低壓斷路器有限元仿真淺析

彭勝吉，呂勇

(1.沈陽電氣傳動研究所(有限公司)，遼寧 沈陽 110141;2.遼寧省產品質量監督檢驗院，遼寧 沈陽 110032)

1 引言

低壓斷路器是低壓配電支路的主開關，主要由觸頭系統、滅弧系統、各種脫扣器及開關機構等主要部分組成。其中開關機構是低壓斷路器的重要組成部分，它是實現操作手柄和各種脫扣器對觸頭的分閘與合閘控制，它的性能直接影響斷路器的開斷能力。對其分析涉及到機構的靜力學、動力學、材料力學、電磁學、熱力學、電接觸等多學科知識領域。應用虛擬樣機技術中的仿真對低壓斷路器的設計與優化提供了高效、便捷的手段，與傳統作圖的方法來獲得每個時刻機構的運動位置以及通過大量試驗來確定設計方案相比，大大減少了工作量，提高了準確性。

2 低壓斷路器的仿真研究概述

目前對斷路器的仿真研究包括了脫扣機構電磁仿真、斷路器分斷電弧仿真、觸頭和雙金屬片的力學仿真和熱仿真、斷路器的操作機構的動力學仿真等。

在脫扣機構電磁仿真研究中，利用有限元分析技術來計算電磁系統的磁場分布和磁場力，主要包括以下方法:(1)采用三維矢量場分析軟件包Vector Fields對瞬時脫扣器建立了三維有限元模型，對其磁場分布及靜態吸力特性進行計算，同時采用磁路的方法計算瞬時脫扣器的靜態特性;(2)利用ANSYS軟件二次開出發磁場分析與吸力計算程序，在不同的參數下，自動調用ANSYS批處理腳本文件，計算電磁鐵三維有限元模型的吸力特性和磁場分布;(3)基于ANSYS軟件對電磁鐵三維工頻磁場進行分析，根據交流電磁吸力的平均值的直流等效原理，分兩步計算銜鐵吸力，并利用ANSYS優化設計方法對鐵心厚度進行優化設計。

在分斷電弧仿真研究中，根據電弧仿真模型，研究分斷電弧的動態特性，對低壓斷路器的設計具有重要意義。國內外學者做出了大量有益的工作:(1)利用二維電弧仿真模型進行分斷電弧的仿真;(2)基于磁流體動力學(MHD)理論，建立了三維電弧動態模型，并對電弧的運動特性進行仿真分析;(3)對穩態電弧和動態電弧分別進行仿真，介紹不同介質下開斷電弧的動態特性。

在觸頭的仿真研究中，主要研究觸頭電動斥力方面。包括:(1)在考慮電弧電流分布和電弧直徑變化影響的基礎上，采用有限元方法分析低壓斷路器觸頭系統的分斷電流的電動斥力;(2)利用霍爾姆公式和三維有限元分析軟件ANSYS，計算短路開斷過程的電動斥力，分析短路情況下電動斥力對低壓斷路器開斷過程的影響;(3)在考慮鐵磁物質的影響的前提下，根據電流一磁場一電動斥力之間的方程，應用三維有限元非線性分析，引入圓柱導電橋模型作為接觸點模擬觸頭問的電流收縮，計算觸頭間的Holm力和動導電桿上的Lorentz力。

在雙金屬片及熱仿真研究中，有建立低壓斷路器離散熱路模型，分析其穩態熱特性，對工作狀況下有外殼和無外殼的斷路器的熱仿真環境進行分析;有采用綜合考慮負載作用力及溫度影響的分析條形雙金屬片的截面力一力矩平衡法，將雙金屬片用等效網絡表示，用網絡分析手段求解溫度繼電器、熱繼電器的工作參數，分析在比彎曲最大的條件下各層界面和表面的應力關系。

為了更好的對低壓斷路器進行仿真研究，人們合理利用了大量的面向工程設計應用的軟件，其中ANSYS軟件在各行各業應用廣泛，可以對包括熱、電、磁、流體和結構等諸多模型進行分析求解，解決復雜、龐大的工程項目，為致力于高水平的科研攻關提供了一個優良的工作環境，使人們從繁瑣、單調的常規有限元編程中解脫出來。本文基于ANSYS有限元分析軟件，對低壓斷路器有限元仿真分析系統進行描述，包括前處理、加載和求解、后處理三個階段的程序系統。

3 低壓斷路器有限元仿真分析的技術與過程

3.1 低壓斷路器有限元仿真分析的系統流程

有限元分析包括前處理、加載和求解、后處理三個階段。其中，前處理包括定義單元類型、定義材料屬性、創建幾何模型、網格劃分;后處理包括結構變形的顯示、節點單元列表顯示、參數等值線分布圖和云紋圖顯示、變形動畫顯示等。

3.2 低壓斷路器的有限元分析的前處理

3.2.1 定義單元類型

ANSYS的單元庫中提供了200多種單元類型，每個單元都有唯一的編號，如LINK1、PLANE13、BEAM3和SOLID45等，幾乎能解決大部分常見的問題。通常，選擇單元的原則是盡量選用維數較少的單元來達到預期效果，優先選擇順序依次為點、線、面、殼、體。對于復雜結構分析，應當考慮建立兩個甚至更多不同復雜程度的模型做對比分析，盡量獲取最佳分析效果。本文以低壓斷路器的連桿為例，選用的單元類型是8節點體單元Solid45。

3.2.2 定義材料屬性

當對零件進行結構分析時，需要定義材料的彈性模量、泊松比等屬性。本文選用調質40Cr作為連桿材料，其彈性模量E=2.05×1011N/m2，密度ρ=7.85×103kg/m3，泊松比 μ =0.28，抗拉強度 σb=980MPa，屈服強度σs=785MPa。

3.2.3 創建幾何模型

ANSYS可以利用自帶的Design Modeler進行實體建模，同時支持外部模型的導入，對于復雜圖形可以在UG、Pro/E、SolidWorks等專業繪圖軟件中完成，然后再導入ANSYS中。本文在SolidWorks中創建低壓斷路器的連桿模型和軸模型，再導入ANSYS中。圖1為低壓斷路器的連桿模型。

圖1 低壓斷路器的連桿模型

3.2.4 網格劃分

在完成實體建模之后，要進行有限元分析，需對模型進行網格劃分—將實體模型轉化為能夠直接計算的網格，生成節點和單元。ANSYS的網格劃分有兩種:自由網格劃分(Free meshing)和映射網格劃分(Mapped meshing)。自由網格劃分主要用于劃分邊界形狀不規則的區域，它所生成的網格相互之間是呈不規則排列的，對于復雜形狀的邊界常常選擇自由網格劃分，自由網格對于單元形狀沒有限制，也沒有特別的應用模式，缺點是分析精度往往不夠高。與自由網格劃分相比較，映射網格劃分對于單元形狀有限制，并要符合一定的網格模式，映射面網格只包含四邊形或三角形單元，映射體網格只包含六面體單元，映射網格的特點是具有規則的形狀。本文采用自由網格劃分，如圖2所示。

圖2 連桿的網格劃分

3.3 低壓斷路器的有限元分析的加載和求解

3.3.1 施加載荷

ANSYS中將載荷分為:(DOF約束)自由度約束、集中力載荷、面載荷、體載荷、慣性載荷、耦合場載荷6大類。載荷可以施加在實體模型上，例如施加在關鍵點、線、面等，或直接施加于有限元模型上(如節點、單元等)。ANSYS將自動把施加在實體模型上的載荷轉換為有限元模型上后進行求解。

3.3.2 求解

求解是ANSYS通過有限元方法建立聯立方程并計算方程的結果。求解設置上，需要根據所分析問題的類型進行預先評估再選擇合理的求解器，再進行求解。

3.4 低壓斷路器的有限元仿真分析的后處理

對模型進行有限元分析后，通常需要對求解結果進行查看、分析和操作等后處理。用ANSYS軟件處理有限元問題時，建立有限元模型并求解后，并不能直觀地顯示求解結果，必須用后處理器才能顯示和輸出結果。圖3為連桿的應力圖。

圖3 連桿的應力圖

4 結論

本文以低壓斷路器中的連桿為例，闡述了低壓斷路器的有限元仿真分析技術與過程，通過ANSYS軟件對低壓斷路器進行仿真分析，能夠快速準確地計算出低壓斷路器主要零部件(包括連桿、軸、跳扣、鎖扣、牽引桿、頰板、支架、動靜觸頭等)的受力情況與應力分析結果，為虛擬仿真技術在低壓斷路器中的應用奠定了基礎。

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