董華軍,趙一鑒,時佳,2,何晨陽

(1.大連交通大學 機械工程學院,遼寧 大連116028;2.遼寧機電職業(yè)技術(shù)學院 自動控制工程系,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,熱量主要通過導線供電桿傳導到外部,不進行空氣對流式的散熱,散熱效果差,嚴重影響零部件的機械強度和絕緣強度[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的關(guān)鍵。

在前期研究中,學者們一般通過電磁-溫度解析法求解設(shè)備溫升分布,但對擁有復雜結(jié)構(gòu)的一些設(shè)備,利用解析法計算溫升非常困難。隨著計算機仿真技術(shù)的發(fā)展,溫度場的數(shù)值算法得到推廣,主要有有限元法和有限體積法[2],例如在隔離開關(guān)溫度場的研究中可通過磁熱耦合的有限元法計算其溫升分布[3-4],但在分析過程中容易忽略對流的影響,將對流傳熱等效為熱傳導,導致溫升分布與實際差別較大。在真空斷路器的溫度場研究中,有學者通過試驗的方法得到了真空斷路器溫升的大致分布[5]。基于此,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。

近年來我國針對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電回路的加熱過程的研究相對較少,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算可降低試驗的成本和時間,可使生產(chǎn)后的真空滅弧室直接投入使用。本文通過SolidWorks軟件建立真空滅弧室導電回路3D模型,利用ANSYS Workbench軟件,采用渦流場-溫度場耦合法對額定電流狀態(tài)下導電回路的溫升進行仿真計算,并根據(jù)仿真結(jié)果對觸頭結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化,對新模型按照觸頭材料為CuCr50和CuCr10分別進行仿真,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關(guān)系統(tǒng)的核心,又稱真空管或真空開關(guān)保護管,見圖1。其基本零部件主要包括動/靜觸頭、絕緣外殼、屏蔽罩和波紋管。

本文采用SolidWorks[7-8]軟件來建立導電回路3D模型。將繪制好的草圖生成具有三維實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完成各個零部件模型的建立。最后將已建立好的零部件模型導入裝配體界面。設(shè)置每個零件的配合關(guān)系,將每個零件基于配合關(guān)系固定在一起,實現(xiàn)裝配體模型的建立。建立的真空滅弧室導電回路3D模型見圖2所示。

圖1 真空滅弧室結(jié)構(gòu)

圖2 真空滅弧室導電回路3D模型

2 ANSYS Workbench仿真分析

溫度場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 渦流場仿真分析

利用ANSYS Electronics Desktop軟件選擇渦流場仿真分析,導入仿真模型后進行材料屬性的定義[9]。觸頭杯座和動、靜導電桿選用高傳導性的銅材料,觸頭片材料選用具有較好熱塑性和熱傳導性的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電桿端面添加的初始電流流入和流出的方向。通過仿真分析得出觸頭系統(tǒng)的歐姆損耗為150.27 W,仿真添加的激勵電流為2 200 A,根據(jù)公式即可求出導體電阻的計算值為31.048 μΩ。

2.2 溫度場仿真分析

首先導入熱源,ANSYS Workbench可以實現(xiàn)Maxwell與穩(wěn)態(tài)熱分析的數(shù)據(jù)交互,在ANSYS Electronics Desktop中進行損耗計算,將傳遞至穩(wěn)態(tài)的熱分析作為熱源,進而進行溫度場的仿真分析。其次進行模型材料定義[10-11],觸頭杯座和動、靜導電桿的材料是銅,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。溫度場分析需要用到材料的熱導率。

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

圖3 真空滅弧室的溫升特性

3 優(yōu)化分析

3.1 溫度場的影響因素分析

(1)觸頭片接觸點直徑。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,觸頭片接觸點直徑越大。假設(shè)改變接觸壓力使得等效接觸點直徑分別為2、3、4、5、6 mm,對這5個接觸直徑尺寸分別進行渦流場-溫度場仿真分析,仿真結(jié)果見圖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。觸頭杯壁的厚度對真空滅弧室的溫升有一定的影響,改變杯壁厚度的同時可改變內(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)杯壁螺旋開槽長度。杯壁螺旋開槽長度對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槽長度,仿真結(jié)果見圖6。

圖6 最高溫升與觸頭杯座開槽高度的關(guān)系

(4)導電桿的半徑。動、靜導電桿半徑的變化將會直接影響到導電桿的電阻,進而影響溫升。通過改變動、靜導電桿的半徑來探究其與溫升特性的關(guān)系,仿真結(jié)果見圖7。

圖7 最高溫升與動靜導電桿半徑的關(guān)系

3.2 觸頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化

由溫度場仿真結(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,同時增大觸頭片圓角的半徑至4 mm;觸頭杯座開槽螺旋線高度由20 mm減小為15 mm,即降低了觸頭杯座的螺旋開槽長度。優(yōu)化后的模型見圖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)化后的仿真模型進行渦流場-溫度場的仿真分析,仿真的結(jié)果見圖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,其電導率為4.6×107S/m、透磁率為0.999 991、熱導率為342 W/(m·K)[14]。其他材料屬性不變,再對優(yōu)化后的仿真模型進行渦流場-溫度場的仿真分析,分析結(jié)果見圖10。

圖10 觸頭材料為CuCr10優(yōu)化模型的溫升特性

通過比較上述兩種材料仿真后的溫升特性可知,由于CuCr10的電導率遠大于CuCr50,所以當觸頭片材料采用CuCr10時,其溫升遠低于觸頭片材料為CuCr50時的溫升。對此優(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額定電流進行仿真。由此可知當觸頭片材料采用CuCr10時,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,但是過大的接觸壓力可能會導致機械結(jié)構(gòu)的損壞,因此設(shè)置仿真的接觸直徑不宜過大。

(2)真空滅弧室的溫升會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的變化過程中最高溫升的下降趨勢比較明顯。

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

(4)動、靜導電桿半徑的變化將會直接影響到導電桿的電阻,進而影響溫升。但從仿真結(jié)果可知導電桿的半徑太大對降低溫升的作用不大,并且過大的直徑還會增大整體機構(gòu)的負荷。

(5)觸頭片材料也會影響真空滅弧室的溫升,將觸頭片材料由CuCr50改為CuCr10,由于CuCr10的電導率遠大于CuCr50,仿真結(jié)果表明觸頭片材料為CuCr10時溫升遠低于觸頭片材料為CuCr50時的溫升。