基于有限元分析的低压电器大电流下触头温升测量方法

摘要

本发明公开了一种基于有限元分析的低压电器大电流下触头温升测量方法，该方法包括通过工控机、虚拟仪器LabVIEW软件和硬件电路测量出低压电器在过载、短路大电流工作环境下分断过程中触头两端的电压、电流数据和波形，以及电弧的燃弧时间；利用ANSYS有限元软件计算得到不同大电流下触头系统整体温度场分布云图，触头的最高温度随时间的变化曲线；建立触头最高温度值和低压电器电流值的数学关系，并绘制拟合曲线；测量流过低压电器的电流值，计算机通过调用该大电流下的触头最高温度值和低压电器电流值的数学关系，计算出低压电器触头的最高温度。本发明的有益效果是，不仅可以测量出低压电器大电流下触头的温升，而且有效缩短了检测时间，提高了检测效率。

说明书

技术领域

本发明涉及电路检测技术领域，特别是一种基于有限元分析的低压电器大电流下触头温升测量方法。

背景技术

当发生过载或者短路的情况下，系统中会流过数倍甚至数十倍于额定电流的大电流，此时低压电器为了保护系统中其它电气设备不受过载或者短路的影响，就会自动分断电路。但是低压电器在分断电流时会产生高温电弧，这些电弧热量不仅会使得触头在很短的时间内温度急剧升高，甚至会超过触头材料的耐温范围，而且电弧的产生还可能会引起触头材料的烧蚀，这些都会降低触头的机械强度和绝缘强度，导致其触头材料变形，绝缘老化加速，电器的使用寿命缩短，进而使低压电器发生失效，使系统存在安全隐患。因此，对大电流下低压电器的触头温升进行实时监测十分必要。

而现有技术中，光纤测温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。显然由于电弧的烧蚀性，在存在高温电弧的触头处，光纤探头是无法贴近触头表面的。红外测温法的原理是将被测物体发射出的红外辐射能量，通过测温仪的光学系统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，都不适用于测量存在高温电弧的触头温升。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述问题，设计了一种基于有限元分析的低压电器大电流下触头温升测量方法。

实现上述目的本发明的技术方案为，一种基于有限元分析的低压电器大电流下触头温升测量方法，该方法包括如下步骤：

步骤一：通过工控机、虚拟仪器LabVIEW软件和硬件电路测量出低压电器在过载、短路大电流工作环境下分断过程中触头两端的电压、电流数据和波形，以及电弧的燃弧时间；

步骤二：根据测量得到的低压电器触头系统的尺寸，在三维有限元软件ANSYS中建立触头系统的实体模型；通过定义材料属性、选择单元类型、选择分网精度、划分网格建立低压电器触头系统的有限元模型；设定温度边界条件以及复合散热系数；根据测量得到的触头两端的电压、电流的数据计算得出流入触头的实时热流率，并以面载荷的形式施加到触头对应面上；设定求解类型、求解时间和载荷步长，进行瞬态热仿真；计算不同大电流下触头系统整体温度场分布云图，触头的最高温度随时间的变化曲线；

步骤三：提取每个大电流下触头的最终最高温度值,通过MATLAB软件的曲线拟合，建立触头最高温度值和低压电器电流值的数学关系，并绘制拟合曲线；

步骤四：采用示波器测量出流过低压电器的电流值，计算机通过调用该大电流下的触头最高温度值和低压电器电流值的数学关系，计算出低压电器触头的最高温度。

利用本发明的技术方案制作的基于有限元分析的低压电器大电流下触头温升测量方法，突破了现有的光纤测温法探头无法贴近触头表面，红外法无法测量被测对象的真实温度的局限，能够对低压电器触头的温度进行实时测量；而且通过有限元仿真计算分析，有效地缩短了低压电器触头温升的测量时间，大大地提高了工作效率；可实时显示低压电器触头的最高温度值，方便计算出低压电器触头的最大温升值。

附图说明

图1是本发明所述基于有限元分析的低压电器大电流下触头温升测量方法的流程示意图；

图2是本发明所述12A分断过程触头电压、电流波形；

图3是本发明所述接触系统有限元模型；

图4是本发明所述12A电流最高温度随时间变化曲线；

图5是本发明所述触头最高温度值和低压电器电流值的拟合曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例进行具体描述：

实施例1

如图1所示，该方法包括如下步骤：

步骤一：通过工控机、虚拟仪器LabVIEW软件和硬件电路测量出低压电器在过载、短路大电流工作环境下分断过程中触头两端的电压、电流数据和波形，以及电弧的燃弧时间，举例如图2所示，其平均燃弧时间：15.26ms

步骤二：根据测量得到的低压电器触头系统的尺寸，在三维有限元软件ANSYS中建立触头系统的实体模型；通过定义触头各个元件的导热系数、电阻率、比热容、密度、焓值等材料属性、选择SOLID70单元、选择分网精度为6、自由网格划分建立低压电器触头系统的有限元模型，如图3所示；

设定温度边界条件为初始温度为20℃，以及包括对流和辐射的复合散热系数；根据测量得到的触头两端的电压、电流的数据计算得出流入触头的实时热流率，并以面载荷的形式施加到触头对应面上，其中热流率的计算步骤如下：

式中：u——分断过程触头两端实时电压值；

i——分断过程触头两端实时电流值；

a_α——电弧弧根斑点面积。

a_α＝1.67×10^-9I

式中：I——电弧电流的有效值。

设定求解类型为瞬态、求解时间为15.26ms、载荷步长为0.134ms，进行瞬态热仿真；计算12A大电流下触头系统整体温度场分布云图，触头的最高温度随时间的变化曲线，曲线如图4所示；

调整电流数值，重复上述步骤，计算得到不同大电流下触头系统整体温度场分布云图，触头的最高温度随时间的变化曲线。

步骤三：提取每个大电流下触头的最终最高温度值,通过MATLAB软件的曲线拟合，建立触头最高温度值和低压电器电流值的数学关系，并绘制拟合曲线，如图5所示；

步骤四：采用示波器测量出流过低压电器的电流值，计算机通过调用该大电流下的触头最高温度值和低压电器电流值的数学关系，计算出低压电器触头的最高温度。

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。