孫巍 王晨 徐國順 陳搏

（1.海軍駐438廠軍事代表室，武漢430062；2.海軍工程大學電氣與信息工程學院，武漢 430033）

0 引言

爆炸活塞式限流器是爆炸式限流器的一種，爆炸式限流器是一種開斷速度很高、開斷容量很大的電力系統(tǒng)故障限流保護裝置[1-4]。

目前占據(jù)國際市場主導(dǎo)地位的爆炸式限流器是ABB公司的Is－limiter[5]。它的短路檢測判斷采用電子裝置，檢測電流上升率及電流幅值來判斷短路；主回路是中空的銅管結(jié)構(gòu)，火工品裝置放置在銅管內(nèi)部?；鸸て费b置爆炸后，銅管沿預(yù)制槽向兩端翻卷形成足夠電氣間隙。這種結(jié)構(gòu)具有短路檢測速度快、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點，但其短路檢測裝置體積大，必須附加直流電源，且其電子裝置有可能受電磁干擾而失效；而火工品裝置被發(fā)熱的銅管包圍，工作時受到烘烤作用，會加速火工品中的起爆藥和炸藥分解，從而降低了裝置的使用壽命。為了解決這些問題，我們研制了爆炸活塞式限流器。它的短路檢測判斷采用電弧觸發(fā)器，電弧觸發(fā)器和普通熔斷器的結(jié)構(gòu)類似，但其內(nèi)部熔體只有一排并聯(lián)的狹頸。與普通熔斷器相比，其電阻很低，而從狹頸處流過的額定電流密度則很大，從而保證短路電流發(fā)生時能夠快速熔斷，熔斷后產(chǎn)生足夠的弧壓，來觸發(fā)電雷管。爆炸分斷裝置則分成爆炸活塞機構(gòu)和橋體兩部分，經(jīng)由活塞傳遞爆炸沖擊能使橋體分斷，包含火工品裝置的爆炸活塞機構(gòu)放置在主電路之外，并經(jīng)特殊設(shè)計的隔熱措施和主電路隔開。這樣就顯著降低了火工品裝置的長期工作溫度，有效延長了整機的使用壽命。

溫升性能是這種新設(shè)計的爆炸活塞式限流器的重要性能之一。溫升過高不僅會降低裝置內(nèi)火工品的壽命，也會加速裝置中絕緣件的老化，并可能經(jīng)匯流排傳熱而抬高附近電氣設(shè)備的溫升。為了提高裝置的壽命并獲得緊湊性的設(shè)計，必須對爆炸活塞式限流器在額定通流下的溫度場分布進行計算。本文采用有限元仿真軟件ANSYS11.0對裝置在額定工作狀況下的電流場和溫度場進行耦合分析，得到了裝置溫度場分布特性[6]。

1 溫升模型的建立

圖1 爆炸活塞式限流器主要結(jié)構(gòu)尺寸(A=300mm，B=240mm，C=65mm，D=140mm)

使用ANSYS11.0進行三維熱電耦合分析，在建立幾何模型并輸入材料參數(shù)、載荷、約束量和其他必要參數(shù)后，即可求解限流器和銅排上的溫度場分布，減去室溫后，可得到各點的溫升值。在建模過程中必須要進行一定的假設(shè)以簡化仿真模型：

①裝置處于無限大空間自然對流狀態(tài)；②對實際裝置中部分細微結(jié)構(gòu)做近似處理，如忽略螺栓、螺孔，將彎角改為直角；③忽略對溫升影響不大且不易建模的部件，如電弧觸發(fā)器外殼及石英砂、脈沖變壓器、滅弧熔斷器、絕緣支柱等。

電氣設(shè)備在一定電流下的穩(wěn)態(tài)溫升不僅取決于設(shè)備本身的結(jié)構(gòu)、材料，外接電纜或銅排的影響往往也很大，不能忽略。因此，國標[7]中對溫升試驗中不同試驗電流對應(yīng)的電纜或銅排的截面尺寸進行了嚴格規(guī)定，并要求試驗電纜或銅排有足夠長的長度，其中大于800 A的溫升試驗中電源和設(shè)備間銅排長度要大于3 m。要求足夠的長度是為了形成足夠的熱阻以避免電源的溫升影響被試設(shè)備。因此，本文在溫升建模中模擬溫升試驗的情況，把銅排和限流器作為一個整體考慮。

有限元網(wǎng)格剖分過程中應(yīng)當對比較細致的結(jié)構(gòu)和重點關(guān)心的位置進行細密的剖分，而對其他部分進行粗略的剖分，總有限單元數(shù)控制在 30萬～50萬個，在普通 PC機上耗時十幾分鐘即可計算完畢，既省時又可以保證精度。可以采用APDL語言的方式進行參數(shù)化建模，這樣改變結(jié)構(gòu)參數(shù)時只需在程序中對應(yīng)修改即可，非常有利于需要反復(fù)大量仿真計算的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計過程。

圖2 溫升仿真模型

2 仿真結(jié)果與試驗對比

應(yīng)用ANSYS11.0對圖1所示的直流爆炸活塞式限流熔斷器在額定電流 2500 A下的穩(wěn)態(tài)溫度場分布進行了三維仿真，結(jié)果如圖3所示。本文仿真和試驗中的室溫都是23℃。

圖3 爆炸活塞式限流熔斷器穩(wěn)態(tài)溫升仿真結(jié)果

對于一般火工品裝置中使用的起爆藥和炸藥，溫度每降低10℃，其儲存壽命將延長2～4倍。因此降低裝藥位置的溫升對提高整機壽命的意義重大。其次關(guān)注的是接觸部位的溫度和電弧觸發(fā)器的溫度，接觸部位溫度過高將使接觸面氧化，導(dǎo)致接觸電阻增大，形成惡性循環(huán)，最終使接觸失效，因此國標對接觸部位的溫升有明確規(guī)定。電弧觸發(fā)器的內(nèi)部溫度過高會導(dǎo)致內(nèi)部材料的變形或氧化失效，然而電弧觸發(fā)器內(nèi)部溫度在試驗中難以測得，只能從仿真中得到，然后對比電弧觸發(fā)器附近點的溫度仿真值與試驗值的誤差來推測內(nèi)部材料溫度仿真值是否準確。因此在仿真結(jié)果中選擇 A～E點作為關(guān)鍵點對其溫升進行考察并與試驗結(jié)果進行對比。

仿真與試驗的最大誤差為7.7%，造成誤差的原因主要是裝置中各結(jié)構(gòu)間的自然對流互相影響，各結(jié)構(gòu)單獨計算的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)不準確。

從結(jié)果可以看出，安裝火工品裝置的部位C點，溫升僅21 K，可見這種結(jié)構(gòu)中火工品裝置的長期工作溫度較低，有利于提高火工品裝置的壽命。觸發(fā)器內(nèi)部是整個限流器最熱的部分，其最高溫度116℃，對應(yīng)溫升93 K。各接觸部位的溫升都在國標允許范圍之內(nèi)。

表1 仿真和實驗的結(jié)果對比

3 小結(jié)

按照爆炸活塞式限流器溫升試驗的布置建立了包括試驗銅排和爆炸活塞式限流器在內(nèi)的溫升仿真模型。建模時進行了必要的假設(shè)，對溫升影響不大的結(jié)構(gòu)進行了忽略或近似處理。應(yīng)用ANSYS11.0進行三維熱電耦合仿真分析，仿真結(jié)果和試驗基本一致。

[1]陳搏, 莊勁武, 楊鋒. 爆炸活塞式高速開關(guān)的分析與設(shè)計[J]. 武漢理工大學學報(交通科學與工程版).2010, 34(3)： 468-471.

[2]戴超, 莊勁武, 楊鋒等. 大容量爆炸活塞式高速開斷器分析與優(yōu)化設(shè)計[J]. 高電壓技術(shù). 2011, 37(1)：221-226.

[3]戴超, 莊勁武, 楊鋒等. 高壓混合型限流熔斷器用電弧觸發(fā)器的弧前特性[J]. 高電壓技術(shù). 2010, 36(2)：350-355.

[4]李品德, 劉軍虎, 王永紅等. 電力系統(tǒng)故障電流限制器的應(yīng)用和研究現(xiàn)狀[J]. 高壓電器, 2000, 3：31-33.

[5]Karl-Heinz Hartung, Volker Schmidt. Limitation of Short Circuit Current by an Is - Limiter[C]. 10thinternational conference of electrical power quality and utilization. Lodz, Poland, 2009： 9-15.

[6]張朝暉. ANSYS熱分析教程與實例解析[M]. 北京：中國鐵道出版社, 2007.

[7]GB7251-2005低壓成套開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備. 第一部分： 形式試驗和部分形式試驗成套設(shè)備[S].