基于ANSYS的直流断路器温度场数值分析

刘树华 ，乐洪有 ，骆文平



基于ANSYS的直流断路器温度场数值分析

刘树华1，乐洪有2，骆文平2

（1.海军驻武汉712所军事代表室，武汉430064； 2.武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）

温升作为断路器的考核指标之一，对断路器的性能有着重要影响。笔者以某型4000A直流断路器为研究对象，通过对热源激励和传热规律进行分析后建模，经ANSYS热电耦合仿真获得了断路器的稳态温度场分布，并与试验结果对比基本吻合。随后，分析了散热器材质和触头接触电阻对断路器温度场的影响，该项研究成果对断路器的热力设计具有一定的参考意义。

温升 直流断路器 热电耦合 接触电阻

0 引言

随着直流断路器理论研究的不断深入，断路器正在向着大容量、小型化方向发展，使用寿命和可靠性要求也在不断提高，以满足用户更为苛刻的使用需求。显然，这将使得断路器热功率密度日益提高，如果不采取有效的散热方式，断路器温升必然加剧，这将对其机械寿命和电气寿命产生重大影响。实际应用中，断路器因触头、外接端子等局部温升过高造成的故障屡见不鲜[1-4]。因此，断路器温升问题已经引起了国内外同行的普遍重视，西安交通大学余小玲等从断路器导电杆半径、触头触点半径和位置等方面对真空断路器温升的影响进行了仿真分析[5]。M. Lindmayer在考虑导电回路电阻、热阻受温度影响的条件下，对低压断路器进行了热分析，但是接触电阻的处理有待改进[6]。Weichert则针对一种电机使用的断路器做了三维热分析，并在接触电阻的处理上做出了有益贡献[7]。尽管如此，关于断路器热值分析的精确性仍有待提高，影响断路器温升的因素研究也并不全面。故此，本文将针对某型直流快速断路器进行稳态热分析，并将针对影响温升的一些因素进行研究，以对断路器的热设计提供参考。

1 直流快速断路器热源激励及传热分析

断路器作为电力系统中重要的过载保护设备，额定电流下的稳态温升是表征其性能的重要指标之一。如果断路器某些部位温升过高，将使得相应部件机械寿命降低，绝缘加速老化，对于可动触头部位甚至发生熔焊等问题。因此，对于断路器产品都有一定的温升考核标准，对其温升过程进行分析就显得极为必要。由于断路器的热功率是内部热源激励与对外散热共同作用的结果，故而对其进行温升分析也就主要从确定内部热源与散热条件两个方面进行。

1.1热源的分析

图1所示为某型4000A直流快速断路器样机的热分析模型。该样机动导电杆与出线通过销和软连接连接在一起，可在相应电磁机构的驱动下通过旋转实现触头的分合操作，既未对动导电杆的运动产生明显影响，又显著削弱了相应位置的接触电阻。该样机热分析模型中，散热器为铝制，触头材料为银镍合金，其余部分均为纯铜制造。

导体因自身电阻而产生的焦耳热无疑是断路器主要内热源之一，在仿真中可以通过为各导电构件赋予相应的电阻率而准确计算。对于既定导体，其材料属性、截面尺寸等均已确定，故而可以准确获得导体内部电流密度分布，通过导体电阻率即可求得相应构件的热功率分布。

接触电阻是影响断路器温升的另一核心要素，也是进行热分析的基础。对于图示模型，当动静触头通过面接触进行电能传递时，由于触头接触面不可避免的存在微观的凹凸不平度，电流只能经由无数分散的接触点流过，故而在触头接触面上形成了诸多电流流束，这就使得触头接触面上产生了一附加电阻，即所谓的“收缩电阻”。如果接触面上因为氧化等原因产生了薄膜，则还存在“膜电阻”，这两种附加电阻之和即可视为触头间的接触电阻。显然，接触电阻与接触压力、接触面粗糙度、接触形式、材料性质等多种因素有关，实际上无法由解析法获得。工程上虽然也有各类针对接触电阻的经验公式，然而用起来并不方便。考虑到该样机触头以及销连接等处均为面接触，故可采用导电薄层法对相应接触电阻予以处理。以使原模型尽可能不发生变动又不显著增加有限元计算的负担为原则，触头处薄层厚度取为0.6 mm，销连接处薄层厚度取为1 mm，如图2所示。

1.2传热条件的确定

由于该断路器直接处于空气环境中，其既有内部的热传导，也有和周围环境之间进行的对流换热和辐射换热。

1.2.1导体内部的热传导

由于断路器内各处温度并不相同，在温差的驱使下，热流将由高温处沿着热导体向低温处传递，这一过程遵循傅里叶传热定律：

(1)

1.2.2导体表面与环境的对流传热

本文所分析的断路器，其导电回路所有表面基本都裸露在空气中，故而以自然对流换热的方式将热量散发到周围环境中，此过程遵从牛顿冷却方程：

1.2.3导体表面的辐射换热

当导体表面温度处于100℃以下时，导体表面的辐射换热量与自然对流换热量几乎处于同一数量级[9-10]，此时辐射换热不可忽略。辐射换热量可由Stefan-Boltzmann定律表述：

2 仿真分析及其试验验证

此直流断路器额定电流为4000 A，因为仅取1/2模型进行分析，故对其加载2000 A的电流即可。经仿真运算，断路器的温度场云图和电流密度场云图分别如图4、图5所示。如前所述，触头部位和销连接处均具有较大的接触电阻，然而经由销连接流过的电流相对极少，故销连接处集中产生热量相对于触头部位轻微很多，相应位置也并无温度骤增现象。触头处因具有较大接触电阻，电流密度相对极大，故而集中产生热量很多，必然成为断路器温升最高部位。由此可见，欲改善断路器温升状况，设法降低断路器触头部位的接触电阻将成为有效着力点。

为了定量得知样机额定状态下的温升分布，特提取了图1中被标注6处的温度值，具体见表2所示。为了验证数值分析的准确性，对断路器进行了额定电流下的稳态温升试验。图6给出了这6处温升检测点的试验值，并与相应仿真值进行了对比。显然，各检测处的仿真误差均处于5℃以内，这在工程上是允许的。

3散热器材质及接触电阻对断路器温升的影响

3.1散热器材质对断路器温升的影响

铜和铝均是热和电的良导体，就导热系数而言，在-100℃至600℃范围内，铜的导热系数基本上是同温下铝的导热系数的1.63倍以上，电阻率则总是要低于铝。这表明，断路器如果改铝制散热器为铜制散热器，将有利于加强导热，同时也会轻微降低相应处热功率，这都将促使断路器温升降低。为此，在相同仿真环境下，仅将断路器所有散热器由铝制改为铜制，仿真所得温度云图如图7所示。

显见，断路器触头处的最高温度仅降低了1.322℃，其它部位温度降低幅度也很低，这说明将散热器由铝制改为铜制带来的温度场改变极为有限，而铜的价格却显著高于铝，亦即使得产品成本明显增加。因此，在散热器的取材上应以铝材为佳。

3.2接触电阻对断路器温升的影响

由前述易知，断路器触头接触电阻显著影响着断路器的温度场，为此有必要探寻接触电阻与断路器温度场之间的关系。以该样机触头的实际接触电阻为基准，定义无量纲接触电阻为接触电阻与基准电阻的比值，则断路器最高温度、进线端温度、出线端温度与触头无量纲接触电阻之间的关系如图8所示。可以看出，断路器温度随触头接触电阻的增加而线性增加，触头部位温升增加幅度最为显著，越远离触头部位，温度增加幅度越小。根据相关标准，断路器触头温升是断路器温升试验考核的重要指标，为此在断路器设计时须尽可能地降低触头接触电阻。

4 结论

断路器温升是其设计过程中的重要考量指标之一，笔者以4000A直流快速断路器为研究模型，基于ANSYS热电耦合仿真完成了对其温度场的分析，并通过试验验证了仿真结果的有效性，得出结论如下：

1) 对于面接触的触头接触电阻，可以通过设置薄层并赋予一定的电阻率来模拟，薄层设置应以不过分增加计算负担又不改变原结构为原则。经试验验证，这样处理接触电阻是合理有效的。

2) 制散热器相比，铜制散热器并不能使断路器温升明显下降，却反而增加了断路器的制造成本，故在断路器设计时，在导电回路中起导电作用轻微的构件应该尽可能选择铝材。

3) 接触电阻对断路器温度场的影响极其显著，且影响规律呈现出线性关系，因此在设计时应采取优化触头结构、降低接触表面粗糙度、提高触头压力等措施，以尽可能地减小接触电阻。

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ANSYS - based Numerical Analysis of Temperature Field of DC Circuit Breaker

Liu Shuhua1, Le Hongyou2, Luo Wenping2

（1.Naval Representatives office in 712 Research Institute, Wuhan 430064, China; 2.Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064,China）

As one of the indicators of circuit breaker for performance check, temperature rise has an important influence on the performance of the circuit breaker. Regarding a 4000A DC circuit breaker as the research object and building a model after making a analysis about heat source and heat transfer law, the author obtains the steady-state temperature field distribution of the circuit breaker by thermoelectric coupling simulation based on ANSYS. The simulation analysis is consistent with the test results by comparison. Then, the author analyzes the influence of the temperature field of a circuit breaker from the material of the heat sink and contact resistance, which will have certain reference significance for the thermal design of the circuit breaker.

temperature rise; DC circuit breaker; thermoelectric coupling; contact resistance

TM561

A

1003-4862（2016）03-0045-05

20154-121-09

刘树华(1964-)，男，高级工程师。研究方向：舰船电气设备。