周 陽(yáng), 王 東, 戴銘磊

[國(guó)網(wǎng)湖南省電力有限公司 建設(shè)分公司(咨詢公司), 湖南 長(zhǎng)沙 410000]

0 引 言

斷路器主要用于低壓配電線路或用電設(shè)備中,在電力系統(tǒng)中起著重要的控制和保護(hù)作用。如今對(duì)用電保護(hù)的要求越來(lái)越高,斷路器的熱脫扣問(wèn)題一直困擾著各類斷路器的生產(chǎn)者。在脫扣機(jī)構(gòu)確定的情況下,能夠正確地設(shè)計(jì)并選用雙金屬材料性能是解決問(wèn)題的關(guān)鍵[1]。當(dāng)前,生產(chǎn)廠家主要通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行熱分析,但這樣使產(chǎn)品設(shè)計(jì)的費(fèi)用增加,周期加長(zhǎng)。如果能夠在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)階段采用虛擬樣機(jī)技術(shù)進(jìn)行熱分析,就可以減少設(shè)計(jì)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(shí)際應(yīng)用價(jià)值和發(fā)展前景[2]。

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

國(guó)外多位學(xué)者也對(duì)溫升仿真進(jìn)行了許多研究。Barcikowski等[5]研究發(fā)現(xiàn)小型斷路器內(nèi)部的對(duì)流與輻射傳熱過(guò)程對(duì)斷路器導(dǎo)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(chǎng)-熱場(chǎng)耦合的仿真方法來(lái)計(jì)算GIS母線導(dǎo)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(duì)仿真結(jié)果的影響,并進(jìn)行了相對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)[6]。

本文采用Ansys有限元仿真軟件研究了某型號(hào)斷路器雙金屬片的瞬時(shí)溫度分布規(guī)律以及瞬時(shí)形變,并利用溫升實(shí)驗(yàn)平臺(tái)測(cè)量雙金屬片關(guān)鍵部位的溫升,對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比與驗(yàn)證,為產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 基礎(chǔ)理論和計(jì)算方法

1.1 導(dǎo)熱系數(shù)的計(jì)算

在熱分析中,金屬導(dǎo)體的導(dǎo)熱系數(shù)決定了整個(gè)模型的溫度大小,每種材料的導(dǎo)熱系數(shù)隨金屬的純凈程度、溫度、壓力以及材料結(jié)構(gòu)等因素變化,通常情況下,溫度起著決定性的作用。在工程計(jì)算中,材料導(dǎo)熱系數(shù)與溫度的關(guān)系如公式(1)所示:

λ=λ0(1+bθ)

(1)

式中:λ——材料工作時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù);

λ0——273.15 K時(shí)材料的導(dǎo)熱系數(shù);

b——材料工作時(shí)的溫度;

θ——實(shí)驗(yàn)所確定的常數(shù),由材料本身決定。

由傳熱學(xué)理論可知,隨著溫度升高,銅合金和鋁合金的導(dǎo)熱系數(shù)變化較小,因此,在工程計(jì)算中,在一定的溫度范圍內(nèi),可以認(rèn)為其導(dǎo)熱系數(shù)不變,銅合金導(dǎo)熱系數(shù)為400 W·(m·K)-1,鋁合金導(dǎo)熱系數(shù)為144 W·(m·K)-1。

1.2 散熱系數(shù)的計(jì)算

模型中的傳熱機(jī)制包括熱傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射。采用在散熱表面賦熱對(duì)流換熱系數(shù)的方式來(lái)模擬對(duì)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(dòng)受到限制,對(duì)流傳熱屬于有限空間自然對(duì)流傳熱,如公式(2)所示:

q=αcon·A0·(Tf-T0)

(2)

式中:αcon——材料的對(duì)流換熱系數(shù);

A0——材料的對(duì)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?chē)黧w的特性有關(guān),本文根據(jù)流體的相似理論計(jì)算對(duì)流散熱系數(shù)。在工程計(jì)算中,廣泛應(yīng)用的自然對(duì)流實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式如式(3)～式(5)所示:

(3)

Nu=C(GrPr)n

(4)

(5)

式中:Gr——Grashof數(shù);

g——重力加速度;

β——體積膨脹系數(shù);

Δt——物體表面與室溫的溫差;

v——運(yùn)動(dòng)黏度;

Nu——Nusselt數(shù);

C——常數(shù),取決于材料本身;

Pr——Prandlt數(shù);

n——常數(shù),取決于不同換熱問(wèn)題;

αcon——對(duì)流換熱系數(shù);

λ——材料熱導(dǎo)率;

lc——材料表面面短邊長(zhǎng)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(jù)Stefan-Boltzmann定律,物體的輻射散熱qi以及輻射散熱系數(shù)αrad計(jì)算如公式(6)和公式(7)所示:

qi=σFijεiAi(T4f-T40)

(6)

(7)

式中:σ——Boltzmann常數(shù);

Fij——材料系數(shù),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(dǎo)線通過(guò)左右兩側(cè)的螺釘固定,位于上方的是斷路器的操動(dòng)機(jī)構(gòu),包括手柄、連接桿和轉(zhuǎn)板等。在斷路器閉合時(shí),動(dòng)靜觸頭接觸進(jìn)行導(dǎo)電;位于斷路器左側(cè)的是螺線管以及滅弧柵片,用于斷路器的短路保護(hù);雙金屬片位于斷路器的右側(cè),雙金屬片左側(cè)通過(guò)導(dǎo)線與動(dòng)觸頭相連接,右側(cè)通過(guò)銅片與右側(cè)外接導(dǎo)線連接。

圖1 小型斷路器模型

本文重點(diǎn)研究雙金屬片的瞬時(shí)溫升,雙金屬片產(chǎn)熱模型如圖2所示。

圖2 雙金屬片產(chǎn)熱模型

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

(8)

(9)

式中:ρ——電導(dǎo)率;

R——電阻;

s——接觸電阻橫截面積;

l——接觸電阻長(zhǎng)度;

λ——熱導(dǎo)率;

L——洛倫茲系數(shù);

T——熱力學(xué)溫度。

仿真流程圖如圖3所示,首先利用UG軟件對(duì)雙金屬片模型進(jìn)行簡(jiǎn)化,得到雙金屬片仿真模型;然后,將模型導(dǎo)入Ansys APDL模塊中,賦予各個(gè)部件材料屬性,并進(jìn)行有限元網(wǎng)格剖分;最后,調(diào)整模型的邊界條件,仿真計(jì)算后可以得到雙金屬片的瞬時(shí)溫度和形變結(jié)果。

3 仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 仿真結(jié)果及分析

仿真所使用的雙金屬片參數(shù)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(guò)Ansys軟件仿真計(jì)算后得到了不同時(shí)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(shí),63 A斷路器雙金屬片在66,216,3 600 s時(shí)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(shí)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(shí),雙金屬片的溫度分布相似,在焊接點(diǎn)處的溫度最高,在66 s時(shí)最高溫度為29.93 ℃,在216 s時(shí)最高溫度為40.97 ℃,在3 600 s時(shí)最高溫度為44.68 ℃。導(dǎo)線上的溫度分布規(guī)律為靠近焊接點(diǎn)的導(dǎo)線溫度最高,越遠(yuǎn)離焊接點(diǎn),導(dǎo)線的溫度越低。雙金屬片上的溫度分布同樣是接近焊接點(diǎn)處的溫度高,遠(yuǎn)離焊接點(diǎn)的溫度較低。而導(dǎo)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(shí)的最大位移為0.633 mm,在216 s時(shí)的最大位移為0.837 mm,在3 600 s時(shí)的最大位移為0.945 mm,最大位移點(diǎn)在雙金屬片的頂端。

圖5 216 s時(shí)雙金屬片溫度分布云圖

圖6 3 600 s時(shí)雙金屬片溫度分布云圖

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

為了驗(yàn)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(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中,變壓器提供穩(wěn)定的交流電壓,通過(guò)電流線圈測(cè)量實(shí)驗(yàn)電流,使用熱電偶測(cè)量溫升,所測(cè)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(cè)量點(diǎn)如圖8所示,分別在雙金屬片頂端、焊點(diǎn)處、雙金屬片底端用溫度傳感器測(cè)量溫升,至溫升到達(dá)穩(wěn)定為止。

圖7 所測(cè)試斷路器

圖8 雙金屬片溫升測(cè)量點(diǎn)

63 A斷路器在3個(gè)測(cè)量點(diǎn)的溫升實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。由圖9可以看到,隨著實(shí)驗(yàn)時(shí)間的推移,雙金屬片的溫度不斷上升,3個(gè)溫度測(cè)量點(diǎn)在300 s后溫度上升會(huì)顯著變慢,380 s后溫度不變,1號(hào)測(cè)量點(diǎn)最高溫度為40.8 ℃,2號(hào)測(cè)量點(diǎn)最高溫度為45.3 ℃,3號(hào)測(cè)量點(diǎn)最高溫度為42.3 ℃。

圖9 63 A斷路器在3個(gè)測(cè)量點(diǎn)的溫升實(shí)驗(yàn)結(jié)果

63 A斷路器在3個(gè)測(cè)量點(diǎn)的穩(wěn)定溫升仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如圖10所示。由圖10可以看出,雙金屬片溫升的增長(zhǎng)趨勢(shì)大致相同,隨著通電時(shí)間的增加,雙金屬片溫度不斷上升,實(shí)驗(yàn)和仿真溫度變化趨勢(shì)基本相同,在400 s時(shí)到達(dá)穩(wěn)定溫升,仿真在380 s時(shí)到達(dá)穩(wěn)定溫升。當(dāng)達(dá)到穩(wěn)定溫升時(shí),1號(hào)測(cè)量點(diǎn)的溫度為42 ℃,與仿真結(jié)果溫升差為1.2 K;2號(hào)測(cè)量點(diǎn)的溫度為44.6 ℃,與仿真結(jié)果溫升差為0.7 K,3號(hào)測(cè)量點(diǎn)的溫度為43.5 ℃,與仿真結(jié)果溫升差為1.2 K。63 A斷路器的雙金屬片溫升仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)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(gè)測(cè)量點(diǎn)的穩(wěn)定溫升

4 結(jié) 語(yǔ)

基于雙金屬片有限元仿真和相應(yīng)的溫升實(shí)驗(yàn),本文主要研究雙金屬片在不同時(shí)間的溫度變化過(guò)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(guò)程,得到了雙金屬片的溫度分布,同時(shí)完成了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究,并對(duì)仿真模型進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明有限元模型仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果接近,最大絕對(duì)誤差為1.2 K。