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

doi:10.16628/j.cnki.2095-8188.2021.04.007

摘要/Abstract

摘要：

热脱扣特性是小型断路器的一项重要指标。大多数小型断路器采用双金属片元件进行断路器的热脱扣,双金属片的形变直接影响断路器热脱扣器的工作。分析双金属片温升以及形变对小型断路器的设计具有重要意义。利用Creo软件以及有限元仿真软件Ansys建立了双金属片模型,进行有限元仿真分析,得到双金属片的瞬态温度分布以及形变分布。同时,对20组断路器进行脱扣实验,实验结果与仿真分析结果相吻合,验证了仿真方法的准确性。

关键词: 小型断路器, 双金属片, 脱扣时间, 有限元仿真

Abstract:

Thermal trip characteristic is an important index of miniature circuit breaker(MCB).Nowadays,most MCBs use bimetallic elements for thermal tripping of circuit breakers.The deformation of bimetallic sheet directly affects the operation of thermal release of MCB.It is very important to analyze the temperature rise and deformation of bimetallic sheet for the design of MCB.At the same time,20 groups of circuit breakers are tested for tripping.The experimental results are in good agreement with the simulation results.The accuracy of the simulation method is verified.

Key words: miniature circuit breaker(MCB), bimetallic sheet, tripping time, finite element simulation

中图分类号:

TM561

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, 0(4): 34-39.

HU Jinli. Simulation and Experimental Study on Thermal Trip of MCB[J]. LOW VOLTAGE APPARATUS, 2021, 0(4): 34-39.

图/表 17

图1

图2

图3

图4

图5

图6

表1

图7

图8

图9

图10

图11

图12

图13

图14

表2

表3

参考文献 9

[1]	黄琳敏, 陈德桂, 张敬菽. 计及物理参数随温度变化时螺管电磁铁温度场和瞬态热路的仿真分析[J]. 电工技术学报, 2003,18(5):27-31.
[2]	吴燕. 基于Ansys的汽车继电器热分析[D]. 天津:河北工业大学, 2014.
[3]	徐宏宇, 朱金保, 南添, 等. 低压配电柜温度场计算与分析[J]. 电器与能效管理技术, 2019(11):6-11.
[4]	PAWAR S, JOSHI K, ANDREWS L, et al. Application of computational fluid dynamics to reduce the new product development cycle time of the SF₆ gas circuit breaker[J]. IEEE Transactions Power Delivery, 2012,27(1):156-163. doi: 10.1109/TPWRD.2011.2170711
[5]	REBZANI N, CLAVEL E, MARTY P, et al. Numerical multiphysics modeling of temperature rises in gas insulated busbars[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2016,23(5):2579-2586. doi: 10.1109/TDEI.2016.7736815
[6]	陈德桂. 低压开关电器热分析方法的进展[J]. 电器与能效管理技术, 2008(17):1-4.
[7]	张冠生. 电器理论基础[M]. 北京: 机械工业出版社, 1996.
[8]	冯璟, 许文良, 李景新. 万能式断路器散热仿真研究[J]. 电器与能效管理技术, 2015(10):26-31.
[9]	SINGH S, SUMMER R, KALTENBORN U. A novel approach for the thermal analysis of air insulated switchgear[C]// 21st International Conference on Electricity Distribution, 2011: 0495-0499.

部件	膨胀系数/ (10^-6·K^-1)	弹性模量/ (N·mm^-2)	电阻率/ (Ω·m)	密度/ (g·cm^-3)
主动层	18.7~20.8	≥1.78×10⁵	7.39×10^-7	8.13
被动层	0.9~1.6	≥1.36×10⁵	7.74×10^-7	8.90
中间层	12.9~14.0	≥1.78×10⁵	7.8×10^-8	8.30
焊接点	18.9	≥1.45×10⁵	1.75×10^-8	8.69

编号	最大时间/s	最小时间/s	编号	最大时间/s	最小时间/s
1	14.2	12.4	11	15.7	14.2
2	13.3	11.7	12	15.4	13.3
3	16.5	14.3	13	16.3	14.3
4	15.3	13.3	14	14.9	13.2
5	12.6	12.1	15	15.3	14.8
6	13.5	12.4	16	14.8	13.2
7	14.3	13.4	17	15.5	14.5
8	16.3	15.0	18	16.0	15.0
9	13.8	12.4	19	13.9	12.9
10	15.8	14.3	20	14.5	13.1

编号	形变量/mm	编号	形变量/mm
1	1.8	11	1.5
2	1.6	12	1.9
3	1.8	13	2.0
4	1.7	14	1.7
5	0.9	15	0.9
6	1.1	16	1.6
7	0.9	17	1.0
8	0.9	18	1.0
9	1.3	19	1.0
10	1.4	20	1.4

[1]	于强, 李新叶, 赵莹莹, 郑天云, 周焰华, 吴思佩. 热过载继电器快校系统的研究[J]. 电器与能效管理技术, 2025, 0(8): 39-44.
[2]	戴冬云, 涂苑婷, 游一民, 黄佳华, 张妍, 林毓基. 小型直流断路器用热双金属片动作特性测量方法研究[J]. 电器与能效管理技术, 2025, 0(4): 54-59.
[3]	吴承创, 周宇, 张超, 任万滨. 考虑触点粗糙表面特征的接触电阻仿真分析方法[J]. 电器与能效管理技术, 2025, 0(3): 6-10.
[4]	盛勇兵, 唐付龙, 张进, 茹德志, 李军挺, 乐康. 智慧小型断路器操作机构设计与分析[J]. 电器与能效管理技术, 2024, 0(7): 50-53.
[5]	陈昌足, 周超, 金平平. 小型断路器外壳热固改热塑对短路分断性能的影响与优化[J]. 电器与能效管理技术, 2024, 0(5): 53-60.
[6]	杜庆丰, 何育斌, 张超, 任万滨. 交流接触器静态特性的仿真分析与实验验证[J]. 电器与能效管理技术, 2024, 0(12): 10-14.
[7]	谢振华, 王铮, 何普全, 黄惠根, 刘桂芹. 小型断路器合分闸操作试验系统的设计及试验分析[J]. 电器与能效管理技术, 2024, 0(10): 53-58.
[8]	苏斌, 何育斌, 任万滨, 田赡民, 申会员, 彭美南, 马腾, 黄超文. 跷板开关机械特性的仿真分析与实验验证[J]. 电器与能效管理技术, 2023, 0(6): 39-43.
[9]	魏波, 赵质胜, 赵明, 盛勇兵, 任昌宾. 智慧小型断路器电动操作机构的结构设计与分析[J]. 电器与能效管理技术, 2023, 0(4): 47-55.
[10]	黄银芳, 蒋顾平. 125 A小型化塑壳断路器短路分断能力提升的研究[J]. 电器与能效管理技术, 2023, 0(11): 53-58.
[11]	朱海博, 杨宇, 徐胜国. 热双金属片焊接后残余应力研究及消除方法[J]. 电器与能效管理技术, 2023, 0(1): 50-54.
[12]	肖林, 蒋顾平. 塑壳断路器双金属片选用与设计[J]. 电器与能效管理技术, 2022, 0(8): 61-66.
[13]	魏波, 赵质胜, 任昌宾, 赵明, 翟子夜, 李海丽. 小型断路器螺管式电磁系统的理论分析与计算[J]. 电器与能效管理技术, 2022, 0(6): 69-74.
[14]	潘庆元. 小型断路器双金属片热弯曲特性的实验仿真[J]. 电器与能效管理技术, 2022, 0(2): 46-52.
[15]	黄佳, 史克少, 赵明, 盛勇兵, 张彦阳, 任昌宾. 小型断路器操作机构优化设计[J]. 电器与能效管理技术, 2022, 0(10): 62-64.