液壓電磁式脫扣器電磁系統瞬態熱分析

蘇秀蘋，程浩峰，施宏偉，付 哲

（1.河北工業大學電氣工程學院 省部共建電工裝備可靠性與智能化國家重點實驗室，天津300130；2.浙江百事寶電器股份有限公司，浙江 麗水323000）

1 引言

設備用斷路器是我們最常用的低壓電器之一，其多采用液壓電磁式脫扣器作為核心部件，由于其保護特性精度高、適應高低溫環境、功耗低，特別適用于通信設備、鐵路信號設備及各種自動化設備的過載與短路保護［1］。雖然液壓電磁式脫扣器中的采用的甲基硅油性能穩定，但是溫度還是會引起其粘度的變化，從而導致斷路器脫扣性能的改變［2］。到目前，關于不同環境溫度下液壓電磁式脫扣器工作特性的理論研究很少。

為了提高斷路器的保護特性，因此對斷路器的操作機構、整體模型的等方面進行了深入研究［3-5］。而在溫度場分析方面，文獻［6］建立了小型直流電磁繼電器熱電耦合分析模型，得到了繼電器各部分的溫度場。文獻［7］對電連接器進行熱分析和振動分析，得到了結構的溫度云圖。文獻［8］對油阻尼斷路器接觸系統的熱特性與電磁部分的熱特性，進行了穩態溫度場分析。文獻［9］運用ANSYS軟件對繼電器進行了反復短時工作制下的瞬態溫度場計算，根據結果總結出了瞬態溫度場的分布規律和影響因素。

在建立液壓電磁式脫扣器模型的基礎上，對其電磁系統進行瞬態熱分析，研究環境溫度、通電電流與脫扣器的初始狀態對其內部阻尼液黏度的影響，為在不同環境溫度下脫扣器的保護特性提供了依據。

2 液壓電磁式脫扣器電磁系統模型

研究對象為某型號直流設備用斷路器中的液壓電磁式脫扣器，其產品說明書上表明可工作在（-40～+85）℃的溫度環境，額定電流9A。在PROE中對實體模型進行建模，去除支架與銜鐵即為脫扣器的電磁系統，為方便分析，將線圈模型簡化為空心圓柱體，如圖1所示。圖中：1-極靴；2-延時管（油杯）；3-線圈骨架；4-阻尼液；5-簡化線圈；6-鐵芯。

圖1 液壓電磁式脫扣器電磁系統模型Fig.1 Electromagnetic System Model of Hydraulic Electromagnetic Release

3 模型的生熱分析與散熱分析

3.1 生熱分析

液壓電磁式脫扣器電磁系統中其熱源主要為線圈電阻的功率損耗及鐵芯的渦流損耗［8］，這里研究對象為直流斷路器，不考慮鐵心與油杯的磁滯損耗和渦流損耗，故其熱源為線圈電阻的功率損耗。

式中：D-線圈骨架外徑；d-線圈導線直徑；N-線圈單層匝數，線圈層數為2層，則線圈導線總長度為：

由電阻定律知：

式中：S-銅導線截面積，單位為m2；ρ-電阻率。且：

則線圈電阻為

另外銅導線的電阻率隨著自身溫度變化，其變化規律如下：

式中：ρ0-0℃的電阻率，ρ0=1.62×10-8Ω·m；T-線圈溫度，單位為℃；a-電阻率的溫度系數。所以模型發熱功率為：

3.2 散熱分析

模型的散熱主要為內部的傳導散熱、外表面的對流散熱和輻射散熱。

3.2.1 內部傳導散熱

液壓電磁式脫扣器的瞬態熱傳導散熱方程為［10］

式中：l-材料的導熱系數，單位為W/（m·℃）；q-單位體積內熱源的生成熱，單位為W/m3；ρ-材料密度，單位為kg/m3；c-材料的比熱容，單位為J/（kg·℃）；t-時間，單位為s。

3.2.2 表面散熱

模型的表面散熱為對流散熱和輻射散熱，在脫扣器電磁系統所有零件外表面設置熱對流系數及發射率。熱對流系數由經驗公式得［6］

式中：T0-環境溫度，單位為℃；Tf-發熱體溫度，單位為℃。

3.3 載荷的添加

采用了直接耦合的方法進行熱電耦合分析，將計算線圈功率損耗得出的生熱率作為載荷模擬線圈的生熱，考慮了功率損耗隨線圈溫度的變化；設置材料的熱傳導系數、密度及比熱模擬傳導散熱；模型外表面設置對流散熱系數與材料的發射率模擬對流散熱及輻射散熱，考慮了元件溫度變化對散熱的影響。

4 瞬態熱分析

脫扣器在冷態與熱態的工作狀態下其元件的初始溫度不同。當脫扣器處于冷態時，其各部分零件溫度基本等同于環境溫度。當脫扣器處于熱態或半熱態時，線圈生熱早已作用到各部分零件并且達到穩定狀態。

4.1 冷態分析

4.1.1 冷態下接入不同電流對阻尼液溫度的影響

設置環境溫度為25℃，模型初始溫度設置與環境溫度相同，仿真時間設置為1500s。當加載1倍額定電流時，模型各部分溫度分布，如圖2所示。

圖2 環境溫度25℃，加載9A電流，1500s時的溫度云圖Fig.2 Temperature Graph of Ambient Temperature25℃，Loading 9A Current，1500s

可以看出模型中線圈為生熱體，故其溫度最高，在1500s時可達到（93.877～94.305）℃。其線圈與阻尼液溫度時間曲線，如圖3所示。可以看出剛接入電流時脫扣器線圈與阻尼液的溫度隨著時間的推移近線性增高，當接入電流一段時間后其溫度逐漸接近一個常數，即此時瞬態熱逐漸向穩態熱轉變。為驗證仿真的準確性，對液壓電磁式脫扣器做實體實驗，調節環境溫度為25℃并接入1倍額定電流，實時監測1500s內線圈溫度的變化并與仿真數據做對比，如圖4所示。

圖3 環境溫度25℃，9A電流，1500s線圈與阻尼液溫度時間曲線Fig.3 Coil and Damping Fluid Temperature Time Curve of Ambient Temperature25℃，Loading 9A Current，1500s

圖4 環境溫度25℃，9A電流，1500s內線圈溫度仿真與實驗對比Fig.4 Ambient Temperature 25℃，Load 9A Current，Coil Temperature Simulation and Experimental Comparison within 1500s

由圖4可以看出仿真與實測數據基本吻合，1500s時，實測線圈溫度為97.1℃，相對誤差為3.1%。環境溫度不變，當加載1.05倍與1.15倍額定電流時，其線圈溫度時間曲線，如圖5所示。其中實測1.15倍額定電流的線圈溫度時，脫扣器將在30s內完成脫扣即開斷電流，所以仿真與實測取30s內變化。

圖5 環境溫度25℃，線圈溫度仿真與實驗對比Fig.5 Ambient Temperature 25℃，Coil Temperature Simulation and Experimental Comparison

當加載1.05倍額定電流1500s時，線圈仿真溫度為101.255℃，線圈實測溫度為102.1℃，相對誤差為0.8%。當加載1.15倍額定電流30s時，線圈仿真溫度為35.811℃，線圈實測溫度為36.8℃，相對誤差為2.7%。接入電流時間30s，脫扣器中阻尼液在加載不同電流下的溫度隨時間的變化，如圖6所示。

圖6 環境溫度25℃，加載9A、9.45A與10.35A電流，30s內的阻尼液溫度變化Fig.6 Ambient Temperature 25℃，Load 9.45A and 10.35A Current，Damping Fluid Temperature Change in 30s

由上圖可以看出，冷態下，當環境溫度一定時，電流越大，阻尼液溫度隨脫扣器通電時間上升越快。

4.1.2 冷態下，環境溫度對阻尼液溫度的影響

實驗發現，當環境溫度發生變化時，液壓電磁式脫扣器在初始為冷態下其動作時間有較大差異，在低溫環境下會延長動作時間到，高溫條件下則會縮短動作時間。故在環境溫度為（-40～+85）℃范圍內，對阻尼液溫度進行仿真分析。設置不同的環境溫度，加載1.15倍額定電流100s內其阻尼液溫度變化與加載1.15倍額定電流60s時的阻尼液溫度，如圖7所示。由上圖可以看出，環境溫度越高導致阻尼液起始溫度越高，且100s內阻尼液溫度與時間近似成線性關系。

圖7 不同環境溫度下100s內阻尼液溫度的變化Fig.7 Change in Temperature of Damping Fluid in 100s at Different Ambient Temperatures

4.2 熱態分析

進行熱態條件下脫扣器瞬態熱分析時，首先要對模型進行穩態熱分析，穩態分析時加載1倍額定電流，將穩態分析的溫度結果作為瞬態分析的初始條件。

4.2.1 熱態下接入不同電流對阻尼液溫度的影響

環境溫度為25℃，初始為熱態的脫扣器加載1.05倍額定電流線圈與阻尼液溫度時間曲線，如圖8所示。

圖8 加載9.45A電流，1000s內線圈與阻尼液溫度時間曲線Fig.8 Coil and Damping Fluid Temperature Time Curve of Loading 9.45A Current in 1000s

由圖8可以看出，初始為熱態時，模型已經有一定的溫度，此時改變為1.05倍額定電流導致模型溫度變化相對于冷態下較小。熱態下，當脫扣器加載1.05倍額定電流時線圈溫度實測與仿真溫度，如圖9所示。

圖9 環境溫度25℃，840s內的線圈溫度仿真與實驗對比Fig.9 Ambient Temperature 25℃，Coil Temperature Simulation and Experimental Comparison within 840s

840s時，線圈溫度逐漸趨于穩定，此時線圈仿真溫度為101.62℃，實測線圈溫度為102.1℃，相對誤差僅為0.47%。環境溫度25℃不變，當加載1.05倍與1.15倍額定電流時阻尼液溫度在30s內變化如圖10所示。熱態下，當環境溫度一定時，通入電流越大阻尼液溫度上升越快，但阻尼液溫度上升的速度較冷態下有明顯的減小。

圖10 30s內的阻尼液溫度變化Fig.10 Damping Fluid Temperature Change in 30s

4.2.2 熱態下，環境溫度對阻尼液溫度的影響

熱態下對阻尼液溫度進行仿真分析，設置不同的環境溫度，加載1.15倍額定電流100s內其阻尼液溫度變化，如圖11所示。

圖11 不同環境溫度下100s內阻尼液溫度的變化Fig.11 Change in Temperature of Damping Fluid in 100s at Different Ambient Temperatures

對比圖7可以看出，相對于冷態，熱態下阻尼液溫升不大，其主要原因為各個模型在初始狀態時已經具備一定的溫度，此時模型散熱功率較大。

4.3 冷熱態對比分析

分別取冷態與熱態下，在（-40～+85）℃環境溫度下通1.15倍額定電流30s時的阻尼液溫度，如圖12所示。

圖12 冷態與熱態下，阻尼液溫度隨環境溫度的變化Fig.12 Change of Damping Fluid Temperature with Ambient Temperature in Cold and Hot State

由上圖可以看出在接通1.15倍額定電流30s時，無論在冷態還是熱態，環境溫度對阻尼液的影響不可忽略，阻尼液溫度均與環境溫度近似成線性關系，且兩者在圖像近似相當于冷態直線向上平移得到熱態直線，即在同樣環境溫度時，冷態下阻尼液溫度要比熱態下阻尼液溫度低（55～65）℃。阻尼液為甲基硅油，其黏溫曲線近似指數函數［11］，對該型號阻尼液進行曲線擬合，如圖13所示。正是由于脫扣器在冷態下與熱態下阻尼液的溫差，將阻尼液黏度對溫度敏感的溫度范圍推向了阻尼液黏度對溫度相對不敏感的溫度范圍。所以在同樣的環境條件下，熱態下脫扣器的動作時間相對要穩定一些。

圖13 阻尼液黏溫曲線Fig.13 Damping Fluid Viscosity Curve

5 結論

簡要說明了阻尼液溫度對液壓電磁式脫扣器保護特性的影響，應用ANSYS Workbench軟件分別對液壓電磁式脫扣器的電磁系統在冷態下與熱態下進行了瞬態溫度場仿真分析。仿真過程中考慮了模型生熱與散熱隨自身溫度與環境溫度的變化，并與實驗數據進行對比，得出結論如下：

（1）分別在冷態與熱態下，將線圈仿真溫度與實測溫度進行了實時對比，溫度時間曲線吻合較好，相對誤差最大值為3.1%。

（2）環境溫度與通電時間一定時，電流越大模型溫度越高，且冷態下模型溫升大于熱態下模型溫升。

（3）環境溫度對液壓電磁式脫扣器的影響不能忽略，冷態下環境溫度對阻尼液黏度影響較大，即對脫扣器的動作時間有較大影響，而熱態下環境溫度對阻尼液黏度影響相對較小。