何 攀，張福生，張小榮，谷 楓，邱文輝

(石家莊鐵道大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，石家莊 050043)

基于A(yíng)NSYS的接觸線(xiàn)電連接線(xiàn)夾溫度場(chǎng)分析

何 攀，張福生，張小榮，谷 楓，邱文輝

(石家莊鐵道大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，石家莊 050043)

接觸線(xiàn)電連接線(xiàn)夾是保證接觸網(wǎng)供電系統(tǒng)電氣流通的重要裝置，容易發(fā)生異常過(guò)熱導(dǎo)致設(shè)備損壞，影響機(jī)車(chē)正常運(yùn)行。目前的監(jiān)測(cè)方法無(wú)法實(shí)時(shí)準(zhǔn)確得到其內(nèi)部溫度的變化情況。依據(jù)熱傳導(dǎo)理論，利用大型有限元軟件ANSYS對(duì)接觸線(xiàn)電連接線(xiàn)夾內(nèi)部溫度場(chǎng)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱分析；揭示了在不同電流、不同接觸電阻條件下，電連接線(xiàn)夾內(nèi)部溫度的變化規(guī)律，對(duì)其溫度監(jiān)測(cè)具有一定的指導(dǎo)意義。

接觸線(xiàn)電連接線(xiàn)夾；穩(wěn)態(tài)熱分析；ANSYS

近年來(lái)，接觸線(xiàn)電連接線(xiàn)夾灼傷斷線(xiàn)的故障頻發(fā)。接觸線(xiàn)電連接線(xiàn)夾長(zhǎng)期處于露天環(huán)境，其溫度場(chǎng)受到電連接線(xiàn)夾本體與接觸線(xiàn)的接觸產(chǎn)熱以及外部環(huán)境溫度的共同作用，很難通過(guò)實(shí)驗(yàn)手段準(zhǔn)確獲得線(xiàn)夾的實(shí)際溫度。文獻(xiàn)[1]設(shè)計(jì)了一種電連接線(xiàn)夾溫度監(jiān)測(cè)裝置WJY-Ⅱ型。該測(cè)量裝置并不能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)且因安裝在線(xiàn)夾上，一旦發(fā)生故障需整網(wǎng)停電檢修，造成不可估量的損失。文獻(xiàn)[2]利用熱釋電紅外傳感器采集溫差信號(hào)的方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)接觸線(xiàn)電連接線(xiàn)夾溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。利用ANSYS Workbench對(duì)接觸線(xiàn)電連接線(xiàn)夾進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱分析[3]，分別研究在不同電流、不同表面接觸電阻條件下電連接線(xiàn)夾內(nèi)部溫度場(chǎng)的變化情況，取得了良好的仿真效果，為電連接線(xiàn)夾溫度監(jiān)測(cè)提供了可靠依據(jù)，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

1 接觸線(xiàn)電連接線(xiàn)夾溫度場(chǎng)分析

選用橫截面積為150 mm2的接觸線(xiàn)作為研究對(duì)象。我國(guó)高速鐵路接觸網(wǎng)線(xiàn)材料大多采用銅錫或銅鎂，本文中的有限元仿真分析選用銅鎂合金接觸線(xiàn)作為研究對(duì)象，其材料參數(shù)如表1所示。

表1 銅鎂合金接觸線(xiàn)參數(shù)

選用斜形接觸線(xiàn)電連接線(xiàn)夾作為有限元分析對(duì)象，它是由斜把主板和副板構(gòu)成，搭配螺栓、螺母等零件固定在接觸網(wǎng)系統(tǒng)中[4]，目前多采用純銅制作線(xiàn)夾本體。

2 接觸線(xiàn)電連接線(xiàn)夾仿真模型

2.1穩(wěn)態(tài)傳熱分析

穩(wěn)態(tài)熱分析可以通過(guò)有限元計(jì)算確定由不隨時(shí)間變化的熱載荷引起的溫度、熱梯度、熱流密度、熱流率等指標(biāo)參數(shù)。對(duì)于穩(wěn)態(tài)熱分析，熱平衡方程的矩陣形式[5]表示為：

[K]{T}={Q}

式中，[K]為熱傳導(dǎo)矩陣，矩陣中包含熱系數(shù)、對(duì)流散熱系數(shù)及輻射率系數(shù)；{T}為物體各節(jié)點(diǎn)的溫度向量；{Q}為物體節(jié)點(diǎn)熱流率向量，包括熱生成。

2.2接觸網(wǎng)電連接線(xiàn)夾數(shù)學(xué)模型

接觸線(xiàn)電連接線(xiàn)夾發(fā)熱狀態(tài)下的熱傳遞過(guò)程遵守?zé)崃W(xué)定律。在分析接觸線(xiàn)電連接線(xiàn)夾模型穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)過(guò)程中，當(dāng)材料的溫度達(dá)到其熔點(diǎn)時(shí)，將會(huì)發(fā)生熱的吸收或釋放。本文在有限元分析過(guò)程中，不考慮因材料物相變化而引起的吸熱或發(fā)熱現(xiàn)象，并做出如下假設(shè)：

1)在熱的作用下，線(xiàn)夾材料特性不隨溫度和時(shí)間的改變而變化，且熱量無(wú)散失

2)將線(xiàn)夾產(chǎn)生的焦耳熱量作為體熱源施加在接觸線(xiàn)上

3)忽略接觸線(xiàn)自身電阻發(fā)熱對(duì)線(xiàn)夾溫度場(chǎng)的影響，不考慮接觸線(xiàn)與受電弓的熱傳導(dǎo)

4)研究模型的初始溫度為20 ℃，忽略螺母螺紋，主副板按照規(guī)則平面處理

2.3接觸線(xiàn)電連接線(xiàn)夾三維建模

在分析接觸線(xiàn)電連接線(xiàn)夾溫度場(chǎng)分布時(shí)，選取橫截面積150 mm2的接觸線(xiàn)作為有限元仿真的研究對(duì)象。電連接線(xiàn)夾固定接觸線(xiàn)的溝槽，接觸線(xiàn)從線(xiàn)夾本體的中心穿入。利用SolidWorks建立接觸線(xiàn)電連接線(xiàn)夾三維模型，并將線(xiàn)夾模型與接觸線(xiàn)組合一體，導(dǎo)入ANSYS workbench，如圖1所示。

2.4穩(wěn)態(tài)熱分析基本步驟

1)調(diào)用Thermal-Electric模塊，添加電連接線(xiàn)夾材料屬性。

2)劃分網(wǎng)格：網(wǎng)格劃分的精度直接影響有限元仿真結(jié)果的正確性。一般而言，隨著網(wǎng)格密度的增加，計(jì)算精度將大大提高，但計(jì)算時(shí)間也會(huì)相應(yīng)增加。因此，要在仿真時(shí)間和計(jì)算精度之間尋找合適的平衡點(diǎn)[6]。由于接觸線(xiàn)電連接線(xiàn)夾的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和其空氣模型形狀都很不規(guī)則，綜合多種因素考慮，本文采用自由網(wǎng)格劃分，得到接觸線(xiàn)電連接線(xiàn)夾的有限元模型，如圖2所示。

3)接觸線(xiàn)電連接線(xiàn)夾散熱分析：接觸線(xiàn)電連接線(xiàn)夾在通電情況下產(chǎn)生的熱量一部分通過(guò)絕緣體以熱傳導(dǎo)的形式散失，另一部分通過(guò)接觸線(xiàn)電連接線(xiàn)夾與空氣之間的對(duì)流散熱散失掉，最終達(dá)到熱平衡。由于輻射散熱對(duì)電連接線(xiàn)夾的熱分析影響較小，所以在分析電連接線(xiàn)夾的散熱過(guò)程時(shí)，只需考慮電連接線(xiàn)夾熱傳導(dǎo)、對(duì)流散熱兩種傳熱方式。

a)內(nèi)部傳導(dǎo)散熱

接觸線(xiàn)電連接線(xiàn)夾主要是通過(guò)熱傳導(dǎo)散熱。當(dāng)接觸線(xiàn)電連接線(xiàn)夾達(dá)到熱穩(wěn)態(tài)時(shí)，其內(nèi)部的傳導(dǎo)散熱遵循下式：

式中，T為電連接線(xiàn)夾的溫度，℃；λ為導(dǎo)熱系數(shù)，W/(M·℃)；q為單位體積內(nèi)熱源的生熱率。等式右側(cè)的負(fù)號(hào)表示熱量流向溫度降低的方向。采用ANSYS軟件進(jìn)行熱穩(wěn)態(tài)分析時(shí)，通常只需定義材料的導(dǎo)熱系數(shù)。

b)表面對(duì)流散熱

流體流過(guò)固體壁時(shí)的熱量傳遞稱(chēng)為表面對(duì)流散熱，電連接線(xiàn)夾外殼表面與外界空氣存在自然對(duì)流散熱，其公式[7]表示為：

q=hf(TS-TB)

其中，q為熱流率，即單位時(shí)間傳遞的熱量，W；Hf為對(duì)流換熱系數(shù)，W/(m2·℃)；TS為固體表面溫度，℃；TB為周?chē)黧w的溫度，℃。

采用ANSYS進(jìn)行熱穩(wěn)態(tài)分析時(shí)，對(duì)流載荷以面載荷的形式施加在接觸網(wǎng)電連接線(xiàn)夾模型的外表面，用以計(jì)算實(shí)體和流體之間的熱量交換。本文分析時(shí)選取電器學(xué)中的經(jīng)驗(yàn)公式[8]作為其參考值：

hf=3.25×(TS-TB)0.25

因此對(duì)接觸線(xiàn)電連接線(xiàn)夾表面施加的自然對(duì)流系數(shù)為5.78 W/(m2·℃)，其外觀(guān)模型如圖3所示。

4)接觸線(xiàn)電連接線(xiàn)夾熱載荷的確定和施加：接觸線(xiàn)電連接線(xiàn)夾本體及接觸線(xiàn)的主要材料為銅，其電阻率較小。所以當(dāng)有電流流經(jīng)接觸線(xiàn)電連接線(xiàn)夾時(shí)，因接觸電阻的存在，產(chǎn)生一定熱量，其接觸面的發(fā)熱功率為：

P=I2R

式中，I為通過(guò)接觸線(xiàn)的電流，A；R為接觸線(xiàn)與電連接線(xiàn)夾的接觸電阻，Ω。

采用ANSYS軟件進(jìn)行熱分析時(shí)，單位體積內(nèi)接觸線(xiàn)電連接線(xiàn)夾的發(fā)熱功率以體載荷的形式施加到單元體積上，即單位體積的熱流率。其熱生成率的公式[9]表示為：

式中：Q為單位體積的熱生成率，w/m3；P為接觸線(xiàn)的發(fā)熱功率，w；V為與電連接線(xiàn)夾接觸部分的接觸線(xiàn)體積，m3；R為接觸線(xiàn)的半徑，m；l為選取接觸線(xiàn)長(zhǎng)度100 mm，斜形接觸線(xiàn)電連接線(xiàn)夾長(zhǎng)度一致。

3 接觸線(xiàn)電連接線(xiàn)夾內(nèi)部溫度場(chǎng)仿真分析

利用有限元法對(duì)接觸線(xiàn)夾模型進(jìn)行仿真研究，重點(diǎn)分析在電流和接觸電阻的共同作用下電連接線(xiàn)夾接觸處的發(fā)熱情況，并分析在單一條件作用下：電流不變時(shí)，接觸電阻的變化對(duì)電連接線(xiàn)夾本體發(fā)熱的影響；接觸電阻不變時(shí)，接觸網(wǎng)電流的變化對(duì)電連接線(xiàn)夾本體發(fā)熱的影響。

3.1不同電流條件下的仿真分析

接觸線(xiàn)處于正常工作狀態(tài)時(shí)，列車(chē)的取流一般在1 000 A以下，即流經(jīng)接觸線(xiàn)電連接線(xiàn)夾的電流[10]。在以下仿真實(shí)驗(yàn)中，假設(shè)流經(jīng)接觸線(xiàn)電連接線(xiàn)夾的電流分別為300 A、400 A、500 A、600 A、700 A、800 A等。

在仿真分析中假設(shè)產(chǎn)生的焦耳熱所歸算出來(lái)的生熱率全部施加在只與線(xiàn)夾接觸的接觸線(xiàn)上。由接觸電阻理論計(jì)算可知，在正常運(yùn)行情況下，接觸電阻近似取為0.1×10-4Ω。當(dāng)接觸電阻不變時(shí)，不同電流作用下的電連接線(xiàn)夾溫升云圖，如圖4所示，僅以流經(jīng)電連接線(xiàn)夾300A時(shí)的電流為例。電連接線(xiàn)夾在不同電流作用下的溫度變化規(guī)律，如表2所示。

表2 電連接線(xiàn)夾的最高溫度變化

3.2不同接觸電阻條件下的仿真分析

表3 電連接線(xiàn)夾的最高溫度變化

從表3中可看出，當(dāng)接觸電阻增大為0.005 Ω時(shí)，正常的牽引電流作用于接觸線(xiàn)電連接線(xiàn)夾，即可在線(xiàn)夾上產(chǎn)生很大的溫升，溫度達(dá)到材料熔點(diǎn)，若長(zhǎng)期在此種狀態(tài)下工作，則造成接觸線(xiàn)斷線(xiàn)。

4 結(jié)論

研究了在不同電流與不同接觸電阻情況下，接觸線(xiàn)電連接線(xiàn)夾溫度場(chǎng)的變化規(guī)律。通過(guò)有限元仿真得到，在穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)的作用下，電流流經(jīng)接觸線(xiàn)產(chǎn)生的溫度變化對(duì)于接觸線(xiàn)夾溫度場(chǎng)的影響并不明顯。但當(dāng)接觸線(xiàn)與接觸線(xiàn)電連接線(xiàn)夾之間的接觸電阻增大時(shí)，接觸線(xiàn)夾溫度劇烈上升。通過(guò)以上仿真分析，成功得出影響電連接線(xiàn)夾異常發(fā)熱的主要因素是接觸電阻的增大，因此可通過(guò)監(jiān)測(cè)接觸電阻值來(lái)判斷接觸線(xiàn)電連接線(xiàn)夾發(fā)熱狀態(tài)，為更好地監(jiān)測(cè)接觸線(xiàn)電連接線(xiàn)夾溫度場(chǎng)提供了參考。

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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，碩士，從事接觸網(wǎng)監(jiān)測(cè)的工作，E-mail:1573585735@qq.com。