（机械设计及理论专业论文）低压断路器过流热仿真与脱扣优化设计研究.pdf

摘要 低压断路器是一种重要的配电电器，其功能及性能对低压成套开关设备起着至 关重要的作用。利用仿真技术对低压断路器进行仿真分析，可节省物理样机制作， 缩短产品开发周期，提高产品竞争力。 本文结合杭卅市重大科技攻关项目，以低压断路器为研究对象，对低压断路器 关键零部件脱扣的过流热仿真、电磁力特性分析、电磁铁优化设计等进行了研究， 构建了低压断路器仿真与优化的平台。 采用电热结构耦合的方法对过流脱扣进行分析，并对a n s y s 软件进行 二次开发，便于低压断路器系列产品的设计。瞬时脱扣的电磁系统设计以前通常根 据经验和磁路方法计算，误差较大，利用a n s y s 基于场的电磁场数值解法，求出其 电磁铁的静态吸力，并根据分析结果进行修改，有效地提高了设计效率。 利用多学科优化设计软件i s i g h t 集成s o l i d w o r k s 和a n s y s 进行联合优化分析， 研究了全局搜索优化算法一遗传算法在瞬时脱扣电磁铁优化设计中的应用方法， 提出了一种供电磁铁联合优化的方法及框架。该方法也可应用于其它产品的电磁铁 设计。 。 对低压断路器的脱扣热特性进行仿真分析，并比较了不同物理性质的双金属材 料的变形情况，对脱扣电磁力特性进行了仿真，获得了静态特性曲线。结合i s i g h t 联合a n s y s 进行了联合优化分析，并给出了应用实例。 最后，对全文进行总结，并对今后进一步研究工作进行了展望。 关键字：低压断路器脱扣仿真a n s y s 优化设计电磁铁 a b s t r a c t l o w - v o l t a g ec i r c u i tb r e a k e ri sa l li m p o r t a n te l e c t r i c i t y - d i s t r i b u t e de q u i p m e n t i t s f u n c t i o na n dq u s i i t yp l a y sac r u c i a lr o l e i nt h el o w - v o l t a g es w i t c he q u i p m e n ts e t s i m u l a t i o nt e c h n o l o g yi sa p p l i e do nt h el o w - v o l t a g ec i r c u i tb r e a k e rs oa st os a v et h e t i m eo fm a k i n gt h ep h y s i c a lp r o t o t y p e , r e d u c et h ep e r i o do fe x p l o r i n gt h en e w p r o d u c t s a n dm a k et h ep r o d u c t sm o r ec o m p e t i t i v ei nt h em a r k e t t h ep a p e r ，w i t ht h el o w - v o l t a g ec i r c u i tb r e a k e ra si t so b j e c t i v e ，c o m b i n e sw i t h t h ek e yt e c h n o l o g i c a lr e s e a r c hp r o g r a m so fh a n g z h o uc i t y , a n dd o e ss o m er e s e a r c hi n t h ef o l l o w i n ga s p e c t s ，o v e r - c u r r e n th e a ts i m u l a t i o no f t h e p r i m a r yc o m p o n e n t sa n dp a r t s ， t h ea n a l y s i so fd e c t r o m a g n e f i cf o r c e ，t h eo p t i m a l i z e dd e s i g no ft h ee l e c t r o m a g n e t , a n d c o n s t r u c t i n gap l a t f o r mo ft h es i m u l a t i o na n do p t i m a l i z a t i o no fl o w - v o l t a g ec k c u i t b r e a k e r w ea n a l y s et h eo v e r - c u r r e n tt r i pb ym e a n so fe l e c t r i c i t y - b e a t - s t r u c t u r a lc o u p l i n g m e t h o da n dd ot h es e c o n dd e v e l o p m e n to f t h e a n s y ss o f t w a r ef o r t h es a k eo f t h ed e s i g n o ft h el o w - v o l t a g ec i r c u i tb r e a k e rs e r i e s t h e e l e c t r o m a g n e t i cs y s t e md e s i g no f i n s t a n t a n e o u st r i pu s e dt ob ec a l c u l a t e do nt h eb a s i so fe x p e r i e n c ea n dm a g n e t i cc k c u i t a n dm a d el o wp r e c i s i o n b ym e a n so ft h en u m e r i c a lm e t h o do f t h ea n s y s e l e c t r i c a l - m a g n e t i cf i e l d ，t h em a g n e t ss t a t i ca t t r a c t i o nf o r c ec a nb ew o r k e do u t ， a c c o r d i n gt ow h o s ea n a l y t i c a lr e s u l t ，af a i r l ys a t i s f a c t o r yd e s i g nw i l lb eo b t a i n e d t h r o u g hi m p r o v e m e n ta n dm e a n w h i l et h ee f f i c i e n c yw i l lb ee n h a n c e d t h i sp a p e r m a k e su s eo ft h em u l t i d i s c i p l i n a r yo p t i m i z a t i o nd e s i g ns o f t w a r e i s i g h tw i t ht h ea l l i a n c eo fs o l i d w o r k sa n da n s y st om a k et h ei n t e g r a lo p t i m i z a t i o n a n a l y s i s w ea d o p ta no v e r a l lm a r c h i n go p t i m a lm g o f i t h m i e g e n e t i ca l g o r i t h m st o a c h i e v ea no p t i m i z e dr e s u l to f & s i g na n dp r o v i d eam e t h o da n df r a m e w o r kf o rt h e i n t e g r a lo p t i m i z a t i o no f e l e c t r o m a g n e t sw h i c h 啪b ew e l la p p l i e di nt h ed e s i g no f o t h e r t y p o so f e l e c t r o m a g n e t s 。 。j毫，莓n4，目 t h i s p a p e rm a k e st h es i m u h t i o n a la 1 1 a l y s i s o ft h et r i ph e a tc h a r a c t e ro f l o w - v o l t a g ec i r c u i tb r e a k e r , a n dc o m p a r e st h et r a n s f o r m a t i o no ft h eb i m e t a l l i cp l a t e m a t e r i a l so fd i f f e r e n t p h y s i c a lq u a l i t y w ea l s o d ot h es i m u l a t i o no ft h e t r i p e l e c t r o m a g n e t i cc h a r a c t e ra n dg a i nt h ec l l l v eo ft h es t a t i cf e a t u r e s f u r t h e r m o r e ，w e i n t e r m i n g l et h ei s i g h ta n da n s y s t om a k et h ei n t e g r a lo p t i m a l i z a t i o n a la n a l y s i sa n d s o m ec a s 8a r ep r o v i d e d t oc o n c l u d e , w es u m m a r i z et h ew h o l ep a p e ra n dv i e wt h ep r o s p e c to ft h ef u r t h e r r e s e a r c hw o r k k e y w o r d s ：l o w - v o l t a g e c i r c u i t b r e a k e r , t r i p ，s i m u l a t i o n ,a n s y s ,o p t i m a l d e s i g n ,e l e c t r o m a g n e t 1 1 1 第一章绪论 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 本文研究的选题背景 随着科学技术的不断发展，社会生产、生活对电能的需求越来越多。电能的生 产与传输采用高压电，而电力的使用大多数都是低压电。根据统计，每生产1 0 0 0 k w 容量的发电设备，需要生产8 0 0 0 - 9 0 0 0 件以上的各类低压电器与之配套。而且由于 对产品的性能，质量，品种，安全的要求越来越高，低压电器的需求越来越大【l 】。 随着对供电网络的运行和保护要求越来越高，对断路器性能的要求逐步提高， 如要求保护特性的分散性小，稳定性好，保护特性问的分配合理，工作可靠等。 杭州市科学技术局、杭州市萧山区科学技术局、杭申控股集团有限公司根据国 内外低压电器行业的发展与企业的需求，提出了“基于知识管理和仿真技术的创新 开发平台及其在低压电器行业中的应用”项目。在杭州市科学技术局、萧山区科学 技术局及省、市同行业专家指导下，成立了浙江大学机械与能源学院、浙江中天信 息技术有限公司、杭申控股集团有限公司联合项目工作组。根据低压电器产品的结 构及设计特点，研究低压断路器创新设计平台技术，开发基于知识管理和仿真技术 的创新开发平台集成系统，将知识管理与仿真技术的理念与先进的技术应用到低压 电器产品设计中，构建适应创新设计的集成平台。 通过对本项目的系统设计，明确该项目的总体结构和处理流程，划分出系统所 应包含的功能模块。对系统的开发平台、各功能模块和系统集成等提出了相应的设 计方案，为系统详细方案设计与项目实施提供依据。 本课题是“基于知识管理和仿真技术的创新开发平台及其在低压电器行业中的 应用”项目的一个子模块。作为产品创新开发平台的一部分，对关键部位的结构进 行有限元分析显得十分的重要。然而在很多特殊场合下工作的部件不同于一般的结 构分析，它除了受到普通的物理作用力之外，还要受到电场，电磁场，热效应等的 影响，所以对其进行仿真十分必要。 第一章绪论 浙江大学硕士学位论文 1 2 低压断路器的应用 1 2 1 低压断路器的典型结构 低压断路器是在交流1 2 0 0 v 及以下，直流1 5 0 0 v 以下的电路中的配电电器， 能够接通、承载及分断正常电路条件下的电流，也能在规定的非正常条件下，如过 载、短路、欠电压以及发生单相接地故障时能分断电流。 低压断路器主要由以下几个部分组成 2 0 1 【2 8 】【3 3 1 ： 1 灭弧系统 2 各种脱扣器 3 开关机构 4 框架或塑料外壳 触头系统：触头是电器的执行部分，是有接触点电器的重要组成部分。电接触 的基本任务实传导电流，基本要求是接触元件接触时为良好的导电体，解除元件分 离后为良好的绝缘体。触头的好坏直接影响电器的质量和性能目标。电接触是复杂 的物理化学过程，它涉及到热，电，磁以及金属变形的各种效应，接触电阻的物 理化学本质及其计算。触头接触过程中的跳动，和离开过程中的电弧腐蚀金属迁移 等。触头系统的设计基本要求是能安全可靠地接通和分断短路电流，按标准寿命， 在规定次数中接通和分断电路后不至严重磨损。以及长期工作制的载流能力。 常见的触头形式有对接式、桥式和插入式。触头在正常合闸状态下通过额定电 流，在故障状态下通过过载电流，所以要求触头材料要有足够的电动稳定性和热稳 定性，并且要有较低的接触电阻，因此，一般选用银基或银基合金材料制造。 电磁机构：电磁机构是自动化电器的动作部分，在电器中占有十分重要的地位。 电磁机构涉及到磁场和电磁场，而且也是电磁力运动的综合应用。低压断路器中 的电磁机构多为可动铁心或可变气隙的电磁装置，它的磁场图复杂而且在理论计算 方面有自己特殊规律。电磁机构分析的主要目的是研究它的静态特性和动态特性， 确定电磁机构的动作时间。由于边界形状不规则、复杂的物质结构、磁场的分散性 和铁心磁路的非线性，电磁机构中的电磁计算十分复杂。在以前的实际设计计算中， 只能采取简化的措施，或者用模拟试验的方法来求得满足工程要求的近似结果。伴 2 第一章绪论 浙江大学硕士学位论文 随电子计算机飞速发展出现的数值方法给解决此类问题提供强有力的工具。 脱扣机构：低压断路器为了得到不同的保护特性，必须带有不同的脱扣器。为 了得到过电流瞬时动作，一般带有电磁脱扣装置；为了得到反时限的过载时间- 电 流特性，可带有过流脱扣或油阻尼脱扣器；为了得到短延时或长延时脱扣，可带有 钟表机构脱扣器；近些年来由于电子，控制技术的快速发展，智能脱扣器得到广泛 应用，智能型断路器是指采用了智能脱扣器的断路器，智能脱扣器使断路器实现了 遥测、遥控、遥信和遥调等功能。现在智能脱扣器都采用单片机、d s p 等微处理器 作为逻辑处理的基础，其发展趋势之一是功能越来越多，除了传统的脱扣功能外， 还有脱扣前报警功能、线路参数检测功能以及试验功能；另外一种趋势是采用现场 总线技术，把设备的网络化作为目标。 开关机构：开关机构是分合闸操作机构，包括自由脱扣机构、操作手柄、电动 合闸装置。开关机构应保证在正常状态下开关能可靠地分断与闭合，故障时又能顺 利脱扣。 对开关机构的基本要求是： 1 机构应能满足开关分合时动作次序的要求，动作准确可靠。 2 机构应灵活省力，脱扣力要小。 3 自由脱扣时，触头应能快速的分断，分断速度和手柄位置无关。 低压断路器所采用的操作机构主要是连杆机构，属于典型的五杆机构，通过临 时支点的固定与解除，可以完成合闸和自由脱扣的任务。分闸的速度与手柄无关， 与开断弹簧弹性系数和a b c d 点的位置有关，但弹簧的弹性系数不能选得过大， 否则合闸速度虽然大，但操作费力。 d z l 0 系列塑壳式低压断路器的机构原理如图卜l 所示。 3 第一章绪论浙江大学硕士学位论文 图1 1 典型低压断路器机构原理图 图1 - 1 所示机构位置为断路器的手动分闸和再扣位置。需要合闸时，将手柄j o 向左推，操作杆j o 绕o 反时针转动，弹簧( 两端分别连接j 点和b 点) 随手柄转 动而受到拉伸并贮能，当弹簧力的作用线与上连杆d b 重合时处于最大位能状态。 一旦超过上连杆d b ，在弹簧力的作用下b 点向左运动，下连杆a b 推动触头快速 闭合。触头完全闭合后，连杆d b 、a b 处于挺直的死区位置。如果过载或瞬时电 流过大引起跳扣器动作，锁扣h 转动使跳扣t 端自由，在弹簧的作用下，跳扣c d t 绕c 点反时针转动，d 点成为活动点，d b 、a b 自由变成五连杆机构，因为五连杆 机构有两个自由度，触头立即断开。 1 2 2 低压断路器的发展趋势 低压断路器经过多年的发展，在我国已经形成完整的产品链，产品体系也比较 完备，但是技术含量仍然较落后，产品的研发能力仍然有限，在9 0 年代中期开始 进行计算机辅助设计和制造，并且在一些研究机构进行了计算机仿真设计。 低压断路器已经发展到智能化阶段，主要技术特征是采用现代电子技术和通信 技术，使低压电器产品具有高度智能化的功能。若干个智能断路器通过互动网络可 组成智能供电配电系统，具有遥测、遥控、遥讯和遥调功能。智能断路器在供配电 系统中的主要作用是对线路中的过载、短路和接地等故障进行保护。智能脱扣器通 过检测元件获得主线路中的电流，电压信号，经过逻辑控制单元分析判断后发出动 4 第一章绪论浙江大学硕士学位论文 作信号 2 1 。 低压断路器小型化、模块化和组合化也是另外一个发展热点。在确保保护性能 的前提下，小型化能够节约大量的制造成本，减小安装空间等，但是小型化也带来 如散热的要求，本来断路器的工作热环境就比较恶劣，小型化要考虑散热的要求。 低压断路器的模块化和组合化是实现其产品多功能化的重要途径，新一代塑壳断路 器的结构普遍采用模块化设计，过电流脱扣器，热磁脱扣器和电子脱扣器均设计了 可更换的脱扣器模块，不打开盖子就可方便地更换脱扣器，以适应各种用户的需要、 降低设计制造成本。 操作机构的优化设计，操作机构能否快速动作对于断路器分断能力至关重要。 改进的主要特点是明显加长了跳扣转动轴心至锁扣面端点的尺寸，尤其是大幅度加 长跳扣转动轴心至跳扣与上连杆连接销轴心的尺寸，一旦跳扣，提高了上连杆绕 跳扣转动轴心转动及绕上连杆与跳扣连接销轴心转动的角速度，同时大大提高了下 连杆对动触头的拉力，显著提高了断开速度 3 1 。 但是由于经济原因，目前大部分1 6 0 a 壳架电流及以下的塑壳断路器仍采用可 调热磁脱扣器，电流2 5 0 a 及以上的既可以安装电子脱扣器又可以安装热磁式脱扣 器。因此研究热磁脱扣的性能具有重要的意义。 1 3 仿真技术在低压断路器设计中的应用 1 3 1c a e 技术概况 设计人员在进行一个产品设计时，最关心的问题是自己设计的结构在实际工况 ( 机械载荷、热载荷、流体作用、电磁载荷等) 中的各种设计参数是否满足设计要 求。要完成这一工作，传统的方法是先把“物理样机”制造出来，然后进行各种测 试，再进行修改，如此反复地直到满足设计要求。传统设计方法过程复杂，不但浪 费大量人力、物力、财力，开发周期长，而且得到数据有限。因此，c a e ( c o m p u t e r a i d e de n g i n e e r i n g ) 技术出现并得到快速发展。 c a e 应用中主要是有限元技术与虚拟样机的运动、动力学仿真技术。f e a 是 以有限元分析技术为基础，综合计算力学、计算数学、相关工程科学、工程管理学 与现代计算技术及高性能硬件相集合的综合性、知识密集型学科。 5 第一章绪论浙江大学硕士学位论文 有限元方法最初起源于上世纪4 0 年代，在6 0 年代以后，随着电子计算机的广 泛应用和发展。有限元技术迅速的发展，并且有单纯的静力应用扩展到非线性、弹 塑性变形、动力学分析、流体力学、传热学、电磁学等工程的很多领域。 虚拟样机技术的研究范围主要是机械系统运动学和动力学分析，其核心是利用 计算机辅助分析技术进行机构系统的运动学和动力学分析，以确定系统及其各构件 在任意时刻的位置、速度和加速度，同时，通过求解代数方程组确定引起系统及其 各构件运动所需要的作用力与反作用力【1 0 】。 目前常用的有限元分析软件a n s y s 。a n s y s 是融结构，热，流体，电磁，声学 于一体的大型通用有限元分析软件，可广泛用于航空航天，机械制造，能源，汽车 交通，国防军工，生物医学等一般工业及科学研究。a n s y s 提供了丰富的第三方 接口，能导入多c a d 软件格式，如提供了专门的p r o e n g i n e e r , c a t i a , u g 的接口， 可以在方便地导入这些c a d 系统生成的零件，装配体，减少了导入过程中的出错， 有良好的兼容性。此外还提供了中性文件接口如i g e s 、p a r a s o l i d 、s a t 等格式，在 利用这些接口导入文件时，需要对几个模型进行修复，保证能够成功进行网格划分。 目前应用最广的机械系统动力学自动分析软件a d a m s ( a u t o m a t i cd y n a m i c a n a l y s i so f m e c h a n i c a ls y s t e m s ) 是美国m s c 公司开发的著名的虚拟样机分析软件。 用户使用a d a m s 软件，可以自动生成包括机一电一液一体化在内的、复杂系统的 多体动力学数字化虚拟样机模型，能为用户提供从产品概念设计、方案论证、详细 设计，到产品方案修改、优化、试验规划甚至故障诊断各个阶段、全方位、高精度 的仿真计算分析结果，从而达到缩短产品开发周期、降低开发成本、提高产品质量 及竞争力的目的。 1 3 2c a e 技术在电器设计中的应用 早期的断路器的设计过程主要是试验修改试验。时间周期长，效率低，在当 今激烈的市场竞争下满足不了日益增长的多样性的要求，仿真技术在解决一些通过 传统方法很难解决甚至无法解决的问题上起到了很大作用。 前已述及三维计算机辅助设计软件可以实现三维零部件的实体造型、装配、自 动生成工程图纸、按照设计的零部件自动进行模具设计并生成数据编码。并可结合 6 第一章绪论 浙江大学硕士学位论文 数据管理软件进行配置管理，达到设计的优化。 要使电器产品满足预期的技术条件，达到预期的电气、机械性能，还必须经过 ， 反复试验。计算机模拟与仿真技术的应用可以在样机制作前，精确掌握电器产品的 性能，减少重复样机制作，降低实验费用，加快产品开发周期，提高产品性能指标。 低压断路器的基本特性包括通断能力、温升、零部件的强度、动稳定，热稳定、 绝缘性能及其他电气性能等。涉及到诸如电场，磁场，应力场以及这些场的耦合现 象，只有充分考虑这些耦合因素才能得到较高的精度。这就需要对设计对象的电磁 场、应力场、磁场等物理场进行仿真和分析。计算机模拟仿真技术的发展、有限元 分析软件性能的不断提高，为这种新技术在低压电器中的应用创造了条件。2 0 世 纪9 0 年代以来，用特征造型方式输入三维图形，代替繁琐的数据输入，使输入工 作变得简单、直观，后处理阶段可以方便的观察输出的数据或对三维图形进行分析。 通过计算仿真可以得到产品设计的可行性方案，满足产品的技术要求。但是，如果 想要实现经济技术指标最佳，就必须将仿真技术与最优化方法结合起来，才能达到 预期效果。 随着计算机图形技术的迅速发展，虚拟技术将引入低压电器的设计领域。设计 者可以在虚拟环境中，对电器产品进行仿真与优化，这将使我国低压电器的设计、 研究达到一个更新的阶段。 1 3 3 断路器中c a e 技术应用研究 c a e 技术在断路器中的应用国内外已经有了比较多的研究，目前主要集中在三 个方面。对断路器的操作机构进行运动和动力学仿真；对断路器分断电弧的仿真； 对触头部分的力学、热仿真以及这几个方面的结合仿真。国内西安交通大学、河北 工业大学、沈阳工业大学、福州大学、上海电器科学研究所等机构在这方面进行了 相关的研究，并得到一些较好的研究成果。 文献【l o 】采用a d a m s 对k f l 0 0 型塑壳断路器的开断运动进行了仿真分析和模 拟，对比了实验设计和仿真结果，并结合试验设计对设计进行改进，取得了较好的 效果。 7 第一章绪论浙江大学硕士学位论文 文献 1 1 1 采用矢量场分析软件包v e c t o rf i e l d s 对瞬时脱扣器建立了三维有限元 模型，并对其磁场分布及静态吸力特性进行了计算，同时也采用了磁路的方法计算 了其静态特性，两种计算方法的结果显示场的方法具有比较高的精度。 文献【1 2 】对接触器电磁铁建立三维有限元模型，可以比较准确地计算电磁吸力， 求出电磁系统磁场分布。并在此基础上进行了二次开发，开发了直流接触器磁场分 析与吸力计算程序，该程序能够在改变各种参数情况下，自动调用a n s y s 批处理脚 本文件，计算出吸力特性，磁场分布。 文献【1 3 】采用了a l l a y s 对接触器热稳定状态进行热学分析，建立了交流接触器 的温度场模型，采用三维有限元软件进行热稳态的温度场仿真。 文献【1 4 】使用a n s y s 软件分析了接触器用双e 型交流电磁铁三维工频磁场，根 据交流电磁吸力的平均值的直流等效原理，分两步计算了衔铁吸力，利用a n s y s 优化设计方法对铁心厚度进行了优化。 文献【1 5 】通过对计算流体力学软件f l u e n t 进行二次开发，针对低压断路器灭弧 室的简化模型，建立了相应的电弧仿真数学模型。对灭弧室内部电弧的整个运动过 程进行了仿真分析，并分析了电弧运行中的一些相关量变化。 文献【1 6 】对低压断路器建立了离散热路模型，分析了其稳态热特性，对工作状 况下有外壳和无外壳的断路器的热仿真环境进行分析，并用实例验证了其高效率和 可靠性。 文献【1 7 】使用了低压断路器的2 维和3 维有限元模型计算了电磁系统的电磁场 和电磁力，并在考虑涡流电流的情况下对螺管电磁铁的瞬时脱扣电磁力进行了计 算，比较了2 维有限元模型和3 维有限元模型的计算结果。此外，文章使用了有限 差分法分析了分断电弧的温度分布和电流一电压特性。 文献【1 8 】采用有限元方法分析了低压断路器触头系统的分断电流的电动斥力， 并考虑了电弧中电流的分布和电弧直径的变化，举例说明了3 维有限元模型在触头 系统设计中的作用。 经过国内外的多年研究，对低压断路器的仿真设计已经有一些可观的成果，能 够有效地在设计的初期对低压断路器进行仿真并提出改进意见。但是由于低压断路 器设计涉及到很多方面，还有一些工作需要进一步的完善。此外，优化设计技术在 低压断路器设计中的应用还得进一步研究。 8 第一章绪论浙江大学硕士学位论文 1 4 本文研究内容 本文对以下几个方面进行了研究： 1 ) 针对过载时限保护对双金属片的热动作进行分析和研究，并采用a n s y s 的 电热结构耦合的方式模拟出断路器过流脱扣双金属片的温度分布规律，自由端的 位移，以及温度、位移的瞬态变化过程。使得断路器的过流脱扣的选择更快捷和准 确。 2 ) 针对电流瞬时脱扣器的电磁铁部分进行分析，使用有限元方法来计算低压 断路器瞬时脱扣电磁铁的电磁力，并使用a p d l 语言来计算绘制电磁铁的静态特 性蓝线。 3 ) 由于电磁铁的是断路器的重要部件，除了在满足规定的技术条件基础上确 定电磁铁的有关结构参数，如磁系统的几何尺寸、线圈的尺寸和线径等，电磁铁还 必须满足其他条件，否则电磁铁不可能可靠地工作，另外追求最好的经济指标，如 电磁铁体积最小，材料最少，温升最小等一些要求，这些要求是多目标的，所以结 合多目标优化的原理对电磁铁进行多学科的优化设计。 4 ) 采用a n s y s 的二次开发技术建立双金属片的自动选择系统，减少重复工作， 可以在双金属片的仿真系统上进行双金属片的建模，材料的选择，应力分布图和位 移时间图等。 5 ) 对低压断路器脱扣进行仿真应用。分别进行脱扣热仿真、脱扣电磁力的静 态特性曲线计算、脱扣电磁铁优化设计。 全文的总体框架如图1 2 所示。 9 第一章绪论浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 ， i 第二章第三章 低压断路器脱扣低压断路器脱扣 过流热仿真的电磁力特性分析 l 第四章 低压断路器脱扣电磁铁优化设计 l 第五章低压断路器脱扣仿真应用实例 i l 第六章全文总结和展望 本章小结 本章介绍了低压断路器的研究技术背景，对低压断路器的应用发展状况和低压 断路器设计的相关技术进行分析，总结了仿真技术在低压断路器设计中的应用，最 后给出了本文的研究内容及总体框架。 1 0 第二章低压断路器脱扣过流热仿真浙江大学硕士学位论文 第二章低压断路器脱扣的过流热仿真 2 1 低压断路器的保护特性分类 低压断路器为了得到不同的保护效果，采用不同的脱扣器，一般包括以下几种 保护特性：过载长延时、短路短延时、断路瞬时，欠电压保护，漏电保护等。 过载长延时一般采用双金属元件，当然也有采用油阻尼脱扣器( 一种液压电 磁式脱扣器) ，钟表式；智能脱扣器采用空心互感器，微处理器、编码器、驱动器 等自动机构来实现长延时保护特性的。 漏电保护是用作低压电网人身触电保护和电气设备漏电保护的断路器，其脱扣 原理多用电流动作型，它由断路器本体、电流互感器和脱扣器组成。当电网处于 正常时，通过电流互感器的电流矢量和为零。当保护电路中有接地漏电事故或触电 事故时，电流互感器中有感应电流产生，当总漏电电流达到漏电保护断路器的动作 值时，脱扣器动作推开触头。 2 2 过流双金属元件的计算 2 2 1 双金属元件的加热方式 过流脱扣，其脱扣力来自发热元件，一般用于限流保护。断路器的保护特性依 赖于发热元件的特性，所谓保护特性是指过载电流与脱扣时间的函数关系曲线。 热双金属元件的加热方式一般有四种【5 2 1 ： ( 1 ) 直接加热。热双金属元件是通电流而发热的。这种加热方式通常用于额定电 流在6 3 a 及以下的规格。因为电流规格小，断路器的体积空间相对小，安 装不下发热元件，此外由于电流小，从发热关系看，发热量q - - o 2 4 1 2 r t ，i 值小时适当提高双金属元件本身的电阻，即可达到要求的q 值，直接加热选 用的材料多为电阻型双金属。 ( 2 ) 傍热式。热双金属所承受的热源来自于它旁边的电阻合金材料通电发热，通 第二章低压断路器脱扣过流热仿真浙江大学硕士学位论文 过传导、对流和辐射于双金属元件。它适用于大于6 3 a 的电流规格。 ( 3 ) 复合加热。热双金属元件的热源，一部分是双金属本身电热效应产生，另外 一部分是依靠电阻合金发热的传导等，一般它们是串联在一起的。 ( 4 ) t a 加热。采用串接的t a ( 电流互感器) 的副边电流直接加热双金属元件。 这种方式大多用于额定电流在4 0 0 a 或6 3 0 a 及以上电流规格的断路器。 2 2 2 双金属元件的材料选择 双金属是一种复合金属材料，由具有两层不同的温度线性膨胀系数的金属或者 合金结合而成。双金属材料的基本要求为：两层金属或合金材料的线性膨胀系数的 差应尽可能的大，被动层线形膨胀系数要小，主动层膨胀系数大，并且在使用的工 作范围内线性膨胀系数要基本稳定；两层材料均具有较高的弹性模量，数值上尽可 能接近；两层材料有较好的结合性能和工艺性甜5 2 l 。 表2 1 常用的主动层材料及其物理特性 热膨胀系数弹性模量 ( 2 0 4 0 0 c ) 电阻率( 2 0o c ) ( 2 0o c ) 主动层材料 ( x 1 0 - 6 o c ) ( q m m 2 m ) ( n m m 2 ) 胁，7 5 仃1 5 ( k l o2 7 - 2 91 7 01 1 7 6 0 0 3 f 2 4 ( - r 21 8o 8 01 9 6 0 0 0 h 2 0 彻6 2 0 0 7 9 2 3 5 2 0 0 仃1 9 c r l1 1 6 5 0 8 0 1 9 6 0 0 0 表2 2 常用的被动层材料及其物理特性 熟膨胀系数 ( 2 0 - 4 0 0 c ) 电阻率( 2 0 0 c )弹性模量( 2 0 0 c ) 被动层材料 ( x 1 0 - 6 o c ) ( q m m 2 m )( n m m 2 ) f 3 41 6 8 o 8 2 。0 9 1 4 7 0 0 0 厂，3 6 2 矗 冷态 1 22 | i l 热态 1 52 m i n 热态 6 os 2 s冷态 采用的双金属片为5 j 1 8 ，其主动层为3 n i 2 4 c r 2 ，被动层为n i 3 6 ，其材料物理 性质如表2 - 4 所示。 表2 45 j 1 8 双金属片材料物理特性 热膨胀系数弹性模量 电阻率( 2 0 0 c )比热容密度 ( 2 0 - 4 0o c )( 2 0 0 c ) x 1 0 。o c q m m 2 m j ( k g k 、l e g m 3 s r a m 2 主 动 1 8 1 0 8 1 9 6 0 0 04 1 2 08 8 0 0 层 被 动 1 5 o 7 8 1 4 7 0 0 04 2 0 08 9 0 0 层 根据理论公式计算得到热双金属片的几何尺寸为：长l = 4 4 r a m ，厚万= l m m ， 宽度w = 9 r a m ，在a n s y s 建立此模型的有限元模型，划分网格采用自由网格划分方 式，精度级别设置为4 的时候取得精度和计算时间的较好平衡。 由于这是一个大变形的模型，且存在多种耦合，因此在耦合方法上选用直接耦 合，直接加载所有电、热、结构的载荷和约束。这是一个电热结构耦合的模型， 需要约束位移自由度，电压自由度和施加温度载荷。约束固定端的所有方向位移自 由度，并将固定端面的电压置为零，耦合自由端的电压，在电流流入点加载电流激 励。施加自然对流系数，并根据工作条件，将求解均匀温度设置为3 0 0 c 。将所有 载荷和约束加载后的模型如图2 3 所示。 第二章低压断路器脱扣过流热仿真 浙江大学硕士学位论文 图2 3 双金属片有限元模型 求解。根据过流脱扣的要求，在额定电流下2 个小时不能动作，因此设定求解 时间为7 2 0 0 秒，子步时间为1 0 0 秒，要求输出每个载荷步的结果，以便在后处理 中分析其时间位移特性。经过分析后，通过后处理取得温度分布、应力分布、时 问位移曲线等如2 5 小节所示。 2 5 分析结果 当计算完毕后，根据需要分析的内容选取通用后处理中的通用后处理器分别选 取绘制单元温度分布、应力分布。为了考虑双金属的变形情况，在时间历程后处理 器中选取双金属片动作作用点处的一节点，定义为变量，因为位移是y 轴负方向 的变形，为了便于观看，采用后处理数据计算中的绝对值函数取绝对值后的时间位 移曲线是位于y 轴正区间。 1 8 第二章低压断路器脱扣过流热仿真浙江大学硕士学位论文 图2 - 4i 。7 2 0 0 秒时温度分布云图 通过图2 - 4 云图可以得到温度的分布情况，在低压断路器接通2 个小时，双金 属片的温升在4 0 。c 左右，而且由于散热的影响，温度分布并不均匀，双金属中心 温度较高，周围由于散热的影响温度相对低，因此，根据传统计算公式存在一定的 误差。 图2 - 5i 。7 2 0 0 秒时应力分布云图 在此温度下，求得双金属片中最大的冯式应力为0 6 8 6 e + g p a ，仍在材料的线性 第二章低压断路器脱扣过流热仿真 浙江大学硕士学位论文 变形范围之内。 图2 - 6i 。7 2 0 0 秒时位移分布云图 图2 7 i 。位移时间曲线 图2 - 6 所示为在额定电流下双金属片上断面上一节点的位移时间曲线，在电 路接通7 2 0 0 秒时，双金属自由端最大位移只有1 9 2 m m ，仍然在脱扣距离之内，脱 扣机构不动作。 第二章低压断路器脱扣过流热仿真 浙江大学硕士学位论文 图2 1 5i 。双金属片横向的温度差 图2 9i 。双金属片纵向温度差 由图2 7 ，2 8 两个双金属片的纵截面上的温度差图可以看出，温度在双金属片 上的分布并不均匀，采用有限元方法可以充分考虑热量散失的影响，提高计算精度。 当电路出现过载情况，过载电流为1 2 倍额定电流时，经过两个小时后双金属 片的各个参数情况如图2 9 至2 1 4 所示。 2 l 第二章低压断路器脱扣过流热仿真浙江大学硕士学位论文 图2 - 1 01 2 i 。7 2 0 0 秒时的温度分布云图 图2 - l l1 2 i 。7 2 0 0 秒时的应力分布云图 第二章低压断路器脱扣过流热仿真 浙江大学硕士学位论文 图2 1 21 2 i 。7 2 0 0 秒时的位移分布云图 图2 1 31 2 i 。温度时间曲线 第二章低压断路器脱扣过流热仿真 浙江大学硕士学位论文 图2 一1 41 2 i 。位移时间曲线 在经过2 个小时的过载后，双金属片的最大变形为4 2 r a m ，因此，可以根据此 设定脱扣距离为3 5 m m ，在过流1 2 倍额定电流6 0 a 时，经过5 6 0 0 秒后脱扣，断 开电路，起到保护作用。 图2 一1 51 _ 2 i 。纵向温度差 第二章低压断路器脱扣过流熟仿真 浙江大学硕士学位论文 随着电流的增大，双金属片纵向的温度分布不均匀更加明显，由图2 1 4 可以 看出，在纵向3 0 m m 的距离，温差达到3 ，因此当过载电流越大，温差也越大， 用传统公式计算会出现比较大的误差。 本章小结 本章分析了低压断路器过载保护系统的特性，分析了过载保护系统的分类及组 成、双金属片挠度、应力理论计算公式。进行仿真分析。分别对额定电流和1 2 倍 额定电流作用下双金属片的变形、温度、应力的分布情况进行仿真。根据仿真结果 选取动作距离，确定动作时间，为设计提供可靠的方法。 第三章低压断路器脱扣的电磁力特性分析浙江大学硕士学位论文 第三章低压断路器脱扣的电磁力特性分析 3 1 低压断路器电磁脱扣性能分析 断路器的瞬时保护元件( 短路保护) 一般是使用电磁铁机构的。它由静铁心、 动铁心( 衔铁) 、线圈、反作用力弹簧等组成，作断路器的瞬时保护元件，是一种 电流型电磁铁( 既串激电磁铁) ，电磁铁的线圈被直接串接在主回路中，通过电流 大，匝数少，串激电磁铁的线圈，粗的紫铜线制成。断路器用电磁脱扣的设计一般 设计以下几个方面；负载的反力特性及设计点的吸力特性，静态特性是在不考虑电 磁系统的过渡过程，即在气隙值占和磁势刀、r 无限缓慢变化的条件下所得到的电磁 吸力与气隙值得关系，它是电磁铁能可靠工作、具有高灵敏度和长寿命的基本保证， 对电磁系统来说是非常重要的特性之一。 电磁脱扣时主要带动衔铁运动而做机械功，设计主要依据衔铁的反力特性。反 力特性是指反力f 对衔铁行程( 气隙艿) 的关系，即f = 厂( 回，拍合式电磁铁也可以取 反作用力力矩m ，对衔铁转角口的关系，即m r = 厂 ) 。电磁铁的反力是由运动部分 的重力、反作用弹簧力、摩擦力及其他机械力组成。常用的瞬时脱扣电磁铁如图 3 1 所示。 图3 1 瞬时脱扣器的三维模型 对于如图3 - 1 所示的电磁脱扣电磁铁其衔铁力学分析如3 - 2 所示。 第三章低压断路器脱扣的电磁力特性分析浙江大学硕士学位论文 图3 2 瞬时脱扣器衔铁受力分析 。 f = 日+ f z t a n 0 ( 3 - 1 ) 吸力大小f 与电磁铁的工作气隙艿的平方成反比，气隙大，吸力小，可由公式 ( 3 2 ) 计算。 f = 筹 仔z ， 2 硒 式中：f 一电磁吸力，n b 磁通密度( 铁心、衔铁工作气隙的磁通密度) s 极面的截面积咖2 一真空中的磁导率 瞬时脱扣电磁铁的设计主要考虑以下几个方面： 铁芯和衔铁的截面积。在厮r 一定，气隙j 一定，口值越大，s 越大，吸合力 越大，因为吸合力与口的平方成正比，与s 成正比。如果s 增大，彤。占一定时， 磁通密度b 变小，吸力反而减小。如果吸力小，可以调整弹簧反力来调整特性曲线， 但反力过小，可能由于小于断路器的剩余电流电磁吸力，造成断路器脱扣衔铁不能 复位。 工作气隙。对于拍合式电磁铁，工作气隙艿可以用衔铁转角表示。艿越大，磁 阻越大，当激励一定时，磁通变小，口值减小，吸力f 变小；占减小，磁阻减小， 磁通变大，艿值增大，吸力，增大，但吸力不能太大，太大会造成冲击，影响整个 第三章低压断路器脱扣的电磁力特性分析浙江大学硕士学位论文 断路器部件的位置精度。 3 2 电磁力的数值计算方法。 目前对于电磁特性的解法有两种；场的方法和路的方法。场的方法具有精度高 的优点，但不能方便地计算动特性。而路的方法能简单地通过电路方程和机械运动 方程的耦合并用数据网格法计算电磁动特性，方法简单，速度快，但它是一种近似 的、等效的方法，不可能很精确地计算出电磁铁的磁场问题，需要进行一系列的假 设，这些假设一些由磁场计算的结果分析而来，一些由生产和应用中的经验参数得 到，因此它的计算精度有待提高。 磁场的数值计算方法就是将磁场的连续问题离散化的数值解法。所谓“离散化” 就是把计算无限多个点上的数值变为有限多个节点上的数值。 对于电磁场的研究通常要用到三个电磁场的基本定律和磁路计算基本公式 4 础= 碍 ( 3 3 ) ，o 一 百删= 一等( 3 - 4 ) q 毋d s 2 0 ( 3 - 5 ) 扣讲= “警( 3 - 6 ) 式( 3 - 3 ) 是关于电