基于ANSYS的接触线电连接线夹温度场分析

何 攀，张福生，张小荣，谷 枫，邱文辉

(石家庄铁道大学 电气与电子工程学院，石家庄 050043)

基于ANSYS的接触线电连接线夹温度场分析

何 攀，张福生，张小荣，谷 枫，邱文辉

(石家庄铁道大学 电气与电子工程学院，石家庄 050043)

接触线电连接线夹是保证接触网供电系统电气流通的重要装置，容易发生异常过热导致设备损坏，影响机车正常运行。目前的监测方法无法实时准确得到其内部温度的变化情况。依据热传导理论，利用大型有限元软件ANSYS对接触线电连接线夹内部温度场进行稳态热分析；揭示了在不同电流、不同接触电阻条件下，电连接线夹内部温度的变化规律，对其温度监测具有一定的指导意义。

接触线电连接线夹；稳态热分析；ANSYS

近年来，接触线电连接线夹灼伤断线的故障频发。接触线电连接线夹长期处于露天环境，其温度场受到电连接线夹本体与接触线的接触产热以及外部环境温度的共同作用，很难通过实验手段准确获得线夹的实际温度。文献[1]设计了一种电连接线夹温度监测装置WJY-Ⅱ型。该测量装置并不能实现实时监测且因安装在线夹上，一旦发生故障需整网停电检修，造成不可估量的损失。文献[2]利用热释电红外传感器采集温差信号的方法，实现对接触线电连接线夹温度实时监测。利用ANSYS Workbench对接触线电连接线夹进行稳态热分析[3]，分别研究在不同电流、不同表面接触电阻条件下电连接线夹内部温度场的变化情况，取得了良好的仿真效果，为电连接线夹温度监测提供了可靠依据，具有一定的实用价值。

1 接触线电连接线夹温度场分析

选用横截面积为150 mm2的接触线作为研究对象。我国高速铁路接触网线材料大多采用铜锡或铜镁，本文中的有限元仿真分析选用铜镁合金接触线作为研究对象，其材料参数如表1所示。

表1 铜镁合金接触线参数

选用斜形接触线电连接线夹作为有限元分析对象，它是由斜把主板和副板构成，搭配螺栓、螺母等零件固定在接触网系统中[4]，目前多采用纯铜制作线夹本体。

2 接触线电连接线夹仿真模型

2.1稳态传热分析

稳态热分析可以通过有限元计算确定由不随时间变化的热载荷引起的温度、热梯度、热流密度、热流率等指标参数。对于稳态热分析，热平衡方程的矩阵形式[5]表示为：

[K]{T}={Q}

式中，[K]为热传导矩阵，矩阵中包含热系数、对流散热系数及辐射率系数；{T}为物体各节点的温度向量；{Q}为物体节点热流率向量，包括热生成。

2.2接触网电连接线夹数学模型

接触线电连接线夹发热状态下的热传递过程遵守热力学定律。在分析接触线电连接线夹模型稳态温度场过程中，当材料的温度达到其熔点时，将会发生热的吸收或释放。本文在有限元分析过程中，不考虑因材料物相变化而引起的吸热或发热现象，并做出如下假设：

1)在热的作用下，线夹材料特性不随温度和时间的改变而变化，且热量无散失

2)将线夹产生的焦耳热量作为体热源施加在接触线上

3)忽略接触线自身电阻发热对线夹温度场的影响，不考虑接触线与受电弓的热传导

4)研究模型的初始温度为20 ℃，忽略螺母螺纹，主副板按照规则平面处理

2.3接触线电连接线夹三维建模

在分析接触线电连接线夹温度场分布时，选取横截面积150 mm2的接触线作为有限元仿真的研究对象。电连接线夹固定接触线的沟槽，接触线从线夹本体的中心穿入。利用SolidWorks建立接触线电连接线夹三维模型，并将线夹模型与接触线组合一体，导入ANSYS workbench，如图1所示。

2.4稳态热分析基本步骤

1)调用Thermal-Electric模块，添加电连接线夹材料属性。

2)划分网格：网格划分的精度直接影响有限元仿真结果的正确性。一般而言，随着网格密度的增加，计算精度将大大提高，但计算时间也会相应增加。因此，要在仿真时间和计算精度之间寻找合适的平衡点[6]。由于接触线电连接线夹的内部结构和其空气模型形状都很不规则，综合多种因素考虑，本文采用自由网格划分，得到接触线电连接线夹的有限元模型，如图2所示。

3)接触线电连接线夹散热分析：接触线电连接线夹在通电情况下产生的热量一部分通过绝缘体以热传导的形式散失，另一部分通过接触线电连接线夹与空气之间的对流散热散失掉，最终达到热平衡。由于辐射散热对电连接线夹的热分析影响较小，所以在分析电连接线夹的散热过程时，只需考虑电连接线夹热传导、对流散热两种传热方式。

a)内部传导散热

接触线电连接线夹主要是通过热传导散热。当接触线电连接线夹达到热稳态时，其内部的传导散热遵循下式：

式中，T为电连接线夹的温度，℃；λ为导热系数，W/(M·℃)；q为单位体积内热源的生热率。等式右侧的负号表示热量流向温度降低的方向。采用ANSYS软件进行热稳态分析时，通常只需定义材料的导热系数。

b)表面对流散热

流体流过固体壁时的热量传递称为表面对流散热，电连接线夹外壳表面与外界空气存在自然对流散热，其公式[7]表示为：

q=hf(TS-TB)

其中，q为热流率，即单位时间传递的热量，W；Hf为对流换热系数，W/(m2·℃)；TS为固体表面温度，℃；TB为周围流体的温度，℃。

采用ANSYS进行热稳态分析时，对流载荷以面载荷的形式施加在接触网电连接线夹模型的外表面，用以计算实体和流体之间的热量交换。本文分析时选取电器学中的经验公式[8]作为其参考值：

hf=3.25×(TS-TB)0.25

因此对接触线电连接线夹表面施加的自然对流系数为5.78 W/(m2·℃)，其外观模型如图3所示。

4)接触线电连接线夹热载荷的确定和施加：接触线电连接线夹本体及接触线的主要材料为铜，其电阻率较小。所以当有电流流经接触线电连接线夹时，因接触电阻的存在，产生一定热量，其接触面的发热功率为：

P=I2R

式中，I为通过接触线的电流，A；R为接触线与电连接线夹的接触电阻，Ω。

采用ANSYS软件进行热分析时，单位体积内接触线电连接线夹的发热功率以体载荷的形式施加到单元体积上，即单位体积的热流率。其热生成率的公式[9]表示为：

式中：Q为单位体积的热生成率，w/m3；P为接触线的发热功率，w；V为与电连接线夹接触部分的接触线体积，m3；R为接触线的半径，m；l为选取接触线长度100 mm，斜形接触线电连接线夹长度一致。

3 接触线电连接线夹内部温度场仿真分析

利用有限元法对接触线夹模型进行仿真研究，重点分析在电流和接触电阻的共同作用下电连接线夹接触处的发热情况，并分析在单一条件作用下：电流不变时，接触电阻的变化对电连接线夹本体发热的影响；接触电阻不变时，接触网电流的变化对电连接线夹本体发热的影响。

3.1不同电流条件下的仿真分析

接触线处于正常工作状态时，列车的取流一般在1 000 A以下，即流经接触线电连接线夹的电流[10]。在以下仿真实验中，假设流经接触线电连接线夹的电流分别为300 A、400 A、500 A、600 A、700 A、800 A等。

在仿真分析中假设产生的焦耳热所归算出来的生热率全部施加在只与线夹接触的接触线上。由接触电阻理论计算可知，在正常运行情况下，接触电阻近似取为0.1×10-4Ω。当接触电阻不变时，不同电流作用下的电连接线夹温升云图，如图4所示，仅以流经电连接线夹300A时的电流为例。电连接线夹在不同电流作用下的温度变化规律，如表2所示。

表2 电连接线夹的最高温度变化

3.2不同接触电阻条件下的仿真分析

表3 电连接线夹的最高温度变化

从表3中可看出，当接触电阻增大为0.005 Ω时，正常的牵引电流作用于接触线电连接线夹，即可在线夹上产生很大的温升，温度达到材料熔点，若长期在此种状态下工作，则造成接触线断线。

4 结论

研究了在不同电流与不同接触电阻情况下，接触线电连接线夹温度场的变化规律。通过有限元仿真得到，在稳态温度场的作用下，电流流经接触线产生的温度变化对于接触线夹温度场的影响并不明显。但当接触线与接触线电连接线夹之间的接触电阻增大时，接触线夹温度剧烈上升。通过以上仿真分析，成功得出影响电连接线夹异常发热的主要因素是接触电阻的增大，因此可通过监测接触电阻值来判断接触线电连接线夹发热状态，为更好地监测接触线电连接线夹温度场提供了参考。

[1] 孟新安，郑社宁.接触网电连接线夹温度监测装置的研制[J].电气化铁道，2008(04) ：36-38.

[2] 朱金涞.接触网线夹温度的在线监测[D].成都：西南交通大学，2008.

[3] 古晓东，张慧洁，陈唐龙，等.基于ANSYS的接触线烧伤热分析[J].电气化铁道，2010(04)：13-16.

[4] (德)基布岭.中铁电气化局集团有限公司译.电气化铁道接触网[M].北京：中国电力出版社，2004.

[5] 凌桂龙.ANSYS 14.0热力学分析从入门到精通[M].北京：清华大学出版社，2013.

[6] 胡仁喜，康士廷.ANSYS 15.0热力学有限元分析从入门到精通[M].北京：机械工业出版社，2015.

[7] 吴燕.基于ANSYS的汽车继电器热分析[D].天津：河北工业大学，2014.

[8] 曹云东，刘晓明.电器学原理[M].北京：机械工业出版社，2012.

[9] 文艺.电连接器温度场数值分析研究[D].天津：河北工业大学，2012.

[10] 辛婷玉.高速铁路接触网关键部件温度场分析[D].北京：北京交通大学，2015.

TemperatureFieldAnalysisofContactWireElectricalConnectionClampBasedonANSYS

HE Pan， ZHANG Fu-sheng， ZHANG Xiao-rong， GU Feng， QIU Wen-hui

(School of Electrical and Electronics Engineering, Shijiazhuang Tiedao University,Shijiazhuang 050043,Hebei，China)

Contact wire electrical connection clamp is an important equipment to ensure the electrical flow of the power supply system of contact network，and it is easy to overheat and cause damage to the equipment，which affects the normal operation of the locomotive. The current monitoring method cannot get the change of internal temperature in real time. Based on the theory of heat conduction，the steady-state thermal analysis of the internal temperature field of the contact wire electrical connection clamp is carried out by using the finite element software ANSYS. This paper reveals the variation of the electrical connection clamp internal temperature under different current and different contact resistance，and it has some guiding significance to the temperature monitoring.

contact wire electrical connection clamp; steady-state thermal analysis; ANSYS

TH165.3

A

1008-9446(2017)05-0040-04

2016-11-30

何攀(1990-)，男，安徽亳州人，硕士，从事接触网监测的工作，E-mail:1573585735@qq.com。