热脱扣器等效热路的优化建立方法

热脱扣器工作原理以电流的热效应为基础，当过载电流通过双金属片时，使双金属片受热弯曲，推动断路器的脱扣轴而使断路器断开。热脱扣器保护特性的计算属于热计算的范畴，可用温度场和热路两种方法进行计算，三维温度场计算工作量大，但准确度高，热路方法准确度稍差但简单，适宜于工程应用，并且也是当前国际上正在发展中的一种新方法，这里介绍热脱扣器保护特性的等效热路计算方法。

自然界有电磁场，也有热场。同为场，它们就有一定的相似性。电磁场中有电路和磁路的概念，热场中也有热路的概念。从传热的机理上，热路、电路与磁路是有差别的，因为在实际应用上没有什么材料能很好地约束热流在一条“路”中运动，而导体和铁磁材料却能把绝大部分电流和磁通约束在其中。从这点上讲，把热场简化为热路，其准确度比电磁场简化电路和磁路的要低，但通过适当处理也可满足工程计算要求。

以下列出稳态和瞬态电路和热路的对应方程：

电路欧姆定律：R=U/I （6-11）

热路欧姆定律：R_T=τ/P_T （6-12）

对图6-14所示的电路和热路可写出下列瞬态方程：

电路瞬态

i=u/R+Cdu/dt （6-13）

热路瞬态

p_T=τ/R_T+C_Tdτ/dt （6-14）

图6-14　电路与类比的热路

根据相似性原理，对电路参数和热路参数进行类比，见表6-5。

表6-5　热路参数与电路参数的类比

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取一额定电流为250A的塑壳断路器热脱扣器为研究对象，脱扣器的整定电流为190A，其临界动作电流为1.1倍的整定电流，即210A，双金属片材料为SJ20110，根据样机测试，热脱扣器动作温度为100K，热脱扣器的结构如图6-15所示，双金属片采用通过热元件间接加热，断路器工作时，主回路电流流过与双金属片紧密接触的加热元件，利用其电阻损耗对双金属片加热，塑壳断路器的加热元件为引线母排的一部分。加热元件产生的热量传递路径如下：首先一部分热量使加热元件本身温度升高，另一部分热量使与其紧密接触的双金属片、磁轭和衔铁支架温度升高。然后，传递给包括衔铁、导电连接、操作机构、灭弧系统及空气间隙在内的导热体，再传给外壳。最后由外壳表面将热量散发到周围环境中去。

采用瞬态热路法建立断路器发热、传热的数学模型。双金属片和磁轭到周围环境有三层介质：①到断路器外壳内壁之间的空气及断路器内部的零件。其传热机制包括传导和对流。②断路器外壳内外壁之间的塑料层。其传热机制为传导。③外壳外壁以外的空气层。其传热机制主要为对流。根据以上传热路径可建立断路器等效热路，如图6-16所示。等效热路为三极断路器中的一相。

图6-15　双金属片的热结构

图6-16　断路器等效热路

断路器等效热路各参数意义见表6-6。

表6-6　断路器等效热路各参数意义

为了计算的简便，并且热路计算的重点为双金属片的发热及动作时间，在进行热路计算时仅将加热体当作唯一热源。加热体的损耗功率P_j可由加热体的电阻和流过加热体的电流求得。其功率可由式（6-15）求得。

式中　I——加热体通过电流（A）；

ρ_m——母线的电阻率（Ω·m）；

l_j，b_j，δ_j——加热体的长度、宽度和厚度（mm）。