基于ANSYS Workbench的塑殼斷路器熱脫扣器特性仿真分析

孔凡良，曹鵬飛，肖文華，肖 清

基于ANSYS Workbench的塑殼斷路器熱脫扣器特性仿真分析

孔凡良1，曹鵬飛2，肖文華2，肖 清1

（1.武漢長(zhǎng)海電氣科技開(kāi)發(fā)有限公司，武漢 430064；2. 武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

熱脫扣器是塑殼斷路器熱磁脫扣器的重要組成部分，是斷路器在電路發(fā)生過(guò)載電流故障保護(hù)功能實(shí)現(xiàn)的核心部件，為塑殼斷路器提供長(zhǎng)延時(shí)配電保護(hù)功能。本文根據(jù)熱脫扣器的工作原理，理論計(jì)算了熱脫扣器中熱雙金屬片的曲率、撓度以及雙金屬片熱彈性變形產(chǎn)生的推力，并運(yùn)用三維有限元仿真軟件ANSYS建立了熱脫扣器的有限元模型，采用電-熱-結(jié)構(gòu)耦合分析方法，研究了熱脫扣器在不同整定電流情況下的溫度分布規(guī)律及熱雙金屬片冷態(tài)動(dòng)作特性曲線等關(guān)鍵特性。該分析為塑殼斷路器熱脫扣器設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供方法、依據(jù)。

塑殼斷路器 熱脫扣特性 熱雙金屬片 有限元分析

0 引言

塑殼斷路器（MCCB）是低壓供配電系統(tǒng)主要的開(kāi)關(guān)電器，廣泛應(yīng)用于航空航天、船舶、汽車(chē)、工廠及家用電器等領(lǐng)域。熱磁脫扣器是塑殼斷路器中廣泛采用的一種脫扣裝置，是斷路器在電路發(fā)生過(guò)載、短路、剩余電流、接地等故障條件下保護(hù)功能實(shí)現(xiàn)的核心部件。熱脫扣器是熱磁脫扣器的重要組成部分，為MCCB提供長(zhǎng)延時(shí)配電保護(hù)功能。其中，熱雙金屬片是熱脫扣器動(dòng)作特性的關(guān)鍵元件。熱雙金屬片是一種復(fù)合金屬材料，它是有兩層具有不同溫度線脹系數(shù)的金屬結(jié)合而成，可隨溫度變化而產(chǎn)生不同的熱彎曲變形。熱脫扣器可利用過(guò)載電流直接通過(guò)載流排發(fā)熱元件，讓熱雙金屬片受熱彎曲，推動(dòng)塑殼斷路器脫扣軸轉(zhuǎn)動(dòng)，使斷路器脫扣，實(shí)現(xiàn)過(guò)載或短路保護(hù)。

本文采用三維有限元仿真軟件ANSYS Workbench對(duì)MCCB熱脫扣器進(jìn)行熱脫扣特性分析，仿真分析熱雙金屬片在不同整定電流情況下的溫度分布規(guī)律及冷態(tài)動(dòng)作特性曲線等關(guān)鍵特性。

1 熱脫扣器結(jié)構(gòu)和特性研究

熱脫扣器是低壓斷路器中用于過(guò)載長(zhǎng)延時(shí)的保護(hù)裝置。如圖1所示，塑殼斷路器熱脫扣器主要由載流排、熱雙金屬片組成，熱雙金屬片通過(guò)鉚釘鉚接固定在載流排上。當(dāng)線路中發(fā)生過(guò)載電流時(shí)，載流排就會(huì)發(fā)熱，并將其產(chǎn)生的熱量以熱傳導(dǎo)的方式傳遞給載流排上的熱雙金屬片上，熱雙金屬片受熱產(chǎn)生彎曲變形，推動(dòng)塑殼斷路器脫扣軸轉(zhuǎn)動(dòng)，切斷電路。同時(shí)，塑殼斷路器還要具有一定耐受過(guò)載電流能力，以防發(fā)生錯(cuò)誤脫扣現(xiàn)象，因此在塑殼斷路器中，對(duì)熱雙金屬片的型號(hào)、性能指標(biāo)選擇也是至關(guān)重要的。

圖1 塑殼斷路器熱脫扣器結(jié)構(gòu)示意圖

本文以額定電流為630 A塑殼斷路器為例進(jìn)行熱脫扣特性分析，熱脫扣動(dòng)作特性如表1所示。

表1 斷路器長(zhǎng)延時(shí)動(dòng)作特性表

2 熱脫扣器熱雙金屬片理論計(jì)算

圖2為熱雙金屬片受熱變形示意圖，熱雙金屬片一端固定，另一端可受熱自由變形。根據(jù)塑殼斷路器樣機(jī)設(shè)計(jì)條件已知熱雙金屬片的動(dòng)作行程=1.1 mm，推動(dòng)脫扣轉(zhuǎn)軸的位移f=3.2 mm，斷路器脫扣力F=3 N。

圖2 熱雙金屬片變形示意圖

2.1 熱雙金屬片曲率和撓度計(jì)算

熱雙金屬片在理論計(jì)算時(shí)，不考慮熱雙金屬片自重和外作用，只研究受熱后的變形，并假定

（一）雙金屬片受熱是均勻的；

（二）不記寬度方向的彎曲變形；

（三）熱雙金屬片寬度方向兩橫截面不論在冷態(tài)或熱態(tài)時(shí)均垂直于兩金屬片結(jié)合面；

（四）兩組合層的線脹系數(shù)之差不因溫度而變化。

由上述條件得到曲率、撓度及推力理論公式，如下：

（1）熱雙金屬片曲率計(jì)算公式

式中，—比彎曲（×10-6/℃）；—熱雙金屬片的總厚度（mm）；θ、—分別為基準(zhǔn)溫度和加熱后的溫度。

（2）熱雙金屬片撓度計(jì)算公式

2.2 熱雙金屬片推力計(jì)算

如上所述，當(dāng)溫度升高時(shí)，熱雙金屬片的自由端產(chǎn)生撓度f。如果自由端受到阻擋不能使它自由彎曲，則雙金屬片要對(duì)阻擋物產(chǎn)生推力。當(dāng)推力克服阻力后，又可繼續(xù)彎曲。而在熱脫扣器中，雙金屬片并非在初始位置就受到阻擋，而是經(jīng)過(guò)一定的動(dòng)作行程才受到阻擋。即

進(jìn)一步熱雙金屬片推力計(jì)算公式如下：

式中，-雙金屬片的彈性模量（MPa）；-熱雙金屬片寬度（mm）；f-熱雙金屬片動(dòng)作行程（mm）。

3 熱脫扣器仿真分析

3.1 有限元模型的建立

采用的模型是在專(zhuān)業(yè)的三維建模軟件NX中進(jìn)行，并轉(zhuǎn)換成Parasolid格式后導(dǎo)入ANSYS軟件中。為了便于對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，同時(shí)保證計(jì)算的準(zhǔn)確性，對(duì)熱脫扣器進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，去掉了不必要的細(xì)節(jié)。

3.2 有限元網(wǎng)格的劃分

網(wǎng)格劃分的好壞直接影響到有限元分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，所以在有限元分析初始，必須選擇適當(dāng)?shù)木W(wǎng)格類(lèi)型。本熱磁脫扣器中載流排和熱雙金屬片的幾何形狀簡(jiǎn)單且規(guī)則，采用合適規(guī)格尺寸的網(wǎng)格劃分，計(jì)算精度高。塑殼斷路器熱脫扣器網(wǎng)格剖分圖如圖3所示。

圖3 熱脫扣器網(wǎng)格剖分圖

3.3 材料特性定義

本文載流排采用的是紫銅，熱雙金屬片采用的是牌號(hào)5J20110的熱雙金屬片。其中牌號(hào)為5J20110的熱雙金屬片由主動(dòng)層Mn75Ni15Cu10和被動(dòng)層Ni36組成，具有高敏感、高電阻、中溫的特性。其線性溫度范圍為：-20℃～150℃，允許使用溫度范圍為：-70℃～200℃。熱脫扣裝置所用材料特性如表2所示。

表2 熱脫扣器組成材料物理特性表

3.4 熱脫扣器電-熱-結(jié)構(gòu)耦合分析

按圖4所示流程圖和表1斷路器長(zhǎng)延時(shí)動(dòng)作特性表運(yùn)用ANSYS Workbench對(duì)塑殼斷路器熱脫扣器中進(jìn)行電場(chǎng)、瞬態(tài)熱和瞬態(tài)結(jié)構(gòu)耦合分析。

圖4 熱脫扣特性分析流程圖

1）冷態(tài)通入1.5I整定電流分析

圖5 熱脫扣器溫度分布圖

圖6 熱雙金屬片熱變形偏移量隨時(shí)間變化曲線圖

由圖5可知，雙金屬片固定端溫度最高，自由端溫度最低，且溫度層階梯變化。由圖6可知，熱雙金屬片熱變形偏移量隨著時(shí)間的增加而增大。剛開(kāi)始時(shí)，熱雙金屬片熱變形偏移量變化較快，而后隨時(shí)間的增加熱雙金屬片熱變形偏移量趨于平穩(wěn)，穩(wěn)定后的最大偏移量為2.5 mm，小于熱脫扣所需行程。

圖7 熱脫扣器溫度分布圖

圖8 熱雙金屬片熱變形偏移量隨時(shí)間變化曲線圖

圖9 熱脫扣器溫度分布圖

圖10 熱雙金屬片熱變形偏移量隨時(shí)間變化曲線圖

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

采用大電流試驗(yàn)回路分別對(duì)塑殼斷路器按表1中要求進(jìn)行熱脫扣試驗(yàn)，通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄塑殼斷路器熱脫扣時(shí)間，斷路器脫扣時(shí)間如表3所示。

表3 熱脫扣時(shí)間測(cè)量結(jié)果表

5 結(jié)論

1）本文以塑殼斷路器熱脫扣器為對(duì)象，根據(jù)熱脫扣器的工作原理和結(jié)構(gòu)，理論計(jì)算了熱脫扣裝置中熱雙金屬片的曲率、撓度以及熱雙金屬片熱彈性變形產(chǎn)生的推力。并運(yùn)用三維有限元仿真軟件ANSYS采用電-熱-結(jié)構(gòu)耦合分析方法，研究了熱脫扣器在不同過(guò)載電流情況下的溫度分布規(guī)律及冷態(tài)動(dòng)作特性曲線等關(guān)鍵特性。最后通過(guò)樣機(jī)試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證了該仿真方法的有效性和準(zhǔn)確性。

2）本仿真分析可用于驗(yàn)證各種規(guī)格、型號(hào)塑殼斷路器熱脫扣器瞬態(tài)仿真分析，為以后設(shè)計(jì)和優(yōu)化熱脫扣器提供方法、依據(jù)。該研究對(duì)于熱脫扣器的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)具有一定的指導(dǎo)意義。

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Simulation Analyses of Characteristics of MCCB Thermal Release based on ANSYS Workbench

Kong Fanliang1, Cao Pengfei2, Xiao Wenhua2, Xiao Qing1

（1. Wuhan Changhai Electrical Technology Development Co., Ltd., Wuhan 430064, China ; 2. Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China）

The thermal-magnetic release is an important part of the molded case circuit breaker(MCCB), it is of the function of long-time delay protection for the MCCB against overload current. In this paper, according to the working principle of the thermal-magnetic tripping device, the curvature, deflection andelastic deformation thrust of bimetallic strip are calculated. The finite element model of the release is established by using the 3D simulation software ANSYS. Then, based on the electricity-heat-structural coupling method, the temperature distribution and cold action characteristic of the release under several conditions of different current settings are obtained, which provide a basis for designing and optimizing of the release.

TM561

A

1003-4862（2021）04-0050-04

2020-09-29

孔凡良（1990-），男，工程師。研究方向：開(kāi)關(guān)電氣設(shè)備。E-mail：kongjinliang001@163.com