低压断路器的热分析及热脱扣器保护特性计算

2023-06-15 百科知识版权反馈

【摘要】：对低压断路器的温度场仿真，首先应进行导体部分的电流场计算，求出其电流密度分布才能准确计算热源。低压断路器的热源主要是导电部分的焦耳损耗，其中包括导电排、热脱扣器和磁脱扣器，触头和出线端，以及国家标准和IEC标准中规定的温升实验中的连接导体，其中触头和出线端连接处的接触电阻对热计算的准确性影响较大，而连接导体的发热和散热也是一个需要特殊处理的问题。

当开关电器工作时，电流通过导体并在导体中产生热量，而且对于交流电器由于交变电磁场的作用还会在铁磁体中产生涡流和磁滞损耗，并在绝缘体内产生介质损耗。所有的损耗几乎全部变成热能，一部分散失在周围介质中，一部分在加热开关电器，导致整个电器的温度升高。温度达到一定的高度会使得开关电器中使用的金属材料和绝缘材料的机械强度和绝缘强度明显下降，工作温度过高会使开关的使用寿命降低甚至损坏，因此热特性是开关电器产品设计中的一个关键因素。在设计开关电器时要进行合理地热设计，关键是要了解开关内部的温度分布，这对于材料的选择、结构的设计以及装配是非常重要的。

随着电能的广泛应用，输配电系统容量的不断增大以及系统集成度的不断提高，为了提高开关设备的空间利用率，节约原材料，对开关电器产品结构提出了小型化设计的要求。开关电器的小型化设计使得产品的外壳体积缩小，散热面积也相应减小，而内部元器件的发热使得单位体积的发热量增加，所以开关电器小型化设计的最大难点就是温升。因此，如何使得电器产品在小型化的条件下满足热性能的要求，同时提高其工作性能是亟待解决的关键问题，这使得开关电器的热分析更加重要。

降低开关电器的发热温升有以下几种方法：采用高耐温的绝缘材料，采用导电性能好的导电材料，强迫冷却式加散热片，合理布置导体减小邻接效应，设计稳定可靠的接触连接。以上的措施得到有效的利用，热分析是一项关键技术。

用数值热分析方法进行开关电器内部温度场的计算，可以全面地了解内部的温度分布以及最热点的温度及所处位置，对小型开关电器来说，由于内部空间小，空气对流情况差，可以仅考虑热传导问题，但对于大规格低压断路器，则需同时考虑热传导和对流的问题。对低压断路器的温度场仿真，首先应进行导体部分的电流场计算，求出其电流密度分布才能准确计算热源。低压断路器的热源主要是导电部分的焦耳损耗，其中包括导电排、热脱扣器和磁脱扣器，触头和出线端，以及国家标准和IEC标准中规定的温升实验中的连接导体，其中触头和出线端连接处的接触电阻对热计算的准确性影响较大，而连接导体的发热和散热也是一个需要特殊处理的问题。

目前，开关电器常用的热分析方法有两种，它们是有限元法和热网络法，但不论是采用任何一种方法，都首先应计算导体部分的电流场，用有限元方法计算低压断路器的温度场分布的优点是能充分考虑各种因素、计算准确性比较高，但由于低压断路器结构复杂，建模较困难，计算工作量大，并且在工程应用中，开关电器往往不是独立工作的，一个配电柜中安装了多台各种类型的开关电器，它们之间发热和散热相互影响，这种情况下采用有限元方法会更复杂。热网络法是利用热路和电路的相似性提出来的，应用热网络法，首先应根据低压断路器的物理模型建立等效的热路网络，求解热路网络可采用求解电网络的计算方法，也可根据建立的热路网络模型，利用能量平衡转换成有限差分方程，用有限差分方法进行求解，后者称为热网络有限差分法。热网络法比较简单，计算工作量小，因而更适合于工程应用，它的准确度决定于建立的热网络模型是否合理，热网络中的阻容元件参数的确定是否切合实际。

随着场域分析技术的发展和计算机性能的提高，国内外自20世纪90年代开始，在采用数值方法来分析电气设备的发热问题方面作了一系列的研究工作，开始集中在电机、变压器及电抗器的热分析中，低压电器方面偏重于电磁铁的三维有限元分析，至20世纪90年代末和新世纪初才开始涉及低压断路器温度场的仿真，1999年Kawase利用三维有限元方法分析了热继电器的温度分布[1]，并通过单相回路的实验对计算结果进行了验证。2000年M.Lindmayer用有限元方法建立了低压断路器的热分析模型，模型对断路器结构进行了简化，把结构看成一个简单的长方体，计算模型中考虑了壳体内的对流传热，以及三相结构之间的相互影响，温升试验中的连接导体以热阻和边界条件来处理，但对断路器温度场影响较大的接触电阻，如触头接触电阻和接线端的接触电阻是对样机测量得到的，论文还计及了导热系数和电阻率随温度的变化[2]。近年来Rockwell公司的Frei和Weichert在电动机断路器的热计算方面做了不少工作，他们不但建立了完整的热计算模型，并且在触头和接触连接的接触电阻和热阻计算方面做了很有效的工作[3][4]。用热网络方法TNM（Thermal Network Method）进行开关电器的热分析，最早见于荷兰的埃因霍温（Eindhoven）大学，Meng建立了熔断器的热路模型[5]，西安交通大学也于1995年用瞬态热路网络法计算了小型断路器热脱扣器的动作特性[6]。将有限差分思想用到热网络计算中，是美国的Doduco公司的Leung于1995年提出来的，他首先用稳态热路模型计算了小开关的温度分布[7]，接着于2006年又用瞬态热路方法计算了塑壳断路器的温度分布以及热脱扣器的动作特性[8]。由于热网络方法比较简单和适用于工程应用，因而近年来这种方法受到了企业和研究单位的重视，例如ABB公司与德国德累斯顿大学（Technical University of Dresden）在20世纪50年代就合作进行开关电器的热分析研究[9]，目前TNM作为ABB公司的基本设计工具可用于设计低压断路器、接触器、真空断路器和中压开关柜，高压GIS等开关电器设备。

验证所建立的热分析模型，不论是采用有限元或热网络方法，都需要进行试验和测试，测试被研究的样机的温度分布可采用两种方法，一种是用传统的热电偶，把热电偶分布地放置于感兴趣的点上；另一种是采用红外摄像，它能全景式的显示样机温度场的分布，图5-1是对一真空断路器测试其温升[9]，其中图5-1a为热电偶布置，图5-1b为红外图像。当建立的热分析模型被证实可行后，这种模型就可用于研究不同因素对温度场的影响，例如样机所采用材料、表面散热条件、热传递条件和外形尺寸等，使样机达到优化设计目标。

图5-1 温度场测试

a）热电偶 b）红外照片

低压断路器的热分析及热脱扣器保护特性计算

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