基于熱仿真的軌道交通電連接系統載流能力研究

曾 輝，李 曉，陳俊杰，周怡琳

（1. 中車青島四方車輛研究所有限公司，山東青島 266112；2. 北京郵電大學人工智能學院，北京 100876；3. 北京郵電大學自動化學院，北京 100876）

1 研究背景

伴隨著軌道交通系統的發展，對列車提速以及車載設備功能提升的需求不斷增加。功率的增加需要提升輸入電流的大小，使得電流傳輸線路中的連接器和線纜系統的熱可靠性面臨著嚴峻的考驗。電連接系統的熱源主要來自線纜體電阻和連接器接觸電阻產生的焦耳熱。線纜體電阻主要取決于線纜材料和截面積選型，不同規格的線纜有相應的載流能力范圍。由于機械振動、大氣腐蝕等因素，在隨軌道車輛運行的過程中，連接器的接觸電阻會逐漸退化，進而由于焦耳熱造成局部溫度過高，可能導致熱失效，影響系統可靠性。因此，對軌道交通中電連接系統進行基于熱分析的載流能力研究具有重要的實踐指導意義。

目前針對連接器的熱設計和熱失效分析主要都是基于有限元仿真和實驗驗證結合的方法。楊妮[1]利用有限元軟件在設計初期對電源連接器的溫升性能進行仿真分析并和試驗結果進行對比，為設計提供理論依據。許成彬[2]等建立高溫電連接器的三維仿真模型，利用有限元軟件得到其接觸處溫度隨時間的變化規律，并通過測試驗證有限元熱分析的正確性。E. Carvou[3]等以電源連接器為對象，對其熱演化過程進行研究，利用ANSYS有限元軟件建立數值模型，并求解過渡模式下的傳熱微分方程，在數值模擬中引入接觸熱導和電導，得到接觸電阻和接觸溫度值，并通過實驗進行驗證。Wang和Xu[4]針對洗衣機中小功率連接器熱失效進行有限元熱分析，研究發現鍍錫與鍍鎳觸點在振動中界面發生微動磨損和腐蝕造成焦耳熱溫升，加速了彈性材料應力松弛，造成接觸壓力降低，接觸電阻進一步升高，最終導致觸點熔焊問題的發生。呂超[5]等以儲能系統中的鋰離子電池包為研究對象，利用ANSYS 仿真軟件得到電池單體溫度分布，并通過與實驗測量的結果對比驗證所建立的仿真模型的準確性。高成[6]等以Y2型宇航分離脫落電連接器為研究對象，基于ANSYS軟件對電連接器模型進行熱電耦合仿真分析，得到電連接器在不同環境溫度下的內部溫升及溫度分布規律，并研究芯數、工作電流及接觸電阻對電連接器溫升的影響，發現電連接器內部溫升隨這3個影響因素的增大而增大。賀占蜀[7]等采用ABAQUS軟件對接觸件進行插拔力與溫升仿真，研究接觸件結構參數彈舌傾角和彈舌支撐間隙對插拔力的影響以及導線截面積和電流對溫升的影響，并通過實驗研究插拔力和溫升的變化情況。

在電連接系統熱失效中，研究的焦點多為連接器觸點自身性能變化對溫升的作用，但線纜作為傳導熱量通路和另一個熱源，對于電連接系統的整體溫升同樣具有不可忽視的作用。對于線纜體電阻對電連接系統溫升的影響，主要考慮與電力系統的額定電流相匹配的線纜截面積的選取，國際標準IEC 60439-1：2020 《低壓開關設備和控制設備組件 第 1 部分：通則》[8]中有較為明確的規定。M. Blauth等[9]假設連接器在僅通過線纜熱傳導散熱的條件下，熱流被作為一個設計因素，以便定義具有不同橫截面積的線纜的最大功率損失。通過這種方法，與不同線纜尺寸配合的連接器最大可接受電阻可以在設計過程的早期階段進行估計。對于線纜熱學特性的研究主要涉及到溫度場分布和載流量的研究。呂安強[10]等以XLPE絕緣線纜為對象，進行熱電耦合有限元分析，通過穩態和暫態熱力學計算，獲得電纜在不同夾具下的載流量和熱時間常數，通過計算不同夾具材料和間隔下的電纜溫度，得到導體溫度在徑向和軸向的分布規律，并獲得夾具材料和間隔距離與電纜導體溫度的關系函數。

本文針對軌道交通列車用的三相電機連接器，建立連接器及配合線纜仿真模型，通過有限元熱電耦合場仿真，結合實際工況下的載流溫升實驗，修正模型熱仿真參數。進而研究額定工況條件下，連接器與線纜系統的溫度場分布規律；分析不同規格線纜、不同接觸電阻對溫度場分布的作用特性；并探討三相電機連接器與現使用的線纜配合時的極限載流能力和接觸電阻退化的極限條件。

2 電連接器系統熱仿真建模

通過對三相電機連接器與120 mm2截面規格的線纜系統進行熱仿真建模，結合相同條件下的載流溫升實驗，校正仿真模型的熱對流系數。

2.1 電連接器系統材料特性

在進行仿真之前，需要分析三相電機連接器和線纜系統的主要組成部分所用材料特性，分別如表1和表2所示。

表1 電連接系統材料參數表

表2 電連接器系統配套線纜相關參數

2.2 建立模型

首先將三相電機連接器模型導入SolidWorks建模軟件，繪制3根截面積為120 mm2的圓柱形線纜，完成線纜與三相電機連接器的連接。然后將模型導入到Design Modeler編輯器中，建立三相電機連接器與120 mm2規格的線纜組成的電連接系統的有限元模型，三相電機連接器和線纜系統的電流路徑如圖1所示。無論是插針與插孔接觸區的接觸電阻，還是線纜自身體電阻，通電過程中，電流將完全流經所有導體。

3 電連接系統熱電耦合仿真

在額定電流載荷下對三相電機連接器和120 mm2規格的線纜組成的電連接系統進行熱電耦合仿真溫度分布計算，并通過與同樣型號的連接器和線纜的載流溫升實驗結果對比，對仿真模型中的連接器外殼和線纜部分與空氣的對流換熱系數進行迭代調參。

3.1 熱電耦合仿真

三相電機連接器和線纜系統的熱電耦合仿真主要包括前處理、施加載荷及設置邊界條件、后處理查看仿真結果3個步驟。在前處理過程中，參考表1和表2完成材料參數設置后進行網格劃分，如圖2所示，對溫度變化影響大的連接器部分進行加強細化處理。劃分網格之后，開始施加電流、電壓載荷，如圖3所示。

連接器載流溫升實驗中使用的三相電機連接器樣品的實際接觸電阻測試數據為0.034 mΩ，計算得180 A工作電流下的熱功率為1.102 W。在冠簧與插針的接觸區域上施加該發熱功率。

線纜規格為120 mm2的三相電機連接器外殼部分與線纜部分的對流換熱系數均先設置成5 W/（m2·℃），再根據載流溫升實驗結果對其分別進行修正。環境溫度的設置與載流溫升實驗保持一致，設置為25℃。

3.2 熱對流系數修正及溫度分布云圖仿真

連接器和線纜系統的載流溫升實驗結果檢測出連接器尾端與線纜的壓接處溫升為17.1 ℃，經溫升實驗修正后線纜部分對流換熱系數為9.3 W/（m2·℃），連接器外殼對流換熱系數為6.9 W/（m2·℃）。

然后計算線纜規格為120 mm2的三相電機連接器系統的熱電耦合仿真溫度分布云圖如圖4所示。

4 電連接系統溫度場影響因素

4.1 線纜規格變化對系統溫升的影響

將截面規格分別為35 mm2、50 mm2和120 mm2的線纜與三相電機連接器系統在額定工況180 A電流下進行熱電耦合仿真，分析線纜尺寸對電連接系統溫度場分布的影響。以線纜規格為50 mm2的三相電機連接器在額定工況條件下的溫升仿真結果為例，在連接器和兩側線纜上取11個特殊位置（分別為a、b、c、……、k），如圖5所示，并將這11個位置的溫升變化曲線放在同一圖中對比，結果如圖6所示。

由圖6可知，由于熱源主要由線纜體電阻焦耳熱和接觸電阻焦耳熱構成，所以最高溫升均發生在接觸點上。線纜截面積從120 mm2降低到35 mm2時線纜距接觸點遠端（a、k）的溫升由 11 ℃顯著升高到40 ℃，說明線纜體電阻對三相電機連接器系統的整體溫升影響大。接觸點最高溫升高于線纜遠端溫升14～16 ℃，說明接觸電阻對觸點局部溫升影響顯著。由于接觸點散熱主要靠線纜熱傳導，溫升隨離開接觸點距離降低較快，在離開接觸點30 cm處的溫升基本平穩。

3種線纜截面積對應的連接器接觸點最高溫升和線纜遠端溫升的變化曲線如圖7所示。線纜規格為35 mm2的三相電機連接器比線纜規格為50 mm2的連接器最大溫升約高12.9 ℃，而線纜規格為50 mm2的連接器比規格為120 mm2的連接器最大溫升約高16.5 ℃，說明線纜的截面積越大，連接器最大溫升呈近似負指數函數規律減小。連接器最大溫升ΔT1與線纜截面積S的擬合函數表達式見式（1），擬合優度R2= 0.97，e為自然常數。

線纜規格為35 mm2的三相電機連接器比線纜規格為50 mm2的連接器的線纜尾端溫升約高13.7 ℃，而線纜規格為50 mm2的連接器比規格為120 mm2的連接器最大溫升約高14.2 ℃，說明線纜截面積越大，線纜遠端溫升呈近似負指數冪規律減小。線纜遠端溫升ΔT2與線纜截面積S的擬合函數表達式見式（2），擬合優度R2= 0.97。

結合3種不同規格線纜和三相電機連接器系統在額定工況下的溫升仿真結果，說明線纜的截面積對電連接系統的整體溫升起關鍵作用，而接觸電阻對局部溫升的影響較關鍵，載流容量受2個因素的綜合作用。

線纜規格為120 mm2和50 mm2的三相電機連接器系統在額定工況180 A電流下的最大溫升分別為25.2 ℃和41.7 ℃，未超過溫升標準55 ℃，載流余量較大。而線纜規格為35 mm2的三相電機連接器系統在額定工況180 A電流下的最大溫升為54.6 ℃，幾乎沒有余量，不能使用。

4.2 接觸電阻變化對系統溫升的影響

以線纜規格為50 mm2的三相電機連接器為例，通過改變接觸電阻的大小來判斷接觸電阻對電連接系統溫升的影響程度。分別選用0.034 mΩ（載流溫升實驗中連接器的接觸電阻），0.058 mΩ（設計標準值），0.080 mΩ（中間對照值），0.107 mΩ（額定工況下不使連接器最大溫升超過溫升標準的臨界值）4種不同大小的接觸電阻進行電連接系統溫升仿真對比。4種情況下每個接觸對的接觸電阻發熱功率分別為1.102 W，1.879 W，2.592 W，3.467 W。溫升數據的提取位置與圖5相同。4種情況下三相電機連接器系統不同位置的溫升變化趨勢對比如圖 8所示。連接器最大溫升及線纜尾端溫升隨接觸電阻變化曲線如圖9所示

由圖8和圖9可知，當接觸電阻值由0.034 mΩ升至0.107 mΩ時，連接器接觸區最大溫升由35.0 ℃升至55.0 ℃，增大近20 ℃，而距壓接點30 cm以外的線纜遠端部分的溫升由27.2 ℃升至29.8 ℃，溫升變化僅在3 ℃內。連接器最大溫升ΔT3及線纜尾端溫升ΔT4隨著接觸電阻Rc的增大呈線性增大的趨勢，且ΔT3的變化趨勢更快，而ΔT4則更緩，2條擬合直線的函數表達式見式（3）和式（4），擬合優度R2分別為0.99和0.97。

研究結果表明，接觸電阻的變化主要對接觸區及周邊小范圍（±30 cm）溫升影響顯著，對線纜系統的整體溫升變化影響不大。

5 載流能力及接觸電阻退化極限條件

為進一步探究三相電機連接器與50 mm2線纜配合的電連接系統載流能力及接觸電阻退化極限，通過設置特征參數的優化方法，分別估計其達到溫升標準極限時的最大載流量以及在額定工況下允許的臨界接觸電阻退化程度。經仿真計算，線纜規格為50 mm2的電連接器系統的最大載流量為206.5 A，與額定工況相比，留有約26.5A的載流余量（14.7%），因此線纜規格為50 mm2三相電機連接器在額定工況下不會產生熱失效，其臨界接觸電阻0.10 mΩ與標準接觸電阻0.058 mΩ相比，還留有近1倍的退化量。綜上，線纜規格為50 mm2的三相電機連接器在額定工況下能正常使用，且有較充足的余量。

6 結論

為探究軌道交通系統增容對電連接系統熱可靠性的影響，文章以三相電機連接器-線纜系統為例，采用有限元熱電仿真方法，結合電連接系統載流溫升實驗結果，修正仿真模型中連接器外殼和線纜外表面的對流換熱系數，從而研究電連接系統的溫度場分布特性、線纜截面規格和接觸電阻變化對電連接系統溫升的影響。

研究結果表明，隨著線纜截面積的增大，電連接系統連接器觸點最大溫升及線纜遠端溫升均呈負指數函數規律減??；隨接觸電阻增大，連接器觸點最大溫升及線纜遠端溫升均呈線性函數規律增大，但接觸電阻主要影響觸點及周邊小范圍溫升。通過對電連接系統載流能力及接觸電阻退化極限條件分析，線纜規格為50 mm2的連接器在額定工況下載流余量較大，能夠安全使用，而線纜規格為35 mm2的連接器載流余量極小，無法保證使用過程中的可靠性。