基于热仿真的轨道交通电连接系统载流能力研究

曾 辉，李 晓，陈俊杰，周怡琳

（1. 中车青岛四方车辆研究所有限公司，山东青岛 266112；2. 北京邮电大学人工智能学院，北京 100876；3. 北京邮电大学自动化学院，北京 100876）

1 研究背景

伴随着轨道交通系统的发展，对列车提速以及车载设备功能提升的需求不断增加。功率的增加需要提升输入电流的大小，使得电流传输线路中的连接器和线缆系统的热可靠性面临着严峻的考验。电连接系统的热源主要来自线缆体电阻和连接器接触电阻产生的焦耳热。线缆体电阻主要取决于线缆材料和截面积选型，不同规格的线缆有相应的载流能力范围。由于机械振动、大气腐蚀等因素，在随轨道车辆运行的过程中，连接器的接触电阻会逐渐退化，进而由于焦耳热造成局部温度过高，可能导致热失效，影响系统可靠性。因此，对轨道交通中电连接系统进行基于热分析的载流能力研究具有重要的实践指导意义。

目前针对连接器的热设计和热失效分析主要都是基于有限元仿真和实验验证结合的方法。杨妮[1]利用有限元软件在设计初期对电源连接器的温升性能进行仿真分析并和试验结果进行对比，为设计提供理论依据。许成彬[2]等建立高温电连接器的三维仿真模型，利用有限元软件得到其接触处温度随时间的变化规律，并通过测试验证有限元热分析的正确性。E. Carvou[3]等以电源连接器为对象，对其热演化过程进行研究，利用ANSYS有限元软件建立数值模型，并求解过渡模式下的传热微分方程，在数值模拟中引入接触热导和电导，得到接触电阻和接触温度值，并通过实验进行验证。Wang和Xu[4]针对洗衣机中小功率连接器热失效进行有限元热分析，研究发现镀锡与镀镍触点在振动中界面发生微动磨损和腐蚀造成焦耳热温升，加速了弹性材料应力松弛，造成接触压力降低，接触电阻进一步升高，最终导致触点熔焊问题的发生。吕超[5]等以储能系统中的锂离子电池包为研究对象，利用ANSYS 仿真软件得到电池单体温度分布，并通过与实验测量的结果对比验证所建立的仿真模型的准确性。高成[6]等以Y2型宇航分离脱落电连接器为研究对象，基于ANSYS软件对电连接器模型进行热电耦合仿真分析，得到电连接器在不同环境温度下的内部温升及温度分布规律，并研究芯数、工作电流及接触电阻对电连接器温升的影响，发现电连接器内部温升随这3个影响因素的增大而增大。贺占蜀[7]等采用ABAQUS软件对接触件进行插拔力与温升仿真，研究接触件结构参数弹舌倾角和弹舌支撑间隙对插拔力的影响以及导线截面积和电流对温升的影响，并通过实验研究插拔力和温升的变化情况。

在电连接系统热失效中，研究的焦点多为连接器触点自身性能变化对温升的作用，但线缆作为传导热量通路和另一个热源，对于电连接系统的整体温升同样具有不可忽视的作用。对于线缆体电阻对电连接系统温升的影响，主要考虑与电力系统的额定电流相匹配的线缆截面积的选取，国际标准IEC 60439-1：2020 《低压开关设备和控制设备组件 第 1 部分：通则》[8]中有较为明确的规定。M. Blauth等[9]假设连接器在仅通过线缆热传导散热的条件下，热流被作为一个设计因素，以便定义具有不同横截面积的线缆的最大功率损失。通过这种方法，与不同线缆尺寸配合的连接器最大可接受电阻可以在设计过程的早期阶段进行估计。对于线缆热学特性的研究主要涉及到温度场分布和载流量的研究。吕安强[10]等以XLPE绝缘线缆为对象，进行热电耦合有限元分析，通过稳态和暂态热力学计算，获得电缆在不同夹具下的载流量和热时间常数，通过计算不同夹具材料和间隔下的电缆温度，得到导体温度在径向和轴向的分布规律，并获得夹具材料和间隔距离与电缆导体温度的关系函数。

本文针对轨道交通列车用的三相电机连接器，建立连接器及配合线缆仿真模型，通过有限元热电耦合场仿真，结合实际工况下的载流温升实验，修正模型热仿真参数。进而研究额定工况条件下，连接器与线缆系统的温度场分布规律；分析不同规格线缆、不同接触电阻对温度场分布的作用特性；并探讨三相电机连接器与现使用的线缆配合时的极限载流能力和接触电阻退化的极限条件。

2 电连接器系统热仿真建模

通过对三相电机连接器与120 mm2截面规格的线缆系统进行热仿真建模，结合相同条件下的载流温升实验，校正仿真模型的热对流系数。

2.1 电连接器系统材料特性

在进行仿真之前，需要分析三相电机连接器和线缆系统的主要组成部分所用材料特性，分别如表1和表2所示。

表1 电连接系统材料参数表

表2 电连接器系统配套线缆相关参数

2.2 建立模型

首先将三相电机连接器模型导入SolidWorks建模软件，绘制3根截面积为120 mm2的圆柱形线缆，完成线缆与三相电机连接器的连接。然后将模型导入到Design Modeler编辑器中，建立三相电机连接器与120 mm2规格的线缆组成的电连接系统的有限元模型，三相电机连接器和线缆系统的电流路径如图1所示。无论是插针与插孔接触区的接触电阻，还是线缆自身体电阻，通电过程中，电流将完全流经所有导体。

3 电连接系统热电耦合仿真

在额定电流载荷下对三相电机连接器和120 mm2规格的线缆组成的电连接系统进行热电耦合仿真温度分布计算，并通过与同样型号的连接器和线缆的载流温升实验结果对比，对仿真模型中的连接器外壳和线缆部分与空气的对流换热系数进行迭代调参。

3.1 热电耦合仿真

三相电机连接器和线缆系统的热电耦合仿真主要包括前处理、施加载荷及设置边界条件、后处理查看仿真结果3个步骤。在前处理过程中，参考表1和表2完成材料参数设置后进行网格划分，如图2所示，对温度变化影响大的连接器部分进行加强细化处理。划分网格之后，开始施加电流、电压载荷，如图3所示。

连接器载流温升实验中使用的三相电机连接器样品的实际接触电阻测试数据为0.034 mΩ，计算得180 A工作电流下的热功率为1.102 W。在冠簧与插针的接触区域上施加该发热功率。

线缆规格为120 mm2的三相电机连接器外壳部分与线缆部分的对流换热系数均先设置成5 W/（m2·℃），再根据载流温升实验结果对其分别进行修正。环境温度的设置与载流温升实验保持一致，设置为25℃。

3.2 热对流系数修正及温度分布云图仿真

连接器和线缆系统的载流温升实验结果检测出连接器尾端与线缆的压接处温升为17.1 ℃，经温升实验修正后线缆部分对流换热系数为9.3 W/（m2·℃），连接器外壳对流换热系数为6.9 W/（m2·℃）。

然后计算线缆规格为120 mm2的三相电机连接器系统的热电耦合仿真温度分布云图如图4所示。

4 电连接系统温度场影响因素

4.1 线缆规格变化对系统温升的影响

将截面规格分别为35 mm2、50 mm2和120 mm2的线缆与三相电机连接器系统在额定工况180 A电流下进行热电耦合仿真，分析线缆尺寸对电连接系统温度场分布的影响。以线缆规格为50 mm2的三相电机连接器在额定工况条件下的温升仿真结果为例，在连接器和两侧线缆上取11个特殊位置（分别为a、b、c、……、k），如图5所示，并将这11个位置的温升变化曲线放在同一图中对比，结果如图6所示。

由图6可知，由于热源主要由线缆体电阻焦耳热和接触电阻焦耳热构成，所以最高温升均发生在接触点上。线缆截面积从120 mm2降低到35 mm2时线缆距接触点远端（a、k）的温升由 11 ℃显著升高到40 ℃，说明线缆体电阻对三相电机连接器系统的整体温升影响大。接触点最高温升高于线缆远端温升14～16 ℃，说明接触电阻对触点局部温升影响显著。由于接触点散热主要靠线缆热传导，温升随离开接触点距离降低较快，在离开接触点30 cm处的温升基本平稳。

3种线缆截面积对应的连接器接触点最高温升和线缆远端温升的变化曲线如图7所示。线缆规格为35 mm2的三相电机连接器比线缆规格为50 mm2的连接器最大温升约高12.9 ℃，而线缆规格为50 mm2的连接器比规格为120 mm2的连接器最大温升约高16.5 ℃，说明线缆的截面积越大，连接器最大温升呈近似负指数函数规律减小。连接器最大温升ΔT1与线缆截面积S的拟合函数表达式见式（1），拟合优度R2= 0.97，e为自然常数。

线缆规格为35 mm2的三相电机连接器比线缆规格为50 mm2的连接器的线缆尾端温升约高13.7 ℃，而线缆规格为50 mm2的连接器比规格为120 mm2的连接器最大温升约高14.2 ℃，说明线缆截面积越大，线缆远端温升呈近似负指数幂规律减小。线缆远端温升ΔT2与线缆截面积S的拟合函数表达式见式（2），拟合优度R2= 0.97。

结合3种不同规格线缆和三相电机连接器系统在额定工况下的温升仿真结果，说明线缆的截面积对电连接系统的整体温升起关键作用，而接触电阻对局部温升的影响较关键，载流容量受2个因素的综合作用。

线缆规格为120 mm2和50 mm2的三相电机连接器系统在额定工况180 A电流下的最大温升分别为25.2 ℃和41.7 ℃，未超过温升标准55 ℃，载流余量较大。而线缆规格为35 mm2的三相电机连接器系统在额定工况180 A电流下的最大温升为54.6 ℃，几乎没有余量，不能使用。

4.2 接触电阻变化对系统温升的影响

以线缆规格为50 mm2的三相电机连接器为例，通过改变接触电阻的大小来判断接触电阻对电连接系统温升的影响程度。分别选用0.034 mΩ（载流温升实验中连接器的接触电阻），0.058 mΩ（设计标准值），0.080 mΩ（中间对照值），0.107 mΩ（额定工况下不使连接器最大温升超过温升标准的临界值）4种不同大小的接触电阻进行电连接系统温升仿真对比。4种情况下每个接触对的接触电阻发热功率分别为1.102 W，1.879 W，2.592 W，3.467 W。温升数据的提取位置与图5相同。4种情况下三相电机连接器系统不同位置的温升变化趋势对比如图 8所示。连接器最大温升及线缆尾端温升随接触电阻变化曲线如图9所示

由图8和图9可知，当接触电阻值由0.034 mΩ升至0.107 mΩ时，连接器接触区最大温升由35.0 ℃升至55.0 ℃，增大近20 ℃，而距压接点30 cm以外的线缆远端部分的温升由27.2 ℃升至29.8 ℃，温升变化仅在3 ℃内。连接器最大温升ΔT3及线缆尾端温升ΔT4随着接触电阻Rc的增大呈线性增大的趋势，且ΔT3的变化趋势更快，而ΔT4则更缓，2条拟合直线的函数表达式见式（3）和式（4），拟合优度R2分别为0.99和0.97。

研究结果表明，接触电阻的变化主要对接触区及周边小范围（±30 cm）温升影响显著，对线缆系统的整体温升变化影响不大。

5 载流能力及接触电阻退化极限条件

为进一步探究三相电机连接器与50 mm2线缆配合的电连接系统载流能力及接触电阻退化极限，通过设置特征参数的优化方法，分别估计其达到温升标准极限时的最大载流量以及在额定工况下允许的临界接触电阻退化程度。经仿真计算，线缆规格为50 mm2的电连接器系统的最大载流量为206.5 A，与额定工况相比，留有约26.5A的载流余量（14.7%），因此线缆规格为50 mm2三相电机连接器在额定工况下不会产生热失效，其临界接触电阻0.10 mΩ与标准接触电阻0.058 mΩ相比，还留有近1倍的退化量。综上，线缆规格为50 mm2的三相电机连接器在额定工况下能正常使用，且有较充足的余量。

6 结论

为探究轨道交通系统增容对电连接系统热可靠性的影响，文章以三相电机连接器-线缆系统为例，采用有限元热电仿真方法，结合电连接系统载流温升实验结果，修正仿真模型中连接器外壳和线缆外表面的对流换热系数，从而研究电连接系统的温度场分布特性、线缆截面规格和接触电阻变化对电连接系统温升的影响。

研究结果表明，随着线缆截面积的增大，电连接系统连接器触点最大温升及线缆远端温升均呈负指数函数规律减小；随接触电阻增大，连接器触点最大温升及线缆远端温升均呈线性函数规律增大，但接触电阻主要影响触点及周边小范围温升。通过对电连接系统载流能力及接触电阻退化极限条件分析，线缆规格为50 mm2的连接器在额定工况下载流余量较大，能够安全使用，而线缆规格为35 mm2的连接器载流余量极小，无法保证使用过程中的可靠性。