低压开关电器主电路温度场的有限元分析-技术方案

精品文档-下载后可编辑低压开关电器主电路温度场的有限元分析-技术方案摘要: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200A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。

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20μm。

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

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10N，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。

图3开关主电路温度场仿真结果。

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200A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0.024V，而仿真结果为0.026V，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。

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0.5s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。

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