單點系泊用10.5 kV/600 A 中壓電滑環溫度場數值模擬分析

吳海紅，楊 健，王 屹，田志強，呂 斌

（1 中船九江精達科技股份有限公司，九江332000；2 海洋石油工程股份有限公司，天津 300000）

1 前言

浮式產油儲油卸油裝置（FPSO）是集海上原油開采、油氣分離、動力發電、供熱及裝卸等功能于一體的用于近海油汽開發綜合性原油裝卸的浮動式碼頭。單點系泊系統是FPSO 裝置最重要的系統之一，能夠實現電能及流體等介質的輸轉功能；中壓導電滑環是單點系泊系統的核心部件，擔負電力和通信信號傳輸任務，是FPSO 向附近設備供電的最重要的節點性機構[1-4]。

劉軍濤[8]對金基摩擦副進行了滑動電接觸規律的試驗研究，得到了法向載荷、滑動速度及電流對接觸電阻、摩擦系數及磨損率的影響規律；Reck B 等[5][6]提出了一種用于電連接器的三維多場耦合數值模型，以評估在不同載荷作用下電連接器接觸區域周圍的局部應力和溫度分布；周文韜[9]實現了導電滑環靜態的接觸力學特征的有限元建模，通過數值擬合的方法得到了法向載荷與真實接觸面積的規律，結合GW 模型及Archard 方程，對電滑環的服役壽命進行了預測；周蠡等[10]利用三維W-M 分形函數和有限元軟件多場耦合模塊構建粗糙表面接觸模型，揭示了接觸區域α 斑點的分布規律及α 斑點之間的相互作用，闡述了法向載荷作用下接觸區域的的力學、熱學及電學規律。

目前應用于單點系泊中壓電滑環的數值分析研究還相對較少，針對大電流、載荷壓力變化范圍大等惡劣服役環境下的電滑環數值模擬及相關研究也僅是針對單一因素的研究。本文對影響導電滑環的大電流（600 A），運用有限元軟件對電流溫度因素進行模擬分析。

2 理論基礎

在熱電耦合場分析中，需詳細建立分析對象的電流大小I 和傳輸材料物理參數R，再設置溫度場參數，將電流的庫倫定律產生的焦耳熱場和溫度場相互結合，實現電熱耦合場的求解。電熱耦合求解的核心算法，就是Maxwell 方程和歐姆定律下的數值方法，建立瞬態或穩態、線性和非線性因素下的電流焦耳熱應力和溫度分布數值分析方法[11]；在電接觸材料載流分析中，運用電荷守恒的基本原則和焦耳熱分析中電流恒定的假設。焦耳熱計算方程為：

式中：V 為任一控制載流發熱的體積；S 為接觸面積；n 為焦耳熱產生的接觸面外法向；J 為焦耳熱電流總和。

將公式（1）和（2）代入公式（3）中，并變換形式為:

就表示電流通過導體產生電能轉化為焦耳熱，即電能P 轉換為熱能Q，焦耳熱的計算公式為：

式中：ηv為能量轉換系數。

3 有限元模型的構建

參照《海上單點系泊裝置入級規范》建造要求，對10.5 kV/600 A 中壓電滑環進行電傳輸設計。主要由監測系統、電傳輸環路、驅動臂和外殼等部組件組成，如圖1 所示。

圖1 10.5 kV/600 A 中壓電滑環結構圖

中壓電滑環由多個環路結構軸系依次疊加組裝而成，每個環路均具備傳輸10.5 kV/600 A 的傳輸能力。為此，針對單一環路進行電熱溫度場的分析，對環路設計進行優化，進一步提升環路的接觸可靠性。

3.1 環路設計狀態

在中壓電滑環的環路電傳輸中，每個環路由4 個電接觸結構組成，每個電接觸結構由兩個側面接觸，如圖2 所示。

圖2 10.5 kV/600 A 中壓電滑環環路設計結構圖

將環路結構進行單獨的電熱分析，建立分析模型，如圖3 所示。

圖3 中壓電滑環有限元環路設計模型狀態

3.2 電熱分析假設

由于模擬計算條件的限制，對計算模型作如下假設：

（1） 在單點系泊中壓電滑環環材料（紫銅+AuCo貴金屬鍍層）/電刷（銅碳）的材料載流應用能力范圍內，各項物理參數保持穩定不變；

（2） 摩擦損傷過程中，滑動摩擦接觸界面穩定，中壓電滑環環材料（銅+AuCo）/電刷（銅碳）的摩擦系數穩定，符合焦耳熱的基本定律；

（3） 電流所做功均轉化為焦耳熱；

（4） 在模擬摩擦接觸過程中，視摩擦熱為理想惡劣工況，摩擦熱全部由電接觸傳輸結構吸收；

（5） 在溫度場的分析過程中，僅考慮了熱傳遞，不考慮熱輻射，各個接觸區域的熱傳遞視為相等的理想情況。

3.3 電熱分析邊界條件

環片材料選擇紫銅，并在紫銅表面進行AuCo 貴金屬鍍覆，進一步提升電接觸性能；電刷材料采用銅碳材料進行電接觸；中壓電滑環選用銅合金。

通過有限元軟件熱電耦合模塊對單點系泊系統中壓電滑環在電流作用下的總熱通量和溫度變化進行研究：電流分別為100 A、200 A、400 A 及600 A，模擬時長為1 s，具體的有限元設計參數見表1。通過不同的電流參數分析不同的溫度，進一步保障電傳輸的安全性和可靠性。

表1 參數設計表

采用Ansys workbench 進行材料參數設置、模型導入、材料參數選擇、網格劃分、電流設計、電壓設置和求解，完成了電熱的溫度場分析，并對模擬分析結果進行討論。

4 模擬計算結果與討論

根據上述邊界條件和計算參數，摩擦副施加電流載荷后，電流通過材料接觸界面會產生焦耳熱，熱量會導致材料的性質發生變化，這些因素對于接觸電阻均會產生影響。本研究采用熱電耦合的數值方法，研究單點系泊系統中壓電滑環及其摩擦配副接觸區域的溫度變化。

根據模擬計算結果顯示：滑環系統初始溫度值為25 ℃，通電時間1 s 后，隨著電流強度的增加，單點系泊中壓電滑環總熱通量快速增加，100 A 時最大熱通量為713 W/m2，200 A 時為2 852 W/m2，400 A 時為11 408 W/m2，600 A 時為25 669 W/m2；根據Q=I2Rt，電流所做功與電流強度的二次方成正比。

滑環系統初始溫度值為25 ℃，通電時間1s 后，隨著電流強度的增加，單點系泊中壓滑環溫度逐漸升高，100 A時最大溫度值為31.29 ℃，200 A時為43.63 ℃，400 A 時為64.65 ℃，600 A 時為114.2 ℃；根據ΔT=I2Rt/（m·c），最大溫度隨著電流增大而顯著增加，中壓滑環以及電刷的連接區域是溫度增加最明顯的區域，這是因為摩擦副之間的電接觸是是通過分布于接觸面上的α 斑點形成的，并且是摩擦副之間電流唯一的傳導路徑。電流通過這些接觸斑點時，由于通導面積減少，電阻值迅速增加，導致電流產生更多的焦耳熱，也使得接觸區域溫度增加更多。

中壓電滑環實際工作于電、熱物理場耦合的環境，引起溫升的主要有滑動速度和法向載荷下產生摩擦熱和電流產生的焦耳熱，中壓電滑環溫升主要來源于電流引起焦耳熱。本文主要開展了對不同電流條件下的焦耳熱進行比較，焦耳熱隨著電流的增加更明顯，當電流從100 A 增加至600 A，焦耳熱引起的溫度變化值從27.48 ℃增加至114.2 ℃，在溫升中所占比例從2.3%增至45.6%；

為此，通過數值分析，將接觸面積由300 mm2優化為450 mm2，溫度控制在80 ℃，極限工況下環路傳輸的溫度為78.43 ℃，在考慮到實際工況、熱輻射和熱對流，環路的溫度會較此模擬分析值低。

5 結論

本文利用有限元軟件的多場耦合數值模擬對單點系泊系統中壓電滑環的電熱溫度場分布進行了研究。中壓電滑環及其摩擦副產生的焦耳熱與電流的二次方成正比，隨著電流增加，焦耳熱迅速增加，并導致中壓電滑環工作溫度顯著增加，尤其因為接觸區域電流收縮效應，電刷與滑環接觸區域的溫升最為明顯。

結合實際的工作條件，回轉過程中600 A 穩定傳輸的電接觸面積至少要達到450 mm2，每組電刷組件均在回轉變化，考慮到電接觸位置主要由多個α 斑點形成，為了保障有效的電接觸面積，需選用硬度和表面粗糙度匹配的材料組合，提高有效接觸面積，降低接觸電阻異常導致的溫度升高，對于單點系泊系統中壓電滑環保持穩定可靠的工作狀態非常重要。