本發(fā)明涉及小型斷路器檢測方法領(lǐng)域，特別是一種基于溫度場有限元分析的小型斷路器內(nèi)部溫升測量方法。

背景技術(shù)：

小型斷路器是終端配電系統(tǒng)中使用最廣泛的低壓電器產(chǎn)品之一，不僅可以用來接通、分?jǐn)嗾５呢?fù)荷電流，還可以在系統(tǒng)出現(xiàn)過載、短路的情況下，自動切斷電路，從而防止配電網(wǎng)絡(luò)和工業(yè)設(shè)備因過載和短路等故障而破壞。但在長時間工作后，小型斷路器溫度不斷地升高，可能會超過其內(nèi)部零部件的極限允許溫升，降低零部件的絕緣強度和機械強度，加速零部件的絕緣老化，縮短電器的使用壽命，進(jìn)而使小型斷路器發(fā)生失效。作為配電系統(tǒng)中重要的終端保護(hù)電器元件，一旦小型斷路器發(fā)生失效，那么整個系統(tǒng)在發(fā)生過載和短路時就會失去保護(hù)，因此小型斷路器的工作可靠性直接影響著整個系統(tǒng)運行的安全可靠性。所以，對小型斷路器內(nèi)部溫升進(jìn)行實時監(jiān)測十分必要。

現(xiàn)有技術(shù)中，對于小型斷路器內(nèi)部溫升的測量方法有光纖法和紅外法。光纖法是將光纖溫度傳感器的探頭緊貼在被測部件表面，溫度信號被轉(zhuǎn)換為光信號經(jīng)光纖溫度傳感器送入信號解調(diào)器，經(jīng)解調(diào)后得到被測部件的溫度，工控機與信號解調(diào)器連接并接收溫度測量信號。這種測量方法無疑需要對小型斷路器進(jìn)行一定無法還原的破壞性處理，才能將探頭伸入其內(nèi)部，而且這對于正處于工作狀態(tài)下的小型斷路器來說也不現(xiàn)實。紅外法的原理是將被測物體發(fā)射出的紅外輻射能量，通過測溫儀的光學(xué)系統(tǒng)在探測器上轉(zhuǎn)換為電信號，并通過紅外測溫儀的顯示部分顯示出被測物體的表面溫度。雖然紅外測溫儀有著非接觸式測量、測溫范圍廣、響應(yīng)速度快、靈敏度高等優(yōu)點，但是由于受被測對象發(fā)射率的影響，測量的僅僅是其表面溫度，幾乎不可能測到被測對象的真實溫度。因此，這兩種方法都有各自的局限性，都不適用于測量正處于工作狀態(tài)下的小型斷路器內(nèi)部溫升。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了解決上述問題，設(shè)計了一種基于溫度場有限元分析的小型斷路器內(nèi)部溫升測量方法。

實現(xiàn)上述目的本發(fā)明的技術(shù)方案為，一種基于溫度場有限元分析的小型斷路器內(nèi)部溫升測量方法，該方法包括如下步驟：

步驟一：根據(jù)測量得到的小型斷路器內(nèi)部各個零部件的尺寸，利用三維制圖軟件建立小型斷路器的實體模型，再將實體模型導(dǎo)入有限元仿真軟件中；通過定義材料屬性、選擇單元類型、選擇分網(wǎng)精度、劃分網(wǎng)格建立小型斷路器的三維有限元模型；計算接觸電阻、電阻合金生熱率及動靜鐵芯的磁滯和渦流損耗生熱率；設(shè)置溫度邊界條件、電壓邊界條件、施加電流載荷和生熱率載荷以及內(nèi)外的復(fù)合散熱系數(shù)，進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱-電耦合仿真；計算不同環(huán)境溫度下小型斷路器整體溫度場分布云圖，內(nèi)部各個零部件的溫度云圖，內(nèi)部各個零部件溫度的最大值，以及接線端部外表面所有節(jié)點的穩(wěn)態(tài)溫度值；

步驟二：在MATLAB中對有限元仿真軟件仿真得到的接線端部外表面所有節(jié)點的穩(wěn)態(tài)溫度值進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到不同環(huán)境溫度下小型斷路器接線端部溫度的穩(wěn)態(tài)平均值；

步驟三：在給定環(huán)境溫度下，采用光纖測溫電路測量處于額定工作狀態(tài)的小型斷路器接線端部外表面的穩(wěn)態(tài)溫度，與仿真得到的相應(yīng)環(huán)境溫度下的小型斷路器接線端部外表面的穩(wěn)態(tài)溫度進(jìn)行對比，驗證模型的正確性；

步驟四：通過曲線擬合，建立不同環(huán)境溫度下小型斷路器內(nèi)部各個零部件溫度最大值和接線端部外表面溫度穩(wěn)態(tài)平均值的數(shù)學(xué)關(guān)系，并繪制擬合曲線；

步驟五：采用光纖測溫電路測量正處于額定工作狀態(tài)下的小型斷路器接線端部外表面的溫度值，并將測量初值作為初始環(huán)境溫度，計算機通過調(diào)用該環(huán)境溫度下的小型斷路器內(nèi)部各個零部件溫度最大值和接線端部外表面溫度穩(wěn)態(tài)平均值的數(shù)學(xué)關(guān)系，計算出小型斷路器內(nèi)部各個零部件溫度的最大值。

所述步驟一中建立小型斷路器的實體模型所采用的三維制圖軟件為Pro/E軟件。

所述步驟二中有限元仿真軟件為ANSYS Workbench軟件。

所述步驟三中的光纖測溫電路為歐普申公司的光纖溫度測溫系統(tǒng)，該系統(tǒng)由光纖溫度傳感器和信號解調(diào)器組成。

利用本發(fā)明的技術(shù)方案制作的基于溫度場有限元分析的小型斷路器內(nèi)部溫升測量方法，本發(fā)明基于溫度場有限元分析的小型斷路器內(nèi)部溫升測量方法，突破了現(xiàn)有的光纖法必須進(jìn)行一定無法還原的破壞性處理，紅外法無法測量被測對象的真實溫度的局限，能夠?qū)π⌒蛿嗦菲鲀?nèi)部各個零部件的溫度進(jìn)行實時測量；而且通過有限元仿真計算分析，有效地縮短了小型斷路器內(nèi)部溫升的測量時間，大大地提高了工作效率；可實時顯示小型斷路器內(nèi)部各個零部件的最高溫度值和室溫值，方便計算出小型斷路器內(nèi)部各個零部件的最大溫升值。

附圖說明

圖1是本發(fā)明所述基于溫度場有限元分析的小型斷路器內(nèi)部溫升測量方法的流程示意圖；

圖2是本發(fā)明所述三維有限元模型的內(nèi)部有限元模型；

圖3是本發(fā)明所述三維有限元模型的整體有限元模型；

圖4是本發(fā)明所述20℃環(huán)境溫度下內(nèi)部元件的溫度云圖；

圖5是本發(fā)明所述20℃環(huán)境溫度下整體元件的溫度云圖；

圖6是本發(fā)明所述擬合曲線圖。

具體實施方式

實施例1

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明實施例進(jìn)行具體描述，如圖1所示，基于溫度場有限元分析的小型斷路器內(nèi)部溫升測量方法，步驟如下：

步驟一：根據(jù)測量得到的DZ47-63C1小型斷路器內(nèi)部各個零部件的尺寸，利用Pro/E軟件建立小型斷路器的實體模型，再將實體模型導(dǎo)入有限元仿真軟件ANSYS Workbench軟件中；通過定義各個元件的導(dǎo)熱系數(shù)和電阻率等材料屬性、選擇SOLID87、SOLID90、SOLID226、SOLID227等單元類型、設(shè)置分網(wǎng)精度為Fine、自由網(wǎng)格劃分建立小型斷路器的三維有限元模型如圖2和圖3所示；

計算接觸電阻、電阻合金生熱率及動靜鐵芯的磁滯和渦流損耗生熱率，計算步驟如下：

接觸電阻、電阻合金生熱率計算

P₁＝I²R

式中：I——導(dǎo)電回路流過的電流；

R——接觸電阻或者電阻合金阻值；

ρ＝ρ₀(1+αθ)

式中：ρ₀——0℃時材料的電阻率；

α——電阻溫度系數(shù)；

θ——溫度；

式中：V₁——接觸電阻或電阻合金體積。

動靜鐵芯的磁滯和渦流損耗生熱率計算

P＝P_h+P_e

式中：P_h——鐵芯的磁滯損耗；

P_e——鐵芯的渦流損耗。

式中：k——磁滯損耗系數(shù)；

f——交變磁場的頻率；

α——Steinmetz系數(shù)；

B_max——磁感應(yīng)強度最大值。

V₂——動、靜鐵芯的體積；

R——動、靜鐵芯的半徑；

h——動、靜鐵芯的長度。

式中：r——鐵芯材料的電導(dǎo)率；

ω——交變磁場的頻率；

B_av——平均磁感應(yīng)強度；

設(shè)置溫度邊界條件為分別為20℃、電壓邊界條件0V、施加電流載荷1A和生熱率載荷以及內(nèi)外的復(fù)合散熱系數(shù)，進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱-電耦合仿真；計算小型斷路器整體溫度場分布云圖，內(nèi)部各個零部件的溫度云圖，內(nèi)部各個零部件溫度的最大值，以及接線端部外表面所有節(jié)點的穩(wěn)態(tài)溫度值，如圖4和圖5所示；

內(nèi)部各個零部件溫度的最大值

調(diào)整溫度邊界條件為-5℃、5℃、30℃、40℃，重復(fù)上述步驟，計算得到不同環(huán)境溫度下的小型斷路器整體溫度場分布云圖，內(nèi)部各個零部件的溫度云圖，內(nèi)部各個零部件溫度的最大值，以及接線端部外表面所有節(jié)點的穩(wěn)態(tài)溫度值。

步驟二：在MATLAB中對ANSYS Workbench軟件仿真得到的接線端部外表面所有節(jié)點的穩(wěn)態(tài)溫度值進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到不同環(huán)境溫度下小型斷路器接線端部溫度的穩(wěn)態(tài)平均值如下：

步驟三：在給定環(huán)境溫度20℃下，采用光纖測溫電路測量處于額定工作狀態(tài)的小型斷路器接線端部外表面的穩(wěn)態(tài)溫度為22.8℃，與仿真得到的相應(yīng)環(huán)境溫度下的小型斷路器接線端部外表面的穩(wěn)態(tài)溫度進(jìn)行對比，驗證了模型的正確性；

步驟四：通過曲線擬合，建立不同環(huán)境溫度下小型斷路器內(nèi)部各個零部件溫度最大值和接線端部外表面溫度穩(wěn)態(tài)平均值的數(shù)學(xué)關(guān)系，并繪制擬合曲線，如圖6所示；

步驟五：采用光纖測溫電路測量正處于額定工作狀態(tài)下的小型斷路器接線端部外表面的溫度值，并將測量初值作為初始環(huán)境溫度，計算機通過調(diào)用該環(huán)境溫度下的小型斷路器內(nèi)部各個零部件溫度最大值和接線端部外表面溫度穩(wěn)態(tài)平均值的數(shù)學(xué)關(guān)系，計算出小型斷路器內(nèi)部各個零部件溫度的最大值。

上述技術(shù)方案僅體現(xiàn)了本發(fā)明技術(shù)方案的優(yōu)選技術(shù)方案，本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員對其中某些部分所可能做出的一些變動均體現(xiàn)了本發(fā)明的原理，屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。