液态金属限流器稳态热分析

朱兆芳，骆文平，邹顺，杨晨光，任志刚



液态金属限流器稳态热分析

朱兆芳，骆文平，邹顺，杨晨光，任志刚

（武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）

针对液态金属限流器，本文介绍了液态金属限流器的稳态温升结构，以载流5000 A为目标，对该种结构的液态金属限流器进行热电耦合仿真。考虑接触面的接触电阻，本文求解了限流器各个部件的发热功率，然后以功率作为热载荷，对流散热表面使用综合散系数，对限流器的稳态温度场进行仿真分析，得到了满足要求的液态金属限流器结构。然后对该种结构的限流器进行稳态温升试验，通过监测监测点的温升得到其最大载流量，将仿真结果与试验结果进行对比分析，验证了仿真的合理性。该仿真方法及试验对液态金属限流器的设计具有一定的指导意义。

液态金属限流器 热分析 稳态温升试验

0 引言

随着电力系统不断发展，电网结构日趋复杂，其中直流电网由于故障电流扩展速度快，短路电流大，对断路器的开断能力提出了更加苛刻的要求。对此，限流器应运而生，大大降低了断路器的分断要求[1-4]。基于自收缩效应的液态金属限流器有自动检测限流、故障排除后可自恢复、填充介质友好、结构简单以及体积小的独特优点，在未来具有良好的应用前景[5-9]。

由于液态金属限流器串联在系统中，在正常工作时承担系统的额定电流，因此需要考虑在载流时的温度分布情况，务必满足标准规定。而目前对液态金属限流器的稳态温升仿真和试验的研究都较少，基于此，本文针对该液态金属限流器在承载额定电流时的稳态温升进行仿真分析，并且与试验结果进行对比。

1 液态金属限流器结构

液态金属限流器在正常时要求承载额定电流5000 A，温升不过允许值。图1所示为该液态金属限流器结构图，限流器主要由L型铜排、铜极、液态金属、中心隔板、环氧筒等组成，限流器的上下L型铜排分别与3 m长的母排相连接。

图1 液态金属限流器结构图

图1所示结构的液态金属限流器，液态金属填充在中心隔板与左右铜极之间，起到连接左右载流回路的作用。整个导电回路为电流从左母排流入，流经L型铜排、左铜极、液态金属、右铜盘、L型铜排，最后从右母排流出。可以看到，在隔板的中心孔处，液态金属的通流密度最大，发热最多，限制了整个限流器的最大载流量，因此需要得到合适的通孔直径值。

2 限流器的热分析方法

限流器正常载流状态时的温度场即为稳态热场。限流器的稳态热分析包含热源及热传递两部分。

限流器的热源包含整个导电路径上的导体产生的焦耳热，以及导体与导体接触表面的接触电阻产生的热量，一般接触电阻为2微欧。

限流器的热传递有三种方式，分别为热传导、热对流以及热辐射，而在200摄氏度以内的热场通常忽略热辐射的作用，只考虑热传导以及热对流。热传导遵循傅里叶定律：

热对流用牛顿冷却方程来描述：

式中，h为综合对流换热系数，T与T分别为固体表面的温度与周围流体的温度。

使用ANSYS对限流器进行稳态热分析，它表示热传递的微分方程为[10]：

相应的有限元平衡方程为：

式中，为热源，kxx、kyy、kzz分别为物体沿着x、y、z三个方向的导热系数。一般情况下物体为各向同性，因此三个方向的导热系数相同。

3 限流器温升仿真

限流器的最大温升不能超过国标规定值，如表1所示：

限流器的热源包括导体发热以及接触电阻生热。导体发热主要由导体的电阻率决定，一般会随着温度的变化而变化。该结构中铜与液态金属的电阻率会随着温度的变化而变化。对于接触电阻采用接触薄层法模拟，使用2mm厚的接触薄层，通过改变接触薄层的电阻率模拟接触发热量。结构中的固定螺栓接触有母排分别与左右L型铜排之间的接触、L型铜排与左右铜极之间的接触，取为2微欧。

限流器的热传递主要由物体的导热率与表面散热系数决定。物体的导热率为各向同性，同样会随着温度的变化而变化。表面散热系数的确定采用牛顿散热公式确定，根据经验值，综合对流换热系数一般在4~8 W/(m2﹒K)-1之间。

根据上述处理方式及相应参数，使用ANSYS workbench进行热电耦合仿真，首先计算在直流额定电流下的发热功率，然后将得到的发热功率作为生热载荷，添加分析对象的表面综合对流散热系数，进而进行热场仿真。

首先对限流器进行发热分析，电流密度越大，发热功率密度越大。发热仿真结果如图2所示，可以看到，电流密度最大的地方位于L型铜排弯角处，该处载流面积最小，电流密度最大，次之为中心隔板通孔中的液态金属处，其余地方电流密度相对较小。

图2 限流器电流密度图

限流器各个部件的发热功率密度如表2所示，可以看到液态金属的发热功率最多，平均功率密度最大，主要是液态金属的电阻率最大；次之为L型铜排的功率密度；铜极由于载流面积大，因此功率密度最小。考虑接触电阻发热，整个限流器的发热功率为340 W，液态金属的发热功率密度为157250 W/m3。

限流器的电位分布如图3所示，限流器L排最内侧的电位差为53.5 mV，L排最外侧的电位差为68.5 mV，母排上的电位差为96 mV。

将以上功率作为限流器的发热载荷，设环境温度为22℃，对限流器进行稳态温升仿真。限流器的稳态温度场如图4所示，限流器L排最内侧的温度为92℃左右，温升70 K，限流器L排最外侧的温度为79℃左右。限流器内部的稳态温度场如图5所示，其最大温度位于中心隔板通孔中的液态金属处，为115℃，温升93 K，到达内部中心隔板的温升极限值。此时中心隔板通孔直径为50 mm，载流密度2.5 A/mm2。

图4 限流器稳态温度场分布图

图5 限流器内部稳态温度场分布图

4 限流器稳态温升试验

对该结构的限流器进行稳态通流试验，准备直流短路发电机、万用表、温升测量装置、回路电阻测量仪等装置。限流器的稳态温升测量回路如图6所示，短路发电机的进出线端分别使用5根截面为100 mm×10 mm、长度为3 m的母线并联后与限流器连接，每根母线的载流量为1000 A，使用毫伏表测量限流器两端的电位差。

图6 测量回路示意图

限流器的温升检测位置如图7所示，监测点1与 6位于母排距离样机1000 mm处，使用热电偶粘在相应的测量点位置的物体表面。温升稳定的判断标准为一个小时内温升变化值不超过2 K。

环境温度为22℃，最大温度不超过87℃，温升极限不超过65 K。

图7 限流器温升检测位置示意图

为测试该限流器的最大通流值，从通流4000 A开始，实时监测6个点的温升数据，观察到温升相对稳定后未超过允许值则增加1000A。温升试验得到限流器在通流6000 A时两个半小时内L型铜排温度达到91℃，已超过允许值。降为5000A，通流5个小时L型铜排温度达到92℃，超过温升极限5 K。因此，该限流器在长时工作制下最大通流不超过5000 A。

限流器在通流5000 A时监测点之间的电位差如下表3所示：

表3 限流器监测点之间电位测量/mV

对比仿真结果与试验结果，可以看到仿真与试验误差在6 mV以内，平均相对误差在5%以内。

限流器在通流5000 A时的个监测点的温度值及温升值如下表4所示：

表4 限流器各监测点温度及温升

对比仿真结果与试验结果，可以看到仿真与试验误差在2K之内，相对误差在5%以内。

5 结论

本文针对中心通孔结构的液态金属限流器进行了热电耦合仿真。通流5000 A，接触电阻取为2微欧，可以的得到仿真与试验的电位分布基本相同，此时整个限流器的生热功率为340 W，液态金属的发热功率密度为157250 W/m3。通过温升仿真与试验验证，可以得到在中心隔板通孔直径为50mm时，其最大载流为5000A，载流密度2.5A/mm2，此时限流器内部的最高温度为115℃，温升为93K，达到了温升要求极限值。

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[10] 胡仁喜,康士延,等. ANSYS14.0热力学有限元分析从入门到精通[M]. 机械工业出版社, 2013.

Steady State Thermal Analysis of Liquid Metal Current Limiter

Zhu Zhaofang, Luo Wenping, Zou Shun, Yang Chenguang, Ren Zhigang

（Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China）

U664

A

1003-4862（2018）07-0047-04

2018-03-23

朱兆芳(1990-)，女，助理工程师。研究方向：液态金属限流器仿真、分析。