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分类号： TM561 密级： 公开 U D C： 621.3 编号： 2 河北工业大学硕士学位论文 小型断路器温度场的仿真研究 论 文 作 者： 李凤 学 生 类 别： 全日制 学 科 门 类： 工学 学 科 专 业： 电气工程 指 导 教 师： 刘帼巾 职 称： 教授 Thesis Submitted to Hebei University of Technology for The Master Degree of Electrical Engineering SIMULATION RESEARCH ON TEMPERATURE FIELD OF MINIATURE CIRCUIT BREAKER by Li Feng Supervisor: Prof. Liu Guojin November 2016 I 摘 要 小型断路器是主要用于过载和短路保护的终端配电低压电器，使用量大面广，它的工作直接影响着整个系统运行的安全性。温升是其重要技术参数，如果过高会造成材料的绝缘强度和机械强度下降，进而缩短小型断路器的使用寿命。近年来，断路器小型化趋势也使得温升问题成为其设计过程中的最大难点。因此，对小型断路器温度场的研究显得尤为重要。 本文以 DZ47-63 C1 型小型断路器为研究对象，采用有限元软件对其整体稳态温度场和接触系统瞬态温度场进行了仿真研究。首先采用 Pro/E 软件建立了小型断路器的实体模型，并将其导入 ANSYS 软件中；其次通过对热源以及散热的计算确定了载荷和边界条件的施加，进而对小型断路器的整体稳态温度场进行了热-电耦合仿真，并分析了环境温度对其整体稳态温度场的影响；然后计算了过载、短路分断过程中流入触头的热流率，并在考虑相变的情况下对接触系统的瞬态温度场进行了仿真计算，进而分析了电流等级对其瞬态温度场的影响；最后进行了测温试验的设计，通过试验数据和仿真数据的对比，验证了利用 ANSYS 软件进行小型断路器温度场仿真计算的准确性。 关键字：小型断路器 稳态温度场 环境温度 瞬态温度场 电流等级 III ABSTRACT Miniature circuit breaker is a terminal distribution low-voltage electrical apparatus which is mainly used for overload and short-circuit protection. It is used in large quantities and wide area. Its work affects the security of the running of the whole system directly. Temperature rise is an important technical parameter of it. If the temperature rise is too high, the insulation strength and mechanical strength of the material will be reduced, and then it will shorten the service life of miniature circuit breaker. In recent years, the trend of miniaturization of circuit breaker makes the temperature rising problem become the most difficult problem in the design process. Therefore, the research on temperature field of miniature circuit breaker is particularly important. In this paper, the type of DZ47-63 C1 miniature circuit breaker was used as the research object. The finite element software was used to simulate the whole steady-state temperature field and the transient temperature field of the contact system. Firstly, the physical model of miniature circuit breaker was established by Pro/E software, and then it was imported into the ANSYS software; Secondly, the infliction of the load and boundary conditions were determined by the calculation of the heat source and the heat dissipation, and then the thermal-electric coupling simulation was carried out for the whole steady-state temperature field of the miniature circuit breaker, and the influence of ambient temperature on the whole steady-state temperature field was analyzed; Thirdly, the heat flux flowing into the contact in the process of overload and short-circuit was calculated, and the transient temperature field of the contact system was simulated in the case of considering the phase transition, and then analyzed the influence of current level on the transient temperature field; Finally, the design of the temperature measurement experiment was carried out. Through the comparison of the experimental data and the simulation data, the accuracy that using ANSYS software to simulate and calculate the temperature field of miniature circuit breaker was verified. KEYWORDS: miniature circuit breaker, steady-state temperature field, ambient temperature, transient temperature field, current level V 目 录 第一章 绪论................................................................................................................ 1 1.1 课题研究的背景与意义......................................................................................... 1 1.2 电器温度场分析研究现状..................................................................................... 2 1.2.1 国外研究现状............................................................................................... 2 1.2.2 国内研究现状............................................................................................... 3 1.3 小型断路器概述..................................................................................................... 5 1.3.1 小型断路器发展概述................................................................................... 5 1.3.2 小型断路器工作原理................................................................................... 5 1.4 本文主要研究内容................................................................................................. 6 第二章 小型断路器整体稳态温度场的仿真研究.................................................... 9 2.1 小型断路器整体稳态热场数学模型的建立......................................................... 9 2.2 小型断路器温度场有限元模型的建立............................................................... 11 2.2.1 实体模型的建立......................................................................................... 11 2.2.2 Pro/E 和 ANSYS Workbench 软件之间模型数据的传输 ........................ 14 2.2.3 赋予材料属性............................................................................................. 15 2.2.4 网格划分..................................................................................................... 16 2.3 边界条件及载荷的确定与施加........................................................................... 17 2.3.1 边界条件的确定与施加............................................................................. 17 2.3.2 载荷的确定与施加..................................................................................... 22 2.4 环境温度对小型断路器稳态温度场分布的影响............................................... 24 2.4.1 20℃环境温度下的仿真结果及分析.......................................................... 24 2.4.2 不同环境温度下的仿真结果及分析......................................................... 27 2.5 本章小结............................................................................................................... 31 第三章 小型断路器接触系统瞬态温度场的仿真研究.......................................... 33 3.1 接触系统瞬态温度场有限元模型的建立........................................................... 33 3.1.1 数学模型..................................................................................................... 33 3.1.2 有限元模型................................................................................................. 34 3.2 电弧热源对触头的热流输入............................................................................... 37 3.2.1 电弧电压、电流数据采集......................................................................... 37 3.2.2 电弧时间特性参数..................................................................................... 40 3.2.3 电弧热流率计算......................................................................................... 41 3.3 过载情况下接触系统瞬态温度场仿真............................................................... 42 VI 3.3.1 延迟时间内接触电阻发热分析................................................................. 42 3.3.2 初始条件和边界条件................................................................................. 43 3.3.3 延迟时间内结果及分析............................................................................. 44 3.3.4 燃弧时间内结果及分析............................................................................. 46 3.4 短路情况下接触系统瞬态温度场仿真............................................................... 50 3.5 本章小结............................................................................................................... 53 第四章 测温试验及仿真结果的验证...................................................................... 55 4.1 测温试验装置....................................................................................................... 55 4.2 小型断路器温升试验数据................................................................................... 57 4.2.1 试验点选取................................................................................................. 57 4.2.2 试验数据..................................................................................................... 58 4.3 仿真数据与试验数据的对比分析....................................................................... 59 4.3.1 仿真数据..................................................................................................... 59 4.3.2 数据对比及误差分析................................................................................. 59 4.4 本章小结............................................................................................................... 62 第五章 结论.............................................................................................................. 63 参考文献...................................................................................................................... 65 攻读学位期间所取得的相关科研成果...................................................................... 69 致 谢...................................................................................................................... 71 1 第一章 绪论 1.1 课题研究的背景与意义 小型断路器作为低压断路器中的典型产品，是终端配电系统中使用最多、作用极其重要的低压电器产品之一 [1] ，不仅可以用来接通、分断正常的负荷电流，还可以在出现过载、短路的情况下，自动切断电路，从而防止配电网络和工业设备因过载和短路等故障而损坏 [2] 。作为配电系统中重要的终端保护电器元件，一旦小型断路器发生失效，那么整个系统在发生过载和短路时就会失去保护，因此小型断路器工作的可靠与否直接影响着整个系统运行的安全可靠性，而内部温度过高往往会造成小型断路器发生疲劳老化，使系统存在安全隐患。因此，对小型断路器的热特性进行研究具有重要的理论意义和实际价值。 小型断路器属于长期工作制式低压电器元件，一旦接通，有可能会连续工作几周、几个月，甚至几年都不会断开。在小型断路器工作时，电流流过导体会在其中产生损耗，而且在交流电流产生的交变磁场作用下，小型断路器的铁芯中还会产生一定的铁芯损耗。所有的这些损耗基本上都转换成了热能，一部分散失到周围介质中，一部分加热小型断路器本身，从而导致整个小型断路器的温度升高 [3] 。长时间工作后，温度不断地升高，可能会超过断路器零部件的极限允许温升。而且，在系统发生过载或者短路的情况下，断路器分断电流时会产生高温电弧，这些电弧热量可能会引起触头的烧蚀以及整个断路器的温度骤升。这些因素都会造成小型断路器材料的绝缘强度和机械强度的下降，使其内部材料发生不同程度的变形，加速零部件的绝缘老化，缩短电器的使用寿命，从而影响小型断路器工作的安全可靠性 [4] 。因此，热特性是小型断路器产品设计中必须要考虑的一个关键因素。 另外，小型断路器的小型化设计使其外壳体积不断地缩小，内部零部件的布置越来越紧凑，散热面积不断地减小，从而导致小型断路器单位体积的发热量不断地增加，产生的热量散不出去，就会造成小型断路器的内部温升越来越高，对内部零部件的机械强度和绝缘强度的影响越来越大，进而影响小型断路器的工作可靠性和使用寿命。因此，温升问题成为了断路器小型化设计过程中的最大难点，所以，对小型断路器工作过程中的温度场进行分析显得尤为重要。 2 1.2 电器温度场分析研究现状 数值仿真技术是一种以场域分析技术和计算机技术为支撑的分析技术。随着数值仿线 年代起，国内外针对电气设备在工作过程中的发热问题开始使用数值仿线 国外研究现状 由于触头在电器设备中的关键性和重要性，对之进行的研究比较多。Hsieh K.T.较早地采用有限元法建立了滑动电触头的三维模型，在建模时把由于摩擦和接触电阻产生的热量当作是表面热通量的来源，对触头的发热情况进行了相关研究 [5] 。Monnier A 和 Froidueot B 等人采用有限元软件建立了典型触点的二维模型，通过机-电-热场的耦合仿真，得到了触点温度及电位的分布情况，并且进行了试验验证 [6] 。另外，还有不少学者利用有限元软件的多物理场耦合仿真，分析研究了触头的发热和熔焊问题[7-10] 。 在继电器的温度场方面，Kawase 建立了热继电器的三维有限元模型，进行了温度分布的计算，获得了各个关键点的温度，并且采用实验的方法进行了验证，为热继电器的设计与优化提供了理论依据 [11] 。Volm D 等人采用有限元法对低温环境下密封电磁继电器的触点及线圈等关键部位的瞬态温度场进行了仿真，根据仿真结果分析了低温环境中触头的失效机理，并提出了有效的改进措施 [12] 。 在断路器的温度场方面，M.Lindmayer 采用有限元法建立了一个经过简化的低压断路器热分析模型，用测量的方法得到了接触电阻，并且考虑了材料属性随温度的变化以及内部对流散热和连接导体等条件，最终仿真得到了断路器的稳态温度分布情况[13] 。随后，Paulke 和 Weichert 在前人的基础上，建立了完整的电动机断路器的热分析模型，并且对于接触电阻、热阻的相关计算取得了很大的成就 [14] 。Peter U.Frei 和H.Weichert 更是进一步细化了断路器的仿真模型，将非金属元件和内部空气的影响考虑在内，并且考虑了多个断路器同时工作的实际情况，从而实现了其稳态温度场的仿线] 。 在其它电器方面，美国学者 Santosh V.Angadi 等人用有限元法对汽车连接器进行了机-电-热多物理场的耦合仿真，得到了多种因素共同作用下的汽车连接器热场的分布情况 [16] 。Trent K.Do 和 Tom Cohen 等人仿真分析了不同触点材料下高速差分连接器的温度场分布情况，随后用试验的方法进行了验证，并根据仿真和试验结果选出了性能最佳的触点材料 [17] 。Gerber M 等人对汽车用电流变换器的温度场进行了有限元分析，并根据内部温度场的仿真结果进行了拓扑结构的优化设计，使其更加适应高温工 3 作环境 [18] 。 在低压开关电器的温度场分析领域,罗克韦尔实验室也进行了不少的研究工作：基于机-电-热多物理场的耦合仿真，分析了导体接触处的发热和散热过程；在考虑了接触特性、电特性及物理关系等综合因素的影响下，建立了开关柜温度场的有限元模型，使其仿真结果更加接近于实际工况 [19-20] 。 1.2.2 国内研究现状 国内学者采用有限元方法在低压电器热分析方面的研究起步较晚，但在借鉴国外研究经验的基础上，也取得了一些显著成果。 在触头方面，吴细秀、狄美华等人主要研究了触头在电弧作用下的热过程，首先在考虑相变的情况下建立触头传热模型，然后对触头的熔化过程进行了仿真研究，分析得到了熔池的大小、深度、宽度、体积以及其各自影响因素 [21] 。荣命哲针对额定工作状态中的接触器，考虑触点膜电阻的热效应，建立了触点静态接触的数学模型，仿真得到了焦耳内热源和等温线在触点中的分布情况以及最大温度随时间的变化曲线] 。纽春萍、强若辰等人针对高压断路器弹簧触指的稳态温升，提出了采用耦合面积法来解决复杂触头结构接触电阻的建模问题，在此基础上，对弹簧触指交、直流下的稳态温升进行了计算，并通过试验验证了此种方法的可行性 [23-24] 。谭志龙等人在考虑了随温度变化的材料物理特性等实际情况下，对闭合接触和分离阶段的 AgNi10 触头材料进行了热-电-力耦合分析，得到了与实验相吻合的仿线] 。 在继电器方面，翟国富、孙韬等人以分断过程中的继电器触头为研究对象，在建模过程中考虑了接触面积的变化，进行了触头的机-电-热场的耦合仿真，最终得到了触头瞬态温度及电位的分布情况 [27] 。苏秀苹、陆俭国等人利用 ANSYS 软件对小型直流电磁继电器的稳态温度场进行了仿真分析，在建模时将接触电阻等效为一个小圆柱体，并且考虑了接触电阻和外接导线对温度场的影响，计算得到了带外壳和不带外壳情况下的稳态温度场，并进行了试验验证 [28] 。梁盼望、吴燕等人采用填充层的方法来模拟触点闭合与断开两种状态，对长期工作制和反复短时工作制下的继电器温度场进行了仿真研究，并分析了环境温度、电流等级和簧片材料等因素对温度场的影响规律，而且得到了继电器电流等级与内部主热源的关系 [29-30] 。任万滨、梁慧敏等人则以电磁继电器为对象，根据其结构特点建立了整机有限元模型，对其内部稳态和瞬态温度场进行了相关仿线] 。 在接触器方面，纽春萍、陈德桂等人针对交流接触器温度场进行了比较全面的仿真分析，不仅考虑了接触电阻及连接导线对温度场的影响，而且采用非线性瞬态磁路法对分磁环和线圈的功率损耗进行了计算，在此基础上仿真得到了其在长期工作状态 4 中的稳态温度场分布情况，并分析了多种因素对温度场的影响规律 [35-36] 。胡方、杨文英等人对直流、交流接触器的温度场都进行了仿真研究，对于直流接触器主要进行了接触压力、散热面积、连杆材料等因素对于温度场的影响研究，对于交流接触器，则分析了电磁系统、接触系统和整机温度场的分布，并进行了相关的优化设计 [37-38] 。刘帼巾、刘海强等人利用 ANSYS 软件对小容量交流接触器进行了温度场仿真，在仿真时考虑了电磁系统、电路电阻、接触电阻等热源的发热，以及内部传热、表面对流辐射等综合散热情况，为其设计与优化提供了理论依据 [39] 。 在低压断路器方面，国内学者主要针对其内部零部件进行了有限元热分析 [40-43] 。翟国富、毕勇等人在考虑了电阻温度系数和电网谐波的影响下，建立了断路器的瞬态热场数学模型，利用 ANSYS 软件计算了不同电流下断路器热双金属片的温升曲线，并通过试验验证了瞬态热场模型的正确性和有效性 [40] 。陈维、王勇等人主要分析了低压断路器主电路的稳态温度场，并进行了实验验证，在稳态分析的基础上，建立了瞬态分析模型，通过通以 0.5s 的 20 倍额定电流分析了断路器的热稳定性 [41-42] 。浙江大学的叶鹏对低压断路器进行了过流热仿真，得到了不同过流倍数下双金属片的温度分布 [43] 。在万能式断路器方面，国内学者主要对其温升和优化方面做了一些工作 [44-45] 。纽春萍、董得龙等人对万能式断路器的触头电动斥力和温升进行了仿真计算，分析了其电动稳定性和热稳定性，校验了其短时耐受电流的能力，从而给出了一些优化方案[44] 。许文良在 Ansys 和 Fluent 软件平台上，主要通过减少接触电阻、减少导热路径、加强散热的方法对万能式断路器温升问题进行了优化仿真，并采用实验方法测量了改进前后的温升，证明了优化方法的可行性 [45] 。在漏电断路器方面，刘帼巾、罗敏等人则是在不同电流、不同温度下对双金属片、整体和漏电模块进行了稳态温度场的仿线] 。在小型断路器方面，国内学者也进行了一定的研究工作 [48-49] 。姚芳、姚倩云等人对退化前和退化后的双金属片的温度和自由端的位移进行了仿真对比，得出了退化后的双金属片分断性能、过载保护特性下降的结论 [48] 。河北工业大学的王大洋采用Ansoft 软件分析了不同电流等级下的小型断路器触头机构、电磁脱扣机构的能量损耗，并对双金属片进行了电-热-结构仿线] 。 由以上文献可知：近年来国内外针对电器元件的温度场进行了很多研究工作，但对于小型断路器的整体稳态温度场以及分断过程中的接触系统瞬态温度场却少有研究。因此本文对小型断路器在额定工作状态下的整体稳态温度场以及接触系统在过载、短路分断过程中的瞬态温度场进行了分析与计算，从而为其设计和优化提供一定的理论依据，这也正是本课题的研究意义所在。 5 1.3 小型断路器概述 1.3.1 小型断路器发展概述 随着日常生活电气化程度的提高，各种家用电器越来越多地进入生活领域，加上第三产业的发展，使非工业用电量不断增加，电气设备的安全运行及保护成为重要的问题，以往采用闸刀开关和熔断器组合的做法已不能满足要求 [50] 。在这样的情况下，小型断路器便应运而生。 我国小型断路器的出现是在20世纪70年代，而批量生产是在20世纪80年代初，但年产量仅有 200 万台。与此同时，天津低压电器厂研究制造的 DZ13 系列，年产量还没有达到百万台。而同期进行小型断路器研制的上海电科所试制的 DZX19 系列由于生产技术不成熟并没有实现批量的生产。20 世纪 90 年代之后，在我国，小型断路器得到了大量的推广，主要以浙江温州的柳市企业生产的 DZ47 系列产品为主。目前，国内许多的优秀企业如德力西、正泰等已经实现了产品的自动检测，生产量占据了我国小型断路器总产量的 80%左右 [51] 。 随着工业、农业等用电量的增加，电力系统输配电的容量不断的增大，系统的集成度越来越高，为了节约电气设备的原材料，提高其空间利用率，小型断路器正在不断地向小型化、模块化、可通信、智能化等方向发展，在未来，它必将会越来越适应社会的需求，必将使电力系统工作更可靠、运行更安全。 1.3.2 小型断路器工作原理 小型断路器是一种控制电器，可以接通和分断正常的负荷电流。小型断路器还是一种低压保护电器，具有一般断路器最基本的保护功能，即过载保护和短路保护。其工作原理图如图 1.1 所示。 1.分断弹簧 2.主触头 3.锁扣杆 4.脱扣杆 5.热脱扣器 6.电磁脱扣器 图 1.1 小型断路器工作原理图 过载保护是由热脱扣器来实现的：由于两层金属片具有不同的膨胀系数，当电流流过双金属片时，电流的热效应就会使两层双金属片发生不同程度的变形，由于双金 6 属片的工艺结构造成其整体向内侧发生膨胀弯曲，正常工作状态下，双金属片的弯曲程度并不大，不会触碰到脱扣杆，但是当系统发生过载时，双金属片就会发生严重弯曲，撞击脱扣杆的上端，使脱扣杆与锁扣杆分开，进而带动动触头与静触头分离，从而切断过载电流。由于过载电流的大小不同，因此双金属片发生膨胀弯曲的程度也是不同的，因此触头的分断出现了不同的延迟时间。 短路保护是由电磁脱扣器来实现的：电磁脱扣器中的线圈流过交变电流时会产生交变的磁场，动、静铁芯在磁场的作用下，会产生电磁吸力，但是正常工作状态中，电磁吸力是小于弹簧反力的，因此不会去撞击脱扣杆。但是当系统发生短路时，由于电流突增，造成产生的磁场增强，使得动静铁芯之间的电磁吸力大于弹簧反力，动铁芯推动推杆迅速向静铁芯运动，推杆撞击脱扣杆的下端，使脱扣杆和锁扣杆分开，进而带动动触头与静触头分离，从而切断短路电流。 1.4 本文主要研究内容 本文的研究对象是 DZ47-63 C1 型小型断路器，其具体实物图如图 1.2 所示。 图 1.2.1 内部实物图 图 1.2.2 整体实物图 图 1.2 小型断路器实物图 本文主要采用 ANSYS 有限元软件研究了小型断路器的整机温度场分布情况以及分断过程中触头系统的瞬态温度场变化情况，具体研究内容如下： （1）采用 Pro/E 软件建立小型断路器零部件的实体模型，在此基础上，根据各个零部件的实际连接关系组装整机模型，然后利用 Pro/E 软件和 ANSYS 软件之间的数据传输，将模型导入 ANSYS 软件中； （2）根据传热学原理建立小型断路器的整机热场数学模型；通过对热源以及散热的计算确定载荷和边界条件的施加；利用 ANSYS Workbench 软件对小型断路器在额定工作状态下的整体稳态温度场进行热-电耦合仿真，并根据仿线 度对其稳态温度场的影响规律； （3）根据分断过程中采集的触头两端电压、电流数据，计算过载、短路时流入触头的实时热流率，并在考虑相变的情况下，利用 ANSYS 软件对接触系统的瞬态温度场进行仿真研究，并根据仿真结果分析电流等级对接触系统瞬态温度场的影响规律； （4）进行测温试验的设计，通过试验数据和仿真数据的对比，验证小型断路器温度场仿线 第二章 小型断路器整体稳态温度场的仿真研究 正常工作时，小型断路器一般均处于稳定接通的状态，而且为了能够起到防尘、防腐、防水、抗干扰的作用，小型断路器通常采用塑料外壳密封式结构,但这无疑阻碍了内部热量的快速传递，增大了内部温度过高的可能性，加速了小型断路器的疲劳老化。根据国标可知，在-5℃~40℃环境温度下，都要求小型断路器能够可靠的工作。因此，本章采用 ANSYS Workbench 软件针对不同环境温度下处于额定工作状态下的小型断路器稳态温度场进行仿真研究，并分析了环境温度对其内部零部件温度场的影响规律。 2.1 小型断路器整体稳态热场数学模型的建立 对于一个封闭的系统，传热问题遵循能量守恒定律，即热力学第一定律。而对于稳态传热问题，系统中的所有节点在任意时刻的温度均保持不变，系统自身产生的热量与流入系统的热量之和等于流出系统的热量。其能量守恒方程以矩阵的形式表示为： ( ){ } { } K T Q = (2.1) 式中： ( ) K 热传导矩阵； { } T 节点温度向量； { } Q 节点热流率向量。 由传热学原理可知，传热是因为存在温差而发生的热能的转移。只要一个介质中或两个介质之间存在温差，就必然会发生传热。我们把不同类型的传热过程称为不同的传热模式 [52] 。传热模式有三种：热传导、热对流、热辐射。同样，处于额定工作状态下的小型断路器的传热方式也包括这三种，并且热传导居主要地位。小型断路器正常工作状态下的热源主要有接触电阻、电阻合金产生的焦耳热和动、静铁芯产生的铁芯损耗，热量主要由这些热源通过热传导、热对流和热辐射传至内部其它零部件，并最终通过外壳和接线端子的热对流和热辐射传至周围的大气中，其传导路径如图 2.1所示。 10 图 2.1 小型断路器热量传递路径示意图 根据以上所述传热机制和边界条件，建立小型断路器的整体稳态热场数学模型为： ( )1 20000yx ztTT TKK Kyx zq qx y zTT T KnT T= + + + + = = = (2.2) 式中： K 导热系数（ / W m℃ ）； 1 2, q q 内部热源（ W ）； n 边界面上的法向矢量； 表面散热系数； T 物体温度（℃）； 0T 周围介质温度（℃）。 应用有限元法计算热场问题时，微分方程形式的热场数学模型是不能直接用来得到如式（2.1）所示的矩阵表达式的，故应用变分原理，得到与式（2.1）等价的泛函形式为： 11 ( ) ( )2201 12 2vI T K T d Tq d T TT dS = + (2.3) 2.2 小型断路器温度场有限元模型的建立 2.2.1 实体模型的建立 小型断路器的尺寸很小，其单极厚度仅有 18mm，而且所有零部件都被密封在塑料外壳之中 [53] 。小型断路器主要由以下几部分组成：触头系统、脱扣机构、操作机构、灭弧系统、塑料外壳以及一些连接部件 [54] 。所有部件均通过轴和孔固定在外壳上，各个部件之间通过弹簧、连杆、搭扣、轴等相互连接、相互制约 [55] 。触头系统是小型断路器的执行部件，主要包括动触头、静触头以及接线端等部件。脱扣机构作为小型断路器的感测部件，主要包括热脱扣器和电磁脱扣器。热脱扣器主要包括双金属片，电磁脱扣器主要包括线圈组件（线圈、线圈骨架）、铁芯组件（动铁芯、静铁芯、铁芯骨架）。操作机构是小型断路器的传动部件，主要包括操作手柄、连杆、锁扣杆、脱扣杆以及触头支架等部件。灭弧系统是小型断路器的辅助分断部件，一般采用栅片式结构，主要包括灭弧栅片、导弧板、隔弧板和挡弧板。塑料外壳一般由具有绝缘性和阻燃性的酚醛塑料制成，主要用来固定内部零部件以及保护内部零部件不受外界风雨、尘土等环境因素的影响。连接部件则主要包括连接片和软连接。 由于零部件过多，而外壳体积又较小，因而造成了其内部结构十分复杂，这无疑加大了小型断路器整体建模的难度。由于其模型的复杂性，以及 ANSYS Workbench软件建模的局限性，本文选用 Pro/E 软件建立小型断路器的实体模型。首先在 Pro/E软件中根据小型断路器每个零部件的实际尺寸建立其实体模型，然后根据各个零部件的实际连接关系将所有零部件组装成一个整体。 在建立小型断路器实体模型时，由于其内部结构十分复杂，我们做了如下简化处理： （1）接触电阻模型的处理 在闭合状态下，动静触头接触不可避免的产生了接触电阻，而且接触电阻的发热又是不容小觑的，所以不可以忽略。本文采用在动静触头之间建立一个小圆柱的方法来模拟接触电阻，小圆柱体的截面半径以及高度的计算如下： 触头接触时的收缩电阻为 2Ra= (2.4) 12 式中： R 闭合状态下，动静触头之间电阻的实测值； 触头材料电阻率； a 触头接触面半径，即小圆柱体模型的截面半径。 则小圆柱体模型的截面半径为 2aR= (2.5) 又因为 lRS = (2.6) 式中： S 触头接触面面积，2S a = 。 则小圆柱体模型的高度为 2l a= (2.7) （2）空气模型的处理 小型断路器在工作状态下，其内部是有空气存在的。如果忽略空气的存在，那么将会改变其内部的散热条件，就无法还原真实工况下的温度场，因此内部空气的存在对小型断路器的稳态温度场分布起到了十分重要的作用。但是小型断路器由于具有十分复杂的内部结构，将难以做到直接建立其内部的空气模型。因此本文采用布尔操作来解决空气的建模问题：首先建立小型断路器的整机模型，然后在其内部建立一个和外壳的内表面尺寸完全吻合的几何模型，再使用 Booleans 操作中的 Subtract 功能就实现了小型断路器内部空气模型的建立。 （3）线圈模型的处理 小型断路器的线圈是由单股漆包铜线绕制而成，为了简化模型，在实际建模中用一个空心圆柱体来代替实际线）倒角的处理 在小型断路器的零部件中存在很多的倒角，它们的存在只是为了安装工艺的方便，但对于温度场的分析来说，并不会产生很大的影响，反而会加大建模和网格划分的难度，因此在实际建模中忽略部分倒角。 （5）非金属材料的处理 小型断路器的操作机构几乎全部由非金属元件组成，其中并不流过电流，而且散热的效果不明显，因此对小型断路器稳态温度场不会产生很大的影响，可以予以忽略。 13 但是线圈骨架和铁芯骨架等非金属元件存在于发热体周围，温度过高可能会使其发生不同程度的变形，因此在模型中予以考虑。 综上所述，建立的小型断路器内部零部件实体模型如图 2.2 所示，整体实体模型如图 2.3 所示。 图 2.2.1 出线 电阻合金 图 2.2.5 静铁芯 图 2.2.6 动铁芯 图 2.2.7 铁芯骨架 图 2.2.8 线 接触电阻 图 2.2.12 静触头 图 2.2.13 进线 小型断路器零部件实体模型 图 2.3.1 内部组装模型 图 2.3.2 整体组装模型 图 2.3 小型断路器的实体模型 2.2.2 Pro/E 和 和 ANSYS Workbench 软件之间模型数据的传输 Pro/E 软件只能实现实体模型的建立，而要进行温度场的仿线 ANSYS Workbench 软件。将已经建立好的实体模型从 Pro/E 软件导入到 ANSYS Workbench 软件中主要有三种方法：利用中间数据格式.IGES 文件导入、利用中间数据格式.ans 文件转换、通过专用接口实现数据的无缝传输。本文采用第一种方法，先采用 Pro/E 软件建立小型断路器的实体模型，然后将其另存为 IGES 格式的文件，实现 Pro/E 和 ANSYS Workbench 之间模型数据的传输，从而将小型断路器的整体模型导入 ANSYS Workbench 软件中，再进行温度场的仿真研究。经上述操作后，导入到ANSYS Workbench 软件中的小型断路器实体模型如图 2.4 所示。 图 2.4.1 内部模型 图 2.4.2 整体模型 图 2.4 ANSYS Workbench 中小型断路器的实体模型 2.2.3 赋予材料属性 在采用 ANSYS Workbench 软件进行小型断路器稳态温度场的仿真研究时，需要定义材料的导热系数和电阻率。在仿真分析时，首先将所需要的材料属性添加到材料库中，然后在分析界面再将预先添加好的材料属性赋给相应的元件。本文选用的小型断路器各个零部件的材料属性参数如表 2.1 所示。 16 表 2.1 小型断路器各个零部件的材料属性 元件 材料成分 导热系数 （W/mK） 电阻率 （Ωm） 主动层 Ni20Mn6 22 7.9×10 -7 被动层 Ni36 22 7.9×10 -7 电阻合金 FCA126 14.76 接线 连接片 软连接 线 外壳、骨架 酚醛树脂 1.4 空气 空气 0.026 2.2.4 网格划分 采用 ANSYS Workbench 软件进行网格划分时，需要进行四步：选择单元类型、选择划分方式、设置分网精度、划分网格。 在采用 ANSYS Workbench 进行小型断路器的稳态热分析时，单元是系统根据分析的需要自动分配的。由于本文分析的是在正常工作状态下小型断路器的稳态温度场，所以选用热-电耦合模块，分析时涉及到的热分析单元有 SOLID87、SOLID90、SOLID226、SOLID227，热表面效应单元 SURF152，以及接触单元 Contact174、Target170。 在 ANSYS Workbench 中进行网格划分时，要把握好网格尺寸的设置，因为这不仅影响着仿真时间的长短，也影响着求解结果的准确性。网格太密，虽然使得求解精度提高，但是会加大仿真所需要的时间；网格太疏，虽然使得仿真所需要的时间减少，但是可能会降低求解的精度。因此需要在仿真时间和求解精度之间找到一个平衡点，从而得到最优网格、最优结果。本文所研究的小型断路器由于其内部零部件模型的不规则性和复杂性，因此采用自由网格划分方式，并且将尺寸设置中的 Relerance Center设置为 Fine。 经过上述三步的设置，就可以进行网格划分，从而得到小型断路器温度场有限元模型如图 2.5 所示。 17 图 2.5.1 内部网格图 图 2.5.2 整体网格图 图 2.5 小型断路器的有限元模型 2.3 边界条件及载荷的确定与施加 2.3.1 边界条件的确定与施加 导热微分方程常常用来描述一个具体问题的导热过程，求解导热过程，实质上就是对导热微分方程的求解 [56] 。但求解时仅仅有导热微分方程是不够的，还需要确定这个具体问题的一些特定附加条件，即定解条件。对于稳态热场的求解，一般只需要确定物体边界上的温度或者换热情况等边界条件；而对于瞬态热场的求解，仅仅有边界条件是不够的，还需要给出初始条件，即初始时刻物体的温度场分布情况。 热场的定解条件一般可以归纳为以下四种 [57] ： （1）第一类边界条件（温度边界条件） 它是指已知物体边界上的温度值，它为一个确切的数值或者是一个已知的函数，如下式所示： T T = 或 ( ) , , T f x y z= (2.8) 式中：物体边界，为逆时针方向； T 已知边界温度数值（℃）； ( ) , , f x y z 已知边界温度函数。 （2）第二类边界条件 18 它是指已知物体边界上的热流密度，同样为一个确切的数值或者一个已知的函数，其中负号表示热流密度的方向与边界外法线的方向是一致的，如下式所示： 2Tk qn = ( ) , ,Tk g x y tn = (2.9) 式中：2q 已知热流密度数值（2/ W m ）； ( ) , , g x y t 已知热流密度函数。 （3）第三类边界条件（热交换边界条件） 它是指已知物体周围的流体温度以及物体与周围流体的换热系数，两者均为一个确切的数值或者一个已知的函数，其负号表示热流是由物体内部向外部流出的，如下式所示： ( )fTk T Tn = (2.10) 式中： 物体与周围流体的换热系数； fT 周围流体的温度（℃）。 （4）初始条件 它是指在分析之前就已知的物体整体温度分布情况，同样可以为一个确切的数值或者一个已知的函数，如下式所示： 00 tT T== ( )0,tT x y ϕ== (2.11) 式中：0T 已知常数，物体初始温度是均匀分布的； ( ) , x y ϕ 已知函数，物体初始温度是不均匀分布的。 由于本章是对处于额定工作状态下的小型断路器进行稳态温度场的仿真分析，所以只需要确定热交换边界条件，即第三类边界条件。由前述可知，小型断路器的传热方式主要有热传导、热对流和热辐射。 （1）热传导 不论在静态的固体介质还是在静态的流体介质中，只要存在温度梯度时，介质中 19 都会发生热传导。通过热传导方式传输的能量总是由温度高的介质向温度低的介质方向进行。热传导过程遵循傅里叶定律，该定律具体内容如下：物体单位时间内通过单位面积的热量正比于该处的温度梯度，并且热量传输方向与温度下降方向保持一致，如式（2.12）所示。 Tq Kn= (2.12) 式中： q 热流密度（2/ W m ）； K 导热系数（ / W m℃ ）； Tn沿向的温度梯度。 （2）热对流 当一个表面和一种运动的流体处于不同温度时，它们之间发生的传热称为对流。根据流体流动的原因，可以将热对流分为受迫对流和自然对流。受迫对流是由风力、风机或者泵等外力而引起的流体流动，自然对流是由于温度不同的流体密度不同而造成的浮升力进而引起的流体流动。 小型断路器的对流散热系数均属于自然对流，但是分为两种情况，一种是与外界空间大气直接接触的外壳以及接线端子的表面散热系数，它们属于大空间自然对流，另一种是密封在小型断路器内部各个零部件的表面散热系数，它们属于受限空间自然对流。 对于大空间自然对流，其对流散热系数通常可以采用经验公式来计算，如式（2.13）所示： ( )0.2503.25con fT T = (2.13) 式中：fT 物体表面温度（℃）； 0T 周围环境温度（℃）； 对于受限空间自然对流，其对流散热系数可按式（2.14）来计算： uconNl= (2.14) 式中：uN 努赛尔数； 空气的导热系数； 20 l 定型尺寸。 而在受限空间中，努赛尔数uN 的计算要依据空气在竖夹层内的第六换热准则： 当32 10rG × 时， 1uN = ； 当3 52 10 2 10rG × × 时， ( )1/91/40.18 /u rN G H = ； 当5 72 10 1.1 10rG × × 时， ( )1/91/30.065 /u rN G H = 。 式中：rG 格拉晓夫系数； H 竖夹层高度，指小型断路器内部底面到顶面的距离； 夹层宽度，指小型断路器内部各个零部件外边面与外壳之间的距离。 其中，格拉晓夫系数的计算公式为： ( )302frg l T TGv = (2.15) 式中： g 重力加速度； 体积膨胀系数； v 流体的运动粘度。 其中? ? 、?、?等参数可以由定性温度? ? =???? ? + ? ? ?确定，已知? ? 的值就可以通过查找空气的热物性手册来确定它们的数值。 （3）热辐射 热辐射是处于一定温度下的物质所发射的能量，这个能量是以电磁波的形式进行传输的，而且热辐射不同于热传导和热对流之处就在于它不需要物质媒介，因此真空环境最有利于热辐射的进行 [58] 。实际上，自然界的每一个物体都在不断地向外界辐射能量，与此同时，也在不断地吸收着外界其它物体所辐射出的能量。热辐射实质上就是一个物体之间相互作用的过程，根据斯蒂芬-玻尔兹曼定律，小型断路器的辐射散热计算公式为： ( )4 40 i i ij i fq F A T T = (2.16) 式中：ijF 形状系数，这里取 1ijF = ； i 发射率，这里近似地取 0.90i = ； 21 斯蒂芬-玻尔兹曼常数，8 2 45.67 10 W m K = × ； iA ...
