CN106644163A - 基于温度场有限元分析的小型断路器内部温升测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于温度场有限元分析的小型断路器内部温升测量方法，采用有限元软件计算出不同环境温度下小型断路器整体和内部各个零部件的温度场分布云图，内部各零部件温度的最大值，以及接线端部外表面所有节点的稳态温度值；对仿真得到的接线端部外表面所有节点的稳态温度值进行数据处理,得到其稳态平均值；验证模型的正确性；建立不同环境温度下小型断路器内部各个零部件温度最大值和接线端部外表面温度稳态平均值的数学关系和拟合曲线；选择处于额定工作状态下的小型断路器进行测量,得到小型断路器内部零部件温度的最大值。本发明的有益效果是，能够测量出小型断路器内部各个零部件温度最大值，有效缩短测量时间，大大提高了工作效率。

Description

基于温度场有限元分析的小型断路器内部温升测量方法
技术领域
本发明涉及小型断路器检测方法领域，特别是一种基于温度场有限元分析的小型断路器内部温升测量方法。
背景技术
小型断路器是终端配电***中使用最广泛的低压电器产品之一，不仅可以用来接通、分断正常的负荷电流，还可以在***出现过载、短路的情况下，自动切断电路，从而防止配电网络和工业设备因过载和短路等故障而破坏。但在长时间工作后，小型断路器温度不断地升高，可能会超过其内部零部件的极限允许温升，降低零部件的绝缘强度和机械强度，加速零部件的绝缘老化，缩短电器的使用寿命，进而使小型断路器发生失效。作为配电***中重要的终端保护电器元件，一旦小型断路器发生失效，那么整个***在发生过载和短路时就会失去保护，因此小型断路器的工作可靠性直接影响着整个***运行的安全可靠性。所以，对小型断路器内部温升进行实时监测十分必要。
现有技术中，对于小型断路器内部温升的测量方法有光纤法和红外法。光纤法是将光纤温度传感器的探头紧贴在被测部件表面，温度信号被转换为光信号经光纤温度传感器送入信号解调器，经解调后得到被测部件的温度，工控机与信号解调器连接并接收温度测量信号。这种测量方法无疑需要对小型断路器进行一定无法还原的破坏性处理，才能将探头伸入其内部，而且这对于正处于工作状态下的小型断路器来说也不现实。红外法的原理是将被测物体发射出的红外辐射能量，通过测温仪的光学***在探测器上转换为电信号，并通过红外测温仪的显示部分显示出被测物体的表面温度。虽然红外测温仪有着非接触式测量、测温范围广、响应速度快、灵敏度高等优点，但是由于受被测对象发射率的影响，测量的仅仅是其表面温度，几乎不可能测到被测对象的真实温度。因此，这两种方法都有各自的局限性，都不适用于测量正处于工作状态下的小型断路器内部温升。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述问题，设计了一种基于温度场有限元分析的小型断路器内部温升测量方法。
实现上述目的本发明的技术方案为，一种基于温度场有限元分析的小型断路器内部温升测量方法，该方法包括如下步骤：
步骤一：根据测量得到的小型断路器内部各个零部件的尺寸，利用三维制图软件建立小型断路器的实体模型，再将实体模型导入有限元仿真软件中；通过定义材料属性、选择单元类型、选择分网精度、划分网格建立小型断路器的三维有限元模型；计算接触电阻、电阻合金生热率及动静铁芯的磁滞和涡流损耗生热率；设置温度边界条件、电压边界条件、施加电流载荷和生热率载荷以及内外的复合散热系数，进行稳态热-电耦合仿真；计算不同环境温度下小型断路器整体温度场分布云图，内部各个零部件的温度云图，内部各个零部件温度的最大值，以及接线端部外表面所有节点的稳态温度值；
步骤二：在MATLAB中对有限元仿真软件仿真得到的接线端部外表面所有节点的稳态温度值进行数据处理，得到不同环境温度下小型断路器接线端部温度的稳态平均值；
步骤三：在给定环境温度下，采用光纤测温电路测量处于额定工作状态的小型断路器接线端部外表面的稳态温度，与仿真得到的相应环境温度下的小型断路器接线端部外表面的稳态温度进行对比，验证模型的正确性；
步骤四：通过曲线拟合，建立不同环境温度下小型断路器内部各个零部件温度最大值和接线端部外表面温度稳态平均值的数学关系，并绘制拟合曲线；
步骤五：采用光纤测温电路测量正处于额定工作状态下的小型断路器接线端部外表面的温度值，并将测量初值作为初始环境温度，计算机通过调用该环境温度下的小型断路器内部各个零部件温度最大值和接线端部外表面温度稳态平均值的数学关系，计算出小型断路器内部各个零部件温度的最大值。
所述步骤一中建立小型断路器的实体模型所采用的三维制图软件为Pro/E软件。
所述步骤二中有限元仿真软件为ANSYS Workbench软件。
所述步骤三中的光纤测温电路为欧普申公司的光纤温度测温***，该***由光纤温度传感器和信号解调器组成。
利用本发明的技术方案制作的基于温度场有限元分析的小型断路器内部温升测量方法，本发明基于温度场有限元分析的小型断路器内部温升测量方法，突破了现有的光纤法必须进行一定无法还原的破坏性处理，红外法无法测量被测对象的真实温度的局限，能够对小型断路器内部各个零部件的温度进行实时测量；而且通过有限元仿真计算分析，有效地缩短了小型断路器内部温升的测量时间，大大地提高了工作效率；可实时显示小型断路器内部各个零部件的最高温度值和室温值，方便计算出小型断路器内部各个零部件的最大温升值。
附图说明
图1是本发明所述基于温度场有限元分析的小型断路器内部温升测量方法的流程示意图；
图2是本发明所述三维有限元模型的内部有限元模型；
图3是本发明所述三维有限元模型的整体有限元模型；
图4是本发明所述20℃环境温度下内部元件的温度云图；
图5是本发明所述20℃环境温度下整体元件的温度云图；
图6是本发明所述拟合曲线图。
具体实施方式
实施例1
下面结合附图对本发明实施例进行具体描述，如图1所示，基于温度场有限元分析的小型断路器内部温升测量方法，步骤如下：
步骤一：根据测量得到的DZ47-63C1小型断路器内部各个零部件的尺寸，利用Pro/E软件建立小型断路器的实体模型，再将实体模型导入有限元仿真软件ANSYS Workbench软件中；通过定义各个元件的导热系数和电阻率等材料属性、选择SOLID87、SOLID90、SOLID226、SOLID227等单元类型、设置分网精度为Fine、***格划分建立小型断路器的三维有限元模型如图2和图3所示；
计算接触电阻、电阻合金生热率及动静铁芯的磁滞和涡流损耗生热率，计算步骤如下：
接触电阻、电阻合金生热率计算
P1＝I2R
式中：I——导电回路流过的电流；
R——接触电阻或者电阻合金阻值；
ρ＝ρ0(1+αθ)
式中：ρ0——0℃时材料的电阻率；
α——电阻温度系数；
θ——温度；
式中：V1——接触电阻或电阻合金体积。
动静铁芯的磁滞和涡流损耗生热率计算
P＝Ph+Pe
式中：Ph——铁芯的磁滞损耗；
Pe——铁芯的涡流损耗。
式中：k——磁滞损耗系数；
f——交变磁场的频率；
α——Steinmetz系数；
Bmax——磁感应强度最大值。
V2——动、静铁芯的体积；
R——动、静铁芯的半径；
h——动、静铁芯的长度。
式中：r——铁芯材料的电导率；
ω——交变磁场的频率；
Bav——平均磁感应强度；
设置温度边界条件为分别为20℃、电压边界条件0V、施加电流载荷1A和生热率载荷以及内外的复合散热系数，进行稳态热-电耦合仿真；计算小型断路器整体温度场分布云图，内部各个零部件的温度云图，内部各个零部件温度的最大值，以及接线端部外表面所有节点的稳态温度值，如图4和图5所示；
内部各个零部件温度的最大值
调整温度边界条件为-5℃、5℃、30℃、40℃，重复上述步骤，计算得到不同环境温度下的小型断路器整体温度场分布云图，内部各个零部件的温度云图，内部各个零部件温度的最大值，以及接线端部外表面所有节点的稳态温度值。
步骤二：在MATLAB中对ANSYS Workbench软件仿真得到的接线端部外表面所有节点的稳态温度值进行数据处理，得到不同环境温度下小型断路器接线端部温度的稳态平均值如下：
步骤三：在给定环境温度20℃下，采用光纤测温电路测量处于额定工作状态的小型断路器接线端部外表面的稳态温度为22.8℃，与仿真得到的相应环境温度下的小型断路器接线端部外表面的稳态温度进行对比，验证了模型的正确性；
步骤四：通过曲线拟合，建立不同环境温度下小型断路器内部各个零部件温度最大值和接线端部外表面温度稳态平均值的数学关系，并绘制拟合曲线，如图6所示；
步骤五：采用光纤测温电路测量正处于额定工作状态下的小型断路器接线端部外表面的温度值，并将测量初值作为初始环境温度，计算机通过调用该环境温度下的小型断路器内部各个零部件温度最大值和接线端部外表面温度稳态平均值的数学关系，计算出小型断路器内部各个零部件温度的最大值。
上述技术方案仅体现了本发明技术方案的优选技术方案，本技术领域的技术人员对其中某些部分所可能做出的一些变动均体现了本发明的原理，属于本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于温度场有限元分析的小型断路器内部温升测量方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
步骤一：根据测量得到的小型断路器内部各个零部件的尺寸，利用三维制图软件建立小型断路器的实体模型，再将实体模型导入有限元仿真软件中；通过定义材料属性、选择单元类型、选择分网精度、划分网格建立小型断路器的三维有限元模型；计算接触电阻、电阻合金生热率及动静铁芯的磁滞和涡流损耗生热率；设置温度边界条件、电压边界条件、施加电流载荷和生热率载荷以及内外的复合散热系数，进行稳态热-电耦合仿真；计算不同环境温度下小型断路器整体温度场分布云图，内部各个零部件的温度云图，内部各个零部件温度的最大值，以及接线端部外表面所有节点的稳态温度值；
步骤二：在MATLAB中对有限元仿真软件仿真得到的接线端部外表面所有节点的稳态温度值进行数据处理，得到不同环境温度下小型断路器接线端部温度的稳态平均值；
步骤三：在给定环境温度下，采用光纤测温电路测量处于额定工作状态的小型断路器接线端部外表面的稳态温度，与仿真得到的相应环境温度下的小型断路器接线端部外表面的稳态温度进行对比，验证模型的正确性；
步骤四：通过曲线拟合，建立不同环境温度下小型断路器内部各个零部件温度最大值和接线端部外表面温度稳态平均值的数学关系，并绘制拟合曲线；
步骤五：采用光纤测温电路测量正处于额定工作状态下的小型断路器接线端部外表面的温度值，并将测量初值作为初始环境温度，计算机通过调用该环境温度下的小型断路器内部各个零部件温度最大值和接线端部外表面温度稳态平均值的数学关系，计算出小型断路器内部各个零部件温度的最大值。
2.根据权利要求1所述的基于温度场有限元分析的小型断路器内部温升测量方法，其特征在于，所述步骤一中建立小型断路器的实体模型所采用的三维制图软件为Pro/E软件。
3.根据权利要求1所述的基于温度场有限元分析的小型断路器内部温升测量方法，其特征在于，所述步骤二中有限元仿真软件为ANSYS Workbench软件。
4.根据权利要求1所述的基于温度场有限元分析的小型断路器内部温升测量方法，其特征在于，所述步骤三中的光纤测温电路为欧普申公司的光纤温度测温***，该***由光纤温度传感器和信号解调器组成。
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