ACB万能断路器热稳定计算技术

ACB的热稳定计算是瞬态温度场的计算，计算中必须考虑由于触头电动力的变化改变触头压力和接触面积，会影响触点和触头温升，而导电桥的半径也取决于触头电动力。触点及其附近的电流收缩，电流密度和焦耳热密度很高，这里的温升远高于触头其他部分，所以触点的温升决定了触头温升。计算触头温升的关键是要首先求解触点及附近区域的电流密度分布，通过与电动稳定性计算模型一致的触头间导电桥模型，就可将触头电动力计算得到的触点焦耳热分布应用于触头温升计算中，保证准确性。

取和上述电动稳定性分析的同一个模型，计算其热稳定性，在瞬态短路电流下，由于涡流的影响，通过并联触头的电流并不相同，同时每个触头上的电动力和触头压力也不一样，这两方面的原因使得各并联触头的触点温升都不相同。表6-18示出了t=1s时刻触点的最高温升。

表6-18 I=50kA时t=1s时刻各并联触头的触点温升

从表中可见，最外侧触头导电桥温升最高，从外侧触头到内侧触头的导电桥温升逐渐降低，这是由于外侧触头的电流热效应I²t比内侧触头大。

图6-38为最外侧触头温升随时间的变化，从图6-38中可见，触头温升的变化分为两个阶段：在0～0.2s的时间段内，触头温升上升很快，迅速达到400K多；在0.2～1s的时间段内，触头温升上升明显减缓，近似一条直线。

下面分析部分设计参数对触头温升的影响。

在万能断路器的设计中，触头弹簧力是一个关键的设计参数，压力太大会对机构造成很大的负担，并增加操作力，压力太小又会增大接触电阻和触头温升，严重时会被电动斥力斥开。

为了定量地分析触头弹簧力对短时耐受电流的影响，计算在不同触头弹簧终压力F_s下，1s时间内触头最高温升不超过触头材料的软化点910℃时的最大短路电流I_max，见表6-19。

图6-38 I=50kA时最外侧触头温升随时间的变化曲线(www.xing528.com)

表6-19 触头弹簧终压力F_s对I_max的影响（F_s0=100N）

以上可见，从热稳定性的角度，随着触头弹簧力的增大，断路器所能承受的短路电流也越来越大，要将该电流提升到65kA，在其他设计参数不变的条件下，F_s需要增大到约1.25倍，若提升到80kA，F_s需要增大到约2倍，若提升到100kA，F_s需要增大到约3倍。但是从机构电动稳定性的角度，大幅提升触头弹簧力会大大增加机构负载，增加机构零件的应力。

如前所述，万能断路器的设计通常采用尽可能多的并联触头，以减小电动斥力，降低触头温升，当并联触头数目超过10片后，从热稳定性的角度分析触头的温升变化，在保持触头回路的总宽度W₁不变的情况下，分为两种情况：

1）并联触头上总的弹簧力不变，即随着触头数目增多，每片触头上的弹簧力按比例减小；

2）每片触头上的弹簧力不变，即随着触头数目增多，各并联触头上总的弹簧力相应增大。

对于分析的对象，分别针对这两种情况计算10～14片并联触头时的触头温升，对于第一种情况，总的弹簧力为1000N，对于第二种情况，每片并联触头上的弹簧力保持100N不变，触头回路总宽度W₁=60mm。图6-39示出了这两种情况下的触头温升变化。

图6-39 I=50kA时不同并联触头数的触头温升对比

在不改变W₁的条件下，触头中的电流密度不随并联触头数的变化而变化。增加并联触头数目就是减小每片触头的宽度，从效果上来说相当于增大触头长宽比，同时分散了触点热源，利于传热、降低触头温升；另一方面，随着并联触头数的增加，触头电动斥力也在减小，也在一定程度上降低触头温升。这两方面的因素使得增加并联触头数能够明显地降低触头温升。同时，随着触头数目增多，降低温升的效果逐渐减弱。对于第二种情况，相当于在第一种情况的基础上增加触头弹簧力，能够更明显地降低触头温升。