化[2]。對發熱與散熱機理進行合理有效的分析是準確計算穩態溫升的必要條件。發熱的研究是分析熱源，確定不同熱源仿真時的處理建模方法；在散熱方面，主要的研究是熱能傳遞的各種發生方式，最終得出精度較高的溫升仿真結果。

1.1 熱源分析

1）主回路導體固有電阻

斷路器的主回路導體部件是發熱體，損耗所產生的熱量使導體溫度升高并向周圍介質散熱[3]。這種導體固有電阻帶來的焦耳熱在仿真分析中通過對各導電結構賦予電阻率來實現。斷路器主回路在承載工作電流時，電阻發熱功率為：

式中：——電流；

——斷路器導電回路電阻。

式(1)說明斷路器的發熱功率同電流的二次方成正比，隨著斷路器承載電流的升高，斷路器產生的熱量會大量升高，導致斷路器在需在體積上變的龐大，這對電力設備空間利用率很不利。因此，有必要設計合理的斷路器觸頭系統來降低斷路器主回路溫升。

2）接觸電阻

除了觸頭系統導體固有電阻之外，動、靜觸頭相接觸部位電阻較大，是造成溫升的主要熱源。因此，熱分析的建模過程包括導體回路和觸頭接觸處電阻兩部分，其接觸電阻模型的建立對于整個溫度場的準確分析至關重要。

兩檔觸頭結構存在兩種接觸電阻的導電橋。弧觸頭接觸方式為線接觸，建立接觸電阻導電橋尺寸為6 mm×2 mm×0.5 mm（長×寬×厚）長方體；主觸頭為滾輪結構，動主觸頭弧面與靜主觸頭平面相切，建立導電橋模型見圖2所示。在仿真計算過程中，可以賦予導電橋不同的電阻率來調整接觸電阻數值大小。

圖2 主觸頭接觸電阻導電橋模型

1.2 散熱分析

直流斷路器的熱傳遞有熱傳導、熱對流、熱輻射三種形式[4]。熱傳導是熱傳遞的主要形式，本文是針對主回路帶電金屬導體部分做的穩態溫升分析，在金屬件表面施加邊界條件，將仿真模型簡化，未考慮絕緣材料和空氣的傳導性能。金屬件傳導熱的同時，銅排導體和觸頭接觸處產生的熱量也會由金屬件表面通過熱對流和熱輻射的方式把熱量散發至周圍空氣中。

1）熱傳導

導電體通過電流后溫度升高，與其相接觸的物體溫度也會增長，這種依靠直接接觸的傳熱方式就是熱傳導[5]。熱傳導可以用傅里葉定律表示，如式（2），等式右側的負號表示熱量的傳遞方向與溫度梯度相反。

2）熱對流

斷路器主回路觸頭系統外表面與空氣存在自然對流換熱，靠自然對流的形式在單位面積散發出的熱量，與冷卻介質表面的溫度、冷卻介質的性質有關，可按公式（3）計算：

3）熱輻射

對于兩個面之間的熱量輻射過程，第一個面向第二個面輻射的熱量速率由下式（4）描述：

當認為外側表面無限大時，即為對環境輻射，可以用來描述外表面向空氣中輻射熱量的過程。

根據上述分析，在數值計算時，發熱方面通過賦予主電路各部分導體材料及接觸電阻導電橋的電阻率，在確定的電流激勵下即可計算出電阻發熱；散熱方面，觸頭系統不同材料金屬賦予不同熱導率，而導體表面通過自然對流和輻射散熱，采用綜合散熱系數進行計算。

2 仿真分析及試驗對比

2.1 有限元模型網格劃分

精確的模型建立以及良好的網格質量是有限元分析中計算結果精確度的基本保證因素。考慮到主、弧觸頭接觸位置因接觸電阻的集中生熱而具有較大的溫度梯度，故主、弧觸頭處網格均進行了局部細化；斷路器主回路進出線母排處網格劃分相對較為稀疏，可提高運算速度。

2.2 參數確定

在對斷路器主回路觸頭系統進行熱穩態仿真分析時需要確定以下參數：查找相關文獻資料可知，主回路金屬材料熱物性參數見表1（僅列舉紫銅材料的熱物性參數）；根據對斷路器樣機實際測量得到主要參數見表2 。

表1 紫銅的熱物性參數

表2 電氣性能參數(實測約值)

2.3 額定1500 A溫升分布

對斷路器主回路觸頭系統模型進行熱電耦合計算分析（對主回路施加1500 A電流），經仿真運算，斷路器主回路在環境溫度為20℃時的溫度場云圖如圖3所示。

圖3 斷路器1500A溫升仿真云圖

如圖3可知，主、弧觸頭接觸部位的溫升變化較為顯著，而靜觸頭進、出線端溫升變化較小。溫升值最高處在主觸頭接觸處，最高溫升為43.7 K；弧觸頭接觸處最高點溫升為41.2 K；溫升值最低處于右側靜主觸頭出線端子處，最低溫升為39.3 K，并且溫升值以動靜觸頭接觸處開始向靜主觸頭進出線端方向成梯度分布，逐漸降低。這是由于主、弧觸頭接觸處存在接觸電阻，導致發熱功率較大，而此處是被封閉在一定的空氣中，對外散熱率不高，熱量主要以熱傳導的形式通過進出線銅排向外散熱。對于靜主觸頭進出線銅排處的溫升，通過云圖可以看出上進出線銅排處的溫升值在39～42 K范圍內。

2.4 溫升試驗對比

為了確定上述熱電耦合法進行的溫度場數值計算結果的準確性，本文對該斷路器樣機在試驗室進行了額定電流1500 A下穩態溫升摸底驗證，試驗前測得觸頭系統總接觸電阻約為15 μΩ（主觸頭接觸電阻19.5 μΩ，弧觸頭接觸電阻63.2 μΩ，環境溫度19.3℃），得到了如下表3所示的溫升試驗數據，其結果與上述仿真云圖基本吻合，誤差均在5℃以內，說明仿真計算準確可靠。

圖5 斷路器溫升試驗測量點位置示意圖

表3 1500 A額定溫升試驗數據

2.5 接觸電阻占比對溫升影響

由前述可知，斷路器主回路觸頭系統的接觸電阻是影響斷路器的溫升的重要因素，因此有必要研究主、弧觸頭接觸電阻占比對斷路器溫度場的影響。以該斷路器樣機的實際測量總接觸電阻15 μΩ為基準，改變主觸頭接觸電阻與弧觸頭接觸電阻的比值，則斷路器主回路最高點溫升、進線端溫升、出線端溫升與主/弧觸頭接觸電阻比值之間的關系如圖6所示。

斷路器溫升隨主、弧觸頭接觸電阻比值的增加呈先減小后增大的趨勢，主、弧觸頭接觸電阻比值大約為2:5時，斷路器最高點溫升相對最低，為43.2 K。當總接觸電阻一定，若主觸頭接觸電阻遠大于弧觸頭接觸電阻時，溫升較高且最大溫升值達到了82.9 K。

圖6 斷路器溫升與主、弧觸頭接觸電阻比值關系

3 結論

本文通過對某型直流斷路器觸頭系統（主、弧雙檔觸頭）進行溫度場仿真計算分析及樣機試驗驗證，得到了以下結論：

1）提出一種主、弧雙檔觸頭系統。主觸頭主要承載工作電流，弧觸頭用來接通與分斷電流。

2）通過觸頭系統溫升仿真與試驗的對比，驗證了溫度場仿真計算方法的合理性。

3）在總接觸電阻一定情況下，主、弧雙檔觸頭的接觸電阻占比設計及分布合理，有利于降低最高點溫升。

本文提出的主、弧雙檔觸頭穩態溫升仿真研究方法，從理論分析到仿真計算，最終通過試驗驗證，得出的規律可為今后相似斷路器觸頭結構的研究提供參考。

[1] 紐春萍, 陳德桂, 劉穎異等．計及主回路和電磁系統發熱的交流接觸器數值熱分析[J]. 中國電機工程學報, 2007, 27(15): 53-58．.

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[3] 馮璟, 李景新, 陳正馨. 萬能式斷路器散熱技術研究[J]. 電器與能效管理技術, 2015(3): 14-18.

[4] 石磊, 駱文平. 真空斷路器溫升模擬與散熱設計[J]. 船電技術, 2016, 36(5): 68-71.

[5] 黃煒, 鐘積科, 等. 直流快速斷路器溫升分析及優化[J]. 船電技術, 2020, 40(11): 11-40.

Simulation analysis of temperature field of DC circuit breaker contact system

Shen Wen, Chen Cheng, Li Ming

(1. Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China; 2. Wuhan Changhai Electrical Technology Development Co., Ltd., Wuhan 430064, China )

TM564

A

1003-4862（2022）03-0024-04

2021-07-20

沈文（1989-），男，工程師。主要從事直流斷路器。E-mail: 549601989@qq.com