沈 文，陳 程，李 明

直流斷路器觸頭系統(tǒng)溫度場(chǎng)仿真分析

沈 文1，陳 程2，李 明2

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

溫升是斷路器設(shè)計(jì)的重要考核指標(biāo)之一，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使斷路器的使用壽命降低甚至影響周邊設(shè)備。本文以某型直流斷路器為研究對(duì)象，基于有限元分析熱電耦合法對(duì)其主回路進(jìn)行了溫度場(chǎng)仿真計(jì)算。仿真結(jié)果與溫升試驗(yàn)結(jié)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(duì)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(yōu)占比下溫升分布，對(duì)相似結(jié)構(gòu)斷路器的觸頭系統(tǒng)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(biāo)，其熱源主要來(lái)自于主回路動(dòng)靜觸頭間的接觸電阻[1]。接觸電阻的過大會(huì)導(dǎo)致觸頭接觸處溫升過高，同時(shí)使得主回路母排溫升變高，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致開關(guān)絕緣老化引發(fā)火災(zāi)。而今，開關(guān)電器結(jié)構(gòu)小型化的發(fā)展趨勢(shì)尤為明顯，降低開關(guān)電器溫升已成為斷路器設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。

斷路器在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)為解決觸頭合閘彈跳對(duì)開關(guān)合閘帶電性能的影響及帶電分?jǐn)鄬?duì)觸頭燒蝕的影響，將觸頭設(shè)計(jì)成兩檔結(jié)構(gòu)，即主觸頭結(jié)構(gòu)和弧觸頭結(jié)構(gòu)，因此存在主觸頭接觸電阻和弧觸頭接觸電阻。根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，斷路器合閘通電時(shí)，絕大部分電流流經(jīng)主觸頭，較少部分電流流經(jīng)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(jié)構(gòu)存在兩個(gè)發(fā)熱源，該熱源的大小及分布情況對(duì)斷路器溫升的影響是本文所要研究的主要內(nèi)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(tǒng)的結(jié)構(gòu)，觸頭系統(tǒng)由主觸頭與弧觸頭組成。下面靜主觸頭嵌有純銀片，動(dòng)主觸頭采用滾輪結(jié)構(gòu)，外圈嵌有純銀環(huán)以減小接觸電阻；動(dòng)、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(duì)該斷路器主回路觸頭系統(tǒng)進(jìn)行溫度場(chǎng)計(jì)算并與溫升試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，說明了仿真計(jì)算結(jié)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(duì)主、弧觸頭接觸電阻不同占比下進(jìn)行溫升仿真，分析了主、弧雙檔觸頭的接觸電阻占比分布對(duì)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(dāng)發(fā)熱量與散熱量相等時(shí)，斷路器主回路就處于熱穩(wěn)定狀態(tài)，溫度不再發(fā)生變化[2]。對(duì)發(fā)熱與散熱機(jī)理進(jìn)行合理有效的分析是準(zhǔn)確計(jì)算穩(wěn)態(tài)溫升的必要條件。發(fā)熱的研究是分析熱源，確定不同熱源仿真時(shí)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(fā)生方式，最終得出精度較高的溫升仿真結(jié)果。

1.1 熱源分析

1）主回路導(dǎo)體固有電阻

斷路器的主回路導(dǎo)體部件是發(fā)熱體，損耗所產(chǎn)生的熱量使導(dǎo)體溫度升高并向周圍介質(zhì)散熱[3]。這種導(dǎo)體固有電阻帶來(lái)的焦耳熱在仿真分析中通過對(duì)各導(dǎo)電結(jié)構(gòu)賦予電阻率來(lái)實(shí)現(xiàn)。斷路器主回路在承載工作電流時(shí)，電阻發(fā)熱功率為：

式中：——電流；

——斷路器導(dǎo)電回路電阻。

式(1)說明斷路器的發(fā)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(chǎn)生的熱量會(huì)大量升高，導(dǎo)致斷路器在需在體積上變的龐大，這對(duì)電力設(shè)備空間利用率很不利。因此，有必要設(shè)計(jì)合理的斷路器觸頭系統(tǒng)來(lái)降低斷路器主回路溫升。

2）接觸電阻

除了觸頭系統(tǒng)導(dǎo)體固有電阻之外，動(dòng)、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(dǎo)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(duì)于整個(gè)溫度場(chǎng)的準(zhǔn)確分析至關(guān)重要。

兩檔觸頭結(jié)構(gòu)存在兩種接觸電阻的導(dǎo)電橋?；∮|頭接觸方式為線接觸，建立接觸電阻導(dǎo)電橋尺寸為6 mm×2 mm×0.5 mm（長(zhǎng)×寬×厚）長(zhǎng)方體；主觸頭為滾輪結(jié)構(gòu)，動(dòng)主觸頭弧面與靜主觸頭平面相切，建立導(dǎo)電橋模型見圖2所示。在仿真計(jì)算過程中，可以賦予導(dǎo)電橋不同的電阻率來(lái)調(diào)整接觸電阻數(shù)值大小。

圖2 主觸頭接觸電阻導(dǎo)電橋模型

1.2 散熱分析

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

1）熱傳導(dǎo)

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

2）熱對(duì)流

斷路器主回路觸頭系統(tǒng)外表面與空氣存在自然對(duì)流換熱，靠自然對(duì)流的形式在單位面積散發(fā)出的熱量，與冷卻介質(zhì)表面的溫度、冷卻介質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)，可按公式（3）計(jì)算：

3）熱輻射

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

當(dāng)認(rèn)為外側(cè)表面無(wú)限大時(shí)，即為對(duì)環(huán)境輻射，可以用來(lái)描述外表面向空氣中輻射熱量的過程。

根據(jù)上述分析，在數(shù)值計(jì)算時(shí)，發(fā)熱方面通過賦予主電路各部分導(dǎo)體材料及接觸電阻導(dǎo)電橋的電阻率，在確定的電流激勵(lì)下即可計(jì)算出電阻發(fā)熱；散熱方面，觸頭系統(tǒng)不同材料金屬賦予不同熱導(dǎo)率，而導(dǎo)體表面通過自然對(duì)流和輻射散熱，采用綜合散熱系數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

2 仿真分析及試驗(yàn)對(duì)比

2.1 有限元模型網(wǎng)格劃分

精確的模型建立以及良好的網(wǎng)格質(zhì)量是有限元分析中計(jì)算結(jié)果精確度的基本保證因素?？紤]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(wǎng)格均進(jìn)行了局部細(xì)化；斷路器主回路進(jìn)出線母排處網(wǎng)格劃分相對(duì)較為稀疏，可提高運(yùn)算速度。

2.2 參數(shù)確定

在對(duì)斷路器主回路觸頭系統(tǒng)進(jìn)行熱穩(wěn)態(tài)仿真分析時(shí)需要確定以下參數(shù)：查找相關(guān)文獻(xiàn)資料可知，主回路金屬材料熱物性參數(shù)見表1（僅列舉紫銅材料的熱物性參數(shù)）；根據(jù)對(duì)斷路器樣機(jī)實(shí)際測(cè)量得到主要參數(shù)見表2 。

表1 紫銅的熱物性參數(shù)

表2 電氣性能參數(shù)(實(shí)測(cè)約值)

2.3 額定1500 A溫升分布

對(duì)斷路器主回路觸頭系統(tǒng)模型進(jìn)行熱電耦合計(jì)算分析（對(duì)主回路施加1500 A電流），經(jīng)仿真運(yùn)算，斷路器主回路在環(huán)境溫度為20℃時(shí)的溫度場(chǎng)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(jìn)、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(diǎn)溫升為41.2 K；溫升值最低處于右側(cè)靜主觸頭出線端子處，最低溫升為39.3 K，并且溫升值以動(dòng)靜觸頭接觸處開始向靜主觸頭進(jìn)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(dǎo)致發(fā)熱功率較大，而此處是被封閉在一定的空氣中，對(duì)外散熱率不高，熱量主要以熱傳導(dǎo)的形式通過進(jìn)出線銅排向外散熱。對(duì)于靜主觸頭進(jìn)出線銅排處的溫升，通過云圖可以看出上進(jìn)出線銅排處的溫升值在39～42 K范圍內(nèi)。

2.4 溫升試驗(yàn)對(duì)比

為了確定上述熱電耦合法進(jìn)行的溫度場(chǎng)數(shù)值計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，本文對(duì)該斷路器樣機(jī)在試驗(yàn)室進(jìn)行了額定電流1500 A下穩(wěn)態(tài)溫升摸底驗(yàn)證，試驗(yàn)前測(cè)得觸頭系統(tǒng)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(huán)境溫度19.3℃），得到了如下表3所示的溫升試驗(yàn)數(shù)據(jù)，其結(jié)果與上述仿真云圖基本吻合，誤差均在5℃以內(nèi)，說明仿真計(jì)算準(zhǔn)確可靠。

圖5 斷路器溫升試驗(yàn)測(cè)量點(diǎn)位置示意圖

表3 1500 A額定溫升試驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.5 接觸電阻占比對(duì)溫升影響

由前述可知，斷路器主回路觸頭系統(tǒng)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(duì)斷路器溫度場(chǎng)的影響。以該斷路器樣機(jī)的實(shí)際測(cè)量總接觸電阻15 μΩ為基準(zhǔn)，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(diǎn)溫升、進(jìn)線端溫升、出線端溫升與主/弧觸頭接觸電阻比值之間的關(guān)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(shì)，主、弧觸頭接觸電阻比值大約為2:5時(shí)，斷路器最高點(diǎn)溫升相對(duì)最低，為43.2 K。當(dāng)總接觸電阻一定，若主觸頭接觸電阻遠(yuǎn)大于弧觸頭接觸電阻時(shí)，溫升較高且最大溫升值達(dá)到了82.9 K。

圖6 斷路器溫升與主、弧觸頭接觸電阻比值關(guān)系

3 結(jié)論

本文通過對(duì)某型直流斷路器觸頭系統(tǒng)（主、弧雙檔觸頭）進(jìn)行溫度場(chǎng)仿真計(jì)算分析及樣機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證，得到了以下結(jié)論：

1）提出一種主、弧雙檔觸頭系統(tǒng)。主觸頭主要承載工作電流，弧觸頭用來(lái)接通與分?jǐn)嚯娏鳌?/p>

2）通過觸頭系統(tǒng)溫升仿真與試驗(yàn)的對(duì)比，驗(yàn)證了溫度場(chǎng)仿真計(jì)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(shè)計(jì)及分布合理，有利于降低最高點(diǎn)溫升。

本文提出的主、弧雙檔觸頭穩(wěn)態(tài)溫升仿真研究方法，從理論分析到仿真計(jì)算，最終通過試驗(yàn)驗(yàn)證，得出的規(guī)律可為今后相似斷路器觸頭結(jié)構(gòu)的研究提供參考。

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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