低压开关电器主电路温度场的有限元分析

　　0 引言

　　低压开关电器工作时，载流导体流过电流会产生焦耳热能，焦耳热能一部分散失到周围介质中，一部分加热开关电器，导致本身温度升高，严重时会导致触头熔焊。传统的电器热分析采用牛顿热计算公式，计算误差比较大，而且不能计算场域的温度分布。目前进行热分析主要有2 种方法，即有限元法和热网络有限差分法。使用有限元法，可以全方面考虑多种因素，获得内部的温度分布以及最高温度及所在位置。

　　Lindmayer 建立了低压断路器热分析的简化模型，并基于热电耦合对低压断路器的温度场进行了仿真，模型中考虑了传导和对流散热。其他学者在低压开关电器热分析方面也做了不少研究工作，主要有:基于机械、电和热耦合分析，研究了导体接触处的发热和散热过程;在Lindmayer断路器简化模型的基础上，进一步细化了模型，不仅分析导体部分，还分析了非导体部分，为断路器中非导体材料的选择和设计提供了依据[4-7]。国内有关相关专家通过对交流接触器发热和散热过程的分析，基于热电耦合对于长期工作制下的交流接触器进行了数值热分析，分析了主回路接线端拧紧力的大小、主触头弹簧终压力的大小，以及连接导线截面大小对温度场的影响[7]。

　　本文采用导电桥模型模拟触头接触发热，使用Ansys 对问题进行求解。仿真分析了低压开关电器长期工作制下的稳态温升，并通过试验进行验证;并以稳态温度场分析模型为基础，建立了开关电器瞬态温度场分析模型。在短时大电流情况下，使用瞬态热分析模型计算了开关主电路的温度场分布，给出了判断触头是否熔焊的依据，为转换开关结构优化设计提供了理论参考。

　　1 转换开关温度场计算模型

　　1. 1 主电路的简化几何模型

　　研究对象为额定电流为200 A 的某型双触头低压开关电器，其主电路主要由进线端、静导电杆、动导电杆、动静触头、软连接和出线端几部分组成。

　　为便于仿真计算，软连接采用等效阻值的长方体代替。开关主电路的简化模型如图1 所示。

图1 主电路简化几何模型。

　　1. 2 温度场计算模型

　　低压开关在长期工作制下，电流通过载流部分产生焦耳热，包括主电路和电磁系统2 部分。

　　考虑到此型开关的特殊构造，主电路和电磁系统相分离，分析时忽略电磁系统发热对主电路温升的影响。产生的热损耗通过传导、对流和辐射3种方式散失到周围的中。

　　为便于计算求解，做如下简化处理:忽略临近热源的影响;材料同性;瞬态发热情况下，三维热传导方程为：