朱兆芳，駱文平，鄒順，楊晨光，任志剛

?

液態(tài)金屬限流器穩(wěn)態(tài)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(tài)金屬限流器，本文介紹了液態(tài)金屬限流器的穩(wěn)態(tài)溫升結(jié)構(gòu)，以載流5000 A為目標(biāo)，對該種結(jié)構(gòu)的液態(tài)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(fā)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(shù)，對限流器的穩(wěn)態(tài)溫度場進行仿真分析，得到了滿足要求的液態(tài)金屬限流器結(jié)構(gòu)。然后對該種結(jié)構(gòu)的限流器進行穩(wěn)態(tài)溫升試驗，通過監(jiān)測監(jiān)測點的溫升得到其最大載流量，將仿真結(jié)果與試驗結(jié)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(tài)金屬限流器的設(shè)計具有一定的指導(dǎo)意義。

液態(tài)金屬限流器 熱分析 穩(wěn)態(tài)溫升試驗

0 引言

隨著電力系統(tǒng)不斷發(fā)展，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜，其中直流電網(wǎng)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(yīng)運而生，大大降低了斷路器的分?jǐn)嘁骩1-4]。基于自收縮效應(yīng)的液態(tài)金屬限流器有自動檢測限流、故障排除后可自恢復(fù)、填充介質(zhì)友好、結(jié)構(gòu)簡單以及體積小的獨特優(yōu)點，在未來具有良好的應(yīng)用前景[5-9]。

由于液態(tài)金屬限流器串聯(lián)在系統(tǒng)中，在正常工作時承擔(dān)系統(tǒng)的額定電流，因此需要考慮在載流時的溫度分布情況，務(wù)必滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。而目前對液態(tài)金屬限流器的穩(wěn)態(tài)溫升仿真和試驗的研究都較少，基于此，本文針對該液態(tài)金屬限流器在承載額定電流時的穩(wěn)態(tài)溫升進行仿真分析，并且與試驗結(jié)果進行對比。

1 液態(tài)金屬限流器結(jié)構(gòu)

液態(tài)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(tài)金屬限流器結(jié)構(gòu)圖，限流器主要由L型銅排、銅極、液態(tài)金屬、中心隔板、環(huán)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(tài)金屬限流器結(jié)構(gòu)圖

圖1所示結(jié)構(gòu)的液態(tài)金屬限流器，液態(tài)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(dǎo)電回路為電流從左母排流入，流經(jīng)L型銅排、左銅極、液態(tài)金屬、右銅盤、L型銅排，最后從右母排流出?？梢钥吹?，在隔板的中心孔處，液態(tài)金屬的通流密度最大，發(fā)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(tài)時的溫度場即為穩(wěn)態(tài)熱場。限流器的穩(wěn)態(tài)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(dǎo)電路徑上的導(dǎo)體產(chǎn)生的焦耳熱，以及導(dǎo)體與導(dǎo)體接觸表面的接觸電阻產(chǎn)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(dǎo)、熱對流以及熱輻射，而在200攝氏度以內(nèi)的熱場通常忽略熱輻射的作用，只考慮熱傳導(dǎo)以及熱對流。熱傳導(dǎo)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(shù)，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(wěn)態(tài)熱分析，它表示熱傳遞的微分方程為[10]：

相應(yīng)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(dǎo)熱系數(shù)。一般情況下物體為各向同性，因此三個方向的導(dǎo)熱系數(shù)相同。

3 限流器溫升仿真

限流器的最大溫升不能超過國標(biāo)規(guī)定值，如表1所示：

限流器的熱源包括導(dǎo)體發(fā)熱以及接觸電阻生熱。導(dǎo)體發(fā)熱主要由導(dǎo)體的電阻率決定，一般會隨著溫度的變化而變化。該結(jié)構(gòu)中銅與液態(tài)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(fā)熱量。結(jié)構(gòu)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(dǎo)熱率與表面散熱系數(shù)決定。物體的導(dǎo)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(shù)的確定采用牛頓散熱公式確定，根據(jù)經(jīng)驗值，綜合對流換熱系數(shù)一般在4~8 W/(m2﹒K)-1之間。

根據(jù)上述處理方式及相應(yīng)參數(shù)，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(fā)熱功率，然后將得到的發(fā)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(shù)，進而進行熱場仿真。

首先對限流器進行發(fā)熱分析，電流密度越大，發(fā)熱功率密度越大。發(fā)熱仿真結(jié)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(tài)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(fā)熱功率密度如表2所示，可以看到液態(tài)金屬的發(fā)熱功率最多，平均功率密度最大，主要是液態(tài)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?？紤]接觸電阻發(fā)熱，整個限流器的發(fā)熱功率為340 W，液態(tài)金屬的發(fā)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(nèi)側(cè)的電位差為53.5 mV，L排最外側(cè)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(fā)熱載荷，設(shè)環(huán)境溫度為22℃，對限流器進行穩(wěn)態(tài)溫升仿真。限流器的穩(wěn)態(tài)溫度場如圖4所示，限流器L排最內(nèi)側(cè)的溫度為92℃左右，溫升70 K，限流器L排最外側(cè)的溫度為79℃左右。限流器內(nèi)部的穩(wěn)態(tài)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(tài)金屬處，為115℃，溫升93 K，到達內(nèi)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(wěn)態(tài)溫度場分布圖

圖5 限流器內(nèi)部穩(wěn)態(tài)溫度場分布圖

4 限流器穩(wěn)態(tài)溫升試驗

對該結(jié)構(gòu)的限流器進行穩(wěn)態(tài)通流試驗，準(zhǔn)備直流短路發(fā)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(wěn)態(tài)溫升測量回路如圖6所示，短路發(fā)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(lián)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(jiān)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(yīng)的測量點位置的物體表面。溫升穩(wěn)定的判斷標(biāo)準(zhǔn)為一個小時內(nèi)溫升變化值不超過2 K。

環(huán)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(jiān)測6個點的溫升數(shù)據(jù)，觀察到溫升相對穩(wěn)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(nèi)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(jiān)測點之間的電位差如下表3所示：

表3 限流器監(jiān)測點之間電位測量/mV

對比仿真結(jié)果與試驗結(jié)果，可以看到仿真與試驗誤差在6 mV以內(nèi)，平均相對誤差在5%以內(nèi)。

限流器在通流5000 A時的個監(jiān)測點的溫度值及溫升值如下表4所示：

表4 限流器各監(jiān)測點溫度及溫升

對比仿真結(jié)果與試驗結(jié)果，可以看到仿真與試驗誤差在2K之內(nèi)，相對誤差在5%以內(nèi)。

5 結(jié)論

本文針對中心通孔結(jié)構(gòu)的液態(tài)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(tài)金屬的發(fā)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(nèi)部的最高溫度為115℃，溫升為93K，達到了溫升要求極限值。

[1] 劉懿瑩, 吳翊, 榮命哲, 等. 基于快速轉(zhuǎn)換開關(guān)的新型液態(tài)金屬限流器的研究[J]. 低壓電器, 2012,（01）：7-10+14.

[2] 劉懿瑩, 吳翊, 榮命哲, 等. 基于自收縮效應(yīng)液態(tài)金屬限流器的研究[J]. 低壓電器，2010,（22）：5-8.

[3] 何海龍, 胡楊, 吳翊, 等. 基于GaInSn液態(tài)金屬自收縮效應(yīng)的故障電流限制器研究現(xiàn)狀與發(fā)展[J]. 電器與能效管理技術(shù), 2014,（13）：1-6+73.

[4] 盧學(xué)山. 液態(tài)金屬（GaInSn）流在故障電流限制器中的數(shù)值模擬[D]. 南京理工大學(xué)，2008.

[5] 劉懿瑩, 吳翊, 榮命哲, 等. 基于自收縮效應(yīng)液態(tài)金屬限流器中電弧行為特性的試驗研究[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2012, 27(05)：192-198.

[6] 何海龍，吳翊，劉煒，等. 磁收縮效應(yīng)型液態(tài)金屬限流器起弧特性研究[J]. 中國電機工程學(xué)報，2017，37(04)：1053-1062.

[7] 劉懿瑩, 吳翊, 榮命哲，等. 自收縮效應(yīng)型液態(tài)金屬限流器限流特性影響因素的研究[J]. 中國電機工程學(xué)報, 2012, 32(04)：178-185+2.

[8] 楊晨光，彭振東，任志剛. 液態(tài)金屬自收縮效應(yīng)的仿真研究[J]. 船電技術(shù)，2014，34(08)：69-72.

[9] Ju Xingbao, Sun Haishun. Investigation on the arc ignition characters and energy absorption of liquid metal current limiter based on self-pinch effect[J]. Plasma Science and Technology, 2016, 18(05):531-537.

[10] 胡仁喜,康士延,等. ANSYS14.0熱力學(xué)有限元分析從入門到精通[M]. 機械工業(yè)出版社, 2013.

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(tài)金屬限流器仿真、分析。