高压直流故障电流限制器热接触分析

谢 飞，金 环，王 超，汪献伟

（1.顺德职业技术学院 智能制造学院，广东 佛山 528333；2.中国科学院等离子体物理研究所，安徽 合肥 230031；3.江苏理工学院 机械工程学院，江苏 常州 213001）

实现稳态长脉冲高约束等离子体运行是未来EAST 乃至国际核聚变能发展中亟待解决的关键科学问题［1］。在EAST 装置里，中性束注入与低杂波组合加热的方式是实现高 βN-H 模放电的一种有效探索模式，对于EAST 升级实验水平及正在建设的国际聚变堆ITER（International Thermonuclear Experimental Reactor）进一步研究相关前沿问题具有重要意义［2］。

稳态长脉冲运行射频离子源是大功率中性束注入系统研制的关键方向。我国EAST 重点发展的50～80 keV/4 MW/100 s 中性束注入系统由高压电源子系统、高压传输线和中性束注入器子系统等组成［3］。由于中性束离子源运行在强电场条件下的等离子体负载状态，高压电极短路常有发生［4］，为防止离子源受到损坏，必须在电路中设置HVDCFCL 保护单元，以免其因短路故障时吸收能量过大而损坏。

HVDCFCL 装置是一种特殊变压器，通过嵌套在离子源用高压传输线上的铁磁材料涡流和磁滞损耗的方法来达到抑制故障电流峰值和消耗故障能量的效果。而穿过装置内部电源传输导线在长脉冲运行期间累积了大量的电热能，导致系统内部温度上升。在系统设计中，散热性能是一项很重要的指标，是决定装置稳定性和可靠性的重要因素［5］。因而要对装置的散热性能进行分析，为优化设计提供理论依据。由于中性束系统运行工况的特殊性，HVDCFCL装置散热方式受到限制，热传导成为其主要的散热方式之一。本文利用ANSYS 软件内置的接触单元来模拟接触热阻效应，得到装置接触热阻影响下的内、外侧界面温度场分布曲线。

1 EAST 中性束加热系统简介

我国重点发展设计的EAST 中性束系统设计技术指标为加热功率为4 MW、束能80 keV、脉宽100 s。结构如图1 所示，包括了电源系统、低冷系统、总控系统、真空系统以及工作气体供气系统等子系统。在EAST 试验的最终阶段，等离子体的离子温度要达到一亿摄氏度，这就要求规划设计的加热功率扩建到8 MW，其电源功率达到18～24 MW。

其中电源系统是由的两套100 kV/10 MW 高压电源及近700 kW 同样浮在高电位上的辅助电源（灯丝电源和弧电源）组成。离子源加速器的电极由于特殊工况影响，经常会出现电击穿，击穿发生时，前级电源和各级分布电容储存的高压能量将通过高压传输线送给加速极，这部分属于故障能量，中性束系统严格要求供电电源必须限制发生电击穿时总故障能量不超过5 J［6-8］，避免造成核心部件的离子源加速器不可恢复的损伤。因此必须通过HVDCFCL 来抑制能量沉积和短路电流峰值，从而保护核心部件离子源的可靠运行［9］。

图1 EAST 中性束系统原理示意图

2 HVDCFCL 设计基础

为实现系统稳定运行，采用HVDCFCL 装置是作为抑制短路电流保护离子源的重要手段。HVDCFCL装置是一种利用铁磁材料涡流损耗和磁滞损耗消耗故障能量的方法，它通过用多个铁芯磁环套在通向离子源的高压强流电源传输线，系统短路故障时呈现高阻抗抑制短路电流，实现降低离子源吸收能量、保护离子源的功能。HVDCFCL 装置与穿过它的电流导线示意图如图2 所示［10］，其中：W 表示铁芯叠片宽度；Nc为串联的铁芯数；NL为单个铁芯叠片层数；NT为载流导线的匝数；r1、r0分别表示磁环内、外半径。

相关文献研究给出了设计限制器的关键参数［11］，如表1 所示。

图2 高压直流故障电流限制器结构示意图

3 接触热阻的计算方法

接触热阻是指由接触表面之间的接触间隙引起的热流线收缩而产生的附加阻力。接触热阻的存在不仅影响热量的传递，并导致界面温度分布的不连续性。图3 在考虑接触热阻时，两相邻部件热量传递图。接触热阻的计算可以通过实验的方法，测量两接触体的温度，由傅里叶定律计算两接触界面的接触热阻。也可通过创建单点或多点接触热阻模型，通过理论计算来完成，在实际的工程应用中具有一定的难度。而采用数值模拟只需要建立接触模型并施加相应的热边界条件即可完成接触热阻的计算［12］。本文采用数值模拟通过假定如初温度边界条件来计算铁芯叠片层的接触热阻，其中界面平均接触热阻和热流密度的计算基于公式（1）～（4）。

表1 HVDCFCL 典型参数

图3 接触热阻示意图

其中，R为界面平均接触热阻，T为环氧层和铁芯交界面之间的温差；Q为通过环氧层和铁芯交界面之间的热流，S为环氧层和铁芯交界面间接触面积，hc为接触热导，q为内外两接触端的平均热流密度，Th与Tc分别为内界面高温端温度与外界面低温端，λ1和λ2为铁芯在不同温度下的热导率。

4 铁芯叠片的热分析

4.1 良好接触下铁芯叠片的热分析

为了研究铁芯和环氧界面的接触热阻对热传递的影响特别是对温度场分布的影响，基于有限元分析软件ANSYS 分别创建了理想无接触热阻计算模型和包含接触热阻的近似计算模型，通过比较对照来说明高压限流器的热分析中引入接触热阻的必要性和实施方法。铁芯和环氧均采用三维实体单元SOLID70 进行模拟，整个实体模型采用六面体映射网格如图4 所示，内层的环氧和中间层的铁芯，以及中间层的铁芯和外层的环氧均良好接触，不存在接触热阻。内层的环氧用来包裹传输电缆其温度场由电缆的温度决定，考虑到电流沿传输以及欧姆热引起的温度场主要沿径向变化，因此分析中可不考虑环氧轴向温度分布的细微差别，本分析在环氧的内表面设置均匀的温度场400 K，而外层环氧暴露在空气中，与空气有充分的热交换其温度即为常温下的大气温度293 K。稳态热分析时以该温度场作为边界条件即可获得相应部件的温度场分布。图5、图6 分别给出了良好接触状态下铁芯碟片的温度场分布和热通量。由图可知，在无接触热阻的状态下，温度场和热通量沿部件的径向呈连续均匀分布，在接触界面上不存在温度的跳变。图7、图8 分别提取了内层接触界面和外层接触界面周围的2 层单元，并给出了其温度分布，其中内层接触界面两组单元之间的最大温差为31 K，外层接触界面的最大温差为19 K。

图4 有限元模型

图5 无接触热阻的温度场分布

图6 无接触热阻的热通量

图7 内侧接触界面区域的温度分布

图8 外侧接触界面区域的温度场分布

4.2 存在接触热阻时铁芯叠片的热分析

接触热阻的模拟采用ANSYS 的接触单元CONTACT170，CONTACT174。为了创建接触对在划分网格的时候对铁芯和环氧分别划分网格以确保各组件节点在接触边界不耦合，如图9 所示。考虑到热流方向对接触热阻的影响，内外接触界面设置不同的接触热阻。热分析的温度采用和理想计算模型相同的边界条件。图10 给出了铁芯和环氧的热通量，显然，由于接触热阻的影响，热通量沿环向的分布不再呈均匀状态。图11、图12 给出了内外接触界面附近两层单元的温度场分布。其中内侧接触界面的温度差为35 K，比不考虑接触热阻的状态下高出了4 K，接触热阻影响明显。外侧接触界面的温度差为18 K，与理想状态下的温度场偏差不大，这说明接触热阻的影响在主要集中在接触边界，当远离接触边界时接触热阻对温度场的影响明显减弱。

图9 界面接触热阻模型

图10 接触热阻影响下的热通量

图11 接触热阻影响下的内侧界面温度分布

图12 接触热阻影响下的外侧界面温度分布

5 结论

1）在接触热阻的作用下，接触界面的热流通量发生明显变化，导致接触界面附近区域的温度场不再沿径向均布，局部温度较高不利于热量的传递和发散。

2）当热流从热导率较低的环氧流向热导率较高的铁芯时，界面温差大于无接触热阻的状态，接触热阻影响明显。

3）在HVDCFCL 长时间，高占空比的运行状态下需重点关注。当热流从高热导率的铁芯流向低热导率的环氧时，界面温差不明显，可忽略接触热阻的影响。