爆炸活塞式限流器的温升仿真分析与试验

孙巍 王晨 徐国顺 陈搏

（1.海军驻438厂军事代表室，武汉430062；2.海军工程大学电气与信息工程学院，武汉 430033）

0 引言

爆炸活塞式限流器是爆炸式限流器的一种，爆炸式限流器是一种开断速度很高、开断容量很大的电力系统故障限流保护装置[1-4]。

目前占据国际市场主导地位的爆炸式限流器是ABB公司的Is－limiter[5]。它的短路检测判断采用电子装置，检测电流上升率及电流幅值来判断短路；主回路是中空的铜管结构，火工品装置放置在铜管内部。火工品装置爆炸后，铜管沿预制槽向两端翻卷形成足够电气间隙。这种结构具有短路检测速度快、结构紧凑等优点，但其短路检测装置体积大，必须附加直流电源，且其电子装置有可能受电磁干扰而失效；而火工品装置被发热的铜管包围，工作时受到烘烤作用，会加速火工品中的起爆药和炸药分解，从而降低了装置的使用寿命。为了解决这些问题，我们研制了爆炸活塞式限流器。它的短路检测判断采用电弧触发器，电弧触发器和普通熔断器的结构类似，但其内部熔体只有一排并联的狭颈。与普通熔断器相比，其电阻很低，而从狭颈处流过的额定电流密度则很大，从而保证短路电流发生时能够快速熔断，熔断后产生足够的弧压，来触发电雷管。爆炸分断装置则分成爆炸活塞机构和桥体两部分，经由活塞传递爆炸冲击能使桥体分断，包含火工品装置的爆炸活塞机构放置在主电路之外，并经特殊设计的隔热措施和主电路隔开。这样就显著降低了火工品装置的长期工作温度，有效延长了整机的使用寿命。

温升性能是这种新设计的爆炸活塞式限流器的重要性能之一。温升过高不仅会降低装置内火工品的寿命，也会加速装置中绝缘件的老化，并可能经汇流排传热而抬高附近电气设备的温升。为了提高装置的寿命并获得紧凑性的设计，必须对爆炸活塞式限流器在额定通流下的温度场分布进行计算。本文采用有限元仿真软件ANSYS11.0对装置在额定工作状况下的电流场和温度场进行耦合分析，得到了装置温度场分布特性[6]。

1 温升模型的建立

图1 爆炸活塞式限流器主要结构尺寸(A=300mm，B=240mm，C=65mm，D=140mm)

使用ANSYS11.0进行三维热电耦合分析，在建立几何模型并输入材料参数、载荷、约束量和其他必要参数后，即可求解限流器和铜排上的温度场分布，减去室温后，可得到各点的温升值。在建模过程中必须要进行一定的假设以简化仿真模型：

①装置处于无限大空间自然对流状态；②对实际装置中部分细微结构做近似处理，如忽略螺栓、螺孔，将弯角改为直角；③忽略对温升影响不大且不易建模的部件，如电弧触发器外壳及石英砂、脉冲变压器、灭弧熔断器、绝缘支柱等。

电气设备在一定电流下的稳态温升不仅取决于设备本身的结构、材料，外接电缆或铜排的影响往往也很大，不能忽略。因此，国标[7]中对温升试验中不同试验电流对应的电缆或铜排的截面尺寸进行了严格规定，并要求试验电缆或铜排有足够长的长度，其中大于800 A的温升试验中电源和设备间铜排长度要大于3 m。要求足够的长度是为了形成足够的热阻以避免电源的温升影响被试设备。因此，本文在温升建模中模拟温升试验的情况，把铜排和限流器作为一个整体考虑。

有限元网格剖分过程中应当对比较细致的结构和重点关心的位置进行细密的剖分，而对其他部分进行粗略的剖分，总有限单元数控制在 30万～50万个，在普通 PC机上耗时十几分钟即可计算完毕，既省时又可以保证精度。可以采用APDL语言的方式进行参数化建模，这样改变结构参数时只需在程序中对应修改即可，非常有利于需要反复大量仿真计算的参数优化设计过程。

图2 温升仿真模型

2 仿真结果与试验对比

应用ANSYS11.0对图1所示的直流爆炸活塞式限流熔断器在额定电流 2500 A下的稳态温度场分布进行了三维仿真，结果如图3所示。本文仿真和试验中的室温都是23℃。

图3 爆炸活塞式限流熔断器稳态温升仿真结果

对于一般火工品装置中使用的起爆药和炸药，温度每降低10℃，其储存寿命将延长2～4倍。因此降低装药位置的温升对提高整机寿命的意义重大。其次关注的是接触部位的温度和电弧触发器的温度，接触部位温度过高将使接触面氧化，导致接触电阻增大，形成恶性循环，最终使接触失效，因此国标对接触部位的温升有明确规定。电弧触发器的内部温度过高会导致内部材料的变形或氧化失效，然而电弧触发器内部温度在试验中难以测得，只能从仿真中得到，然后对比电弧触发器附近点的温度仿真值与试验值的误差来推测内部材料温度仿真值是否准确。因此在仿真结果中选择 A～E点作为关键点对其温升进行考察并与试验结果进行对比。

仿真与试验的最大误差为7.7%，造成误差的原因主要是装置中各结构间的自然对流互相影响，各结构单独计算的表面传热系数不准确。

从结果可以看出，安装火工品装置的部位C点，温升仅21 K，可见这种结构中火工品装置的长期工作温度较低，有利于提高火工品装置的寿命。触发器内部是整个限流器最热的部分，其最高温度116℃，对应温升93 K。各接触部位的温升都在国标允许范围之内。

表1 仿真和实验的结果对比

3 小结

按照爆炸活塞式限流器温升试验的布置建立了包括试验铜排和爆炸活塞式限流器在内的温升仿真模型。建模时进行了必要的假设，对温升影响不大的结构进行了忽略或近似处理。应用ANSYS11.0进行三维热电耦合仿真分析，仿真结果和试验基本一致。

[1]陈搏, 庄劲武, 杨锋. 爆炸活塞式高速开关的分析与设计[J]. 武汉理工大学学报(交通科学与工程版).2010, 34(3)： 468-471.

[2]戴超, 庄劲武, 杨锋等. 大容量爆炸活塞式高速开断器分析与优化设计[J]. 高电压技术. 2011, 37(1)：221-226.

[3]戴超, 庄劲武, 杨锋等. 高压混合型限流熔断器用电弧触发器的弧前特性[J]. 高电压技术. 2010, 36(2)：350-355.

[4]李品德, 刘军虎, 王永红等. 电力系统故障电流限制器的应用和研究现状[J]. 高压电器, 2000, 3：31-33.

[5]Karl-Heinz Hartung, Volker Schmidt. Limitation of Short Circuit Current by an Is - Limiter[C]. 10thinternational conference of electrical power quality and utilization. Lodz, Poland, 2009： 9-15.

[6]张朝晖. ANSYS热分析教程与实例解析[M]. 北京：中国铁道出版社, 2007.

[7]GB7251-2005低压成套开关设备和控制设备. 第一部分： 形式试验和部分形式试验成套设备[S].