真空滅弧室溫升特性仿真分析

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.遼寧機電職業技術學院 自動控制工程系,遼寧 丹東 118009)

在真空環境中,真空滅弧室內幾乎只有熱傳導,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鍵發熱元件的溫升特性,是提高其耐熱性及可靠性等性能指標的關鍵。

在前期研究中,學者們一般通過電磁-溫度解析法求解設備溫升分布,但對擁有復雜結構的一些設備,利用解析法計算溫升非常困難。隨著計算機仿真技術的發展,溫度場的數值算法得到推廣,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],為優化其結構、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下導電回路的溫升進行仿真計算,并根據仿真結果對觸頭結構進行優化,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 真空滅弧室結構與建模

真空滅弧室是真空開關系統的核心,又稱真空管或真空開關保護管,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。設置每個零件的配合關系,將每個零件基于配合關系固定在一起,實現裝配體模型的建立。建立的真空滅弧室導電回路3D模型見圖2所示。

圖1 真空滅弧室結構

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軟件的穩態熱分析(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的歐姆損耗為150.27 W,仿真添加的激勵電流為2 200 A,根據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Maxwell與穩態熱分析的數據交互,在ANSYS Electronics Desktop中進行損耗計算,將傳遞至穩態的熱分析作為熱源,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。

最后選擇總體結構導入熱載荷,設定對流散熱系數為10 W/m2·℃,設置初始環境溫度為 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[12],接觸壓力越大,觸頭片接觸點直徑越大。假設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,仿真結果見圖4。

圖4 最高溫升與觸頭片接觸直徑的關系

(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系見圖5。

圖5 最高溫升與觸頭杯壁厚度的關系

(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,仿真結果見圖6。

圖6 最高溫升與觸頭杯座開槽高度的關系

(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系,仿真結果見圖7。

圖7 最高溫升與動靜導電桿半徑的關系

3.2 觸頭結構優化

由溫度場仿真結果分析得到優化方案: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。優化后的模型見圖8。

圖8 優化模型

3.3 不同觸頭材料仿真分析

保持觸頭片材料CuCr50不變,使用優化后的仿真模型進行渦流場-溫度場的仿真分析,仿真的結果見圖9。

圖9 觸頭材料為CuCr50優化模型的溫升特性

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,再對優化后的仿真模型進行渦流場-溫度場的仿真分析,分析結果見圖10。

圖10 觸頭材料為CuCr10優化模型的溫升特性

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。對此優化模型繼續采用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構的損壞,因此設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。