塑壳断路器热双金属片动作特性仿真分析

塑壳断路器热双金属片动作特性仿真分
析
摘要：塑壳断路器是低压配电网络中不可缺少的重要电器元件，用来切断故
障线路，防止故障范围的扩大，从而削弱供配电线路由于线路过载或短路造成的
严重后果，已经被广泛应用于航空航天、船舶、汽车及家用电器等领域。

其中，
热脱扣器是使用最为广泛的一类脱扣装置，而热双金属片是决定热脱扣器工作稳
定性的核心热敏感元件，其热变形的准确性直接影响到塑壳断路器的可靠性和供
配电系统的安全性。

在线路中，电流流经热双金属片时，通过直接通电发热进行
傍热式加热或者复合加热等方式，使双金属发生弯曲变形、塑壳断路器发生脱扣，从而实现线路保护的功能。

关键词：塑壳断路器；热双金属片；特性仿真
引言
近年来，为了缩短研发周期、降低验证成本，国内外专家学者对热双金属片
的动作特性计算进行了大量研究。

文献[5]基于温度场分布模型，通过仿真和实
验分析，计算了热双金属片的瞬态温度和形变分布；文献[6]通过电-热-结构间
接耦合仿真的方法，对热双金属片的应力场、位移场进行了分析；文献[7]通过
有限元仿真的方法，对热双金属片进行了优化设计，分析了不同形状参数对形变
稳定性的影响。

1小型断路器导电回路电阻
热双金属薄膜的驱动是由热变形引起的，而断路器的热主要是由电路电阻的
焦耳热效应引起的。

为此，热双金属模拟的第一步是计算断路器中的负载电流保护。

一种小型断路器电路。

电路电阻包括传导电路铜线固有的内部电阻R0、双金
属输入阻抗1、SP2、软体式内部阻抗3、夹紧杆的接触电阻RC以及端子的接触
电阻RK共6部分组成。

2热脱扣器工作原理介绍
热脱扣器是由热双金属片、电流输入接线端、电流输出接线端和导线组成。

当线路中通过电流时，流经热双金属片的电流会产生热量，金属片在热场的作用
下发生弯曲变形，从而推动断路器脱扣机构运动，
3双金属片优化设计流程
传统的分支板设计过程由一组不同强度材料的热弯曲性能组成，通过实验设
计可以限制DOE方法的研究，但实验成本高于材料特性，例如弯曲。

但在应用方面，理想的是，双金属材料不同形状的热变形状态和动态特性不同。

对于具有单
个函数的简单梁形状，如果使用理论和经验方程式，通常可以获得近似值。

对于
复杂形状，只能通过样品进行分析和优化。

这无疑增加了产品的开发成本。

为此，我们想用非线性解决方案和有限元方法取代其中的大部分试验项目，以降低开发
成本，缩短开发周期。

4热双金属片曲率和挠度理论计算
图1为热双金属片受热变形示意图，该双金属片为简支梁结构，两端均未固定。

图2 热双金属片受热变形图（简支梁结构）
理论计算热双金属片的曲率和挠度为：
比弯曲K的计算公式为：
热双金属片的变形挠度为：
其中：a1、a2为被动层和主动层的热膨胀系数；t为双金属片的厚度；ρ为双金属片的曲率半径；T0、T1为双金属片的初始温度和加热后温度。

5层双金属片优化设计流程如下
材料性质(包括电阻值、杨氏模量、蒲松氏比常数、线毗连系数等)。

)对于单个材料，通过查询数据和材料性能实验来确定。

将材料性质取代为均匀阻抗方程式、淀粉方程式、由钢筋造型组成的方程式，可设定一个目标值，以产生单层增厚解决方案。

由于方程式群组不是线性的，因此解决方案会使用取代公式来验证结果的精确度。

如果精度不足，则在上述过程中调整输入数据(例如重复材料性能试验等。

如果精度足够高，则加厚结果、材料特性和局部形状将用作有限元分析的初始数据，以生成仿真结果，例如电阻、功能区挠曲等。

来获得。

将仿真结果与性能测试和理论计算进行比较，例如高度匹配，表明所创建的重压弯曲模拟平台对两块金属有效，以后可与平台工具一起用于开发和选用新的双金属元件，部分取代试验。

6热双金属片推力计算
一般情况下，热双金属片在工作过程中，需要带动脱扣机构运动。

当温度升高时，热双金属片产生变形，在接触到脱扣机构时，会受到阻挡作用力。

一般情况下，热双金属片在工作过程中，需要带动脱扣机构运动。

当温度升高时，热双金属片产生变形，在接触到脱扣机构时，会受到阻挡作用力。

热双金属片推力P为：
由热双金属片推力产生的变形量为：
此时热双金属片的实际变形量Bz为：
其中：B为双金属变形挠度值；w为双金属宽度值。

7材料属性数据
当额定电流通过双金属膜时，电阻和热条件决定温度升高的速度，而元组层厚度与热膨胀系数的比率决定了元件在温度升高时弯曲的程度。

较小的断路器使用热膨胀系数较高的材料做为作用中的层或称为Hess的层，该层根据元件分为cunimn系列和fenimn系列(或FeNiCr)。

Mn72Ni10Cu18、FeNi20Mn6模型通常设计用于高值、相对高灵敏度的高灵敏度电阻率金属。

效率效率由于其推导良好，经常被用作调节抗御能力的流动层。

由于热膨胀系数非常低，因此通常用于被动或低膨胀。

大多数材料性质表示温度的非线性相依性，通常是从作业温度计算得出的。

这限制了在创建样品和进行性能测试之前对两块金属复合材料热弯曲特性的认识。

8仿真模型的建立
利用有限元仿真分析软件Ansys建立某型号小型断路器仿真模型，小型断路器网分模型;导电回路的材料属性;热双金属片材料参数。

其触头压力为4．5N;操作机构热双金属片位置的脱扣力设计值0．56N，脱扣行程设计值0．75mm。

建立的模型作如下等效假设:(1)触头接触、接线柱接触电阻串接入导电回路。

(2)热双金属片设置主动层和被动层，并按照比弯曲参数调定热膨胀系数。

(3)按照
GB10963．1—2020规定的长度和截面积，建立外连接线模型。

9试验和仿真结果对比
实验和仿真更准确地反映了两块金属在温度变化不同阶段的力和变形，相对于温度的理论计算。

测试五个取样点的温度变化；实验和模拟的复原力；实验和模拟的变形强度。

仿真值类似于研究结果。

请注意，节点6的模拟结果与模拟结果有很大差异。

分析发现，在中，温度急剧上升2.55度，过程仅为10s，没有热平衡，标签的热电偶尚未捕获数据。

因此，此数据不会影响仿真结果。

结束语
本文以塑壳断路器热双金属片为研究对象，从理论分析出发，计算了热双金属片的曲率、热推力以及在外力作用下的真实变形量，并通过电-热-结构耦合仿真分析的方法，研究了热双金属片在典型过载电流下动作特性曲线的变化，最后通过热双金属挠度测试平台验证了该仿真方法的正确性和有效性。

该仿真方法的引入有效缩短了塑壳断路器的研发周期，同时降低了研发验证成本，具有较强的研究意义和应用价值。

热双金属片因其结构简单、工作可靠，仍是低压电器产品中常用的保护设计方案，在小型断路器中应用尤其广泛。

本文借助仿真技术，探讨了小型断路器热双金属片的一般设计方法以及技术参数的调节方法。

随着我国低压配电领域理论和技术研究的深化，更精准、环境适应性更强的产品热过载保护性能设计必然获得进一步完善和优化。

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