小型斷路器雙金屬片瞬時熱分布研究

周 陽, 王 東, 戴銘磊

[國網湖南省電力有限公司 建設分公司(咨詢公司), 湖南 長沙 410000]

0 引 言

斷路器主要用于低壓配電線路或用電設備中,在電力系統(tǒng)中起著重要的控制和保護作用。如今對用電保護的要求越來越高,斷路器的熱脫扣問題一直困擾著各類斷路器的生產者。在脫扣機構確定的情況下,能夠正確地設計并選用雙金屬材料性能是解決問題的關鍵[1]。當前,生產廠家主要通過實驗進行熱分析,但這樣使產品設計的費用增加,周期加長。如果能夠在產品的設計階段采用虛擬樣機技術進行熱分析,就可以減少設計成本和縮短制作周期,因此,研究雙金屬片的熱分析具有重要的實際應用價值和發(fā)展前景[2]。

近年來,仿真技術發(fā)展迅速。為了降低研發(fā)成本和縮短研發(fā)周期,國內外許多專家和學者對各種電氣設備進行了仿真研究。在國內,許文良等[3]研究了低壓斷路器瞬態(tài)電熱分析的仿真計算方法;徐宏宇等[4]利用Ansys軟件計算了低壓配電柜的穩(wěn)態(tài)溫度場分布以及氣流場分布。

國外多位學者也對溫升仿真進行了許多研究。Barcikowski等[5]研究發(fā)現小型斷路器內部的對流與輻射傳熱過程對斷路器導電回路穩(wěn)態(tài)溫升的影響可以忽略;Yoon等[6]使用了一種電磁場-熱場耦合的仿真方法來計算GIS母線導體的熱分布特性,并且在仿真中考慮了GIS母線材料屬性的非線性特性以及輻射傳熱對仿真結果的影響,并進行了相對應的實驗[6]。

本文采用Ansys有限元仿真軟件研究了某型號斷路器雙金屬片的瞬時溫度分布規(guī)律以及瞬時形變,并利用溫升實驗平臺測量雙金屬片關鍵部位的溫升,對實驗結果與仿真結果進行對比與驗證,為產品的優(yōu)化設計提供理論依據。

1 基礎理論和計算方法

1.1 導熱系數的計算

在熱分析中,金屬導體的導熱系數決定了整個模型的溫度大小,每種材料的導熱系數隨金屬的純凈程度、溫度、壓力以及材料結構等因素變化,通常情況下,溫度起著決定性的作用。在工程計算中,材料導熱系數與溫度的關系如公式(1)所示:

λ=λ0(1+bθ)

(1)

式中:λ——材料工作時的導熱系數;

λ0——273.15 K時材料的導熱系數;

b——材料工作時的溫度;

θ——實驗所確定的常數,由材料本身決定。

由傳熱學理論可知,隨著溫度升高,銅合金和鋁合金的導熱系數變化較小,因此,在工程計算中,在一定的溫度范圍內,可以認為其導熱系數不變,銅合金導熱系數為400 W·(m·K)-1,鋁合金導熱系數為144 W·(m·K)-1。

1.2 散熱系數的計算

模型中的傳熱機制包括熱傳導、對流和輻射。采用在散熱表面賦熱對流換熱系數的方式來模擬對流傳熱。雙金屬片被塑料外殼里面的空氣所包裹,空氣的流動受到限制,對流傳熱屬于有限空間自然對流傳熱,如公式(2)所示:

q=αcon·A0·(Tf-T0)

(2)

式中:αcon——材料的對流換熱系數;

A0——材料的對流換熱面積;

Tf——環(huán)境溫度;

T0——材料表面溫度。

公式(2)中,αcon與周圍流體的特性有關,本文根據流體的相似理論計算對流散熱系數。在工程計算中,廣泛應用的自然對流實驗關聯式如式(3)～式(5)所示:

(3)

Nu=C(GrPr)n

(4)

(5)

式中:Gr——Grashof數;

g——重力加速度;

β——體積膨脹系數;

Δt——物體表面與室溫的溫差;

v——運動黏度;

Nu——Nusselt數;

C——常數,取決于材料本身;

Pr——Prandlt數;

n——常數,取決于不同換熱問題;

αcon——對流換熱系數;

λ——材料熱導率;

lc——材料表面面短邊長度。

輻射散熱也是一種主要的散熱方式。熱輻射是由電磁波傳播能量,根據Stefan-Boltzmann定律,物體的輻射散熱qi以及輻射散熱系數αrad計算如公式(6)和公式(7)所示:

qi=σFijεiAi(T4f-T40)

(6)

(7)

式中:σ——Boltzmann常數;

Fij——材料系數,由材料本身決定;

εi——發(fā)射率;

Ai——輻射散熱面積;

Tf——環(huán)境溫度;

T0——材料表面溫度。

2 仿真模型建立

小型斷路器模型如圖1所示,外接的連接導線通過左右兩側的螺釘固定,位于上方的是斷路器的操動機構,包括手柄、連接桿和轉板等。在斷路器閉合時,動靜觸頭接觸進行導電;位于斷路器左側的是螺線管以及滅弧柵片,用于斷路器的短路保護;雙金屬片位于斷路器的右側,雙金屬片左側通過導線與動觸頭相連接,右側通過銅片與右側外接導線連接。

圖1 小型斷路器模型

本文重點研究雙金屬片的瞬時溫升,雙金屬片產熱模型如圖2所示。

圖2 雙金屬片產熱模型

焊接點與主動層間有0.1 mm厚的導電接觸層,接觸電阻的電阻率與熱導率如式(8)和式(9)所示:

(8)

(9)

式中:ρ——電導率;

R——電阻;

s——接觸電阻橫截面積;

l——接觸電阻長度;

λ——熱導率;

L——洛倫茲系數;

T——熱力學溫度。

仿真流程圖如圖3所示,首先利用UG軟件對雙金屬片模型進行簡化,得到雙金屬片仿真模型;然后,將模型導入Ansys APDL模塊中,賦予各個部件材料屬性,并進行有限元網格剖分;最后,調整模型的邊界條件,仿真計算后可以得到雙金屬片的瞬時溫度和形變結果。

3 仿真與實驗結果及分析

3.1 仿真結果及分析

仿真所使用的雙金屬片參數取自額定電流為63 A的小型斷路器,雙金屬片主要部件材料屬性如表1所示。

通過Ansys軟件仿真計算后得到了不同時間下雙金屬片的溫度分布云圖以及最大位移,在環(huán)境溫度16 ℃,通46 A的50 Hz交流電時,63 A斷路器雙金屬片在66,216,3 600 s時的溫度分布云圖分別如圖4～圖6所示。

圖3 仿真流程圖

表1 雙金屬片主要部件材料屬性

圖4 66 s時雙金屬片溫度分布云圖

由圖4～圖6可以看到,63 A斷路器通46 A電流時,雙金屬片的溫度分布相似,在焊接點處的溫度最高,在66 s時最高溫度為29.93 ℃,在216 s時最高溫度為40.97 ℃,在3 600 s時最高溫度為44.68 ℃。導線上的溫度分布規(guī)律為靠近焊接點的導線溫度最高,越遠離焊接點,導線的溫度越低。雙金屬片上的溫度分布同樣是接近焊接點處的溫度高,遠離焊接點的溫度較低。而導電片上的溫度是最低的。在此條件下,63 A斷路器雙金屬片在66 s時的最大位移為0.633 mm,在216 s時的最大位移為0.837 mm,在3 600 s時的最大位移為0.945 mm,最大位移點在雙金屬片的頂端。

圖5 216 s時雙金屬片溫度分布云圖

圖6 3 600 s時雙金屬片溫度分布云圖

3.2 實驗結果及分析

為了驗證仿真模型,本文完成了63 A額定電流斷路器的雙金屬片溫升實驗。實驗中,變壓器提供穩(wěn)定的交流電壓,通過電流線圈測量實驗電流,使用熱電偶測量溫升,所測試斷路器如圖7所示。

63 A額定電流斷路器所通電流為46 A,雙金屬片溫升測量點如圖8所示,分別在雙金屬片頂端、焊點處、雙金屬片底端用溫度傳感器測量溫升,至溫升到達穩(wěn)定為止。

圖7 所測試斷路器

圖8 雙金屬片溫升測量點

63 A斷路器在3個測量點的溫升實驗結果如圖9所示。由圖9可以看到,隨著實驗時間的推移,雙金屬片的溫度不斷上升,3個溫度測量點在300 s后溫度上升會顯著變慢,380 s后溫度不變,1號測量點最高溫度為40.8 ℃,2號測量點最高溫度為45.3 ℃,3號測量點最高溫度為42.3 ℃。

圖9 63 A斷路器在3個測量點的溫升實驗結果

63 A斷路器在3個測量點的穩(wěn)定溫升仿真結果和實驗結果對比如圖10所示。由圖10可以看出,雙金屬片溫升的增長趨勢大致相同,隨著通電時間的增加,雙金屬片溫度不斷上升,實驗和仿真溫度變化趨勢基本相同,在400 s時到達穩(wěn)定溫升,仿真在380 s時到達穩(wěn)定溫升。當達到穩(wěn)定溫升時,1號測量點的溫度為42 ℃,與仿真結果溫升差為1.2 K;2號測量點的溫度為44.6 ℃,與仿真結果溫升差為0.7 K,3號測量點的溫度為43.5 ℃,與仿真結果溫升差為1.2 K。63 A斷路器的雙金屬片溫升仿真結果與實驗測量值相吻合,表明了仿真方法的正確性。

圖10 63 A斷路器在3個測量點的穩(wěn)定溫升

4 結 語

基于雙金屬片有限元仿真和相應的溫升實驗,本文主要研究雙金屬片在不同時間的溫度變化過程,建立了雙金屬片熱仿真模型,并模擬了雙金屬片的發(fā)熱過程,得到了雙金屬片的溫度分布,同時完成了相應的實驗研究,并對仿真模型進行了驗證。結果表明有限元模型仿真結果與實驗結果接近,最大絕對誤差為1.2 K。