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摘要:为检验新型直流断路器接触电阻是否处于合理范围,应用有限元软件ANSYS对触头应力进行仿真。总结一些实体建模和网格划分技巧,结合接触电阻的经验估算和试验数据,验证在重点考虑接触电阻影响时触头设计的合理性。舰船直流电力系统容量不断增大,对系统保护装置要求更高。为弥补现有舰船直流电力系统保护装置已无法满足系统发生短路时分断巨大短路电流的不足,国内外不同机构从新型直流断路器、超导限流器、固态限流器、混合式限流断路器等几个途径针对直流电力系统限流进行了探索和研究[1]。本文研制了基于电磁斥力机构和永磁操动机构的新型直流断路器。1触头结构与材料触头结构见图1。AgNi10触头的尺寸为60mm×25mm×2mm,桥臂采用紫铜。动触头铜桥臂中心开圆孔,经直径12mm连杆与永磁机构相连,为保持较好的力学性能,桥臂顶部固定有碳钢盘。合闸时,永磁机构产生的压力通过连杆与碳钢盘接触的圆环面传递给桥臂,完成合闸动作。考虑到装置的特点:①电磁操动机构的巨大作用力可使动静触头快速分离;②触头分断将短路电流换流到电力电子支路,并由电力电子器件来分断短路电流,分断电弧非常小;③操动机构动作不频繁,设计选用AgNi10作为触头材料[2]。2ANSYS软件仿真由于触头机构顶部受力相对集中,动静触头采用面接触,接触压力的传递路径变化较大,接触面上的压力分布不均匀。要得出这种分布趋势及其对接触电阻的影响,直接采用解析方法比较困难,一般需要采用各种数值计算方法来获得近似数值解。有限元方法是目前应用最广泛的一种数值模拟计算方法。2.1单元选择ANSYS提供了近150种涵盖了不同维度、不同学科、不同阶数的单元类型,要确定合适的单元类型,必须对所要解决问题的性质、所选材料的特性和后续划分网格的形式有清晰的认识。这里选择高阶数三维结构实体SOLID95进行仿真。它有20个节点,每个节点有3个自由度,可以反映塑性、蠕变、应力硬化、大挠度、大应变,可以由六面体退化成正四面体、棱锥、棱柱,较好地模拟变化剧烈的结构。在必须使用自由网格划分三维体时,因要求使用四面体单元,就应尽量选取二次四面体单元,如SOLID92单元。2.2网格划分ANSYS中的网格划分方法主要有自由网格划分,映射网格划分和体扫掠网格划分3种。用自由网格划分效率很高,但是由于它只能将体划分成四面体网格,造成有限元模型网格数量过大,降低了计算精度和速度,所以在对体进行网格划分时尽量避免使用自由网格划分。映射网格划分是对规整模型的一种网格划分技术,在面上生成四边形网格,在体上生成六面体网格,生成的有限网格形状规则,数量要比相应的自由网格少很多,可以节省计算时间,提高计算精度。但是,因为这种网格生成技术对面和体的形状有苛刻要求,划分时需要耗费大量时间。例如,在处理触头顶部圆孔的不规则边缘到矩形外侧的规则边缘的过渡时,要保证直线构成的实体之间可以用映射划分相连接,必须用布尔操作将一个相对大的面按与其共面的另一个面积相对小的面的边线划开,见图2所示,然后分别对几个面划分网格,否则在划分体的时候,即使两个面都是规则形状,并且在两面的交线处以统一数目划分交线,也会提示实体拓补结构不正确,划分无法进行。然后可以在不规则边缘与规则边缘之间的过渡区域采用自由划分。因面单元的特殊需要,对空心圆柱外侧至最近的矩形边之间的过渡面区域的自由划分必须在XOY面上进行,这在划分网格之前的建模阶段就要考虑到。划分体结构采用扫掠的方法,这样可以保证在Z方向上每个横截面的节点分布都是相同的,从而保证整体模型的其他部分可采用映射划分。2.3求解程序自动选定SPARSEMATRIXDIRECTSOLVER求解器,当线性分析中迭代求解收敛较慢时为首选,这种求解器对内存消耗中等,但对磁盘空间要求非常大。如对图3所示模型划分网格后加载求解,由于网格较密,方程数量达到655152个,计算无法完成。为减少资源消耗量,增加运算速度,根据模型对称性,切割并保留其整体的1/4,见图3,求解可以顺利完成。为考查网格划分方式和单元类型选择对运算结果的影响,以整个模型所有节点的最大位移DMX为标准,对选取不同单元建模、使用映射与自由划分网格进行运算结果对比,见表1。由仿真结果可知,不同的网格划分方式及不同的单元类型对运算结果有一定影响,特别是45号单元在分网和求解时软件均有警告弹出,提示计算会出现较大误差。但在本文所涉及的固体静态分析中,这种程度的误差是微乎其微的。这里选用95号单元的映射划分模型的计算结果,可知接触面上应力对面积的积分为248.52N,与1/4模型所受合闸压力250N相差很小,从而验证了将连杆向下传递的压力看作触头接触面压力的可行性。2.4后处理分析节点解的变形图可知,在1000N集中压力作用下,碳钢盘的形变很小,不会引起触头的严重变形。从应力分布云图(见图4)可以看出,触头接触面外侧边缘受力方向与合闸压力方向相反,且量值分布不均匀。靠桥臂中心部分应力较大,可以保证良好的接触。靠铜排延伸方向的外侧部分应力较小,导电斑点较内侧要少很多,通流会引起热量聚集。参考法国FERRAZ公司高压交流混合式熔断器设计,将导电铜排的截面尺寸定为120mm×15mm,能够有效抑制温升。3接触电阻及触头压力接触压力对接触电阻有重要影响。实验表明,在满足格林渥和威灵逊假设的情况下,即触头粗糙表面微观凸丘高度分布为高斯分布时,对于一定的名义接触面积,计算所得实际接触面积几乎与接触力成正比[223]。试验测得永磁斥力机构可以提供的斥力峰值为2400N,而同时为保证分闸动作的快速性,需要克服的合闸压力应当减小,经仿真和计算,可以将操动机构合闸斥力减小至低于1000N。由于动静触头有两个相同的接触面,连杆向下传递的斥力可以对称地传递到两侧的动静触头接触面上,而不会由于触头结构的不同分散到其他方向。如果取平均压力来代替接触面压力分布的效应,可以求得当斥力为1000N时,接触压力为500N,接触电阻理论值为1.84μΩ。对整台设备做稳态通流压降试验,在恒定1000、2000A直流短时通流下,经多次测量取平均值核算,两侧触头接触电阻分别为4.8μΩ和2.55μΩ。由于触头材料表面加工工艺和氧化作用综合效应的影响,此值比计算值偏大。工程实际应用中的触头情况复杂,理论上无法精确预计,只能求助于满足一定条件的经验公式。然而,由于所处实验条件和选用的实验方法不尽相同,得出的结果往往有所差别,对于接触电阻经验公式中接触系数Kc的选取,还未见精确量化的文献,这是造成试验值与计算值差异的另一重要因素。新型直流断路器的工作特性要求设计触头时重点考虑接触电阻值的影响,而衡量触头接触电阻是否处于合理区间的重要标准是应使接触压降低于触头材料软化压降[4]。即使取样机偏高一侧的接触电阻值,在通流4000A并留有2～3倍裕度,其接触压降也远低于银的软化压降0.09V。由此可以看出,触头的设计是合理的。4结论1)结合新型直流断路器触头应力分析,总结ANSYS软件的一些建模和网格划分技巧。2)由于该断路器触头属于面接触,导致应力不均匀。靠近桥臂中心一侧应力较大,接触良好;两侧应力较小,但按照低压电器设计标准合理设计触头接触面积和导电铜排的尺寸,可以有效抑制温升。3)因为该限流断路器动作不频繁,磨损等指标对触头性能影响不大,设计触头时重点考查接触电阻的影响。实际测量接触电阻值与计算值差别不大,在现有加工工艺和长期氧化的综合作用下符合工程应用实际,量值处于合理区间。值得指出的是,接触压力会引起触头接触面微观凸丘的塑性变形,导致实际的接触面积发生极为复杂的变化;加之微观凸丘与宏观设备在尺度数量级上相差很大,给实体建模造成困难。这些问题的解决,有赖于电接触理论的深入研究和建模技术的创新发展。参考文献[1]庄劲武,张晓锋,杨锋,等.船舶直流电网短路限流装置的设计与分析[J].中国电机工程学报,2005,25(20):26230.[2]贺湘琰.电器学[M].北京:机械工业出版社,1985.[3]程礼椿.电接触理论及应用[M].北京:机械工业出版社,1985.[4]张茂祥.低压电器设计手册[M].北京:机械工业出版社,1992.