基于三维热场有限元分析的电力连接器触头温升测量方法

摘要

本发明提供一种实时显示测量结果和室温值、方便计算触头温升并利用测试标准判断连接器是否合格的基于三维热场有限元分析的电力连接器触头温升测量方法。步骤如下：利用有限元仿真分析软件ANSYS建立电力连接器三维热场模型，利用接触电阻值和接触面积大小，通过计算建立接触电阻等效体模型；对仿真得到的连接器触头端面所有节点温度和触头接线端部所有节点温度进行数据处理；通过与试验中测得的连接器触头接线端部温度的瞬时值对比，验证模型的正确性；上位机选择一相进行测量。本发明可实时显示测量结果和室温值，方便计算触头温升、判断连接器是否合格。

权利要求

1.一种基于三维热场有限元分析的电力连接器触头温升测量方法，其特征在于：步骤如下：步骤一：利用有限元仿真分析软件ANSYS建立电力连接器三维热场模型，利用接触电阻值和接触面积大小，通过计算建立接触电阻等效体模型，进行瞬态热-电耦合仿真分析，输出连接器的温度场分布图，连接器触头温度、触头接线端部温度的瞬时值和随时间变化的曲线；

步骤二：对仿真得到的连接器触头端面所有节点温度和触头接线端部所有节点温度进行数据处理，得到连接器触头温度和触头接线端部温度的瞬时平均值；

步骤三：通过与试验中测得的连接器触头接线端部温度的瞬时值对比，验证模型的正确性；

步骤四：通过MATLAB中的曲线拟合命令，建立连接器触头温度和触头接线端部温度的数学关系和绘制拟合曲线；

步骤五：上位机选择一相进行测量，通过建立的数学关系和温度测量电路采集到的触头接线端部温度数据计算出触头温度值并根据标准判断电力连接器是否合格；

步骤六：上位机选择下一相继续测量。

说明书

基于三维热场有限元分析的电力连接器触头温升测量方法

(一)技术领域

[0001] 本发明涉及测量技术，具体说就是一种基于三维热场有限元分析的电力连接器触头温升测量方法。(二)背景技术

[0002] 电力连接器是专门应用于铁路车辆、城市轨道车辆及工业电气系统的电气连接装置。铁路客车电力连接器是列车供电的关键电器，其性能直接影响列车的服务质量和运行安全。电力连接器的接触电阻按照铁道行业标准TB/T 2408-93，应在0～0.8mΩ的范围内。然而在电力连接器发生故障时，随着接触电阻的增加，由接触电阻产生的焦耳热足以使接触面的温度急剧升高，甚至超出其材料的耐温范围而将其烧坏，这也是电力连接器最主要的失效模式之一。因此对电力连接器的触头温升进行实时监测十分必要。按照铁道行业标准TB/T 2408-93，触头温升的测试应在环境温度为25℃的条件下施加额定电流5小时后检测触头温升不超过60℃即判断为合格。这不仅给相关部门增加了巨大的工作量，并且消耗了大量的资源和时间。此外，由于电力连接器的触头处于封闭壳体内，无法直接通过试验手段获得实际的温度数据，这给连接器触头温升测量带来了一定的难度。但在一定条件下，接触电阻值的大小基本上能反映电力连接器在额定负载下的温升，因此目前大多数电力连接器生产厂家或是铁路检修部门是通过对接触电阻的测量来间接估计电力连接器的触头温升。可是由于接触电阻值的大小与触头温升之间仅是一种定性的关系，而且通过接触电阻值的测试很难实时反映触头温升的增长趋势，因此采用这种方法具有一定的局限性，并且无法得到触头温升的准确数据和有效地判断连接器工作的可靠性。(三)发明内容

[0003] 本发明的目的在于提供一种实时显示测量结果和室温值、方便计算触头温升并利用测试标准判断连接器是否合格的基于三维热场有限元分析的电力连接器触头温升测量方法。

[0004] 本发明的目的是这样实现的：所述的基于三维热场有限元分析的电力连接器触头温升测量方法，步骤如下：

[0005] 步骤一：利用有限元仿真分析软件ANSYS建立电力连接器三维热场模型，利用接触电阻值和接触面积大小，通过计算建立接触电阻等效体模型，进行瞬态热-电耦合仿真分析，输出连接器的温度场分布图，连接器触头温度、触头接线端部温度的瞬时值和随时间变化的曲线；

[0006] 步骤二：对仿真得到的连接器触头端面所有节点温度和触头接线端部所有节点温度进行数据处理，得到连接器触头温度和触头接线端部温度的瞬时平均值；

[0007] 步骤三：通过与试验中测得的连接器触头接线端部温度的瞬时值对比，验证模型的正确性；

[0008] 步骤四：通过MATLAB中的曲线拟合命令，建立连接器触头温度和触头接线端部温度的数学模型和绘制拟合曲线；

[0009] 步骤五：上位机选择一相进行测量，通过建立的数学模型和温度测量电路采集到的触头接线端部温度数据计算出触头温度值并根据标准判断电力连接器是否合格；

[0010] 步骤六：上位机选择下一相继续测量。

[0011] 本发明基于三维热场有限元分析的电力连接器触头温升测量方法，突破了现有的电力连接器测试设备无法测量触头温升的限制，能够对电力连接器各相触头的温升进行测量；而且通过有限元仿真计算分析，有效地缩短了电力连接器温升测试的时间，使得电力连接器测试的效率大大提高；通过温度测量电路采集温度数据传送到上位机中进行分析和处理；可实时显示测量结果和室温值，方便计算触头温升并利用测试标准判断连接器是否合格。(四)附图说明

[0012] 图1为本发明的测量方法流程图。(五)具体实施方式

[0013] 下面结合附图举例对本发明作进一步说明。

[0014] 实施例1：结合图1，本发明基于三维热场有限元分析的电力连接器触头温升测量方法，步骤如下：

[0015] 步骤一：利用有限元仿真分析软件ANSYS建立电力连接器三维热场模型，利用接触电阻值和接触面积大小，通过计算建立接触电阻等效体模型，进行瞬态热-电耦合仿真分析，输出连接器的温度场分布图，连接器触头温度、触头接线端部温度的瞬时值和随时间变化的曲线；

[0016] 步骤二：对仿真得到的连接器触头端面所有节点温度和触头接线端部所有节点温度进行数据处理，得到连接器触头温度和触头接线端部温度的瞬时平均值；

[0017] 步骤三：通过与试验中测得的连接器触头接线端部温度的瞬时值对比，验证模型的正确性；

[0018] 步骤四：通过MATLAB中的曲线拟合命令，建立连接器触头温度和触头接线端部温度的数学模型和绘制拟合曲线；

[0019] 步骤五：上位机选择一相进行测量，通过建立的数学模型和温度测量电路采集到的触头接线端部温度数据计算出触头温度值并根据标准判断电力连接器是否合格；

[0020] 步骤六：上位机选择下一相继续测量。

[0021] 实施例2：本发明基于三维热场有限元分析的电力连接器触头温升测量方法，包括以下内容：

[0022] (1)利用有限元仿真分析软件ANSYS建立电力连接器三维热场模型，并进行瞬态热-电耦合仿真分析，包括选择模型的单元类型和定义模型的材料属性；建立电力连接器几何模型；利用接触电阻值和接触面积大小，通过计算建立接触电阻等效体模型；选择分网精度，划分网格；设置温度边界条件、电压边界条件和施加电流载荷；设定求解的时间步长并进行瞬态热-电耦合仿真分析；输出连接器的温度场分布图，连接器触头温度、触头接线端部温度的瞬时值和随时间变化的曲线。

[0023] (2)对仿真得到的连接器触头端面所有节点温度和触头接线端部所有节点温度进行数据处理，得到连接器触头温度和触头接线端部温度的瞬时平均值。

[0024] (3)通过与试验中测得的连接器触头接线端部温度的瞬时值对比，验证模型的正确性。

[0025] (4)通过MATLAB中的曲线拟合命令，建立连接器触头温度和触头接线端部温度的数学模型和绘制拟合曲线。

[0026] (5)上位机选择一相进行测量，通过建立的数学模型和温度测量电路采集到的触头接线端部温度数据计算出触头温度值并根据标准判断电力连接器是否合格。

[0027] (6)上位机选择下一相继续测量。

[0028] 根据本发明所述的基于三维热场有限元分析的电力连接器触头温升测量方法，给出一个电力连接器温升测量实例如下：

[0029] 测量实例中所用的电力连接器KC20D的工作电压为500V(AC50Hz)，工作电流为425A。该电力连接器为三相四线制，因此在测量时，A、B、C三相的触头温升均需要测量。测量步骤如下：

[0030] 步骤一：确定测量所用的电力连接器的尺寸、各部分材料属性。电力连接器KC20D的主要材料有黄铜和绝缘塑料，需要确定的材料属性包括密度、比热容、导热系数和电阻率。

[0031] 步骤二：利用有限元仿真分析软件ANSYS建立电力连接器三维有限元热场模型，包括以下部分：

[0032] (1)选择单位类型为SOLID69热-电耦合三维六面体单元，根据测量所得尺寸，在有限元软件ANSYS的Preprocessor菜单下的Modeling子菜单中选择Create Volumes命令，自底向上建立电力连接器KC20D的三维有限元模型；

[0033] (2)根据测量所得尺寸中的接触面积大小和试验中测得的接触电阻值，通过计算确定接触电阻等效体的尺寸和等效电阻率，建立接触电阻等效体的几何模型；

[0034] (3)分别设定模型各部分的热性能参数和电气参数；

[0035] (4)在有限元软件ANSYS的Preprocessor菜单下的Modeling子菜单中选择Operate，再在其下拉菜单中选择Booleans布尔操作中的Overlap Volumes命令，将所建立的各个几何体的接触面粘贴在一起；

[0036] (5)选择分网精度为6的自由分网方式，对电力连接器KC20D三维有限元模型进行划分网格操作；

[0037] (6)设置温度边界条件为试验时测得的初始室温值，自然对流换热系数根据各个面散热条件的不同分别设定；

[0038] (7)根据测量所用的电力连接器KC20D的工作条件设定电压边界条件500V，在接触面的主节点上施加电流载荷425A；

[0039] (8)设定仿真时间步长为60s，时间为50min，仿真方式选择为瞬态热-电耦合仿真，开始仿真；

[0040] (9)输出连接器的温度场分布图，连接器触头温度、触头接线端部温度的瞬时值和随时间变化的曲线。

[0041] 步骤三：在MATLAB中对有限元仿真软件ANSYS中输出的连接器触头端面所有节点温度和触头接线端部所有节点温度进行数据处理，得到连接器触头温度和触头接线端部温度的瞬时平均值。

[0042] 步骤四：利用18B20测温电路测量A、B、C三相的触头接线端部温度，利用MATLAB绘制A、B、C三相的触头接线端部温度测量值随时间变化的曲线。

[0043] 步骤五：经比较，仿真曲线与试验曲线基本一致，且在50min时均趋于稳定。测温电路测得的触头接线端部温度的稳态值为41.7500℃，仿真得到的触头接线端部温度的稳态值为41.4606℃，稳态偏差为0.1396℃，仅为稳态值的0.33％，验证了模型的正确性。

[0044] 步骤六：通过MATLAB中的曲线拟合命令，将触头接线端部温度作为X值，连接器触头温度作为Y值，建立连接器触头温度和触头接线端部温度的数学模型和绘制拟合曲线。

[0045] 步骤七：，上位机选择一相开始测量电力连接器温升，计算机将18B20测温电路的初值作为室温值进行存储和显示，测得试验环境室温为22℃。

[0046] 步骤八：连续测温时计算机通过建立的数学模型和温度测量电路采集到的触头接线端部温度数据直接计算出触头温度值并根据标准判断电力连接器是否合格。根据仿真结果，电力连接器KC20D在额定电流下工作50min后的触头接线端部温度的稳态值为41.4606℃，触头温度稳态值为42.4991℃，温升为20.4991℃，不超过60℃，因此判断该电力连接器KC20D合格。

[0047] 步骤九：上位机存储测量数据，选择下一相继续测量。