直流断路器触头系统温度场仿真分析

沈 文，陈 程，李 明

直流断路器触头系统温度场仿真分析

沈 文1，陈 程2，李 明2

（1. 武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064；2. 武汉长海电气科技开发有限公司，武汉 430064)

温升是断路器设计的重要考核指标之一，严重时会使断路器的使用寿命降低甚至影响周边设备。本文以某型直流断路器为研究对象，基于有限元分析热电耦合法对其主回路进行了温度场仿真计算。仿真结果与温升试验结果基本一致。此后，探讨了在总接触电阻一定情况下，主、弧双档触头的接触电阻占比分布对该断路器温升分布的影响，得出断路器在主、弧触头接触电阻最优占比下温升分布，对相似结构断路器的触头系统研究具有一定的参考意义。

直流断路器 有限元分析 主、弧触头

0 引言

温升是表征断路器性能的重要指标，其热源主要来自于主回路动静触头间的接触电阻[1]。接触电阻的过大会导致触头接触处温升过高，同时使得主回路母排温升变高，严重时会导致开关绝缘老化引发火灾。而今，开关电器结构小型化的发展趋势尤为明显，降低开关电器温升已成为断路器设计的重要内容。

断路器在结构设计时为解决触头合闸弹跳对开关合闸带电性能的影响及带电分断对触头烧蚀的影响，将触头设计成两档结构，即主触头结构和弧触头结构，因此存在主触头接触电阻和弧触头接触电阻。根据结构设计要求，断路器合闸通电时，绝大部分电流流经主触头，较少部分电流流经弧触头，因而主触头的接触电阻一般小于弧触头的接触电阻。所以，两档触头结构存在两个发热源，该热源的大小及分布情况对断路器温升的影响是本文所要研究的主要内容。

如图1所示，为本文所研究的直流断路器主回路触头系统的结构，触头系统由主触头与弧触头组成。下面静主触头嵌有纯银片，动主触头采用滚轮结构，外圈嵌有纯银环以减小接触电阻；动、静弧触头分别采用纯铜、钨合金材料制造，具有良好的耐电弧、抗熔焊能力。

图1 直流快速断路器主回路模型

本文对该断路器主回路触头系统进行温度场计算并与温升试验结果进行对比，说明了仿真计算结果的正确性；然后在断路器主回路总接触电阻一定情况下，对主、弧触头接触电阻不同占比下进行温升仿真，分析了主、弧双档触头的接触电阻占比分布对该断路器温升分布的影响。

1 热源与散热分析

断路器在额定工作电流下，当发热量与散热量相等时，断路器主回路就处于热稳定状态，温度不再发生变化[2]。对发热与散热机理进行合理有效的分析是准确计算稳态温升的必要条件。发热的研究是分析热源，确定不同热源仿真时的处理建模方法；在散热方面，主要的研究是热能传递的各种发生方式，最终得出精度较高的温升仿真结果。

1.1 热源分析

1）主回路导体固有电阻

断路器的主回路导体部件是发热体，损耗所产生的热量使导体温度升高并向周围介质散热[3]。这种导体固有电阻带来的焦耳热在仿真分析中通过对各导电结构赋予电阻率来实现。断路器主回路在承载工作电流时，电阻发热功率为：

式中：——电流；

——断路器导电回路电阻。

式(1)说明断路器的发热功率同电流的二次方成正比，随着断路器承载电流的升高，断路器产生的热量会大量升高，导致断路器在需在体积上变的庞大，这对电力设备空间利用率很不利。因此，有必要设计合理的断路器触头系统来降低断路器主回路温升。

2）接触电阻

除了触头系统导体固有电阻之外，动、静触头相接触部位电阻较大，是造成温升的主要热源。因此，热分析的建模过程包括导体回路和触头接触处电阻两部分，其接触电阻模型的建立对于整个温度场的准确分析至关重要。

两档触头结构存在两种接触电阻的导电桥。弧触头接触方式为线接触，建立接触电阻导电桥尺寸为6 mm×2 mm×0.5 mm（长×宽×厚）长方体；主触头为滚轮结构，动主触头弧面与静主触头平面相切，建立导电桥模型见图2所示。在仿真计算过程中，可以赋予导电桥不同的电阻率来调整接触电阻数值大小。

图2 主触头接触电阻导电桥模型

1.2 散热分析

直流断路器的热传递有热传导、热对流、热辐射三种形式[4]。热传导是热传递的主要形式，本文是针对主回路带电金属导体部分做的稳态温升分析，在金属件表面施加边界条件，将仿真模型简化，未考虑绝缘材料和空气的传导性能。金属件传导热的同时，铜排导体和触头接触处产生的热量也会由金属件表面通过热对流和热辐射的方式把热量散发至周围空气中。

1）热传导

导电体通过电流后温度升高，与其相接触的物体温度也会增长，这种依靠直接接触的传热方式就是热传导[5]。热传导可以用傅里叶定律表示，如式（2），等式右侧的负号表示热量的传递方向与温度梯度相反。

2）热对流

断路器主回路触头系统外表面与空气存在自然对流换热，靠自然对流的形式在单位面积散发出的热量，与冷却介质表面的温度、冷却介质的性质有关，可按公式（3）计算：

3）热辐射

对于两个面之间的热量辐射过程，第一个面向第二个面辐射的热量速率由下式（4）描述：

当认为外侧表面无限大时，即为对环境辐射，可以用来描述外表面向空气中辐射热量的过程。

根据上述分析，在数值计算时，发热方面通过赋予主电路各部分导体材料及接触电阻导电桥的电阻率，在确定的电流激励下即可计算出电阻发热；散热方面，触头系统不同材料金属赋予不同热导率，而导体表面通过自然对流和辐射散热，采用综合散热系数进行计算。

2 仿真分析及试验对比

2.1 有限元模型网格划分

精确的模型建立以及良好的网格质量是有限元分析中计算结果精确度的基本保证因素。考虑到主、弧触头接触位置因接触电阻的集中生热而具有较大的温度梯度，故主、弧触头处网格均进行了局部细化；断路器主回路进出线母排处网格划分相对较为稀疏，可提高运算速度。

2.2 参数确定

在对断路器主回路触头系统进行热稳态仿真分析时需要确定以下参数：查找相关文献资料可知，主回路金属材料热物性参数见表1（仅列举紫铜材料的热物性参数）；根据对断路器样机实际测量得到主要参数见表2 。

表1 紫铜的热物性参数

表2 电气性能参数(实测约值)

2.3 额定1500 A温升分布

对断路器主回路触头系统模型进行热电耦合计算分析（对主回路施加1500 A电流），经仿真运算，断路器主回路在环境温度为20℃时的温度场云图如图3所示。

图3 断路器1500A温升仿真云图

如图3可知，主、弧触头接触部位的温升变化较为显著，而静触头进、出线端温升变化较小。温升值最高处在主触头接触处，最高温升为43.7 K；弧触头接触处最高点温升为41.2 K；温升值最低处于右侧静主触头出线端子处，最低温升为39.3 K，并且温升值以动静触头接触处开始向静主触头进出线端方向成梯度分布，逐渐降低。这是由于主、弧触头接触处存在接触电阻，导致发热功率较大，而此处是被封闭在一定的空气中，对外散热率不高，热量主要以热传导的形式通过进出线铜排向外散热。对于静主触头进出线铜排处的温升，通过云图可以看出上进出线铜排处的温升值在39～42 K范围内。

2.4 温升试验对比

为了确定上述热电耦合法进行的温度场数值计算结果的准确性，本文对该断路器样机在试验室进行了额定电流1500 A下稳态温升摸底验证，试验前测得触头系统总接触电阻约为15 μΩ（主触头接触电阻19.5 μΩ，弧触头接触电阻63.2 μΩ，环境温度19.3℃），得到了如下表3所示的温升试验数据，其结果与上述仿真云图基本吻合，误差均在5℃以内，说明仿真计算准确可靠。

图5 断路器温升试验测量点位置示意图

表3 1500 A额定温升试验数据

2.5 接触电阻占比对温升影响

由前述可知，断路器主回路触头系统的接触电阻是影响断路器的温升的重要因素，因此有必要研究主、弧触头接触电阻占比对断路器温度场的影响。以该断路器样机的实际测量总接触电阻15 μΩ为基准，改变主触头接触电阻与弧触头接触电阻的比值，则断路器主回路最高点温升、进线端温升、出线端温升与主/弧触头接触电阻比值之间的关系如图6所示。

断路器温升随主、弧触头接触电阻比值的增加呈先减小后增大的趋势，主、弧触头接触电阻比值大约为2:5时，断路器最高点温升相对最低，为43.2 K。当总接触电阻一定，若主触头接触电阻远大于弧触头接触电阻时，温升较高且最大温升值达到了82.9 K。

图6 断路器温升与主、弧触头接触电阻比值关系

3 结论

本文通过对某型直流断路器触头系统（主、弧双档触头）进行温度场仿真计算分析及样机试验验证，得到了以下结论：

1）提出一种主、弧双档触头系统。主触头主要承载工作电流，弧触头用来接通与分断电流。

2）通过触头系统温升仿真与试验的对比，验证了温度场仿真计算方法的合理性。

3）在总接触电阻一定情况下，主、弧双档触头的接触电阻占比设计及分布合理，有利于降低最高点温升。

本文提出的主、弧双档触头稳态温升仿真研究方法，从理论分析到仿真计算，最终通过试验验证，得出的规律可为今后相似断路器触头结构的研究提供参考。

[1] 纽春萍, 陈德桂, 刘颖异等．计及主回路和电磁系统发热的交流接触器数值热分析[J]. 中国电机工程学报, 2007, 27(15): 53-58．.

[2] 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[J]. 船电技术, 2016, 36(3): 45-49.

[3] 冯璟, 李景新, 陈正馨. 万能式断路器散热技术研究[J]. 电器与能效管理技术, 2015(3): 14-18.

[4] 石磊, 骆文平. 真空断路器温升模拟与散热设计[J]. 船电技术, 2016, 36(5): 68-71.

[5] 黄炜, 钟积科, 等. 直流快速断路器温升分析及优化[J]. 船电技术, 2020, 40(11): 11-40.

Simulation analysis of temperature field of DC circuit breaker contact system

Shen Wen, Chen Cheng, Li Ming

(1. Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China; 2. Wuhan Changhai Electrical Technology Development Co., Ltd., Wuhan 430064, China )

TM564

A

1003-4862（2022）03-0024-04

2021-07-20

沈文（1989-），男，工程师。主要从事直流断路器。E-mail: 549601989@qq.com