曾谊，张学森，李继丹
巨邦集团有限公司
摘要：断路器正常工作时，主回路长时间通以额定电流会产生大量焦耳热，热量一部分散失在周围介质中，另一部分使断路器各部件温度升高。过高的温升会破坏断路器的绝缘性，或使其工作寿命严重降低，或使其内部结构机械性能降低，产生安全风险。采用数值方法对断路器温度场进行仿真分析有助于避免设计缺陷，指导优化断路器内部结构，还有助于节约成本，缩短设计周期。基于此，本篇文章对低压断路器主回路温度场仿真分析进行研究，以供参考。
关键词：低压断路器；主回路温度场；仿真分析
引言
一种现有的测量方法和装置，利用脉冲电源提供大于100a的测试电流，可显着减轻测试设备的重量，并在测试设备中添加控制模块、数据分析模块和处理模块，即自动测量。
1热源分析依据
(1)电流通过导体造成的电阻损耗；(2)通信磁铁内部旋转磁滞效应引起的铁磁损耗；3)交流电器绝缘造成的环境损失。低压直流断路器中只有电阻损失，其他两个方面不予考虑。电流通过断路器导电部分时，电阻损耗由导体电阻产生，电阻损耗功率p = i2p ( 1 ) : I -电流；r——断路器导电回路的电阻。公式(1)表明，电热与电流的平方成正比，即当额定电流增加时产生的热量显着增加。因此，对于直流快速断路器的整体设计，随着允许电流的增加，体积变得非常大，从而大大降低了断路器设备的能耗和使用空间。因此，设计合理的断路器结构尤为重要。
1.1热传递形式
直流断路器的传热有三种形式:导热性、对流热量和辐射热量。导电性是传热的主要形式。对于DC快速断路器，其组件主要是金属、绝缘材料和空气。金属材料的导热系数随温度变化较小。因此，在计算过程中，导热系数可以视为在一定范围内保持不变。绝缘材料的导热系数随温度的增加而增加，空气导热系数随温度的变化而明显变化。在金属零件传播热量的同时，铜线和触点产生的热量也通过热对流和热辐射扩散到金属零件表面周围的空间。
1.2接线端处理和触头处理
主电路中有入口端和出口端，在这两个连接端上有连接端对连接导线的热量，以及由于失去自身电阻而产生的热量，热量通过导线表面发射，影响主电路的温度。我们总结了导线末端温度在导线末端温度限制条件下的升高情况。当电流通过接触时，电力线会收缩，从而使电流传导点附近的电流路径增大，传导界面减小，并且产生接触电阻。假设动态接触在静态接触的中间有一个圆柱形传导桥，用于连接这两个接触，并使用传导桥模拟传导接触。
2故障判断与消除
(1)首先确定回路电阻仪是否准确， 采用电阻率测量仪测量放在车间内存中约1 m长的铜棒两侧的电阻率，试验结果表明铜棒电阻率约为2 μω，排除了电阻率测量仪不准确的可能性。 然后检查图形以确定断路器是否处于关闭状态。(2)拆卸c、BD截面气缸体，测量c、d截面两端的主回路电阻，测量结果表明主回路电阻仍约350 μ，消除了c、BD截面导电条与c、d端电气连接不良的问题(3)拆下样品气缸后，测量移动支架与静态支架之间的回路电阻，电阻值仍高于标准值，因此必须首先判断故障是否在断点处。对于独立断路器，主电流是动态主触点和静态主触点之间的接触面。以动态主触头和静态主触头位置为两个测量点，查找测量点之间的电阻值约为5 μω，表示动态主触头和静态主触头之间没有协调问题。检查样品的移动端，以移动支承和动态接触位置为两个测量点，发现测量点之间的电阻值约340 μ，即严重超出标准。经过检查发现动力支承和动力接触座接触不良，间隙约为0.01mm。动支承和动接触座之间接触间隙的实际情况如图2所示，在此暂时确定了缺省位置。
3结果与分析
3.1仿真结果
在ANSYS中设置材料属性，外壳和罩壳赋予DMC塑料，触头赋予银钨合金，其余部分统一赋予铜，并按表1赋予对应的导热系数。
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使用ANSYS软件，通过热电直接耦合模块对塑壳断路器在额定通流200A情况下的主回路进行温度分布仿真。对于断路器外壳、外接导线等裸露在外的部分考虑对流和辐射散热系数，对于断路器内部零件只考虑热传导和辐射散热系数。环境温度为26.5℃。主回路的温度场分布如图1所示。图中标识的1~6为实验时测试温度的点，测量点1、4对应A相的进出线端，2、5对应B相，3、6对应C相。
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如图1所示，对于主回路的每一相，由于动静触头处接触电阻的存在，触头处的温度较导体其他部位高，且由于是双断点结构，触头中间部位温度最高；三相比较可见，B相温度较A、C两相高，这是由于B相位于中间，不仅A、C相的热源对其有加热作用，且散热条件也不如紧外壳侧壁的A、C相。从仿真结果来看，接线端平均温升在40K左右，触头温升在55K左右，满足国标低压电器极限允许温升要求。断路器主回路电位分布如图2所示。图2可以看出，主要的压降出现在导电桥部分，也进一步说明，动静触头间的接触电阻是主回路发热的主要热源。
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3.2结果分析
断路器的拆卸维护和保养应严格按照装配方案的要求进行，特别是装配试验型样品。对于对项目研究结果没有影响且不需要更换新部件的各方，应严格按照要求进行检查，确保没有问题，及时进行装配和强度测试，以便找出所有问题 本文避免浪费时间，延缓样品装配的整体进度，介绍断路器主回路电阻超标问题的故障定位方法，并提供了定位和解决其他电路电阻超标问题的实践经验。
结束语
总之，本文在传统的回路电阻测试方法和设备的基础上，设计了脉冲电源和自动测量装置，以减轻设备的重量，提高设备的工作效率。测量多个断路器的回路电阻，对测试设备的测量精度进行全面验证，发现:断路器长时间承受大电流时，可以加热断路器，加快内部装置的氧化速度，缩短使用寿命；脉冲源产生的电流幅值较高，持续时间较短，在测量主电路电阻时，主电路器件温度几乎不会升高，从而使器件的测量更加准确，同时减少断路器的损坏。
参考文献
[1]张凯.12kV固体绝缘开关主回路模块电场及温度场研究[D].厦门理工学院,2019.
[2]朱立明.万能式断路器温升影响因素及降温升方法探讨[J].电器与能效管理技术,2018(24):20-25.
作者简介：曾谊，男，1979.6，湖北，大专，巨邦集团有限公司，低压技术部经理，工程师，主要从事塑壳断路器研发工作。