低压断路器有限元仿真浅析

彭胜吉，吕勇

(1.沈阳电气传动研究所(有限公司)，辽宁 沈阳 110141;2.辽宁省产品质量监督检验院，辽宁 沈阳 110032)

1 引言

低压断路器是低压配电支路的主开关，主要由触头系统、灭弧系统、各种脱扣器及开关机构等主要部分组成。其中开关机构是低压断路器的重要组成部分，它是实现操作手柄和各种脱扣器对触头的分闸与合闸控制，它的性能直接影响断路器的开断能力。对其分析涉及到机构的静力学、动力学、材料力学、电磁学、热力学、电接触等多学科知识领域。应用虚拟样机技术中的仿真对低压断路器的设计与优化提供了高效、便捷的手段，与传统作图的方法来获得每个时刻机构的运动位置以及通过大量试验来确定设计方案相比，大大减少了工作量，提高了准确性。

2 低压断路器的仿真研究概述

目前对断路器的仿真研究包括了脱扣机构电磁仿真、断路器分断电弧仿真、触头和双金属片的力学仿真和热仿真、断路器的操作机构的动力学仿真等。

在脱扣机构电磁仿真研究中，利用有限元分析技术来计算电磁系统的磁场分布和磁场力，主要包括以下方法:(1)采用三维矢量场分析软件包Vector Fields对瞬时脱扣器建立了三维有限元模型，对其磁场分布及静态吸力特性进行计算，同时采用磁路的方法计算瞬时脱扣器的静态特性;(2)利用ANSYS软件二次开出发磁场分析与吸力计算程序，在不同的参数下，自动调用ANSYS批处理脚本文件，计算电磁铁三维有限元模型的吸力特性和磁场分布;(3)基于ANSYS软件对电磁铁三维工频磁场进行分析，根据交流电磁吸力的平均值的直流等效原理，分两步计算衔铁吸力，并利用ANSYS优化设计方法对铁心厚度进行优化设计。

在分断电弧仿真研究中，根据电弧仿真模型，研究分断电弧的动态特性，对低压断路器的设计具有重要意义。国内外学者做出了大量有益的工作:(1)利用二维电弧仿真模型进行分断电弧的仿真;(2)基于磁流体动力学(MHD)理论，建立了三维电弧动态模型，并对电弧的运动特性进行仿真分析;(3)对稳态电弧和动态电弧分别进行仿真，介绍不同介质下开断电弧的动态特性。

在触头的仿真研究中，主要研究触头电动斥力方面。包括:(1)在考虑电弧电流分布和电弧直径变化影响的基础上，采用有限元方法分析低压断路器触头系统的分断电流的电动斥力;(2)利用霍尔姆公式和三维有限元分析软件ANSYS，计算短路开断过程的电动斥力，分析短路情况下电动斥力对低压断路器开断过程的影响;(3)在考虑铁磁物质的影响的前提下，根据电流一磁场一电动斥力之间的方程，应用三维有限元非线性分析，引入圆柱导电桥模型作为接触点模拟触头问的电流收缩，计算触头间的Holm力和动导电杆上的Lorentz力。

在双金属片及热仿真研究中，有建立低压断路器离散热路模型，分析其稳态热特性，对工作状况下有外壳和无外壳的断路器的热仿真环境进行分析;有采用综合考虑负载作用力及温度影响的分析条形双金属片的截面力一力矩平衡法，将双金属片用等效网络表示，用网络分析手段求解温度继电器、热继电器的工作参数，分析在比弯曲最大的条件下各层界面和表面的应力关系。

为了更好的对低压断路器进行仿真研究，人们合理利用了大量的面向工程设计应用的软件，其中ANSYS软件在各行各业应用广泛，可以对包括热、电、磁、流体和结构等诸多模型进行分析求解，解决复杂、庞大的工程项目，为致力于高水平的科研攻关提供了一个优良的工作环境，使人们从繁琐、单调的常规有限元编程中解脱出来。本文基于ANSYS有限元分析软件，对低压断路器有限元仿真分析系统进行描述，包括前处理、加载和求解、后处理三个阶段的程序系统。

3 低压断路器有限元仿真分析的技术与过程

3.1 低压断路器有限元仿真分析的系统流程

有限元分析包括前处理、加载和求解、后处理三个阶段。其中，前处理包括定义单元类型、定义材料属性、创建几何模型、网格划分;后处理包括结构变形的显示、节点单元列表显示、参数等值线分布图和云纹图显示、变形动画显示等。

3.2 低压断路器的有限元分析的前处理

3.2.1 定义单元类型

ANSYS的单元库中提供了200多种单元类型，每个单元都有唯一的编号，如LINK1、PLANE13、BEAM3和SOLID45等，几乎能解决大部分常见的问题。通常，选择单元的原则是尽量选用维数较少的单元来达到预期效果，优先选择顺序依次为点、线、面、壳、体。对于复杂结构分析，应当考虑建立两个甚至更多不同复杂程度的模型做对比分析，尽量获取最佳分析效果。本文以低压断路器的连杆为例，选用的单元类型是8节点体单元Solid45。

3.2.2 定义材料属性

当对零件进行结构分析时，需要定义材料的弹性模量、泊松比等属性。本文选用调质40Cr作为连杆材料，其弹性模量E=2.05×1011N/m2，密度ρ=7.85×103kg/m3，泊松比 μ =0.28，抗拉强度 σb=980MPa，屈服强度σs=785MPa。

3.2.3 创建几何模型

ANSYS可以利用自带的Design Modeler进行实体建模，同时支持外部模型的导入，对于复杂图形可以在UG、Pro/E、SolidWorks等专业绘图软件中完成，然后再导入ANSYS中。本文在SolidWorks中创建低压断路器的连杆模型和轴模型，再导入ANSYS中。图1为低压断路器的连杆模型。

图1 低压断路器的连杆模型

3.2.4 网格划分

在完成实体建模之后，要进行有限元分析，需对模型进行网格划分—将实体模型转化为能够直接计算的网格，生成节点和单元。ANSYS的网格划分有两种:自由网格划分(Free meshing)和映射网格划分(Mapped meshing)。自由网格划分主要用于划分边界形状不规则的区域，它所生成的网格相互之间是呈不规则排列的，对于复杂形状的边界常常选择自由网格划分，自由网格对于单元形状没有限制，也没有特别的应用模式，缺点是分析精度往往不够高。与自由网格划分相比较，映射网格划分对于单元形状有限制，并要符合一定的网格模式，映射面网格只包含四边形或三角形单元，映射体网格只包含六面体单元，映射网格的特点是具有规则的形状。本文采用自由网格划分，如图2所示。

图2 连杆的网格划分

3.3 低压断路器的有限元分析的加载和求解

3.3.1 施加载荷

ANSYS中将载荷分为:(DOF约束)自由度约束、集中力载荷、面载荷、体载荷、惯性载荷、耦合场载荷6大类。载荷可以施加在实体模型上，例如施加在关键点、线、面等，或直接施加于有限元模型上(如节点、单元等)。ANSYS将自动把施加在实体模型上的载荷转换为有限元模型上后进行求解。

3.3.2 求解

求解是ANSYS通过有限元方法建立联立方程并计算方程的结果。求解设置上，需要根据所分析问题的类型进行预先评估再选择合理的求解器，再进行求解。

3.4 低压断路器的有限元仿真分析的后处理

对模型进行有限元分析后，通常需要对求解结果进行查看、分析和操作等后处理。用ANSYS软件处理有限元问题时，建立有限元模型并求解后，并不能直观地显示求解结果，必须用后处理器才能显示和输出结果。图3为连杆的应力图。

图3 连杆的应力图

4 结论

本文以低压断路器中的连杆为例，阐述了低压断路器的有限元仿真分析技术与过程，通过ANSYS软件对低压断路器进行仿真分析，能够快速准确地计算出低压断路器主要零部件(包括连杆、轴、跳扣、锁扣、牵引杆、颊板、支架、动静触头等)的受力情况与应力分析结果，为虚拟仿真技术在低压断路器中的应用奠定了基础。

［1］沈钰，马覆中.真空断路器的动态仿真与性能改进［J］.高压电器，1999，35(5):12－13，36.

［2］陈旭等.低压断路器开断性能的仿真研究［J］.电工技术学报，2001，10:46－50.

［3］邓凡平.ANSYS10.0有限元分析［M］.北京:人民邮电出版社，2007:1.

［4］向洪岗，陈德桂，李兴文，等.应用有限元方法分析塑壳断路器磁脱扣器的动作特性［J］.西安交通大学学报，2005，8:891－895.

［5］杜凤山，郭振宇，李亮.低压断路器脱扣性能的有限元仿真［J］.电子元件与材料，2004，8:30－32.

［6］何彬峰，刘晓华，李立斋.基于ANSYS的含运动部件机构的动力学仿真新方法［J］.科学技术与工程，2007(7).