塑壳断路器热双金属片动作特性仿真分析_毛国伟.pdf

dianzi yuanqijian yu xinxijishu 电 子 元 器 件 与 信 息 技 术22|塑壳断路器热双金属片动作特性仿真分析毛国伟天津航空机电有限公司，天津300308摘要：热脱扣器的稳定性直接影响塑壳断路器的可靠性，而热双金属片的动作特性决定了热脱扣器的性能。针对热双金属片动作特性计算误差大、验证周期长的特点。本文提出了一种基于电-热-结构多物理场耦合仿真的方法，此方法给定热双金属模型电流电压参数，通过模型计算温度场，进而计算热双金属片的动作特性，最后准确计算出随时间变化的变形量曲线。同时，本文还利用热双金属挠度测试系统对仿真模型进行了验证，结果表明仿真计算模型准确可靠。该仿真方法的引入有效缩短了塑壳断路器的研发周期，同时降低了验证成本，具有较强的研究意义和应用价值。关键词：塑壳断路器；热双金属片；多物理场耦合仿真；动作特性中图分类号:TM561 文献标志码:A DOI:10.19772/ki.2096-4455.2022.11.006 0引言塑壳断路器是低压配电网络中不可缺少的重要电器元件，用来切断故障线路，防止故障范围的扩大1-2，从而削弱供配电线路由于线路过载或短路造成的严重后果，已经被广泛应用于航空航天、船舶、汽车及家用电器等领域。其中，热脱扣器是使用最为广泛的一类脱扣装置3，而热双金属片是决定热脱扣器工作稳定性的核心热敏感元件，其热变形的准确性直接影响到塑壳断路器的可靠性和供配电系统的安全性。在线路中，电流流经热双金属片时，通过直接通电发热进行傍热式加热或者复合加热等方式4，使双金属发生弯曲变形、塑壳断路器发生脱扣，从而实现线路保护的功能。近年来，为了缩短研发周期、降低验证成本，国内外专家学者对热双金属片的动作特性计算进行了大量研究。文献5基于温度场分布模型，通过仿真和实验分析，计算了热双金属片的瞬态温度和形变分布；文献6通过电-热-结构间接耦合仿真的方法，对热双金属片的应力场、位移场进行了分析；文献7通过有限元仿真的方法，对热双金属片进行了优化设计，分析了不同形状参数对形变稳定性的影响。本文采用电-热-结构直接耦合仿真的方法建立计算模型，分析了不同整定电流下热双金属片的热场分布和形变分布特点，同时通过搭建热双金属形变测试装置，直接对热双金属形变特性进行测试，验证了计算模型的准确性。1热脱扣器工作原理介绍热脱扣器是由热双金属片、电流输入接线端、电流输出接线端和导线组成。当线路中通过电流时，流经热双金属片的电流会产生热量，金属片在热场的作用下发生弯曲变形，从而推动断路器脱扣机构运动，如图1所示。图 1脱扣器结构组成作者简介：毛国伟，男，河北唐山，硕士，工程师，研究方向：航空输配电、线路控制与保护等方面的研究。电 子 元 器 件 与 信 息 技 术|23电子元器件与材料2热双金属片理论计算2.1热双金属片曲率和挠度理论计算图2为热双金属片受热变形示意图，该双金属片为简支梁结构，两端均未固定。图 2热双金属片受热变形图（简支梁结构）理论计算热双金属片的曲率和挠度8-11为：t2)TT)(310112=（1）比弯曲K的计算公式为：01TTt21K=（2）热双金属片的变形挠度为：（3）其中：a1、a2为被动层和主动层的热膨胀系数；t为双金属片的厚度；为双金属片的曲率半径；T0、T1为双金属片的初始温度和加热后温度。2.2热双金属片推力计算一般情况下，热双金属片在工作过程中，需要带动脱扣机构运动。当温度升高时，热双金属片产生变形，在接触到脱扣机构时，会受到阻挡作用力。热双金属片推力P为：LE)wtTK(TP201=（4）由热双金属片推力产生的变形量为：（5）此时热双金属片的实际变形量zB为：tzBBB=（6）其中：B为双金属变形挠度值；w为双金属宽度值。3热双金属片仿真分析3.1材料属性本文所采用的热双金属片牌号为5J1455A，材料特性参数如表1所示。表 1热双金属片材料特性参数技术参数主动层被动层中间层材料牌号Ni20Mn6Ni36Ni厚度(mm)0.190.190.02弹性模量(N/mm2)235200147000200000泊松比0.350.350.35电阻率(10-6.m)0.790.80.69热膨胀系数(10-6)201.5133.2仿真分析流程仿真流程如图3所示。建立并导入模型建立并导入模型开始开始简化模型简化模型赋予材料属性赋予材料属性网格划分网格划分添加电流值和流入、流出面添加电流值和流入、流出面添加散热系数添加散热系数添加约束添加约束瞬态热仿真时间瞬态热仿真时间温度场导入到物理场进行耦合仿真温度场导入到物理场进行耦合仿真输出热双金属变形量输出热双金属变形量电场分析电场分析瞬态热分析瞬态热分析瞬态结构分析瞬态结构分析图 3仿真流程dianzi yuanqijian yu xinxijishu 电 子 元 器 件 与 信 息 技 术24|3.3电-热-结构耦合仿真分析3.3.1冷态下通入1.5In整定电流分析根据图3所示流程，分析热双金属片在1.5In整定电流下的变形量，分析时间设定为3min，变形量随时间变化的曲线如图4所示。图 4热双金属片变形量随时间变化曲线（1.5In）由图4分析可知，热双金属片中间变形量最大，通电初始时，热双金属片变形较迅速，当接近产热和散热平衡时，变形量趋于稳定，稳定后的最大变形量为0.6mm，满足热脱扣行程要求。3.3.2冷态下通入2In电流分析同理分析热双金属片在2In整定电流下的变形量，分析时间设定为20s，变形量随时间变化的曲线如图5所示。图 5热双金属片变形量随时间变化曲线（1.5In）同样由图5分析可知，通电初始时，热双金属片变形更快，且变形量一直保持快速增长，8s左右可达到脱扣行程要求，满足设计需求。4试验验证利用热双金属挠度测试平台测试热双金属片在2In整定电流下的变形量，测试时间设定为20s，将测试结果与仿真结果进行比较，如图6所示。对比结果表明，仿真计算的热双金属片形变曲线与实验结果趋势一致，验证了热双金属片仿真数据的正确性和有效性。图 6测试与仿真结果对比（2In）5结语本文以塑壳断路器热双金属片为研究对象，从理论分析出发，计算了热双金属片的曲率、热推力以及在外力作用下的真实变形量，并通过电-热-结构耦合仿真分析的方法，研究了热双金属片在典型过载电流下动作特性曲线的变化，最后通过热双金属挠度测试平台验证了该仿真方法的正确性和有效性。该仿真方法的引入有效缩短了塑壳断路器的研发周期，同时降低了研发验证成本，具有较强的研究意义和应用价值。参考文献1 武军亮.基于灭弧系统改进设计的塑壳断路器分断能力提升研究D.苏州:苏州大学,2017.2 周帆.高压断路器在线监测及故障诊断系统设计探讨J.电子元器件与信息技术,2020,4(10):105-107.3 于永站,谭昌柏,张金泉,等.塑壳断路器热脱扣特性的仿真与试验分析J.低压电器,2012(7):5-9+18.4 连理枝.过电流脱扣器用双金属元件的选择和设计J.江苏电器,2003(4):12-16.5 胡金利.基于双金属片精细建模的小型断路器热脱扣仿真及实验研究J.电器与能效管理技术,2021(4):34-39+51.（下转第58页）dianzi yuanqijian yu xinxijishu 电 子 元 器 件 与 信 息 技 术58|件进入低功耗模式，操作更方便可靠。5结语本研究给出了一种实现电路系统低功耗控制的方法。通过对电路系统低功耗休眠时不需要工作的电路电源进行切断，对系统休眠时必须工作但具有低功耗休眠模式的电路进行休眠控制，对微控制器电路自身进行控制进入待机休眠状态以实现整个电路系统的低功耗。电路系统架构中将低功耗休眠时必须要工作的电路（休眠唤醒相关电路）和不需要工作的电路的供电电源分开控制，在低功耗休眠时将不需要工作电路的电源切断。对电路系统低功耗休眠时不需要工作的电路电源进行控制切断，使得这部分电路损耗几乎为零，节省能量。对电路系统休眠时必须工作的电路采用低功耗休眠模式实现对电路系统功耗的降低，节约能源。电路系统采用具有低功耗睡眠或待机模式的微控制器电路，可以进一步降低系统的功耗。参考文献1 黄智伟.低功耗系统设计原理、器件与电路.M北京:电子工业出版社,2011.2 高振宇,谭晓军,罗杰.纯电动汽车电池管理系统的低功耗设计J.电脑与电信,2011(6):31-32+35.3 JanRabaey.低功耗设计精解.M北京:机械工业出版社,2020.4 LiY,WeiX,SunZ.LowpowerstrategydesignforbatterymanagementsystemC/2009International Conference onMeasuringTechnologyandMechatronicsAutomation.IEEE,2009,2:636-639.5 李曦,张来勇,熊悦,等.基于代码压缩方法的低功耗嵌入式系统设计技术研究J.小型微型计算机系统,2003(5):887-890.6 徐建平,耿世钧,马廷锋,等.超低功耗电子电路系统设计原则J.电子技术应用,2003(2):78-80.7 李月香,袁涛,木合塔尔.单片机低功耗技术及应用J.电子技术应用,2001(12):17-19.（上接第42页）2 云刚.柴油车SCR系统故障引起发动机限扭原因研究J.汽车与驾驶维修(维修版),2018(6):114-116+118.3 陆超.柴油机SCR系统的故障诊断与排除J.昆明冶金高等专科学校学报,2017,33(5):39-42+62.4 刘波.电控柴油机SCR系统故障诊断策略J.汽车维护与修理,2020(2):73-74.5 简辉.共轨柴油机SCR系统及其OBD功能研究D.杭州:浙江大学,2012.6 刘波.高压共轨柴油机ECU故障诊断系统控制策略研究D.昆明:昆明理工大学,2016.7 王荣新.潍柴WP12发动机故障实例及检查养护要点J.设备管理与维修,2019(16):76-77.8 杨月海.博世DeNOx2.2SCR系统尿素泵使用维护与故障诊断J.汽车测试报告,2021,18(1):91-93.（上接第24页）6 李子琦,卢权胜,刘超,等.小型断路器热双金属元件的分析研究J.电器与能效管理技术,2017(11):31-35.7 祝聪,徐庭伟,罗欣宇,等.基于Workbench的塑壳断路器双金属片的设计分析与研究J.船电技术,2021,41(5):25-28+32.8 孔凡良,曹鹏飞,肖文华,等.基于ANSYSWorkbench的塑壳断路器热脱扣器特性仿真分析J.船电技术,2021,41(4):50-53+57.9 方鸿发.低压电器(修订本)M.西安:西安交通大学出版社,2008.10姜义非.小型断路器热脱扣稳定性的分析计算J.电器与能效管理技术,2017(8):17-20.11李子琦,卢权胜,刘超,等.小型断路器热双金属元件的分析研究J.电器与能效管理技术,2017(11):31-35.