银镀锡电弧触发器电热耦合分析及实验验证

付 雪, 戚连锁, 庄劲武, 鄢 玲, 陆 伟

(海军工程大学 电气工程学院, 湖北 武汉 430033)

0 引 言

在电动汽车电力系统中,存在着过载电流不能可靠分断的问题。过载电流是指高于额定电流而低于短路电流的电流。电动汽车的短路电流通常设计为10 kA。为保证电动汽车电力系统安全运行,分断过载电流成为研究问题。混合型限流熔断器具有分断能力强、分断速度快、可靠性高、体积小、成本低等优点,是解决上述问题的有效技术手段[1-5]。混合型限流熔断器分为电子测控式、电弧触发式和电控电弧二合一型。后两者均需采用电弧触发器作为过载电流和短路电流的检测装置。相较于电子测控式结构需要霍尔等电磁式传感器作为检测装置,电弧触发器则利用电热原理进行短路电流和过载电流的检测,且具有一定的驱动能力,使保护更加可靠,但其存在检测速度相对较慢的缺点,严重影响在过载电流下的限流保护效果[6]。

为了解决电弧触发器的过载电流动作特性,文献[7]采用试验的方法,研究了具有冶金效应的熔体运行特性,获得了过载和短路电流下的熔体保护特性。文献[8-9]采用ANSYS仿真软件建立了针对缩短短路电流检测时间的电弧触发器的电热模型,通过对熔体的狭颈结构、尺寸、数量等进行了研究并获得了最优值。文献[3]利用Ansys仿真软件建立了电热耦合仿真模型,研究了填料对电弧触发器在短路电流下弧前特性的影响。上述研究主要集中于电弧触发器的短路弧前特性的影响,而忽略了过载电流下的弧前特性。

本文以某型额定电流为500 A的电弧触发器作为研究对象,利用COMSOL仿真软件进行了在0.1 mm厚的银熔体上镀5 μm锡的暂态仿真建模计算,并与未镀锡的情况进行了比较。结果表明:镀锡的电弧触发器的弧前时间明显小于未镀锡触发器的弧前时间。然后制作了上述模型中的等比例试验试品,完成了弧前特性试验,验证了仿真模型的准确性,并在此基础上仿真获得了不同镀层厚度下的弧前时间,分析得到了镀层厚度与弧前时间的关系。

1 银镀锡触发器瞬态电热场仿真

银镀锡电弧触发器结构如图1所示。该触发器主要由连接排、焊接在连接排间的镀锡银片和包裹在银片上的填料组成。铜排具有较好的散热性,正常情况下能够流通大容量电流,由于银片上切割一排狭颈,可以有效提高载流密度且镀锡可以有效降低熔体的熔点[7],从而使故障电流来临时,能够更快地熔断,且熔断起弧后,电弧的电压信号可以触发开断器,从而将故障电流分断。

1.1 数学模型

触发器的瞬态电热场模型用于研究触发器在过载电流下的温升过程,其实质是一个瞬态电热场耦合问题,忽略热辐射以及厚度方向热传导的影响,结合电场的相关方程可以得到电场电位满足的方程:

·J=·γE=·[γ(-φ)]=

-(γ2U+γ·φ)=0

(1)

J——电流密度;

γ——电导率;

E——电场强度;

φ——电位。

根据热传导定律和导热微分方程可以得到热场方程:

(2)

式中:T——温度;

τ——时间;

λ——热导率;

ρ——密度;

c——比热容;

q——单位时间单位体积内热源产生的热量。

根据式(1)和式(2)可以看出,需要控制的参数主要是电流密度,提高电流密度可以加快热量的产生,从而使狭颈更快地到达熔点,缩短触发器的弧前时间。

1.2 COMSOL仿真模型

COMSOL仿真软件具有强大的多物理场仿真计算功能。本文利用平台的Thermal-Electric模块建立触发器温升模型,并进行瞬态电热场仿真计算。

1.2.1 几何模型

模型中的触发器银片尺寸长5 mm(通流方向),宽30 mm,厚0.1 mm,含30个0.65 mm×0.3 mm矩形孔,将含镀锡厚度为5 μm的触发器导入模型中,并在试件两端各连接长度为3 m、通流截面为150 mm2的温升铜排。触发器银片几何模型如图2所示。

1.2.2 物性参数

仿真中触发器熔体的材料为纯银,同时在触发器银片上电镀锡,锡层厚度为5 μm,连接排、温升铜排的材料为T2紫铜,其物性参数如表1所示。

1.3 网格剖分及微分方程离散化

1.3.1 网格剖分

在进行COMSOL有限元仿真分析、单元网格的划分时,网格的类型和单元长度的选取会对计算结果的精度造成影响,因此网格的类型选用自由四面体网格。该网格类型具有较强的自适应性,容易实现网格的自动生成,且能够根据剖分面的情况在保证精度要求的情况下自动设置单元长度。采用该方式对银镀锡触发器模型进行离散,生成的网格模型如图3所示。

1.3.2 微分方程离散化

对触发器镀锡银片建立三维直角坐标系:

(3)

(4)

使用有限差分法对微分方程进行离散化,则离散化后的温度场方程为

(5)

离散化后的电热场方程为

(6)

式中:h——网格长度。

将式(6)进行变形,可以得到电热场的内部节点的电位和温度的迭代式:

0=γ(i,j,k)·

(7)

T(i,j+1,k)+T(i,j,k+1)+T(i-1,j,k)+

(8)

式中:T0、γ0、φ0——上一时间步长时对应节点的温度、电导率和电位;

Δτ——单位时间步长。

1.4 边界条件

电流边界条件为:阶跃4 000 A电流从温升铜排一端流入,另一端流出;温度边界条件为:温升铜排的两端设置为恒定温度25 ℃;温升铜排对流换热系数设置:上表面为14 W/(m·K),下表面为7 W/(m·K),侧表面为28 W/(m·K),触发器、开断器及连接排设置为绝热边界条件。

1.5 仿真结果

镀锡银片的熔点约为670 ℃,由此仿真计算获得银镀锡触发器的弧前时刻温度场分布如图4所示,纯银片的弧前时刻温度场分布如图5所示。

根据仿真结果可以看出,银镀锡触发器的弧前时间为7.5 s,纯银触发器的弧前时间为13 s,可以看出镀锡的确能够缩小触发器在过载电流下的弧前时间。

2 触发器瞬态试验验证及分析

为验证上述仿真的准确性,设计搭建了触发器弧前特性试验平台。弧前特性试验电路图如图6所示。

过载电流由RL振荡电路提供,通过调节电容器的充电电压以及电感获得阶电流,利用霍尔传感器测量触发器电流,利用示波器获取试品的电压。试验中电源电压为400 V,电阻为100 mΩ,电感值为100 μH,银镀锡触发器弧前试验结果如图 7所示。

由图7对比结果可以看出:镀锡厚度为5 μm时,触发器的弧前时间为7.7 s,与仿真结果获得弧前时间7.5 s基本一致,证明了仿真模型的准确性。

3 银镀锡电弧触发器优化设计

银镀锡电弧触发器的关键性能为过载电流下的弧前时间和额定通流时的温升。在设计时一般要求在满足额定通流时的温升情况下尽量缩短弧前时间。本文以满足额定温升要求的触发器为研究对象,在触发器银片上均匀镀锡,利用仿真获得镀锡厚度与弧前时间的影响,以此完成对银镀锡电弧触发器的优化设计。

以额定电流为500 A的触发器为研究对象,研究镀锡厚度对弧前时间的影响。由于弧前时间与触发器的结构尺寸、通流大小和镀锡厚度有关,因此保证触发器的结构尺寸和通流大小一致的情况下,改变镀锡厚度,利用COMSOL仿真计算4 000 A电流下的弧前时间,获得了不同镀锡厚度的弧前时间如表2所示。

表2 不同镀层厚度下的弧前时间

由表2可以看出,银镀锡触发器的电阻可理解为锡层电阻与银层电阻并联,因此随着镀层厚度的增加,锡层电阻减小。根据电阻并联原则,触发器的电阻随之减小,但由于其电阻变化较小,因此不会对稳态温升造成影响。触发器的弧前时间随镀锡厚度的减小而缩短,在镀锡厚度为1 μm时,触发器的弧前时间最短,因此在0.1 mm厚的银触发器上镀锡。

4 结 语

本文建立了银镀锡电弧触发器的瞬态电热场模型,通过实验验证了仿真的正确性,并证明了银镀锡电弧触发器较纯银触发器具有更好的分断能力。利用仿真模型对触发器镀锡厚度进行了优化设计,结果显示:随着镀层厚度的减小,弧前时间越短;反之,随着镀层厚度的增加,弧前时间越长。由于镀锡工艺的限制,因此在触发器银片厚度为0.1 mm时,镀锡厚度为1 μm时最优。