低壓斷路器主回路溫升的仿真模型研究

王 勇

（廣州白云電器設(shè)備股份有限公司，廣東 廣州 510460）

低壓斷路器主回路溫升的仿真模型研究

王 勇

（廣州白云電器設(shè)備股份有限公司，廣東 廣州 510460）

對(duì)某低壓斷路器主回路運(yùn)用有限元分析軟件ANSYS進(jìn)行溫度場(chǎng)模型搭建分析。建立主回路穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)分析模型，對(duì)其通電溫升進(jìn)行仿真分析，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)電橋和觸頭位置的溫升最高，接線端處的溫度最低，觸頭位置的最高溫度沒(méi)有超過(guò)觸點(diǎn)材料的熔點(diǎn)，故不導(dǎo)致熔焊。確定主回路通電最高溫升部位環(huán)節(jié)，能為優(yōu)化設(shè)計(jì)低壓斷路器主回路結(jié)構(gòu)提供了一定的參考。

低壓斷路器；溫度場(chǎng)；有限元分析；穩(wěn)態(tài)；瞬態(tài)；接線端；觸點(diǎn)

在電力系統(tǒng)中，低壓開(kāi)關(guān)電器占很大比例，是電力系統(tǒng)的重要設(shè)備。常用的低壓開(kāi)關(guān)電器有低壓刀開(kāi)關(guān)、接觸器、磁力起動(dòng)器和低壓斷路器。低壓開(kāi)關(guān)電器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，載流導(dǎo)體流過(guò)電流會(huì)產(chǎn)生焦耳熱能，當(dāng)焦耳熱能散發(fā)到周圍的介質(zhì)中時(shí)，低壓開(kāi)關(guān)電器的溫度就升高，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致觸頭熔斷，進(jìn)而導(dǎo)致開(kāi)關(guān)無(wú)法正常工作。本文運(yùn)用有限元分析法對(duì)低壓開(kāi)關(guān)電器的主電路進(jìn)行溫度場(chǎng)分析，綜合考慮多方面因素，分析出主電路中最高溫度值以及位置，對(duì)于優(yōu)化低壓開(kāi)關(guān)電器結(jié)構(gòu)具有重要意義。

1 低壓開(kāi)關(guān)電器主電路溫度場(chǎng)有限元分析模型

1.1 主電路結(jié)構(gòu)模型

本文研究的低壓開(kāi)關(guān)是額定電壓為200 A的雙觸頭低壓開(kāi)關(guān)電器，如圖1所示，其由進(jìn)線器、導(dǎo)電桿、軟連接、動(dòng)觸頭、動(dòng)導(dǎo)電桿、靜觸頭、靜導(dǎo)電桿和出線端組成。為了計(jì)算的方便，我們將主電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化成一個(gè)近似長(zhǎng)方體的模型。

圖1 主電路結(jié)構(gòu)模型

1.2 穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)計(jì)算模型

前文已提到過(guò)，低壓開(kāi)關(guān)電器工作中會(huì)產(chǎn)生焦耳熱能，一般會(huì)在電磁系統(tǒng)和主電路中產(chǎn)生焦耳熱能。本文研究的低壓開(kāi)關(guān)電器主電路與電磁系統(tǒng)是分離的，電磁系統(tǒng)中的焦耳熱能對(duì)主電路溫度上升產(chǎn)生一定影響，為了計(jì)算簡(jiǎn)便，本文建立的穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)計(jì)算模型忽略了電磁系統(tǒng)對(duì)主電路溫度上升的影響。主電路上的熱能會(huì)以傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射的方式散發(fā)到周圍空氣中。在穩(wěn)態(tài)狀態(tài)下，主電路的三維熱傳導(dǎo)計(jì)算方程為：

式中，

T表示溫度；

λ表示導(dǎo)熱系數(shù)；

q表示單位體積內(nèi)熱源生成熱；

x、y、z表示直角坐標(biāo)。

主電路溫度要考慮載流導(dǎo)體的傳熱作用，導(dǎo)體與絕緣體之間采用絕熱條件；接線端的熱量主要是通過(guò)對(duì)流和輻射散發(fā)出去的，利用散熱系數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

式中，

αT表示綜合散熱系數(shù)；T0表示物體溫度；Tf表示環(huán)境溫度；

1.3 接線端處理和觸頭處理

主電路中有進(jìn)線端和出線端，在這兩個(gè)接線端上，連接導(dǎo)線上有接線端的熱量，也有本身電阻損耗產(chǎn)生的熱量，其熱量會(huì)通過(guò)導(dǎo)線表面散發(fā)出去，進(jìn)而對(duì)主電路的溫度產(chǎn)生影響。我們將接線端導(dǎo)線的溫升作用歸納到接線端的散熱邊界條件中。

電流流過(guò)觸頭時(shí)，電流線出現(xiàn)收縮現(xiàn)象，使得流過(guò)導(dǎo)電斑點(diǎn)附近的電流路徑增長(zhǎng)，導(dǎo)電界面減小，接觸電阻就產(chǎn)生了。我們假設(shè)動(dòng)觸頭與靜觸頭中間有一個(gè)圓柱體的導(dǎo)電橋連接二者，并用導(dǎo)電橋模擬觸頭的電接觸情況。其中，導(dǎo)電橋的材料與觸頭材料一致，高度為20 um，半徑r計(jì)算公式是：

式中，

F指觸頭的壓力；

H表示材料硬度；

ξ表示觸頭表面的接觸系數(shù)。

2 仿真實(shí)驗(yàn)

作者運(yùn)用有限元分析軟件ANSYS進(jìn)行溫度場(chǎng)仿真實(shí)驗(yàn)，使低壓開(kāi)關(guān)電器處于額定工作條件下，觸頭的壓力為10 N，而其材料是AgSnO2。我們對(duì)進(jìn)線端、出線端、動(dòng)觸頭、靜觸頭、導(dǎo)電橋五個(gè)位置進(jìn)行的有限元仿真分析，結(jié)果顯示：導(dǎo)電橋位置的溫度最高，動(dòng)靜觸頭位置的溫度次之，出線端和進(jìn)線端的溫度最低。導(dǎo)電橋位置的溫度主要是由接觸電阻引起的，而且動(dòng)靜觸頭的散熱條件不好，這樣就使得導(dǎo)電橋位置的溫度較高。進(jìn)線端和出現(xiàn)端離導(dǎo)電橋較遠(yuǎn)，且可以通過(guò)連接導(dǎo)線散熱，因而溫度較低。

為了判斷仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，我們又進(jìn)行了驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。主電路溫升的主要影響因素是接觸電阻，因此，運(yùn)用熱電偶對(duì)選定的5個(gè)測(cè)定點(diǎn)進(jìn)行電阻測(cè)驗(yàn)和溫升實(shí)驗(yàn)。使低壓開(kāi)關(guān)電器處于額定工作條件下，經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，進(jìn)線端和出線端的壓降為0.023 V，而仿真實(shí)驗(yàn)得出的壓降是0.025 V，結(jié)果有一點(diǎn)點(diǎn)差異，造成這一差異的原因是導(dǎo)電橋的高度和半徑不夠合理。采用熱電偶對(duì)5個(gè)測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行了溫升實(shí)驗(yàn)，每個(gè)測(cè)量點(diǎn)的實(shí)際溫升值與仿真實(shí)驗(yàn)計(jì)算出來(lái)的溫升值都存在一些差異，比如說(shuō)：進(jìn)線端的實(shí)際溫升值為15℃，仿真計(jì)算的溫升值為14℃；導(dǎo)電橋的實(shí)際溫升值為13.4℃，計(jì)算的溫升值為15.7℃。出現(xiàn)這一結(jié)果的原因一是導(dǎo)電橋尺寸不合理，二是建立的計(jì)算模型和散熱參數(shù)不合理，對(duì)結(jié)果產(chǎn)生一定的影響。雖然說(shuō)有一定偏差，但偏差不影響結(jié)果判斷。

緊接著，我們又進(jìn)行了瞬態(tài)溫度場(chǎng)仿真實(shí)驗(yàn)，還是之前選定的5個(gè)測(cè)量點(diǎn)，使低壓開(kāi)關(guān)電器處于20倍額定電流狀態(tài)0.5秒時(shí)間，分析主電流溫度場(chǎng)分布情況。仿真結(jié)果表明：導(dǎo)電橋和觸頭位置的溫度最高，其他部位的溫度相對(duì)較低，尤其是進(jìn)線端和出線端的溫度較低，接近于室溫。導(dǎo)電橋的最高溫度是705℃，而觸點(diǎn)材料為AgSnO2，導(dǎo)電性能好，熔點(diǎn)高，導(dǎo)電橋的最高溫度沒(méi)有超過(guò)觸點(diǎn)材料的熔點(diǎn)，因而不會(huì)發(fā)生熔焊現(xiàn)象。當(dāng)最高溫度超過(guò)其熔點(diǎn)時(shí)，觸點(diǎn)就會(huì)發(fā)生熔焊現(xiàn)象。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)低壓開(kāi)關(guān)電器主電路溫度場(chǎng)進(jìn)行有限元仿真分析和熱電偶實(shí)際測(cè)量，得出影響主電路溫升的主要因素是接觸電阻，溫度最高的地方是觸點(diǎn)。進(jìn)行瞬態(tài)分析時(shí)得出了觸點(diǎn)熔斷的判斷標(biāo)準(zhǔn)，這對(duì)于有關(guān)人員優(yōu)化主電路結(jié)構(gòu)，提高低壓開(kāi)關(guān)電器質(zhì)量具有重要參考價(jià)值。

[1]宋 帆，申春紅，林 莘，等.800KVGIS隔離開(kāi)關(guān)磁場(chǎng)—溫度場(chǎng)計(jì)算與分析[J].高電壓技術(shù)，2008（7）：1383-1388.

[2]陳 維，張國(guó)鋼，張鵬飛，等.低壓開(kāi)關(guān)電器主電路溫度場(chǎng)的有限元分析[J].低壓電器，2010（20）：1-4.

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Study on Simulation Modelof Low-voltage Circuit BreakerMain Circuitof Tem perature Rise

WANGYong

(Guangzhou Baiyun Electrical Equipment Limited by Share Ltd，Guangzhou Guangdong 510460，China)

The temperature field model is built on a low voltage circuit breakermain circuit by using finite element analysis software ANSYS.Established the analysismodel of the steady temperature field ofmain circuit,the electric temperature simulation analysis,shows that the conductive bridge and the contact position of the highest temperature rise,temperatureterminal atminimum,nomore than the highest temperature of contact position of the contactmaterial melting point,so itdoes not lead to fusion welding.To determine themain loopelectrify themaximum temperature rise of site links,can provide some reference for theoptimization design of themain circuit structure of low-voltage circuit breaker.

low voltage circuitbreaker；temperature field；finite elementanalysis；steady；transient；terminal；contact

TM561

B

1672-545X（2014）04-0182-02

2014-01-08

王 勇（1976—），男，貴州人，工程師，研究方向：配電電氣及電器元件設(shè)計(jì)、制造。