孔凡良，曹鹏飞，肖文华，肖 清

基于ANSYS Workbench的塑壳断路器热脱扣器特性仿真分析

孔凡良1，曹鹏飞2，肖文华2，肖 清1

（1.武汉长海电气科技开发有限公司，武汉 430064；2. 武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）

热脱扣器是塑壳断路器热磁脱扣器的重要组成部分，是断路器在电路发生过载电流故障保护功能实现的核心部件，为塑壳断路器提供长延时配电保护功能。本文根据热脱扣器的工作原理，理论计算了热脱扣器中热双金属片的曲率、挠度以及双金属片热弹性变形产生的推力，并运用三维有限元仿真软件ANSYS建立了热脱扣器的有限元模型，采用电-热-结构耦合分析方法，研究了热脱扣器在不同整定电流情况下的温度分布规律及热双金属片冷态动作特性曲线等关键特性。该分析为塑壳断路器热脱扣器设计和优化提供方法、依据。

塑壳断路器 热脱扣特性 热双金属片 有限元分析

0 引言

塑壳断路器（MCCB）是低压供配电系统主要的开关电器，广泛应用于航空航天、船舶、汽车、工厂及家用电器等领域。热磁脱扣器是塑壳断路器中广泛采用的一种脱扣装置，是断路器在电路发生过载、短路、剩余电流、接地等故障条件下保护功能实现的核心部件。热脱扣器是热磁脱扣器的重要组成部分，为MCCB提供长延时配电保护功能。其中，热双金属片是热脱扣器动作特性的关键元件。热双金属片是一种复合金属材料，它是有两层具有不同温度线胀系数的金属结合而成，可随温度变化而产生不同的热弯曲变形。热脱扣器可利用过载电流直接通过载流排发热元件，让热双金属片受热弯曲，推动塑壳断路器脱扣轴转动，使断路器脱扣，实现过载或短路保护。

本文采用三维有限元仿真软件ANSYS Workbench对MCCB热脱扣器进行热脱扣特性分析，仿真分析热双金属片在不同整定电流情况下的温度分布规律及冷态动作特性曲线等关键特性。

1 热脱扣器结构和特性研究

热脱扣器是低压断路器中用于过载长延时的保护装置。如图1所示，塑壳断路器热脱扣器主要由载流排、热双金属片组成，热双金属片通过铆钉铆接固定在载流排上。当线路中发生过载电流时，载流排就会发热，并将其产生的热量以热传导的方式传递给载流排上的热双金属片上，热双金属片受热产生弯曲变形，推动塑壳断路器脱扣轴转动，切断电路。同时，塑壳断路器还要具有一定耐受过载电流能力，以防发生错误脱扣现象，因此在塑壳断路器中，对热双金属片的型号、性能指标选择也是至关重要的。

图1 塑壳断路器热脱扣器结构示意图

本文以额定电流为630 A塑壳断路器为例进行热脱扣特性分析，热脱扣动作特性如表1所示。

表1 断路器长延时动作特性表

2 热脱扣器热双金属片理论计算

图2为热双金属片受热变形示意图，热双金属片一端固定，另一端可受热自由变形。根据塑壳断路器样机设计条件已知热双金属片的动作行程=1.1 mm，推动脱扣转轴的位移f=3.2 mm，断路器脱扣力F=3 N。

图2 热双金属片变形示意图

2.1 热双金属片曲率和挠度计算

热双金属片在理论计算时，不考虑热双金属片自重和外作用，只研究受热后的变形，并假定

（一）双金属片受热是均匀的；

（二）不记宽度方向的弯曲变形；

（三）热双金属片宽度方向两横截面不论在冷态或热态时均垂直于两金属片结合面；

（四）两组合层的线胀系数之差不因温度而变化。

由上述条件得到曲率、挠度及推力理论公式，如下：

（1）热双金属片曲率计算公式

式中，—比弯曲（×10-6/℃）；—热双金属片的总厚度（mm）；θ、—分别为基准温度和加热后的温度。

（2）热双金属片挠度计算公式

2.2 热双金属片推力计算

如上所述，当温度升高时，热双金属片的自由端产生挠度f。如果自由端受到阻挡不能使它自由弯曲，则双金属片要对阻挡物产生推力。当推力克服阻力后，又可继续弯曲。而在热脱扣器中，双金属片并非在初始位置就受到阻挡，而是经过一定的动作行程才受到阻挡。即

进一步热双金属片推力计算公式如下：

式中，-双金属片的弹性模量（MPa）；-热双金属片宽度（mm）；f-热双金属片动作行程（mm）。

3 热脱扣器仿真分析

3.1 有限元模型的建立

采用的模型是在专业的三维建模软件NX中进行，并转换成Parasolid格式后导入ANSYS软件中。为了便于对模型进行网格划分，同时保证计算的准确性，对热脱扣器进行了适当的简化，去掉了不必要的细节。

3.2 有限元网格的划分

网格划分的好坏直接影响到有限元分析结果的准确性，所以在有限元分析初始，必须选择适当的网格类型。本热磁脱扣器中载流排和热双金属片的几何形状简单且规则，采用合适规格尺寸的网格划分，计算精度高。塑壳断路器热脱扣器网格剖分图如图3所示。

图3 热脱扣器网格剖分图

3.3 材料特性定义

本文载流排采用的是紫铜，热双金属片采用的是牌号5J20110的热双金属片。其中牌号为5J20110的热双金属片由主动层Mn75Ni15Cu10和被动层Ni36组成，具有高敏感、高电阻、中温的特性。其线性温度范围为：-20℃～150℃，允许使用温度范围为：-70℃～200℃。热脱扣装置所用材料特性如表2所示。

表2 热脱扣器组成材料物理特性表

3.4 热脱扣器电-热-结构耦合分析

按图4所示流程图和表1断路器长延时动作特性表运用ANSYS Workbench对塑壳断路器热脱扣器中进行电场、瞬态热和瞬态结构耦合分析。

图4 热脱扣特性分析流程图

1）冷态通入1.5I整定电流分析

图5 热脱扣器温度分布图

图6 热双金属片热变形偏移量随时间变化曲线图

由图5可知，双金属片固定端温度最高，自由端温度最低，且温度层阶梯变化。由图6可知，热双金属片热变形偏移量随着时间的增加而增大。刚开始时，热双金属片热变形偏移量变化较快，而后随时间的增加热双金属片热变形偏移量趋于平稳，稳定后的最大偏移量为2.5 mm，小于热脱扣所需行程。

图7 热脱扣器温度分布图

图8 热双金属片热变形偏移量随时间变化曲线图

图9 热脱扣器温度分布图

图10 热双金属片热变形偏移量随时间变化曲线图

4 试验验证

采用大电流试验回路分别对塑壳断路器按表1中要求进行热脱扣试验，通过数据采集系统记录塑壳断路器热脱扣时间，断路器脱扣时间如表3所示。

表3 热脱扣时间测量结果表

5 结论

1）本文以塑壳断路器热脱扣器为对象，根据热脱扣器的工作原理和结构，理论计算了热脱扣装置中热双金属片的曲率、挠度以及热双金属片热弹性变形产生的推力。并运用三维有限元仿真软件ANSYS采用电-热-结构耦合分析方法，研究了热脱扣器在不同过载电流情况下的温度分布规律及冷态动作特性曲线等关键特性。最后通过样机试验进一步验证了该仿真方法的有效性和准确性。

2）本仿真分析可用于验证各种规格、型号塑壳断路器热脱扣器瞬态仿真分析，为以后设计和优化热脱扣器提供方法、依据。该研究对于热脱扣器的设计开发具有一定的指导意义。

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Simulation Analyses of Characteristics of MCCB Thermal Release based on ANSYS Workbench

Kong Fanliang1, Cao Pengfei2, Xiao Wenhua2, Xiao Qing1

（1. Wuhan Changhai Electrical Technology Development Co., Ltd., Wuhan 430064, China ; 2. Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China）

The thermal-magnetic release is an important part of the molded case circuit breaker(MCCB), it is of the function of long-time delay protection for the MCCB against overload current. In this paper, according to the working principle of the thermal-magnetic tripping device, the curvature, deflection andelastic deformation thrust of bimetallic strip are calculated. The finite element model of the release is established by using the 3D simulation software ANSYS. Then, based on the electricity-heat-structural coupling method, the temperature distribution and cold action characteristic of the release under several conditions of different current settings are obtained, which provide a basis for designing and optimizing of the release.

TM561

A

1003-4862（2021）04-0050-04

2020-09-29

孔凡良（1990-），男，工程师。研究方向：开关电气设备。E-mail：kongjinliang001@163.com