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小型断路器保护特性测试及仿真分析

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     河 北 工 业 大 学 毕业设计说明书 作 者: 王少杰 学 号: 100730 学 院: 电气工程学院 系(专业): 电气工程及其自动化 题 目: MCB保护特性测试及仿真研究 指导者: 姚芳 教授 (姓 名) (专业技术职务) 评阅者: 赵靖英 副教授 (姓 名) (专业技术职务) 2014年6月6日 毕业设计(论文)中文摘要 题 目 MCB保护特性测试及仿真研究 摘要: MCB(Miniature Circuit Breaker)即小型断路器,又称微型空气断路器,目前广泛应用于家庭或类似场合的电气线路和设备的过载或短路保护。小型断路器有两个脱扣元件,分别是热脱扣器和电磁脱扣器。本文主要分析这两个脱扣元件的工作原理及工作过程。 本文对小型断路器延迟时间的测试结果进行分析,得出了不同电流等级下延迟时间的曲线图;建立了双金属片的数学模型,并用ANSYS软件对双金属片进行仿真分析,施加不同的电流值观察其温度分布和变形情况,得出不同电流值下双金属片的最高温度和最大形变量;分析电磁脱扣器的静-动态特性,用Ansoft软件对电磁脱扣器进行仿真分析,得出电磁脱扣器动铁芯在不同电流下运动速度、运动行程与时间的关系。 对脱扣元件的仿真分析,可更加直观地呈现出小型断路器的工作原理及保护特性,有助于研究怎样提高它的工作可靠性。 关键词:小型断路器,双金属片,电磁脱扣器,仿真 毕业设计(论文)外文摘要 Title Test on Protective Properties and the Simulation Analysis of the Miniature Circuit Breaker Abstract MCB(Miniature Circuit Breaker) is also called Small Circuit Breaker, which is currently widely used in the overload or short circuit protection of the electric-circuitry and equipment in household or similar situation. Miniature circuit breaker has two main tripping devices, thermal tripper and electromagnetic tripper. This paper mainly analyzes the working principle and the working process of the two tripping devices. In this paper, the test results of miniature circuit breaker delay time is analyzed, and the picture of delay time under different current rating curve is drawn; the mathematical model of bimetallic strip is established. Analyze the bimetallic strip by using ANSYS software to get the highest temperature and the maximum deformation of the bimetallic strip under different current values. Analyze electromagnetic trip by using Ansoft software to get the break-time under different currents. Through the simulation analysis of the tripping devices, the working principle and protective properties of the miniature circuit breaker is presented more visually, which can help us to study how to improve the working reliability of the miniature circuit breaker. keywords: miniature circuit breaker, bimetallic strip, electromagnetic tripper, simulation analysis 目 录 1 绪论 1.1 小型断路器概述 现代社会的飞速发展离不开电能的高效利用,日常生产生活对于电能的需求量越来越大,对于电网安全运行的要求也越来越高,在这种情况下,对供电网络的保护显得尤为重要。电能的生产和传输部分采用的是高压电,但对于电能的使用大多数是作为低压电使用的。而低压断路器作为低压供配电系统的主要开关电器,直接与用户相关,在性能和可靠性方面也有了更高的要求。 一般来说,交流额定电压1200V以下,直流额定电压1500V以下的断路器被称为低压断路器。低压断路器是一种广泛应用于低压电网的配电电器,它在电网中能够起到接通、承载及分断正常工作电流的作用,更重要的是能分断过载及短路故障电流,它能起到多种保护功能,如过载、短路、欠电压、单项接地和漏电等。 MCB(Miniature Circuit Breaker)即小型断路器,又称微型空气断路器,是低压断路器中的一种,广泛应用于工业、商业及民用低压终端配电领域,主要用途是保护线路末端的电线(或电缆)和用电设备,有别于主线和主支路使用的工业配电断路器和电动机保护性断路器。MCB一般用于家用或类似场合的电气线路和设备的过载和短路保护,额定电流较小,一般为125A以下,额定电压为民用等级,限于220/380V,它也可在工业上用作电缆和电动机保护。 1.2 小型断路器的结构及其工作原理 小型断路器一般由触头系统、灭弧装置、操作机构、脱扣机构及外壳组成。 1. 触头系统 小型断路器的主触头要求在电路正常时能够接通分断负荷电流,在电路故障时能够可靠分断故障电流。其主触头的动静触头接触电阻要小,能够长时间通过较大负荷电流。 2. 灭弧装置 小型断路器的灭弧装置一般采用的是栅片灭弧室,利用栅片短弧原理,依靠触头导电回路产生的磁场使电弧进入灭弧室,灭弧室的绝缘壁一般用钢板压制或用陶土烧制。 3. 操作机构 操作机构是断路器的传动部件。小型断路器的操作机构一般为连杆机构,由操作手柄、脱扣、锁扣和触头支架等组成,紧凑地分布在外壳的上半部分。操作机构的性能与断路器的可靠性、分断能力和使用寿命等息息相关,是断路器中的重要部件。 4. 脱扣机构 脱扣机构是小型断路器中用来接收信号的元件。若线路中出现不正常情况继电保护装置或操作人员发出信号时,脱扣器就会根据收到的信号通过传动机构使触头动作而切断电路。小型断路器的脱扣机构一般有电磁脱扣器、热脱扣器两种。 (1) 电磁脱扣器 电磁脱扣器与被保护的电路串联。当线路中通过正常电流时,电流值在断路器额定电流附近,断路器正常工作,电磁铁的吸力小于反作用弹簧的拉力,触头闭合;当电路出现短路故障时,线路中的电流瞬时增大,电磁铁产生的吸力大于反作用弹簧的拉力,衔铁被电磁铁吸动,通过传动机构推动脱扣器释放主触头,电路被切断,起到短路保护作用。 (2) 热脱扣器 热脱扣器与被保护电路串联。当线路正常时,电流流过双金属片使其弯曲到一定程度,这时,双金属片刚好接触到传动机构但并不能使其动作。当电路中出现过载现象时,电流增大,双金属片温度升高,弯曲程度增大,使传动机构推动脱扣机构释放主触头,电路断开,起到过载保护的作用。 5. 外壳 小型断路器的外壳使断路器的内部结构处在一个完全封闭的环境中,可以防尘、防潮、防辐射等,能够使其在有污染的环境中工作,外壳材料采用的是耐高温、高阻燃、耐冲击型的塑料,起到固定和保护断路器中其他部件的功能,从而提高小型断路器的工作性能及寿命,减少故障的发生。 1.3 小型断路器在配电线路中的应用 低压断路器在配电线路中应用时有非选择型和选择型之分,简称非选择型断路器为A类断路器,选择型断路器为B类断路器。大部分的万能断路器都是B型,即选择型断路器,选择型断路器的意思是指其具有三段保护特性,分别为过载长延时、短路短延时和短路瞬时保护特性;而大部分的塑壳式断路器都是A型,即只具有两段保护,分别为过载长延时和短路瞬时二段保护。 断路器在配电线路中的选择性保护示意图如图1.1所示。当线路中的F点发生断路故障时,与F点最接近的QF2断路器应迅速动作,而旁边支路的QF3断路器以及上级QF1断路器均不应动作。这就要求上级断路器QF1应为具有三段保护特性的断路器即B类断路器,它的短路短延时保护特性可以使其在电路F点发生短路的一段时间内躲过断路电流而不动作,这就是选择性保护。而由于QF1没有动作,保证了上级电路的正常供电,使QF3所在的支路也能正常供电,这样就减小了短路故障所带来的损失。 但是,假如将QF1设置成了A类断路器的话,QF2同样为A类断路器,在发生短路故障时,QF1和QF2将同时完成跳闸动作,使停电范围扩大,QF3所在支路也不能正常工作,可见,没有进行选择性保护的话,短路故障造成的损失就大大增加了。 在实际应用中,我们不仅需要把上一级电路的断路器设置成B类断路器,更要考虑各级之间的配合,调整各级断路器的整定时间,才能保证线路能够按照选择性保护动作。 本文所研究的小型断路器,是低压断路器的一种,多为配电终端所用断路器,多为B类断路器,即没有短路延时保护,能够迅速切断短路故障,但是不具有选择性。近年来,随着建筑业的迅速发展,人们对于电能质量的要求越来越高,不带选择性的小型断路器已经远远不能满足人们的需求。现在居民区中所用的小型断路器由于缺乏选择性,一旦某个线路发生故障可能会引起整栋楼内的停电,这大大影响了正常的生产生活,并为维修带来不便,因此,带选择性的小型断路器已经成为一个发展趋势。 图1.2是一个住宅小区配电的示意图,中间的表箱里是一个额定电流比较大的主断路器,而各个分支电路中是额定电流比较小的断路器。在某个分支电路上发生短路故障时,一般来说,故障电流比较大,会同时大于主断路器和分支断路器,这时,如果主断路器不具有选择性的话,就会造成主断路器和分支断路器一起跳闸,大范围停电的状况;如果主断路器具有选择性,主断路器的动作时间大于分支断路器的动作时间,就可以有选择性地只分断故障电路,而其他分支电路依旧照常工作,如果分支电路的断路器出现了故障不能正常分断,主断路器还可以作为后备保护切断电路。 可以看出,带有选择性的小型断路器满足了智能住宅,智能大厦的用电保护要求,能够提高供电稳定性,具有广泛的发展前景。 1.4 小型断路器相关技术研究现状 小型断路器是最为普遍的低压断路器之一,国内外的学者都对其进行了很多的研究工作,主要集中在怎样提高其分断能力和限流能力。 1. 大电流分断技术 小型断路器在分断较大的电流时,会伴有燃弧的现象发生。一般触头附近会装有灭弧装置,用来加快熄弧速度从而加快触头的分断。随着电网容量的不断增加,对于小型断路器的分断能力的要求也越来越高,因此,要改善小型断路器的性能,当务之急是提高其灭弧能力。 2. 小型断路器仿真及可靠性技术 仿真技术的出现及发展是目前电气信息类技术发展如此之快的一个相当重要的原因。通过仿真技术,可以在设计阶段就发现产品的薄弱环节并加以优化,大大缩短了产品的设计周期,节约了设计成本。小型断路器可以通过将Pro-E等三维实体建模软件、ANSYS等有限元分析软件、ADAMS等动力学分析软件结合起来进行仿真分析,以得到断路器关键部件的应力值分布情况,将仿真数据与可靠性设计理论相结合,为断路器的优化设计提供了路径。 3. 小型断路器试验及可靠性技术 根据用电部门所出示的资料,在一些比较老的家用住宅里(20年以上),有60﹪的家用电器烧毁事故的起因是家用小型断路器由疲劳老化所引起的拒动。小型断路器试验可靠性技术研究的就是它的分断性能以及工作可靠性。在小型断路器工作一段时间后,其关键部件不断老化,工作可靠性随之降低,因此,对小型断路器保护特性的疲劳退化研究有着很重要的意义。 另外,在小型断路器的智能化方面,专家学者也在做着研究,智能化的小型断路器内部由单片机芯片控制,大大提高了小型断路器的可靠性,有利于提高电能质量。智能化小型断路器的内部有一个智能控制模块,这个模块包含着可以把电流、电压信号转化为电平信号的信号采集和滤波装置,将电平信号输入给单片机,由单片机进行分析决定是否跳闸。这种小型断路器电压和电流的灵敏度感知大大提高,并且在电流过大时,设置了不经过CPU直接跳闸的程序,这样可以避免电流很大时因跳闸时间的延迟造成的损失。 自复位小型断路器也是目前发展的一个趋势,自复位小型断路器的意思是能够自动重合闸的小型断路器。在实际应用中,小型断路器误跳闸的情况很多,尤其是漏电断路器。小型断路器的自动重合闸功能是在小型断路器跳闸后,自动对切断电路进行检测,如果满足条件就进行自动重合闸。这种自复位小型断路器适应性强,效率更高,特别适用于有需要的场合。 1.5 主要研究内容 本文的研究对象是DZ47-63/1P-C1高分断小型断路器,外形如图1.3,型号及含义如图1.4所示。 DZ47-63/1P-C1为单极性小型断路器,额定频率50Hz,额定绝缘电压660V,额定工作电压230V/400V,脱扣器电流(In)1A,作为线路的过载和短路保护之用,同时也可以在正常情况下不频繁地通断电器装置和照明线路,具有性能优良,可靠分断能力较高,脱扣迅速,使用寿命长等优点。 如图1.4所示为DZ47-63小型断路器的拆开后的实物图,可以看到,DZ47-63小型断路器的内部结构包括触头系统、栅片灭弧室、电磁脱扣系统、双金属片及接线端。 DZ47-63小型断路器的保护特性有过载保护特性和短路保护特性。过载保护特性为反时限特性,是过载电流流过双金属片时,双金属片由于热膨胀系数不同造成弯曲程度的不同而导致动静触头分开,所以过载保护是有延时的。而当电路中流过短路电流时,短路电流流过电磁脱扣器,脱扣器吸和衔铁而使动静触头分开,所以短路保护是瞬时保护。另外,DZ47-63断路器有着高限流能力,能够最大限度地限制短路造成的破坏性。 本题研究的DZ47-63断路器为C型单极型,额定电流为1A的小型断路器,其保护特性如表1.1和表1.2所示。 表1.1 DZ47-63的过载保护特性 试验 试验电流 起始状态 脱扣或不脱扣时间极限 预期结果 附注 a 1.13In 冷态 t≥1h 不脱扣 电流在5s内稳定上升 b 1.45In 紧接上项实验 t<1h 脱扣 c 2.55In 冷态 1s<t<60s 脱扣 表1.2 DZ47-63D的短路保护特性 试验 试验电流 脱扣时间 预期结果 起始状态 d 5In ≤0.1s 不脱扣 冷态 e 10In <0.1s 脱扣 冷态 本文对DZ47-63小型断路器的试验测试结果进行简单分析,同时,利用Ansys软件对其内部的双金属片结构进行热仿真,利用Ansoft软件对电磁脱扣器结构进行电-磁结构仿真,并对仿真结果进行分析,以得到小型断路器的保护特性。 在仿真时,本题利用的是有限元分析的方法,有限元分析是用简单的问题替代复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成,由于这些子域的个数是有限的,因此称为有限元。在有限元分析中,对每一个单元设定一个合适的近似解,然后推导求解这个域总的满足条件,从而得到问题的解。这个解不是准确的解,而是近似解,因为在分析过程中实际问题被简单的问题所代替。由于大多数实际问题难以得到准确解,而有限元不仅计算精度高,而且能适应各种复杂的形状,因而成为行之有效的工程分析手段。但是有限元分析的精度无法无限提高,因为元的数目达到一定高度后解的精度就不再提高,这是有限元分析法的缺点。基于有限元分析的这些特征,本文中所得出的仿真结果只能作为参考,和实际状况还有一定的误差。 2 小型断路器保护特性测试及分析 2.1 小型断路器测试装置 小型断路器的测试装置主要包括三个部分,分别为电压电流检测电路、模拟负载控制电路和数据采集电路。通过三个装置的协调工作,完成对于小型断路器的测试,测试结果为触头分断延迟时间,下面分别对三个装置进行简单的介绍。 2.1.1 电压电流检测电路 由于小型断路器断开时触头间电弧的存在,使断路器在断开的瞬间电流不能直接将为0,而是经历了一个从A-mA-0的非常大的变化过程,这就需要在测量触头间的电流和电压时,测量装置具有足够高的精度和灵敏度,才能满足测量要求。因此,在试验时选用了CHB-25NP型电流传感器和WBV111S07型电压传感器,这两个传感器均能满足试验要求。 2.1.2 模拟负载控制电路 实际电路中有三种类型的负载,分别为:阻性负载(如电阻)、感性负载(如电感器)、容性负载(如电容)。三种类型的负载在电路中同时存在,影响电路中的各项参数,因此,模拟负载在这里有两方面的作用,一是为了得到所需要的电流,二是为了模拟接入断路器的负载。 2.1.3 数据采集电路 数据采集的精确与及时,直接影响了试验结果的准确性,因此数据采集电路是测试系统的核心。测试装置选用的是PCI-1742U数据采集卡,该数据采集卡有较高的分辨率、绝度精度、采集速率,能达到试验要求。 数据采集卡不能直接与被测信号相连,要通过一个信号调理电路与被测信号连接起来。信号调理电路有两部分组成,一部分即为上文所述的电压电流检测电路,另一部分为一个接线端子,接线端子可以提供外部信号与数据采集卡的接口。 2.2 测试结果及分析 小型断路器的时间特性参数中包括延迟时间,是指从小型断路器触头从闭合时刻到分开起始时刻的时间,图2.3为延迟时间示意图,为触头分断前的电流,为触头分断后的电流,为延迟时间,为触头分断时间, -为燃弧时间。 试验测试了2-13A的小型断路器的通断时间,由于DZ47-63小型断路器的额定电流为1A,通入1A的电流时,小型断路器不分断,通入2-13A的电流时,通断时间不同。 由试验数据可知,通2-7A的电流时,小型断路器分断具有一定的延迟时间,8A以上没有明显延迟时间,为瞬时分断,2-7A电流等级的延迟时间如图2.4所示。 图2.4中画出了2A-7A的最大延迟时间曲线,最小延迟时间曲线以及平均延迟时间曲线,可以看出,平均延迟时间随电流的升高而降低,由试验数据可知,平均延迟时间并不会随操作次数的增加而变化,因此,平均延迟时间是由小型断路器的结构决定的,而不是由于操作产生的。 由图2.4可知,延迟时间趋势图应该是一个带状曲线图,并且,在2-5A段,即过流保护段,带状曲线明显较宽,在5-7A段,即短路保护段,带状曲线变窄。这是因为,在断路器进行过载保护时,是由双金属片温度升高引起形变,推动传动机构使触头分开的。在这个过程中,过载的电流不断通过双金属片,经过若干个周期的热量的集聚,使双金属片温度升高,这是一段比较长的时间,外部温度、湿度等等的变化都将对这个过程产生影响,因此过载保护段断路器的脱扣时间是不好预计的,延迟时间的带状曲线也就比较宽。而在短路保护时,流经电磁脱扣器的电流比较大,电磁吸力很快能达到使动铁芯运动的要求,这个过程时间较短,受外界影响小,因此,每次脱扣的延迟时间都比较接近,在图上的表现为带状曲线比较窄。 本文的第3-4章为小型断路器的双金属片结构和电磁脱扣器结构的仿真,可以观察小型断路器产生延迟时间的原因,进而分析延迟时间对保护特性产生的影响。 3 小型断路器双金属片仿真 3.1 双金属片数学模型 DZ47-63小型断路器的过电流脱扣器的原理是双金属片的主动层与被动层的膨胀系数不同,在温度升高时导致双金属片弯曲,产生推力,推动脱扣器而使断路器断开。因此,双金属片的数学模型应该考虑以下两个方面的计算:1) 曲率和挠度;2)推力。 3.1.1 双金属片曲率和挠度的计算 双金属片的变形部分在断路器中应是一端固定,一端自由的,在温度升高后,自由端产生挠度如式(3.1)所述: 式(3.1) 式(1.1)中,f为自由端挠度,K为比弯曲率,l为双金属片长度,δ为双金属片厚度 为温升。 由式(3.1)可以看出,双金属片自由端的挠度跟双金属片长度的平方,比弯曲率以及温升成正比,与双金属片的厚度成反比,在这些条件中,双金属片的长度及厚度不会发生变化,比弯曲率由于内部受热可能发生比较小的变化,影响双金属片挠度的主要因素是温升。 3.1.2 双金属片推力的计算 如果温度持续升高,双金属片的自由端接触到脱扣器,将受到阻挡,双金属片会产生推力,推力的大小式(3.2): 式(3.2) 式(3.2)中,b为双金属片宽度。 断路器在过电流脱扣的过程中,双金属片受热后弯曲一定程度才能接触到脱扣机构,不是一开始就受到推力,而是一段时间后才受到推力,因此要考虑到双金属片的挠度,将式(3.2)变形为带入推力公式,得到: 式(3.3) 式(3.3)中,f'为双金属片未产生推力的动作行程 从式(3.1)和式(3.3)中可以看出来,双金属片的挠度与推力均与温升成正比,而温升又与流入双金属片的电流正相关,因此,流入双金属片中的电流越大,温度升高的就越快,过电流脱扣器的动作时间就越短,而在电流较小时,双金属片的温度不高,产生的动作行程不足以触发过电流脱扣器,脱扣器不动作。 本课题所研究的断路器是额定电流在63A以下的小型断路器,双金属片所用的加热方式是直接加热方式,因此其脱扣的动作时间与电流的关系如式(3.4): 式(3.4) 式(3.4)中,m为双金属片的质量,c为双金属片的比热容,为双金属片的表面散热系数,A为双金属片表面散热面积,τ为双金属片温升,I为通入双金属片的电流 ,R为双金属片等值电阻。 式(3.4)中所用到的是能量守恒的原理,式中第一项表示的是双金属片温度升高所消耗的能量,第二项是双金属片向外界的散热,两项加起来的和是电流流过双金属片所产生的能量。 但是,此公式的计算在考虑双金属片的温度上有一定的偏差,因为在实际的模型当中,双金属片的温度分布并不是一致的,这样通过公式计算出来的位移就不准确,而有限元法可以很好地把这些因素考虑进去,使计算结果更加准确。 3.1.3 双金属有限元分析的数学模型 对于双金属片的有限元分析属于电-热结构耦合,有限元分析时将双金属片分成有限个小的单元,每个单元都符合能量守恒定律,可以列出平衡方程,分析如下: (1)给定电压边界条件和电流激励,求出电流密度 式(3.5) 式(3.6) 式(3.7) 式(3.5)中,J为传导电流密度向量,ρ为电阻率;式(3.6)中,为单位体积的电流源电流;式(3.7)中,E为电场强度,V为电位。 (2)由式(3.5-3.7)可以求出整个双金属片中电压和电流的分布,由此可以得到焦耳热分布如下式: 式(3.8) 由于双金属片不是绝热的,所以要考虑热对流造成的热量损失,热平衡方程为: 式(3.9) 式(3.9)中,K为热损系数 ,T为温度。 根据能量守恒定律,电流在双金属片内产生的焦耳热,一部分散失了出去,本课题只考虑热对流散热,另一部分使双金属片温度升高,由此可以列出热平衡方程为: 式(3.10) 式(3.10)中,为焦耳热,为热损失,为双金属片温升所消耗的热量。 (3)双金属片所划分的每个单元同样符合此热平衡方程式,由上述式子可以求出双金属片各个节点的温度,由温度升高引起的弹性平衡方程为: 式(3.11) 式(3.12) 式(3.11)中,σ为应力;式(3.12)中,ε为应变,为热应变,D为与弹性模量和泊松比有关的弹性矩阵。 该平衡方程的边界条件为双金属片边界上的位移约束,通过求解热应变,可以求出双金属片各节点的位移分布。 3.2 双金属片有限元模型的建立 3.2.1 单元类型选择 ANSYS对于耦合问题的求解方法有直接求解和间接求解两种。直接求解方法是将电流、温度、应力等等载荷同时加到耦合单元上,以得到应力分布、温度分布等,这种方法适用于高度非线性的复杂问题求解;间接耦合又称顺序耦合,是一个接一个地进行物理分析,把前一个问题的求解结果作为下一个问题的载荷条件或边界条件等,这种方法适用于非线性程度不是很高的多物理场相互作用的问题求解,这种方法比直接求解的精度高,但是求解时间比较长。本课题中所做的双金属片电-热结构耦合模型和载荷条件并不是十分复杂,为了提高其结果精度,采用的是间接耦合方式,先在双金属片上加入电流和电压条件,得到温度场分布,再利用温度场求解应力场的分布。 本课题中双金属片的仿真采用的是SOLID69单元,此单元适用于三维实体仿真分析,可以对其进行电热分析,自由度为温度和电压,有八个节点,温度和电压被离散到这八个节点上,图3.1即为SOLID69单元的几何模型。 3.2.2 双金属片的材料属性 本课题仿真中所使用的双金属片型号为FPA206-78,对其进行材料属性测试得到表3.1: 表3.1 双金属片材料参数表 3.2.3 双金属片的实体模型与网络剖分 建模前用电子游标卡尺精确测量其尺寸,按照实际尺寸在ANSYS中建立模型,包括双金属片的主动层与被动层、接线端和连接片,建成各个部分模型后对其进行布尔操作。得到双金属片的模型如图3.2所示。 考虑到本课题中双金属片的结构并不是十分复杂,对双金属片采用自由网络划分方式,单元类型采用的是三维四面体单元。划分网络后的模型如图3.3所示。 3.3 双金属片仿真结果及分析 根据过电流脱扣器保护特性的要求,在额定电流下1个小时内不脱扣,因此,设置仿真时间为3600s,子步时间为50s,进行求解,可以得到其温度分布和位移分布云图。 设置环境温度为20度,额定电压下双金属片的温度分布云图如图3.4所示。 可以看到,在通入额定电流一个小时后,双金属片的温度分布有了明显的变化,最高温升在24℃左右,整个双金属片的温度差在20℃左右,并且,由于散热的影响温度分布并不均匀。 由图2.6可以看出,在额定电流下电路接通3600s时,双金属自由端最大位移为0.934mm,处在脱扣范围之内,脱扣器不动作。 双金属片输入各等级电流时仿真结果如表3.2所示。 输入电流(A) 最大变形量(mm) 最高温度(℃) 1.0 0.934 44.316 1.1 1.012 49.366 1.2 1.120 54.980 1.3 1.226 61.082 1.4 1.341 67.673 1.45 1.402 71.151 1.5 1.465 74.752 用电子游标卡尺测量双金属片设定脱扣距离为1.365mm,由表3.4可知,在电流达到1.45A时,双金属片触动触头,完成脱扣动作。并且可以看出,最大变形量随输入电流的增大而赠大,最高温度也随输入电流的增大而升高。 4 小型断路器电磁脱扣器仿真 螺管式脱扣器被在低电压小电流脱扣器中广泛应用,因为螺管式电磁脱扣器上可以缠绕多匝线圈,以增大电磁吸力,避免因电流过小而不能产生足够的电磁吸力的情况发生。 4.1 电磁脱扣器的静-动态特性 用磁路法对电磁脱扣器的模型进行求解,可以得到下式: 式(4.1) 式(4.1)中,F为电磁吸力, 为工作气隙磁通,为工作气隙磁导,δ为工作气隙大小。 在计算动态特性时,考虑最简单的单相短路下的情况,列出电路状态方程,此时,短路器出于闭合状态: 式(4.2) 初始条件为: 式(4.2)中,L为线路电感,i为短路电流,为电压峰值,ω为电源频率,Ψ为合闸相角,R为线路电阻。 在短路电流通入电磁脱扣器的瞬间,电磁吸力并不足以客服弹簧的反作用力,这个时候,动铁芯没有动,工作气隙还是最大值,此时,应满足: 式(4.3) 式(4.3)中,为电磁吸力,m 为动铁芯质量,-负载反力。 当电磁吸力达到可以客服反力弹簧的作用力之后,动铁芯开始运动,从动铁芯开始运动到到达到最小工作气隙的过程,动铁芯的运动方程为: 式(4.4) 式(4.5) 初始条件为: 式(4.6) 式(4.7) 式(4.4)中,m为动铁芯质量,v为动铁芯运动速度;式(4.5)中,x为动铁芯运动时的行程;式(4.6)中,为最大工作气隙。 联立上述方程即可得到电磁脱扣器的动铁芯运动速度v和运动行程x与时间t的关系,反力特性在仿真时,由用户在仿真最开始时输入。 4.2 电磁脱扣器有限元模型的建立 4.2.1 电磁脱扣器的三维模型建立 将DZ47-63小型断路器的电磁脱扣器部分拆分,用电子游标卡尺精确测量出各个部分的尺寸,并在Ansoft中的Maxwell的3D环境中做出各个部件的模型,电磁脱扣器包含以下几个部分:动静铁芯、线圈、线管、导轨,经过适当简化后建立的个部分模型。 4.2.2 电磁脱扣器的材料属性 对电磁脱扣器的各部分结构做测试,并查阅相关材料,得到表4.1。 部件 材料名称 资料库中材料 相对磁导率 体电导率 动铁芯 非线性铁磁材料 Steel_1008 BH曲线 2000000 静铁芯 非线性铁磁材料 Steel_1008 BH曲线 2000000 线圈 铜 Copper 0.999991 58000000 导轨 非线性铁磁材料 Steel_1008 BH曲线 2000000 线管 酚醛塑料 自定义 1 0 铁芯套筒 酚醛塑料 自定义 1 0 4.2.3 电磁脱扣器的网络剖分及添加激励 电磁脱扣器的模型较为复杂,网络剖分时采用手动剖分,对结果影响大的部分细剖,得到的网络剖分如图4.6所示: 在Ansoft中,线圈绘制时是一个圆柱体,因此要施加激励时,要在线圈上先绘制一个纵截面,在此截面上添加激励电源,如图4.7所示。 在Ansoft中对电磁脱扣器进行仿真时,要考虑到电磁脱扣器的动态情况,在电磁脱扣器的静态模型上添加动静边界区域,在求解时限制电磁脱扣器的运动区域。同时,在进行动态求解时还要设置模型各个运动部件的机械属性,包括设置运动部件的运动方向、运动范围、运动类型、运动部件质量以及初速度等。本题中运动部件初速度为0,运动范围为动铁芯的运动范围,为0-3.19mm,运动部件的质量既为动铁芯的质量为1.4828g。 在设置机械属性时,除了上述的内容外,还需设置一个负载选项,在本题中既为反力弹簧的设置,因此,要事先测试出反力弹簧的反力特性。采用TSL-S5型号弹簧拉压试验测量仪对反力弹簧进行测试,根据需要,测试弹簧被压缩产生的弹力。测试完毕后,通过计算可以得出弹簧的弹性系数为0.325N/mm,因此,加载负荷的公式为:1.18*0.325+0.325*(position),其中,1.18为反力弹簧的初始压缩量,单位为毫米,position为动铁芯的位移,计算后的加载负荷公式为:0.3825+0.325*(position),机械特性设置对话框如图4.8所示。 4.2.4 Ansoft三维瞬态场分析理论 Ansoft为世界著名的低频电磁场有限元分析软件之一,在各个工程电磁领域都得到了广泛的应用。它基于麦克斯韦微分方程,采用有限元离散的形式,将工程中的电磁场计算转变为庞大的矩阵求解。Ansoft的瞬态求解器能够很方便地解决和运动有关的电磁问题,它有很多优点,它可以对非线性的各种材料进行求解;可以自行定义运动部件的运动方式及运动区域等;可以根据需要施加外部激励,激励源可以是正弦的电压、电流,也可以是电流密度;还可以计算涡流损耗、磁滞损耗,并且可以随时终止并重新开始,不会丢失数据。 因此,采用Ansoft对电磁脱扣器进行仿真,能够得出较精确的结果以供分析。 4.3 电磁脱扣器仿真结果及分析 根据电磁脱扣器的保护特性,在电流大于5A时电磁脱扣器动作,加入3A电流时电磁脱扣器的动铁芯位移如图4.9所示。 由图可以看出,在电流为3A时电磁脱扣器没有动作,随后,又在电磁脱扣器上加上了5A的电流,电磁脱扣器同样没有动作。当输入7A的电流时,动铁芯位移曲线如图4.10所示。 由图可以看出,电流为7A时动铁芯的行程为3.1mm,电磁脱扣器动作,7A时动铁芯运动速度如图4.11所示。 可以看出,动铁芯的运动速度先是升高,随后又降低为0,最高速度为1.82m/s。 电磁脱扣器不同仿真结果如表4.2所示。 电流 脱扣时间(ms) 最大速度(m\s) 3-5A 不脱扣 0 6A 5.39 1.70 7A 5 1.82 8A 4.9 1.90 根据表4.2中数据可得,电磁脱扣器在电流超过5A后开始动作,脱扣时间随着电流的增大而减少,最大速度随电流的增大而增大,且脱扣时间均小于0.1s,符合小型断路器保护特性的要求。 结 论 小型断路器是一种常见的,应用于家用及类似场合的开关电器,其价格低廉、分断能力高、可靠性好等特点使其得以广泛应用。双金属片和电磁脱扣器为小型断路器中两个重要的脱扣元件,这两个元件的性能是小型断路器分断能力的保证。本文分别用Ansys和Ansoft两个软件对这两个脱扣元件进行了仿真分析,完成的主要工作和所得结论如下: 1) 对小型断路器分断延迟时间的测试结果进行分析,得出2A-7A电压等级的分断延迟时间带状曲线图,由于过载保护时分断延迟时间长,易受外界影响,多次试验结果差别较大,因此2A-5A段曲线明显较宽;而短路保护时短路电流较大,分断延迟时间较短,不易受外界影响,多次试验结果比较接近,因此5A-7A段曲线较窄; 2)根据双金属片曲率、挠度、推力的计算方法,建立双金属片的数学模型,对双金属片进行电-热-形变仿真分析,得出双金属片在不同电流下的最大形变和最高温度表,分析表明双金属片在电压为1.45A时脱扣; 3)分析电磁脱扣器的动-静态数学模型,对电磁脱扣器进行电-磁结构仿真,得出电磁脱扣器在不同电压下的脱扣时间,发现电磁脱扣器的脱扣时间随电流增大而减小,且脱扣时间均小于0.1s。 参 考 文 献 1 陆俭国,王景芹,师新莉.断路器的可靠性指标及其评估方法[J].机床电器,1997,(2):8~10. 2 郑凤翼.低压电器及其应用[M].北京:人民邮电出版社, 1999: 20~22. 3 潘峰.小型断路器分断过程的动力性能研究[D].上海: 上海交通大学, 2007. 4 王宣东,张国刚,孙丽琼,耿英三.低压断路器保护特性实验的设计[J].实验室研究与探索,2009(4) 5 周志敏.小型断路器的发展与应用.电气开关,2002(5):1~5 6 A.Martin;M.Reggio;J.-Y.Trepanier. 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