CN110135003A - 一种评估低压断路器触头系统可靠性的方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种评估低压断路器触头系统可靠性的方法及系统，其中，评估低压断路器触头系统可靠性的方法包括如下步骤：S1：仿真分析所述触头系统在多种接触状态下的所述接线端的温升，获得多个第一温升结果；S2：实际测量所述接线端在工作状态的温升，获得第二温升结果；S3：将所述第二温升结果与所述多个第一温升结果相比对，依据比对结果判定所述低压断路器的可靠性。本发明提供的评估低压断路器触头系统可靠性的方法，通过模拟仿真，获得触头系统在多种接触状态下的所述接线端的温升，再将实测温升与仿真结果比对，以判断触头系统的接触状态，实现了在线评估，同时，评估方法准确性高。
Description
技术领域
本发明涉及电器设备技术领域，具体地说，是一种评估低压断路器触头系统可靠性的方法及系统。
背景技术
断路器是终端配电系统中使用最广泛的低压电器产品之一，不仅可以用来接通、分断正常的负荷电流，还可以在系统出现过载、短路的情况下，自动切断电路，从而防止配电网络和工业设备因过载和短路等故障而破坏。
断路器包括：驱动机构、传动机构、触头系统和接线端，触头系统包括：动导电杆、动触头、静触头以及静导电杆，接线端包括：进线端和出线端，接线端是承担触头系统与供电线路连接的重要零部件。驱动机构通过传动机构驱动动触头接触或远离静触头，以此来实现断路器的合分闸运动，随着断路器合分闸过程次数的增加，断路器的驱动机构和传动机构会产生行程的改变，特别是断路器本身的机械振动和弹簧的疲劳使用，都会改变动触头的行程。同时随着动触头和静触头的碰撞次数的增多，触头之间的磨损和剧烈的燃弧现象使得动静触头烧蚀，造成动触头的运动行程改变。随着动静触头开距的改变量达到一定程度时，会影响断路器合分闸的可靠性，导致合闸不到位、燃弧时间过长，甚至烧毁触头。
目前，断路器的触头系统可靠性评估时，不能在线带电检测，需要将断路器从设备中拆除下来送检，才能获知断路器的各项性能参数。另外，在常规检测中，无法及时发现与预防断路器的工作故障，易导致严重的安全事故，特别是动触头的行程不易检测和调整、动静触头的烧蚀损坏状态不可获知，都会给设备的安全运行埋下隐患。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种评估低压断路器触头系统可靠性的方法及系统，可以在线评估低压断路器触头系统可靠性，同时评估结果可靠。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种评估低压断路器触头系统可靠性的方法，所述低压断路器包括：触头系统和接线端，包括如下步骤：
S1：仿真分析所述触头系统在多种接触状态下的所述接线端的温升，获得多个第一温升结果；
S2：实际测量所述接线端在工作状态的温升，获得第二温升结果；
S3：将所述第二温升结果与所述多个第一温升结果相比对，依据比对结果判定所述低压断路器的可靠性。
进一步地，步骤S1中，仿真分析所述触头系统在其中一种接触状态下所述接线端的温升的方法具体包括如下步骤：
S11：建立三维模型，所述三维模型包括：触头系统模型和接线端模型，所述触头系统模型中包括：动触头模型、静触头模型和等效模型，所述等效模型连接于所述动触头模型和所述静触头模型之间，用于等效所述触头系统的接触状态；
S12：对所述三维模型进行仿真分析，获得所述接线端模型的温升，记为所述第一温升结果。
进一步地，所述步骤S12具体包括如下步骤：
S1201：采用电磁谐波分析方法计算出所述触头系统模型的发热功率；
S1202：计算出外接导线对外等效的散热功率；
S1203：将所述触头系统模型的发热功率作为热源、所述外接导线对外等效的散热功率作为边界条件，进行热流耦合求解，得到所述接线端模型的温升。
进一步地，所述步骤S1201中，所述电磁谐波分析方法是基于麦克斯韦方程组的一种电磁场求解方法，计算过程中考虑趋肤效应与涡流效应，得到所述触头系统模型的发热功率。
进一步地，所述步骤S1202中，所述外接导线对外等效的散热功率计算方法为：
式中，W为所述外接导线对外等效的散热功率，Tterminal为所述接线端模型的温度，Tr为所述外接导线的温度，αmod为所述外接导线的散热系数，B为所述外接导线的截面周长，Ac为所述外接导线的截面积，λc为所述外接导线的热导率。
进一步地，所述步骤S1203中，所述热流耦合求解是采用计算流体力学对所述三维模型进行传热计算，计算时将电磁场的发热功率计算结果进行耦合，并考虑热传导、热对流和热辐射三种传热方式以求解得到所述接线端模型的温升。
进一步地，所述步骤S11中，所述等效模型为矩形块状。
本发明还提供了一种评估低压断路器触头系统可靠性的系统，包括：
第一模块，用于仿真分析所述触头系统在多种接触状态下的所述接线端的温升，获得多个第一温升结果；
第二模块，用于实际测量所述接线端在工作状态的温升，获得第二温升结果；
以及第三模块，用于将所述第二温升结果与所述多个第一温升结果相比对，依据比对结果判定所述低压断路器的可靠性。
进一步地，所述第一模块具体包括：
第一单元，用于建立三维模型，所述三维模型包括：触头系统模型和接线端模型，所述触头系统模型中包括：动触头模型、静触头模型和等效模型，所述等效模型连接于所述动触头模型和所述静触头模型之间，用于等效所述触头系统的接触状态；
以及第二单元，用于对所述三维模型进行仿真分析，获得所述接线端模型的温升，记为所述第一温升结果。
进一步地，所述第一单元中，所述等效模型为矩形块状。
本发明提供的评估低压断路器触头系统可靠性的方法，通过模拟仿真，获得触头系统在多种接触状态下的所述接线端的温升，再将实测温升与仿真结果比对，以判断触头系统的接触状态，实现了在线评估，同时，评估方法准确性高。本发明提供的评估低压断路器触头系统可靠性的系统具有同样的效果。
附图说明
图1是本发明中三维模型的结构示意图。
图中，1.静导电杆模型，2.动导电杆模型，3.进线端模型，4.出线端模型，5.等效模型。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
一种评估低压断路器触头系统可靠性的方法，所述低压断路器包括：触头系统和接线端，包括如下步骤：
S1：仿真分析所述触头系统在多种接触状态下的所述接线端的温升，获得多个第一温升结果，接触状态可以为正常电接触状态、轻微故障接触状态或严重故障接触状态。
仿真分析触头系统在其中一种接触状态下接线端的温升的方法具体包括如下步骤：
S11：在三维建模软件中建立同时适用于电磁场和热流场的三维模型，电磁场和热流场共享计算模型并且计算结果可以进行耦合，使得计算方便、准确、高效。如图1所示，三维模型包括触头系统模型和接线端模型，其中，触头系统模型包括：静导电杆模型1、动导电杆模型2、以及等效模型5，动触头模型和静触头模型分别位于动导电杆模型2和静导电杆模型1上，等效模型5连接于动触头模型和静触头模型之间，用于等效触头系统的接触状态，等效模型为矩形块状。接线端模型包括：进线端模型3和出线端模型4。三维模型需设置考虑多种触头故障状态下的接触电阻值，通过改变接触电阻值的大小来模拟触头系统的接触状态。
S12：对所述三维模型进行仿真分析，获得所述接线端模型的温升，记为所述第一温升结果。
具体包括：
在计算触头系统模型和接线端模型的发热功率时，必须知道材料的电阻率，在计算温度场时，必须知道材料的热导率。导体和接触电阻的电阻率与热导率分别通过求解电阻公式(1)与魏德曼弗朗兹公式(2)获得。
式中，ρe和λc分别为电阻率与热导率，Re为实验测得电阻；s和l分别为模型中对应部位的横截面积与高度；L为洛伦兹系数,其值取2.4E-8(V/K)2；T为热力学温度。
计算触头系统模型的发热功率时采用电磁谐波分析，是指采用软件ANSYSWorkbench的电磁场分析模块Maxwel l进行电磁场计算，考虑趋肤效应和涡流效应，利用软件中自带的涡流求解器获取整个触头系统模型的发热功率。发热功率分布的计算主要是基于麦克斯韦方程组来求解似稳电磁场，通过Maxwell自动求解麦克斯韦方程组来得到发热功率的分布。
为了增加计算结果的准确性，考虑了外接导线对触头系统的散热，是指低压断路器通过外部接线端子向外传递的热量，电流流过连接导线将产生焦耳发热，而连接导线表面对由连接端传入连接导线的热量有一定的散热作用，因此在计算低压断路器触头系统的温度场时需计算出外接导线对外等效的散热功率，并在传热计算时把外接导线的散热功率当做特定的边界条件来处理，从而得到更准确的温度场。
与接线端模型相连的外接导线的散热功率可以由以下公式确定：
式中，W为所述外接导线对外等效的散热功率，Tterminal为所述接线端模型的温度，Tr为所述外接导线的温度，αmod为所述外接导线的散热系数，B为所述外接导线的截面周长，Ac为所述外接导线的截面积，λc为所述外接导线的热导率。因此可以计算出进线端和出线端的等效散热功率。
之后将计算得到的发热功率作为热源、将接线端模型的等效散热功率作为边界条件导入到CFD软件Fluent中进行求解，考虑了热传导、热对流和热辐射，其原理是求解气流场方程，Fluent通过自动求解气流场方程来得到温度分布。气流场方程是由质量、动量、能量三个方程所组成。在能量方程中，除了将在Maxwell计算的欧姆损耗导入到Fluent中的源项外，还添加了辐射源项，考虑了辐射对GIS温升仿真的影响。另外，在计算过程中考虑了气体浮力对气流场仿真计算的影响。
直角坐标系中的质量守恒方程为：
式中，ρ为气体密度，u,v,w为速度分量，x,y,z为坐标分量。
上式中质量方程表述如下：单位时间内微单元体质量的增加等于对应时间内流入该微单元体的静质量。上式是用于描述从牛顿流体到非流动流体的多种流动现象，是质量守恒方程的原始方程。
直角坐标系中，不可压缩流体的动量方程可以写成：
式中，P为气体压力，λ为导热系数，μ为粘度，g为重力加速度，ρref为环境温度下空气密度。
上式中动量方程表述如下：微单元体中动量对时间的变化等于外界作用在该微单元体的各种力之和。在进行温升仿真过程中，忽略静态气压梯度力，利用Boussinesq近似来考虑浮力，x方向(重力方向)动量方程中添加随密度变化的源项-(ρ-ρref)·g。
能量方程：
式中，H为动态焓，T为温度，V为粘性耗散函数，SR为辐射分量
上式中能量方程表述如下：体力与面力对微单元所做的功和微单元体的静热流量之和等于该微单元体能量的增加率。在能量方程中，通过坐标插值方式将在Maxwell中仿真计算的欧姆损耗源项导入到Flunet中；除此之外，还加入了辐射分量SR，热辐射模型采用的是离散坐标辐射(Discrete Ordinates)辐射模型。
S2：实际测量所述接线端在工作状态的温升，获得第二温升结果。
在实际中，在低压断路器的接线端处安装有温度传感器，该温度传感器可为热电偶或红外温度传感器，通过温度传感器实时监测低压断路器接线端的温度，并对数据进行处理得到该环境下的接线端温升。
S3：将所述第二温升结果与所述多个第一温升结果相比对，依据比对结果判定所述低压断路器的可靠性，具体比对方法可以为：在轻微故障接触状态下，通过步骤S1获得第一温升结果t1,通过步骤S2获得第二温升结果t2，在步骤S3中设置一个温升范围t3，t3＝t1±t4,t4为一固定的数值，若第二温升结果t2属于温升范围t3，则判断触头系统属于轻微接触故障。
本实施例提供的评估低压断路器触头系统可靠性的方法，通过模拟仿真，获得触头系统在多种接触状态下的所述接线端的温升，再将实测温升与仿真结果比对，以判断触头系统的接触状态，实现了在线评估，同时，评估方法准确性高。
本发明还提供了一种评估低压断路器触头系统可靠性的系统，与上述评估低压断路器触头系统可靠性的方法的原理相同，可以相互参考，包括：
第一模块，用于仿真分析所述触头系统在多种接触状态下的所述接线端的温升，获得多个第一温升结果；
第二模块，用于实际测量所述接线端在工作状态的温升，获得第二温升结果；
以及第三模块，用于将所述第二温升结果与所述多个第一温升结果相比对，依据比对结果判定所述低压断路器的可靠性。
本实施例的一可选实施方式中，所述第一模块具体包括：
第一单元，用于建立三维模型，所述三维模型包括：触头系统模型和接线端模型，所述触头系统模型中包括：动触头模型、静触头模型和等效模型，所述等效模型连接于所述动触头模型和所述静触头模型之间，用于等效所述触头系统的接触状态；
以及第二单元，用于对所述三维模型进行仿真分析，获得所述接线端模型的温升，记为所述第一温升结果。
本实施例的一可选实施方式中，所述第一单元中，所述等效模型为矩形块状。
本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。
Claims (10)
1.一种评估低压断路器触头系统可靠性的方法，所述低压断路器包括：触头系统和接线端，其特征在于，包括如下步骤：
S1：仿真分析所述触头系统在多种接触状态下的所述接线端的温升，获得多个第一温升结果；
S2：实际测量所述接线端在工作状态的温升，获得第二温升结果；
S3：将所述第二温升结果与所述多个第一温升结果相比对，依据比对结果判定所述低压断路器的可靠性。
2.如权利要求1所述的评估低压断路器触头系统可靠性的方法，其特征在于，步骤S1中，仿真分析所述触头系统在其中一种接触状态下所述接线端的温升的方法具体包括如下步骤：
S11：建立三维模型，所述三维模型包括：触头系统模型和接线端模型，所述触头系统模型中包括：动触头模型、静触头模型和等效模型，所述等效模型连接于所述动触头模型和所述静触头模型之间，用于等效所述触头系统的接触状态；
S12：对所述三维模型进行仿真分析，获得所述接线端模型的温升，记为所述第一温升结果。
3.如权利要求2所述的评估低压断路器触头系统可靠性的方法，其特征在于，所述步骤S12具体包括如下步骤：
S1201：采用电磁谐波分析方法计算出所述触头系统模型的发热功率；
S1202：计算出外接导线对外等效的散热功率；
S1203：将所述触头系统模型的发热功率作为热源、所述外接导线对外等效的散热功率作为边界条件，进行热流耦合求解，得到所述接线端模型的温升。
4.如权利要求3所述的评估低压断路器触头系统可靠性的方法，其特征在于，所述步骤S1201中，所述电磁谐波分析方法是基于麦克斯韦方程组的一种电磁场求解方法，计算过程中考虑趋肤效应与涡流效应，得到所述触头系统模型的发热功率。
5.如权利要求3所述的评估低压断路器触头系统可靠性的方法，其特征在于，所述步骤S1202中，所述外接导线对外等效的散热功率计算方法为：
式中，W为所述外接导线对外等效的散热功率，Tterminal为所述接线端模型的温度，Tr为所述外接导线的温度，αmod为所述外接导线的散热系数，B为所述外接导线的截面周长，Ac为所述外接导线的截面积，λc为所述外接导线的热导率。
6.如权利要求3所述的评估低压断路器触头系统可靠性的方法，其特征在于，所述步骤S1203中，所述热流耦合求解是采用计算流体力学对所述三维模型进行传热计算，计算时将电磁场的发热功率计算结果进行耦合，并考虑热传导、热对流和热辐射三种传热方式以求解得到所述接线端模型的温升。
7.如权利要求2所述的评估低压断路器触头系统可靠性的方法，其特征在于，所述步骤S11中，所述等效模型为矩形块状。
8.一种评估低压断路器触头系统可靠性的系统，其特征在于，包括：
第一模块，用于仿真分析所述触头系统在多种接触状态下的所述接线端的温升，获得多个第一温升结果；
第二模块，用于实际测量所述接线端在工作状态的温升，获得第二温升结果；
以及第三模块，用于将所述第二温升结果与所述多个第一温升结果相比对，依据比对结果判定所述低压断路器的可靠性。
9.如权利要求8所述的评估低压断路器触头系统可靠性的系统，其特征在于，所述第一模块具体包括：
第一单元，用于建立三维模型，所述三维模型包括：触头系统模型和接线端模型，所述触头系统模型中包括：动触头模型、静触头模型和等效模型，所述等效模型连接于所述动触头模型和所述静触头模型之间，用于等效所述触头系统的接触状态；
以及第二单元，用于对所述三维模型进行仿真分析，获得所述接线端模型的温升，记为所述第一温升结果。
10.如权利要求9所述的评估低压断路器触头系统可靠性的系统，其特征在于，所述第一单元中，所述等效模型为矩形块状。
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| 熊德智等: ""微型断路器灭弧失效分析及性能优化设计"", 《电工技术学报》, vol. 34, no. 11, 9 April 2019 (2019-04-09), pages 2333 - 2341 * |
| 王大洋: ""DZ47-63 C1 型小型断路器热分析"", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技II辑》, 31 March 2015 (2015-03-31), pages 12 - 13 * |
| 陈璧光等: "《电器试验和测量技术》", 31 March 1999, 中国电力出版社, pages: 195 - 196 * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110765689A (zh) * | 2019-10-29 | 2020-02-07 | 广州供电局有限公司 | 断路器温升计算方法和工作状态评估方法 |
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