实例探究 | 真空开关管温升模拟分析
本项目主要研究真空开关管在40℃环境温度下稳定工作时候的温升情况。
真空开关管主要包括电极组、静触头组、动触头组、电极板、导电杆、触头盘、屏蔽筒、过渡环、封接环、铜排、导电板、瓷管等部件。
项目研究过程如下：
- 采用有限元软件Ansys对模型进行计算；
- 主体结构采用solid单元进行网格划分。
项目建模过程如下：
将CAD模型导入Ansys SpaceClaim中进行模型的修复等几何处理工作；
材料属性的赋予（稳态热分析只需要材料的导热系数）；
定义相关的接触特性；
在网格划分；
定义载荷条件及边界条件；
求解及后处理。
真空开关管温升模拟分析
计算输入
分析模型
将真空开关管的模型导入Ansys SpaceClaim中，需基于热传导的工作原理进行模型的简化，其简化的详细流程见第3节中的模型处理。
材料参数
真空开关管的所有零部件材料如下表2-1所示。材料的相关属性需要在有限元分析模型中定义。
表1 主要零部件材料及物理性能
分析工况
该分析工况主要为40℃环境温度自然对流条件下，真空开关管在5000A额定电流下工作稳定时的温升情况。
真空开关管温升模拟分析
模型处理
模型修复及简化
针对整体数模，结合FEA分析需要，去除一些不必要的小特征（小R角、小C角等），最后的分析模型如下各图所示：
材料属性的赋予
接触定义
网格划分
边界条件
将整个分析模型环境温度设置为40℃。两侧铜排搭接面单侧电阻2μΩ，在5000A额定电流状态下，接触电阻的发热功率为：
触头见电阻为9μΩ，在5000A额定电流状态下，接触电阻的发热功率为：
铜排的电导率为1.75*10-8Ω/m，取出一块电极组，经计算它的电阻为0.78μΩ。于是它的发热功率为19.25w。
真空开关管温升模拟分析
分析结果
铜排、导电板、电极组及螺母板等的温度云图如下图所示。最小温升为24℃，最大温升为50℃，发生在零线电极组上。这是因为零线电极组上没有用来大面积散热的导电板及螺母板。
真空开关管的整体温度最大温升为53.6℃，发生在零线开关管触头上。
接触器框架及盖板的温度云图如下图所示。
图8 接触器框架及盖板温度云图
在40℃环境温度下，真空开关管的额定电流为5000A，工作稳定时，零线上的电极组最大温升为50℃，零线上的真空开关管触头温升为53.6℃，最大温升都小于70℃。可以在零线上增加一些导电铜排等措施来增加散热面积继续降低零线上的最大温升。
