基于熱仿真的軌道交通電連接系統(tǒng)載流能力研究

曾 輝，李 曉，陳俊杰，周怡琳

（1. 中車青島四方車輛研究所有限公司，山東青島 266112；2. 北京郵電大學(xué)人工智能學(xué)院，北京 100876；3. 北京郵電大學(xué)自動化學(xué)院，北京 100876）

1 研究背景

伴隨著軌道交通系統(tǒng)的發(fā)展，對列車提速以及車載設(shè)備功能提升的需求不斷增加。功率的增加需要提升輸入電流的大小，使得電流傳輸線路中的連接器和線纜系統(tǒng)的熱可靠性面臨著嚴(yán)峻的考驗(yàn)。電連接系統(tǒng)的熱源主要來自線纜體電阻和連接器接觸電阻產(chǎn)生的焦耳熱。線纜體電阻主要取決于線纜材料和截面積選型，不同規(guī)格的線纜有相應(yīng)的載流能力范圍。由于機(jī)械振動、大氣腐蝕等因素，在隨軌道車輛運(yùn)行的過程中，連接器的接觸電阻會逐漸退化，進(jìn)而由于焦耳熱造成局部溫度過高，可能導(dǎo)致熱失效，影響系統(tǒng)可靠性。因此，對軌道交通中電連接系統(tǒng)進(jìn)行基于熱分析的載流能力研究具有重要的實(shí)踐指導(dǎo)意義。

目前針對連接器的熱設(shè)計(jì)和熱失效分析主要都是基于有限元仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)合的方法。楊妮[1]利用有限元軟件在設(shè)計(jì)初期對電源連接器的溫升性能進(jìn)行仿真分析并和試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，為設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。許成彬[2]等建立高溫電連接器的三維仿真模型，利用有限元軟件得到其接觸處溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律，并通過測試驗(yàn)證有限元熱分析的正確性。E. Carvou[3]等以電源連接器為對象，對其熱演化過程進(jìn)行研究，利用ANSYS有限元軟件建立數(shù)值模型，并求解過渡模式下的傳熱微分方程，在數(shù)值模擬中引入接觸熱導(dǎo)和電導(dǎo)，得到接觸電阻和接觸溫度值，并通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。Wang和Xu[4]針對洗衣機(jī)中小功率連接器熱失效進(jìn)行有限元熱分析，研究發(fā)現(xiàn)鍍錫與鍍鎳觸點(diǎn)在振動中界面發(fā)生微動磨損和腐蝕造成焦耳熱溫升，加速了彈性材料應(yīng)力松弛，造成接觸壓力降低，接觸電阻進(jìn)一步升高，最終導(dǎo)致觸點(diǎn)熔焊問題的發(fā)生。呂超[5]等以儲能系統(tǒng)中的鋰離子電池包為研究對象，利用ANSYS 仿真軟件得到電池單體溫度分布，并通過與實(shí)驗(yàn)測量的結(jié)果對比驗(yàn)證所建立的仿真模型的準(zhǔn)確性。高成[6]等以Y2型宇航分離脫落電連接器為研究對象，基于ANSYS軟件對電連接器模型進(jìn)行熱電耦合仿真分析，得到電連接器在不同環(huán)境溫度下的內(nèi)部溫升及溫度分布規(guī)律，并研究芯數(shù)、工作電流及接觸電阻對電連接器溫升的影響，發(fā)現(xiàn)電連接器內(nèi)部溫升隨這3個影響因素的增大而增大。賀占蜀[7]等采用ABAQUS軟件對接觸件進(jìn)行插拔力與溫升仿真，研究接觸件結(jié)構(gòu)參數(shù)彈舌傾角和彈舌支撐間隙對插拔力的影響以及導(dǎo)線截面積和電流對溫升的影響，并通過實(shí)驗(yàn)研究插拔力和溫升的變化情況。

在電連接系統(tǒng)熱失效中，研究的焦點(diǎn)多為連接器觸點(diǎn)自身性能變化對溫升的作用，但線纜作為傳導(dǎo)熱量通路和另一個熱源，對于電連接系統(tǒng)的整體溫升同樣具有不可忽視的作用。對于線纜體電阻對電連接系統(tǒng)溫升的影響，主要考慮與電力系統(tǒng)的額定電流相匹配的線纜截面積的選取，國際標(biāo)準(zhǔn)IEC 60439-1：2020 《低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備組件 第 1 部分：通則》[8]中有較為明確的規(guī)定。M. Blauth等[9]假設(shè)連接器在僅通過線纜熱傳導(dǎo)散熱的條件下，熱流被作為一個設(shè)計(jì)因素，以便定義具有不同橫截面積的線纜的最大功率損失。通過這種方法，與不同線纜尺寸配合的連接器最大可接受電阻可以在設(shè)計(jì)過程的早期階段進(jìn)行估計(jì)。對于線纜熱學(xué)特性的研究主要涉及到溫度場分布和載流量的研究。呂安強(qiáng)[10]等以XLPE絕緣線纜為對象，進(jìn)行熱電耦合有限元分析，通過穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)熱力學(xué)計(jì)算，獲得電纜在不同夾具下的載流量和熱時(shí)間常數(shù)，通過計(jì)算不同夾具材料和間隔下的電纜溫度，得到導(dǎo)體溫度在徑向和軸向的分布規(guī)律，并獲得夾具材料和間隔距離與電纜導(dǎo)體溫度的關(guān)系函數(shù)。

本文針對軌道交通列車用的三相電機(jī)連接器，建立連接器及配合線纜仿真模型，通過有限元熱電耦合場仿真，結(jié)合實(shí)際工況下的載流溫升實(shí)驗(yàn)，修正模型熱仿真參數(shù)。進(jìn)而研究額定工況條件下，連接器與線纜系統(tǒng)的溫度場分布規(guī)律；分析不同規(guī)格線纜、不同接觸電阻對溫度場分布的作用特性；并探討三相電機(jī)連接器與現(xiàn)使用的線纜配合時(shí)的極限載流能力和接觸電阻退化的極限條件。

2 電連接器系統(tǒng)熱仿真建模

通過對三相電機(jī)連接器與120 mm2截面規(guī)格的線纜系統(tǒng)進(jìn)行熱仿真建模，結(jié)合相同條件下的載流溫升實(shí)驗(yàn)，校正仿真模型的熱對流系數(shù)。

2.1 電連接器系統(tǒng)材料特性

在進(jìn)行仿真之前，需要分析三相電機(jī)連接器和線纜系統(tǒng)的主要組成部分所用材料特性，分別如表1和表2所示。

表1 電連接系統(tǒng)材料參數(shù)表

表2 電連接器系統(tǒng)配套線纜相關(guān)參數(shù)

2.2 建立模型

首先將三相電機(jī)連接器模型導(dǎo)入SolidWorks建模軟件，繪制3根截面積為120 mm2的圓柱形線纜，完成線纜與三相電機(jī)連接器的連接。然后將模型導(dǎo)入到Design Modeler編輯器中，建立三相電機(jī)連接器與120 mm2規(guī)格的線纜組成的電連接系統(tǒng)的有限元模型，三相電機(jī)連接器和線纜系統(tǒng)的電流路徑如圖1所示。無論是插針與插孔接觸區(qū)的接觸電阻，還是線纜自身體電阻，通電過程中，電流將完全流經(jīng)所有導(dǎo)體。

3 電連接系統(tǒng)熱電耦合仿真

在額定電流載荷下對三相電機(jī)連接器和120 mm2規(guī)格的線纜組成的電連接系統(tǒng)進(jìn)行熱電耦合仿真溫度分布計(jì)算，并通過與同樣型號的連接器和線纜的載流溫升實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比，對仿真模型中的連接器外殼和線纜部分與空氣的對流換熱系數(shù)進(jìn)行迭代調(diào)參。

3.1 熱電耦合仿真

三相電機(jī)連接器和線纜系統(tǒng)的熱電耦合仿真主要包括前處理、施加載荷及設(shè)置邊界條件、后處理查看仿真結(jié)果3個步驟。在前處理過程中，參考表1和表2完成材料參數(shù)設(shè)置后進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖2所示，對溫度變化影響大的連接器部分進(jìn)行加強(qiáng)細(xì)化處理。劃分網(wǎng)格之后，開始施加電流、電壓載荷，如圖3所示。

連接器載流溫升實(shí)驗(yàn)中使用的三相電機(jī)連接器樣品的實(shí)際接觸電阻測試數(shù)據(jù)為0.034 mΩ，計(jì)算得180 A工作電流下的熱功率為1.102 W。在冠簧與插針的接觸區(qū)域上施加該發(fā)熱功率。

線纜規(guī)格為120 mm2的三相電機(jī)連接器外殼部分與線纜部分的對流換熱系數(shù)均先設(shè)置成5 W/（m2·℃），再根據(jù)載流溫升實(shí)驗(yàn)結(jié)果對其分別進(jìn)行修正。環(huán)境溫度的設(shè)置與載流溫升實(shí)驗(yàn)保持一致，設(shè)置為25℃。

3.2 熱對流系數(shù)修正及溫度分布云圖仿真

連接器和線纜系統(tǒng)的載流溫升實(shí)驗(yàn)結(jié)果檢測出連接器尾端與線纜的壓接處溫升為17.1 ℃，經(jīng)溫升實(shí)驗(yàn)修正后線纜部分對流換熱系數(shù)為9.3 W/（m2·℃），連接器外殼對流換熱系數(shù)為6.9 W/（m2·℃）。

然后計(jì)算線纜規(guī)格為120 mm2的三相電機(jī)連接器系統(tǒng)的熱電耦合仿真溫度分布云圖如圖4所示。

4 電連接系統(tǒng)溫度場影響因素

4.1 線纜規(guī)格變化對系統(tǒng)溫升的影響

將截面規(guī)格分別為35 mm2、50 mm2和120 mm2的線纜與三相電機(jī)連接器系統(tǒng)在額定工況180 A電流下進(jìn)行熱電耦合仿真，分析線纜尺寸對電連接系統(tǒng)溫度場分布的影響。以線纜規(guī)格為50 mm2的三相電機(jī)連接器在額定工況條件下的溫升仿真結(jié)果為例，在連接器和兩側(cè)線纜上取11個特殊位置（分別為a、b、c、……、k），如圖5所示，并將這11個位置的溫升變化曲線放在同一圖中對比，結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知，由于熱源主要由線纜體電阻焦耳熱和接觸電阻焦耳熱構(gòu)成，所以最高溫升均發(fā)生在接觸點(diǎn)上。線纜截面積從120 mm2降低到35 mm2時(shí)線纜距接觸點(diǎn)遠(yuǎn)端（a、k）的溫升由 11 ℃顯著升高到40 ℃，說明線纜體電阻對三相電機(jī)連接器系統(tǒng)的整體溫升影響大。接觸點(diǎn)最高溫升高于線纜遠(yuǎn)端溫升14～16 ℃，說明接觸電阻對觸點(diǎn)局部溫升影響顯著。由于接觸點(diǎn)散熱主要靠線纜熱傳導(dǎo)，溫升隨離開接觸點(diǎn)距離降低較快，在離開接觸點(diǎn)30 cm處的溫升基本平穩(wěn)。

3種線纜截面積對應(yīng)的連接器接觸點(diǎn)最高溫升和線纜遠(yuǎn)端溫升的變化曲線如圖7所示。線纜規(guī)格為35 mm2的三相電機(jī)連接器比線纜規(guī)格為50 mm2的連接器最大溫升約高12.9 ℃，而線纜規(guī)格為50 mm2的連接器比規(guī)格為120 mm2的連接器最大溫升約高16.5 ℃，說明線纜的截面積越大，連接器最大溫升呈近似負(fù)指數(shù)函數(shù)規(guī)律減小。連接器最大溫升ΔT1與線纜截面積S的擬合函數(shù)表達(dá)式見式（1），擬合優(yōu)度R2= 0.97，e為自然常數(shù)。

線纜規(guī)格為35 mm2的三相電機(jī)連接器比線纜規(guī)格為50 mm2的連接器的線纜尾端溫升約高13.7 ℃，而線纜規(guī)格為50 mm2的連接器比規(guī)格為120 mm2的連接器最大溫升約高14.2 ℃，說明線纜截面積越大，線纜遠(yuǎn)端溫升呈近似負(fù)指數(shù)冪規(guī)律減小。線纜遠(yuǎn)端溫升ΔT2與線纜截面積S的擬合函數(shù)表達(dá)式見式（2），擬合優(yōu)度R2= 0.97。

結(jié)合3種不同規(guī)格線纜和三相電機(jī)連接器系統(tǒng)在額定工況下的溫升仿真結(jié)果，說明線纜的截面積對電連接系統(tǒng)的整體溫升起關(guān)鍵作用，而接觸電阻對局部溫升的影響較關(guān)鍵，載流容量受2個因素的綜合作用。

線纜規(guī)格為120 mm2和50 mm2的三相電機(jī)連接器系統(tǒng)在額定工況180 A電流下的最大溫升分別為25.2 ℃和41.7 ℃，未超過溫升標(biāo)準(zhǔn)55 ℃，載流余量較大。而線纜規(guī)格為35 mm2的三相電機(jī)連接器系統(tǒng)在額定工況180 A電流下的最大溫升為54.6 ℃，幾乎沒有余量，不能使用。

4.2 接觸電阻變化對系統(tǒng)溫升的影響

以線纜規(guī)格為50 mm2的三相電機(jī)連接器為例，通過改變接觸電阻的大小來判斷接觸電阻對電連接系統(tǒng)溫升的影響程度。分別選用0.034 mΩ（載流溫升實(shí)驗(yàn)中連接器的接觸電阻），0.058 mΩ（設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)值），0.080 mΩ（中間對照值），0.107 mΩ（額定工況下不使連接器最大溫升超過溫升標(biāo)準(zhǔn)的臨界值）4種不同大小的接觸電阻進(jìn)行電連接系統(tǒng)溫升仿真對比。4種情況下每個接觸對的接觸電阻發(fā)熱功率分別為1.102 W，1.879 W，2.592 W，3.467 W。溫升數(shù)據(jù)的提取位置與圖5相同。4種情況下三相電機(jī)連接器系統(tǒng)不同位置的溫升變化趨勢對比如圖 8所示。連接器最大溫升及線纜尾端溫升隨接觸電阻變化曲線如圖9所示

由圖8和圖9可知，當(dāng)接觸電阻值由0.034 mΩ升至0.107 mΩ時(shí)，連接器接觸區(qū)最大溫升由35.0 ℃升至55.0 ℃，增大近20 ℃，而距壓接點(diǎn)30 cm以外的線纜遠(yuǎn)端部分的溫升由27.2 ℃升至29.8 ℃，溫升變化僅在3 ℃內(nèi)。連接器最大溫升ΔT3及線纜尾端溫升ΔT4隨著接觸電阻Rc的增大呈線性增大的趨勢，且ΔT3的變化趨勢更快，而ΔT4則更緩，2條擬合直線的函數(shù)表達(dá)式見式（3）和式（4），擬合優(yōu)度R2分別為0.99和0.97。

研究結(jié)果表明，接觸電阻的變化主要對接觸區(qū)及周邊小范圍（±30 cm）溫升影響顯著，對線纜系統(tǒng)的整體溫升變化影響不大。

5 載流能力及接觸電阻退化極限條件

為進(jìn)一步探究三相電機(jī)連接器與50 mm2線纜配合的電連接系統(tǒng)載流能力及接觸電阻退化極限，通過設(shè)置特征參數(shù)的優(yōu)化方法，分別估計(jì)其達(dá)到溫升標(biāo)準(zhǔn)極限時(shí)的最大載流量以及在額定工況下允許的臨界接觸電阻退化程度。經(jīng)仿真計(jì)算，線纜規(guī)格為50 mm2的電連接器系統(tǒng)的最大載流量為206.5 A，與額定工況相比，留有約26.5A的載流余量（14.7%），因此線纜規(guī)格為50 mm2三相電機(jī)連接器在額定工況下不會產(chǎn)生熱失效，其臨界接觸電阻0.10 mΩ與標(biāo)準(zhǔn)接觸電阻0.058 mΩ相比，還留有近1倍的退化量。綜上，線纜規(guī)格為50 mm2的三相電機(jī)連接器在額定工況下能正常使用，且有較充足的余量。

6 結(jié)論

為探究軌道交通系統(tǒng)增容對電連接系統(tǒng)熱可靠性的影響，文章以三相電機(jī)連接器-線纜系統(tǒng)為例，采用有限元熱電仿真方法，結(jié)合電連接系統(tǒng)載流溫升實(shí)驗(yàn)結(jié)果，修正仿真模型中連接器外殼和線纜外表面的對流換熱系數(shù)，從而研究電連接系統(tǒng)的溫度場分布特性、線纜截面規(guī)格和接觸電阻變化對電連接系統(tǒng)溫升的影響。

研究結(jié)果表明，隨著線纜截面積的增大，電連接系統(tǒng)連接器觸點(diǎn)最大溫升及線纜遠(yuǎn)端溫升均呈負(fù)指數(shù)函數(shù)規(guī)律減小；隨接觸電阻增大，連接器觸點(diǎn)最大溫升及線纜遠(yuǎn)端溫升均呈線性函數(shù)規(guī)律增大，但接觸電阻主要影響觸點(diǎn)及周邊小范圍溫升。通過對電連接系統(tǒng)載流能力及接觸電阻退化極限條件分析，線纜規(guī)格為50 mm2的連接器在額定工況下載流余量較大，能夠安全使用，而線纜規(guī)格為35 mm2的連接器載流余量極小，無法保證使用過程中的可靠性。