低压开关电器主电路温度场的有限元分析

出处:junj18 发布于:2010-12-21 15:32:24

     摘要: 基于有限元软件Ansys 的热电耦合功能,采用导电桥模型模拟触头间电流收缩和焦耳发热,对某型低压开关电器样机的主电路进行了稳态温度场仿真计算,并通过试验验证了模型的准确性。在稳态温度场分析模型基础上,建立了开关电器瞬态温度场分析模型。使用瞬态热分析模型,对其在承受短时大电流情况下的温度分布进行了仿真,给出了判断触头静熔焊的依据,并分析了开关电器的热稳定性。仿真结果对低压开关结构优化设计提供了参考。

  0 引言

  低压开关电器工作时,载流导体流过电流会产生焦耳热能,焦耳热能一部分散失到周围介质中,一部分加热开关电器,导致本身温度升高,严重时会导致触头熔焊。传统的电器热分析采用牛顿热计算公式,计算误差比较大,而且不能计算场域的温度分布。目前进行热分析主要有2 种方法,即有限元法和热网络有限差分法。使用有限元法,可以全方面考虑多种因素,获得内部的温度分布以及温度及所在位置。

  Lindmayer 建立了低压断路器热分析的简化模型,并基于热电耦合对低压断路器的温度场进行了仿真,模型中考虑了传导和对流散热。其他学者在低压开关电器热分析方面也做了不少研究工作,主要有:基于机械、电和热耦合分析,研究了导体接触处的发热和散热过程;在Lindmayer断路器简化模型的基础上,进一步细化了模型,不仅分析导体部分,还分析了非导体部分,为断路器中非导体材料的选择和设计提供了依据[4-7]。国内有关相关通过对交流接触器发热和散热过程的分析,基于热电耦合对于长期工作制下的交流接触器进行了数值热分析,分析了主回路接线端拧紧力的大小、主触头弹簧终压力的大小,以及连接导线截面大小对温度场的影响[7]。

  本文采用导电桥模型模拟触头接触发热,使用Ansys 对问题进行求解。仿真分析了低压开关电器长期工作制下的稳态温升,并通过试验进行验证;并以稳态温度场分析模型为基础,建立了开关电器瞬态温度场分析模型。在短时大电流情况下,使用瞬态热分析模型计算了开关主电路的温度场分布,给出了判断触头是否熔焊的依据,为转换开关结构优化设计提供了理论参考。

  1 转换开关温度场计算模型

  1. 1 主电路的简化几何模型

  研究对象为额定电流为200 A 的某型双触头低压开关电器,其主电路主要由进线端、静导电杆、动导电杆、动静触头、软连接和出线端几部分组成。

  为便于仿真计算,软连接采用等效阻值的长方体代替。开关主电路的简化模型如图1 所示。

主电路简化几何模型

图1 主电路简化几何模型。

  1. 2 温度场计算模型

  低压开关在长期工作制下,电流通过载流部分产生焦耳热,包括主电路和电磁系统2 部分。

  考虑到此型开关的特殊构造,主电路和电磁系统相分离,分析时忽略电磁系统发热对主电路温升的影响。产生的热损耗通过传导、对流和辐射3种方式散失到周围的中。

  为便于计算求解,做如下简化处理:忽略临近热源的影响;材料同性;瞬态发热情况下,三维热传导方程为:


  稳态发热情况下,三维热传导方程为:


  式中ρ———材料密度

  c———材料比热容

  T———温度

  λ———导热系数

  q———单位体积内热源生成热

  x、y、z———直角坐标

  内部电路考虑载流导体热传导,导体与绝缘体之间界面采用绝热条件;接线端表面通过自然对流和辐射散热,采用综合散热系数进行计算。

  绝热边界条件:


  散热边界条件:


  式中αT———综合散热系数

  T0———物体温度

  Tf———环境温度

  1. 3 导电桥模型

  由于触头表面是凹凸不平的,动、静触头实际只在少数突出的点发生真正的接触。电流流过接触处时电流线收缩,流过导电斑点附近的电流路径增长,有效导电界面减小,这样就产生了接触电阻。为模拟动、静触头之间的接触,假设触头中心有一圆柱体的导电桥联系动静触头,用此模型来模拟动、静触头的电接触,如图2 所示。

  导电桥的材料属性与触头材料相同,圆柱体半径r 由Holm 公式计算得到,而导电桥的高度h 采用2 倍的凸起高度,一般在几μm 到几十μm 之间,本文采用20 μm。


  式中F———触头压力

  H———材料硬度

  ξ———触头表面接触系数,一般为0. 3 ~0. 6

导电桥模型

图2 导电桥模型。

  1. 4 接线端处理:

  连接导线不但有接线端传入的热量,其自身也有电阻损耗,热量通过导线表面散热。该过程对于开关电器的热分析有很重要的作用,忽略该过程就会使结果不够准确。为简化该过程,在建模过程中不将导线建立在分析模型中,而将导线的作用归算到接线端子的边界条件中。

  电流流过导体时,产生的焦耳热加热自身,使导体的温度升高,温升的计算公式如下:


  接线端流入导线的热量:


  式中I———流过导体的电流

  Tt———接线端温度

  Tr———导线的温度

  a———导线散热系数

  B———导体截面周长

  Ac———导体截面积

  λc———导体的热导率

  2 稳态条件下的仿真结果与试验验证

  2. 1 仿真结果

  使用三维有限元软件包Ansys,通过直接耦合电场和热场,对开关电器在额定工作条件时主电路进行温度场仿真。其中,触头压力为10 N,材料为AgSnO2,其他部分为Cu。

  开关主电路温度场的仿真结果如图3 所示。

  其中,1 ~ 5 是试验中选取的5 个测量点。由图3可见,温度出现在导电桥部分,动、静触头温度次之,出线端温度。对此,接触电阻是开关升温的主要热源,且触头处散热条件较差,故这里温度较高,而出线端离导电桥距离较远,还可以通过连接导线散热,因此,温度比其他部位低一些。

  开关主电路电位分布如图4 所示。由图4 可以看出,主要的电压降出现在导电桥部分,因为导体本身电阻引起的压降较小,也进一步说明,动、静触头的接触电阻引起的焦耳热是开关电器主电路发热的主要热源。

开关主电路温度场仿真结果

图3 开关主电路温度场仿真结果。

开关主电路电位分布

图4 开关主电路电位分布。

  2. 2 试验验证

  为了验证仿真模型的正确性,根据低压开关电器相关国标,采用热电偶对选定测量点进行温升试验,并测量主电路电阻。使用直流电焊机给主电路通200 A 直流电流,进过多次测量得到出线端与进线端之间的电压降为0. 024 V,而仿真结果为0. 026 V,与试验结果存在一定差异。这主要是由于采用导电桥模型来模拟动、静触头的接触,而选取的导电桥尺寸与实际接触情况具有一定差异。

  采用热电偶对开关电器在额定工作条件下的稳定温升进行测量,选取主电路中的5 处作为测量点。测量点的计算值与实测值比较如图5 所示。这主要是由于采用导电桥模型与实际接触情况具有一定差异;此外,模型的简化、综合散热系数和材料参数的选取对结果也有一定的影响。

测量点的计算值与实测值比较

图5 测量点的计算值与实测值比较。

  3 大电流情况下热稳定性仿真与分析

  当开关通过大电流时,热损耗功率很大,触头易发生熔焊。由于导电桥的体积很小,导电桥温度迅速上升,极短时间内便超过材料的软化温度,因此,可以忽略材料从起始温度达到软化点温度的过程,直接使用软化后的材料硬度。通过温度场分布,可以得到整个触头部分的熔化范围。由此,结合材料本身的熔焊强度,就可以计算得到触头的熔焊力。当熔焊力大于触头分断力时,触头就不能分断,就会发生熔焊;反之,则不会造成熔焊。

  当20 倍额定电流在持续时间0. 5 s 短路电流情况下,对主电路温度场分布进行了仿真分析。

  开关主电路瞬态温度场仿真结果如图6 所示。从瞬态温度场的计算结果可以看出,导电桥和触头部分温度;其他部分温度较低;在接线端和导电杆处,温度接近室温。由于导电桥的温度为704. 9 ℃,低于材料的熔点,故不会发生熔焊。

开关主电路瞬态温度场仿真结果

图6 开关主电路瞬态温度场仿真结果。

  4 结语

  本文运用有限元软件Ansys 的热电耦合分析功能,采用导电桥来模拟触头间电流收缩,对额定电流200 A 低压开关电器产品样机进行了温度场的仿真计算,试验结果验证了模型的准确性。

  以稳态温度场分析模型为基础,建立了开关电器瞬态温度场分析模型。在持续时间为0. 5 s的20 倍额定电流情况下,对主电路温度场分布进行了仿真分析,获得了判断触头是否熔焊的依据,仿真分析结果可以作为开关结构优化设计的理论参考。


  
关键词:电路电器开关

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