真空滅弧室溫升特性仿真分析

董華軍,趙一鑒,時(shí)佳,2,何晨陽(yáng)

(1.大連交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,遼寧 大連116028;2.遼寧機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 自動(dòng)控制工程系,遼寧 丹東 118009)

在真空環(huán)境中,真空滅弧室內(nèi)幾乎只有熱傳導(dǎo),熱量主要通過(guò)導(dǎo)線供電桿傳導(dǎo)到外部,不進(jìn)行空氣對(duì)流式的散熱,散熱效果差,嚴(yán)重影響零部件的機(jī)械強(qiáng)度和絕緣強(qiáng)度[1]。因此,研究真空滅弧室中關(guān)鍵發(fā)熱元件的溫升特性,是提高其耐熱性及可靠性等性能指標(biāo)的關(guān)鍵。

在前期研究中,學(xué)者們一般通過(guò)電磁-溫度解析法求解設(shè)備溫升分布,但對(duì)擁有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的一些設(shè)備,利用解析法計(jì)算溫升非常困難。隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展,溫度場(chǎng)的數(shù)值算法得到推廣,主要有有限元法和有限體積法[2],例如在隔離開(kāi)關(guān)溫度場(chǎng)的研究中可通過(guò)磁熱耦合的有限元法計(jì)算其溫升分布[3-4],但在分析過(guò)程中容易忽略對(duì)流的影響,將對(duì)流傳熱等效為熱傳導(dǎo),導(dǎo)致溫升分布與實(shí)際差別較大。在真空斷路器的溫度場(chǎng)研究中,有學(xué)者通過(guò)試驗(yàn)的方法得到了真空斷路器溫升的大致分布[5]?；诖?人們利用熱電耦合法模擬了真空斷路器的溫升分布,并研究了影響其溫升的因素[6],為優(yōu)化其結(jié)構(gòu)、降低溫升提供了參考。

近年來(lái)我國(guó)針對(duì)真空滅弧室溫升特性,特別是有關(guān)大電流條件下真空觸頭和導(dǎo)電回路的加熱過(guò)程的研究相對(duì)較少,現(xiàn)有的溫升研究主要集中在有限元仿真上。真空滅弧室溫升特性的仿真模擬計(jì)算可降低試驗(yàn)的成本和時(shí)間,可使生產(chǎn)后的真空滅弧室直接投入使用。本文通過(guò)SolidWorks軟件建立真空滅弧室導(dǎo)電回路3D模型,利用ANSYS Workbench軟件,采用渦流場(chǎng)-溫度場(chǎng)耦合法對(duì)額定電流狀態(tài)下導(dǎo)電回路的溫升進(jìn)行仿真計(jì)算,并根據(jù)仿真結(jié)果對(duì)觸頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,對(duì)新模型按照觸頭材料為CuCr50和CuCr10分別進(jìn)行仿真,得到真空滅弧室溫升特性。

1 真空滅弧室結(jié)構(gòu)與建模

真空滅弧室是真空開(kāi)關(guān)系統(tǒng)的核心,又稱(chēng)真空管或真空開(kāi)關(guān)保護(hù)管,見(jiàn)圖1。其基本零部件主要包括動(dòng)/靜觸頭、絕緣外殼、屏蔽罩和波紋管。

本文采用SolidWorks[7-8]軟件來(lái)建立導(dǎo)電回路3D模型。將繪制好的草圖生成具有三維實(shí)體特征功能的整體模型,然后以此為基礎(chǔ)編輯草圖繪制各種特征來(lái)完成各個(gè)零部件模型的建立。最后將已建立好的零部件模型導(dǎo)入裝配體界面。設(shè)置每個(gè)零件的配合關(guān)系,將每個(gè)零件基于配合關(guān)系固定在一起,實(shí)現(xiàn)裝配體模型的建立。建立的真空滅弧室導(dǎo)電回路3D模型見(jiàn)圖2所示。

圖1 真空滅弧室結(jié)構(gòu)

圖2 真空滅弧室導(dǎo)電回路3D模型

2 ANSYS Workbench仿真分析

溫度場(chǎng)的仿真分析主要是在ANSYS WorkBench軟件的穩(wěn)態(tài)熱分析(Steady Thermal)模塊中完成的。

2.1 渦流場(chǎng)仿真分析

利用ANSYS Electronics Desktop軟件選擇渦流場(chǎng)仿真分析,導(dǎo)入仿真模型后進(jìn)行材料屬性的定義[9]。觸頭杯座和動(dòng)、靜導(dǎo)電桿選用高傳導(dǎo)性的銅材料,觸頭片材料選用具有較好熱塑性和熱傳導(dǎo)性的CuCr50、CuCr10合金。支撐座的材料采用不銹鋼。以2 200 A作為初始額定電流并選擇導(dǎo)電桿端面添加的初始電流流入和流出的方向。通過(guò)仿真分析得出觸頭系統(tǒng)的歐姆損耗為150.27 W,仿真添加的激勵(lì)電流為2 200 A,根據(jù)公式即可求出導(dǎo)體電阻的計(jì)算值為31.048 μΩ。

2.2 溫度場(chǎng)仿真分析

首先導(dǎo)入熱源,ANSYS Workbench可以實(shí)現(xiàn)Maxwell與穩(wěn)態(tài)熱分析的數(shù)據(jù)交互,在ANSYS Electronics Desktop中進(jìn)行損耗計(jì)算,將傳遞至穩(wěn)態(tài)的熱分析作為熱源,進(jìn)而進(jìn)行溫度場(chǎng)的仿真分析。其次進(jìn)行模型材料定義[10-11],觸頭杯座和動(dòng)、靜導(dǎo)電桿的材料是銅,觸頭片材料是CuCr50合金,支撐座采用不銹鋼,外殼采用玻璃材料。溫度場(chǎng)分析需要用到材料的熱導(dǎo)率。

最后選擇總體結(jié)構(gòu)導(dǎo)入熱載荷,設(shè)定對(duì)流散熱系數(shù)為10 W/m2·℃,設(shè)置初始環(huán)境溫度為 22 ℃。仿真計(jì)算得到的真空滅弧室的溫升特性見(jiàn)圖3。

圖3 真空滅弧室的溫升特性

3 優(yōu)化分析

3.1 溫度場(chǎng)的影響因素分析

(1)觸頭片接觸點(diǎn)直徑。兩觸頭片間等效接觸直徑與觸頭間的接觸壓力有關(guān)[12],接觸壓力越大,觸頭片接觸點(diǎn)直徑越大。假設(shè)改變接觸壓力使得等效接觸點(diǎn)直徑分別為2、3、4、5、6 mm,對(duì)這5個(gè)接觸直徑尺寸分別進(jìn)行渦流場(chǎng)-溫度場(chǎng)仿真分析,仿真結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 最高溫升與觸頭片接觸直徑的關(guān)系

(2)杯壁的厚度。觸頭杯壁的厚度對(duì)真空滅弧室的溫升有一定的影響,改變杯壁厚度的同時(shí)可改變內(nèi)部支撐座的最大直徑與杯壁的尺寸匹配[13]。最高溫升與觸頭杯壁厚度的關(guān)系見(jiàn)圖5。

圖5 最高溫升與觸頭杯壁厚度的關(guān)系

(3)杯壁螺旋開(kāi)槽長(zhǎng)度。杯壁螺旋開(kāi)槽長(zhǎng)度對(duì)真空滅弧室的溫升也有一定的影響,改變螺旋線高度即可改變杯壁螺旋開(kāi)槽長(zhǎng)度,仿真結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖6 最高溫升與觸頭杯座開(kāi)槽高度的關(guān)系

(4)導(dǎo)電桿的半徑。動(dòng)、靜導(dǎo)電桿半徑的變化將會(huì)直接影響到導(dǎo)電桿的電阻,進(jìn)而影響溫升。通過(guò)改變動(dòng)、靜導(dǎo)電桿的半徑來(lái)探究其與溫升特性的關(guān)系,仿真結(jié)果見(jiàn)圖7。

圖7 最高溫升與動(dòng)靜導(dǎo)電桿半徑的關(guān)系

3.2 觸頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化

由溫度場(chǎng)仿真結(jié)果分析得到優(yōu)化方案:觸頭杯壁的厚度從2 mm增大至12 mm,同時(shí)減小支撐座外圈的直徑以匹配觸頭杯座;觸頭片的厚度從3 mm增厚至4 mm,同時(shí)增大觸頭片圓角的半徑至4 mm;觸頭杯座開(kāi)槽螺旋線高度由20 mm減小為15 mm,即降低了觸頭杯座的螺旋開(kāi)槽長(zhǎng)度。優(yōu)化后的模型見(jiàn)圖8。

圖8 優(yōu)化模型

3.3 不同觸頭材料仿真分析

保持觸頭片材料CuCr50不變,使用優(yōu)化后的仿真模型進(jìn)行渦流場(chǎng)-溫度場(chǎng)的仿真分析,仿真的結(jié)果見(jiàn)圖9。

圖9 觸頭材料為CuCr50優(yōu)化模型的溫升特性

將觸頭材料改為CuCr10,其電導(dǎo)率為4.6×107S/m、透磁率為0.999 991、熱導(dǎo)率為342 W/(m·K)[14]。其他材料屬性不變,再對(duì)優(yōu)化后的仿真模型進(jìn)行渦流場(chǎng)-溫度場(chǎng)的仿真分析,分析結(jié)果見(jiàn)圖10。

圖10 觸頭材料為CuCr10優(yōu)化模型的溫升特性

通過(guò)比較上述兩種材料仿真后的溫升特性可知,由于CuCr10的電導(dǎo)率遠(yuǎn)大于CuCr50,所以當(dāng)觸頭片材料采用CuCr10時(shí),其溫升遠(yuǎn)低于觸頭片材料為CuCr50時(shí)的溫升。對(duì)此優(yōu)化模型繼續(xù)采用CuCr10合金作為觸頭片,在其他條件不變的情況下施加5 000 A額定電流進(jìn)行仿真。由此可知當(dāng)觸頭片材料采用CuCr10時(shí),能承受的電流更大。

4 結(jié)論

(1)真空滅弧室的最高溫升隨觸頭片接觸直徑的增大而下降,但是過(guò)大的接觸壓力可能會(huì)導(dǎo)致機(jī)械結(jié)構(gòu)的損壞,因此設(shè)置仿真的接觸直徑不宜過(guò)大。

(2)真空滅弧室的溫升會(huì)受觸頭杯壁厚度的影響,從仿真結(jié)果可以看出最高溫度隨杯壁厚度的增大而減小,厚度在10～12mm的變化過(guò)程中最高溫升的下降趨勢(shì)比較明顯。

(3)真空滅弧室的溫升也會(huì)受杯壁螺旋開(kāi)槽長(zhǎng)度的影響,從仿真結(jié)果可以看出最高溫度隨觸頭杯座開(kāi)槽高度的增大而增大,高度在15.0～17.5 mm的變化過(guò)程中最高溫升的上升趨勢(shì)最為顯。

(4)動(dòng)、靜導(dǎo)電桿半徑的變化將會(huì)直接影響到導(dǎo)電桿的電阻,進(jìn)而影響溫升。但從仿真結(jié)果可知導(dǎo)電桿的半徑太大對(duì)降低溫升的作用不大,并且過(guò)大的直徑還會(huì)增大整體機(jī)構(gòu)的負(fù)荷。

(5)觸頭片材料也會(huì)影響真空滅弧室的溫升,將觸頭片材料由CuCr50改為CuCr10,由于CuCr10的電導(dǎo)率遠(yuǎn)大于CuCr50,仿真結(jié)果表明觸頭片材料為CuCr10時(shí)溫升遠(yuǎn)低于觸頭片材料為CuCr50時(shí)的溫升。