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）

對某低壓斷路器主回路運用有限元分析軟件ANSYS進行溫度場模型搭建分析。建立主回路穩(wěn)態(tài)溫度場分析模型，對其通電溫升進行仿真分析，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有超過觸點材料的熔點，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；有限元分析；穩(wěn)態(tài)；瞬態(tài)；接線端；觸點

在電力系統(tǒng)中，低壓開關(guān)電器占很大比例，是電力系統(tǒng)的重要設(shè)備。常用的低壓開關(guān)電器有低壓刀開關(guān)、接觸器、磁力起動器和低壓斷路器。低壓開關(guān)電器運轉(zhuǎn)時，載流導(dǎo)體流過電流會產(chǎn)生焦耳熱能，當(dāng)焦耳熱能散發(fā)到周圍的介質(zhì)中時，低壓開關(guān)電器的溫度就升高，嚴重時會導(dǎo)致觸頭熔斷，進而導(dǎo)致開關(guān)無法正常工作。本文運用有限元分析法對低壓開關(guān)電器的主電路進行溫度場分析，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，對于優(yōu)化低壓開關(guān)電器結(jié)構(gòu)具有重要意義。

1 低壓開關(guān)電器主電路溫度場有限元分析模型

1.1 主電路結(jié)構(gòu)模型

本文研究的低壓開關(guān)是額定電壓為200 A的雙觸頭低壓開關(guān)電器，如圖1所示，其由進線器、導(dǎo)電桿、軟連接、動觸頭、動導(dǎo)電桿、靜觸頭、靜導(dǎo)電桿和出線端組成。為了計算的方便，我們將主電路結(jié)構(gòu)簡化成一個近似長方體的模型。

圖1 主電路結(jié)構(gòu)模型

1.2 穩(wěn)態(tài)溫度場計算模型

前文已提到過，低壓開關(guān)電器工作中會產(chǎn)生焦耳熱能，一般會在電磁系統(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)中的焦耳熱能對主電路溫度上升產(chǎn)生一定影響，為了計算簡便，本文建立的穩(wěn)態(tài)溫度場計算模型忽略了電磁系統(tǒng)對主電路溫度上升的影響。主電路上的熱能會以傳導(dǎo)、對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。

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對流和輻射散發(fā)出去的，利用散熱系數(shù)進行計算。

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

主電路中有進線端和出線端，在這兩個接線端上，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，其熱量會通過導(dǎo)線表面散發(fā)出去，進而對主電路的溫度產(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。

電流流過觸頭時，電流線出現(xiàn)收縮現(xiàn)象，使得流過導(dǎo)電斑點附近的電流路徑增長，導(dǎo)電界面減小，接觸電阻就產(chǎn)生了。我們假設(shè)動觸頭與靜觸頭中間有一個圓柱體的導(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 仿真實驗

作者運用有限元分析軟件ANSYS進行溫度場仿真實驗，使低壓開關(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。我們對進線端、出線端、動觸頭、靜觸頭、導(dǎo)電橋五個位置進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，動靜觸頭位置的溫度次之，出線端和進線端的溫度最低。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。進線端和出現(xiàn)端離導(dǎo)電橋較遠，且可以通過連接導(dǎo)線散熱，因而溫度較低。

為了判斷仿真實驗結(jié)果的準確性，我們又進行了驗證性實驗。主電路溫升的主要影響因素是接觸電阻，因此，運用熱電偶對選定的5個測定點進行電阻測驗和溫升實驗。使低壓開關(guān)電器處于額定工作條件下，經(jīng)過多次實驗發(fā)現(xiàn)，進線端和出線端的壓降為0.023 V，而仿真實驗得出的壓降是0.025 V，結(jié)果有一點點差異，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5個測量點進行了溫升實驗，每個測量點的實際溫升值與仿真實驗計算出來的溫升值都存在一些差異，比如說：進線端的實際溫升值為15℃，仿真計算的溫升值為14℃；導(dǎo)電橋的實際溫升值為13.4℃，計算的溫升值為15.7℃。出現(xiàn)這一結(jié)果的原因一是導(dǎo)電橋尺寸不合理，二是建立的計算模型和散熱參數(shù)不合理，對結(jié)果產(chǎn)生一定的影響。雖然說有一定偏差，但偏差不影響結(jié)果判斷。

緊接著，我們又進行了瞬態(tài)溫度場仿真實驗，還是之前選定的5個測量點，使低壓開關(guān)電器處于20倍額定電流狀態(tài)0.5秒時間，分析主電流溫度場分布情況。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較低，尤其是進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℃，而觸點材料為AgSnO2，導(dǎo)電性能好，熔點高，導(dǎo)電橋的最高溫度沒有超過觸點材料的熔點，因而不會發(fā)生熔焊現(xiàn)象。當(dāng)最高溫度超過其熔點時，觸點就會發(fā)生熔焊現(xiàn)象。

3 結(jié)束語

本文對低壓開關(guān)電器主電路溫度場進行有限元仿真分析和熱電偶實際測量，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。進行瞬態(tài)分析時得出了觸點熔斷的判斷標準，這對于有關(guān)人員優(yōu)化主電路結(jié)構(gòu)，提高低壓開關(guān)電器質(zhì)量具有重要參考價值。

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

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

[3]張 君，魏曉峰，張雄軍，等.重頻應(yīng)用下電光晶體溫度場應(yīng)變場影響因素[J].激光技術(shù)，2009，33（1）：27-31.

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、制造。