4、热双金属元件的设计

电力设备电气绝缘国家重点实验室XiXi’’ananJiaotongJiaotongUniversity,ChinaUniversity,China七、热双金属元件设计七、热双金属元件设计七、热双金属元件设计吴翊杨飞纽春萍荣命哲[e-mail]1.双金属片的主要物理性能在进行断路器过载保护元件之一的热双金属设计在进行断路器过载保护元件之一的热双金属设计时，首先必须熟悉热双金属的结构和物理性能。时，首先必须熟悉热双金属的结构和物理性能。•双金属是由不同热膨胀系数的两层金属彼此牢固结合的组合材料。热膨胀系数高的一层为主动层，低的为被动层。•二者的热膨胀系数之差要求大，并在一定温度内保持不变，弹性极限大，两层弹性模型模量相等或接近，化学性能稳定易结合。双金属组合材料1.双金属片的主要物理性能常用主动层材料及其物理性能主动层材料热膨胀系数(20-100℃时)(×10-6/℃)电阻率(20℃)(Ω×mm2/m)弹性模量(N/mm2)Mn75Ni15Cu1027-291.701176003Ni24Cr2180.80196000Ni20Mn6200.79235200Ni19Cr1116.50.80196000常用被动层材料及其物理性能被动层材料热膨胀系数(10-6/℃)电阻率(20℃)(Ω×mm2/m)弹性模量(N/mm2)Ni341.68(20-100℃时)0.82-0.9147000Ni361.5(20-100℃时)0.75-0.85147000Ni425.3(20-300℃时)0.57147000Ni509.7(20-500℃时)0.45171500Ni29Co184.4-5.2(20-400℃时)0.50145040铁镍合金的热膨胀系数，以含镍量为36%为昀小，目前双金属中被动层材料大多数是Ni36.1.双金属片的主要物理性能双金属的热敏感性能热敏感性能用比弯曲K表示。物理意义为：单位厚度的热双金属温度变化1℃时，曲率变化的一半001112Kδθθλλ⎛⎞=−⎜⎟−⎝⎠式中δ-双金属片的厚度；θ-加热后双金属片的温度；θ0-未加热时双金属的温度（+40℃及以下的环境温度）；λ-双金属片变形后的曲率半径；λ0-双金属片未变形的曲率半径，λ0=∞0112Kδθθλ=−（1-1）（1-2）1.双金属片的主要物理性能图中几何尺寸()222Lfλλ=+−Δ（1-3）φlλδfΔL双金属变形示意图22222Lffλλλ=+−Δ+Δ则222Lffλ+Δ=Δ由式（1-3）代入式（1-2）得2201fKLfδθθΔ=×−+Δ（1-4）还可证明()()210132ααθθλδ−−=（1-5）α1、α2为两种金属的热膨胀系数代入（1-4），得()2134Kαα=−比弯曲K2.温度范围与应力温度范围φlλδfΔL•使用应力：承受的应力不超过使用应力时，卸载后基本上能恢复原状；•极限应力：大于使用应力。承受的应力在大于使用应力小于极限应力的情况下双金属片还能工作，卸载后有一定的残余变形。为了热双金属片在实际使用中，不致发生残余变形，施加于双金属上的总应力不应超过使用应力热应力达到热双金属弹性极限时的温度，即为允许使用温度的上限，即允许使用温度范围。允许使用温度范围大于线性温度范围。在线性温度范围以外，允许使用范围温度以内，材料的热敏感性能有所减低。应力3.双金属元件在设计时对材料的考虑a)按照使用温度范围选择双金属材料通常对塑壳断路器来说，过载保护的动作温度在100-130℃之间，所以选择双金属的允许使用温度范围一定要大于工作中可能达到的昀大温度。除此之外，元件的工作温度昀好选在线性温度范围内，以便双金属元件具有昀高的热敏性能。b)根据热双金属元件的加热方式选择材料直热式热双金属元件通电流发热材料多为电阻型双金属，也有选择通用型和高敏型等傍热式热源为旁边的电阻合金电阻合金有镍铬、镍铬铝和镍铜等，而双金属元件多采用5J1480和5J20110复合加热电阻合金与双金属两部分发热线圈加热采用串接的TA互感器的副边电流加热或旁热传导给双金属元件3.双金属元件在设计时对材料的考虑c)考虑双金属材料的机械性能在机械性能中占主要的是材料的拉伸弹性模量E。多数塑壳断路器使用的悬臂梁式元件的设计中，应按式（1-6）计算E，然后将计算值和材料的E值比较。双金属材料的拉伸性能双金属材料的拉伸性能334PLEfbδ=Δ（1-6）式中δ-元件的厚度，mm；L-元件的长度，mm；Δf-元件的位移量（挠度变量），mm；b-元件的宽度，mm；P-元件承受的力，N；双金属材料的昀大负荷双金属材料的昀大负荷昀大负荷应力应按照式（1-7）计算。26PLbσδ=（1-7）计算值应与材料本身的抗拉强度进行比较，只能小于材料的昀大允许负载能力。3.双金属元件在设计时对材料的考虑d)双金属材料的分类类型特点使用场合型号通用型较高的灵敏度和机械强度中等的使用温度范围5J1578、5J1416、5J1480；日本的BL-2、CIY；德国的TB155/78等高灵敏型高灵敏性、热推力大，但抗腐蚀性较差塑壳断路器较大电流规格的旁热式5J20110、日本BR-1等等高温型较高的机械强度和良好的抗氧化性，但灵敏度较低300℃及以上的温度场所5J1070、5J0756、德国的TB1075等低温型性能与通用型相当0℃及以下的温度场所5J1478耐腐蚀型性能与通用型相近适合化工等有腐蚀性介质场所表面镀漆或防腐蚀性能良好的金属特殊型特殊性能特殊场所5J1017，法国R15，日本TM3、BL3电阻型金属片由三层材料组成，主动层与被动层之间的中间层用以调节电阻率额定电流不大于63A的断路器或热继电器的直热式双金属元件5J1306A、5J1306B，新型的R70、R80、R90等等e)对和值的考虑2It2it∫2it∫元件设计时必须考虑材料允许的和导致元件变形和熔断的值2It塑壳断路器的双金属元件与短路保护机构—电磁瞬动脱扣器是串联的。当断路器开断线路的短路电流时，双金属元件耐受的短路电流值必须了解。短路电流有两种性质，一种是电动机保护型断路器要考虑的，另一种是配电保护型断路器要考虑的3.双金属元件在设计时对材料的考虑e)对和值的考虑2It2it∫对于电动机保护型断路器，其双金属元件或电阻合金对短路稳定性的昀低要求是：耐受12倍额定电流。3.双金属元件在设计时对材料的考虑e)对和值的考虑双金属牌号材料厚度（mm）电阻率（20℃）Ρ（μΩ.cm）变形时的熔断时的R1411.25-1.27140±0.73.564.415J201101.0-1.27110±64.115.105J15781.27-1.8081±48.495J14800.8，1.14，1.4080±0.058.495J1455A1.4050±2.57.968.55J1325B1.4025±1.35.926.5R150.8，1.14，1.4015±0.816.418.52It2it∫对于配电型断路器双金属元件可能要承受的短路电流更大，他必须考虑双金属可能产生变形或熔断。变形或熔断时也可以他的或表示。后者单位为2it∫22itS∫()32410/Asmm×22itS∫不同双金属元件在通过短路电流时的变形、熔断特性22itS∫3.双金属元件在设计时对材料的考虑e)对和值的考虑双金属牌号材料厚度（mm）电阻率（20℃）Ρ（μΩ.cm）极限使用温度变形时的熔断时的NC-1051.2520033.442NC-1101.21020019.428.2NC-1151.21530014.020.7NC-1301.2303507.7415.9NC-1501.2504004.2610.2Ni80Cr20110811502.174.491Cr18Ni9170-8210102.174.49铜板各种1.72108384902It2it∫22itS∫22itS∫作为旁热式的发热电阻合金材料的变形、熔断特性3.双金属元件在设计时对材料的考虑e)对和值的考虑2It2it∫当直接在双金属元件上通电发热或通过发热电阻材料发热，将热量传给双金属片，在通过短路电流时，要求断路器约在0.02s内动作，因此双金属元件或电阻合金可看作处于绝热条件，他们的可由下式计算2it∫2201ln1TJcSitTγααρα+=+∫式中J-热功当量，4.186J/K；γ-材料的密度，g/cm3；C-材料的比热，4186.8J/(kg.K)；α-材料的电阻温度系数，I/℃；S-材料的截面积，cm2；ρ-20℃时材料的电阻率，μΩ.cm；T0-环境温度，℃；T-材料的昀高使用温度，℃；4.热双金属元件的设计与计算1)悬臂梁式（直线型）双金属元件形状的考虑1.元件的长度一般不能小于宽度的3倍，宽度不大于厚度的20倍，否则元件动作将不均匀；2.为使元件获得较大的推力，有时选择宽的直形条片，则可在条片的长度方向开槽，以减少横向的应力；3.为承受较大的弯曲应力，同时又保持一定宽度，可将几块条片叠成一组来代替单片2)双元件尺寸必须与占有空间、弯曲应力、结构和装配要求等相适应温度变化是热双金属元件产生位移或推动力的能源，即温度的变化一部分用来产生位移，另一部分用来产生推力。设热双金属元件在温度和外力的同时作用下，其位移量是Δf，当外力P=0时，在相同温度下完全自由状态时的位移量是Δfθ。fmfθΔ=Δ4.热双金属元件的设计与计算4)计算公式直条形热双金属的计算公式元件形状计算公式位移量机械推力热推力外加机械应力26PLbσδ=334bEfPLδΔ=()20kLfθθδ−Δ=()20360kLθθφπδ−=()204kbEPLθθδ−=φδfΔL1.机械推力——在恒定温度下元件产生位移的力。2.热推力——元件的位移受到完全限制时，因温度变化产生的弯曲全部变成力。3.外加机械应力，就是昀大负荷（弯曲）的应力常用形状热双金属元件的尺寸计算公式()23014(1)fPkmbEmδθθ⎡⎤Δ=×⎢⎥−−⎣⎦()232014(1)fPLkmbEmθθΔ=×−−()2204(1)PfVkEmmθθΔ=−−()23220622fPkbEδθθΔ=×−()23032fPLkbEθθΔ=×−()232206fPkbEδθθΔ=×−()2303fPLkbEθθΔ=×−()22016PfVkEθθΔ=−()2322042fPkbEδθθΔ=×−()23042fPLkbEθθΔ=×−δ为双金属元件的厚度，L为双金属元件的宽度，V为双金属元件的体积4.热双金属元件的设计与计算3)计算流程得到最终尺寸计算值m=1/2元件体积最小若尺寸不满足要求m=2/3元件长度最小m=1/3元件厚度最小假定长宽高其中一个尺寸根据公式求解其余两个根据试验结果校正散热条件得到最终的设计尺寸理论与试验偏差导致设计不满足要求4.热双金属元件的设计与计算5)计算公式总结温度变化时的位移量温度变化时的热推力最大负荷1.与材料的厚度成反比2.与材料的长度的平方成正比3.不受材料宽度的影响4.与温度变化值成正比5.与材料的比弯曲成正比1.与材料的宽度成正比2.与材料的厚度平方成正比3.与材料的长度成反比4.与温度变化值成正比5.与材料的比弯曲成正比1.与材料厚度的平方成反比2.与材料宽度成反比3.与材料的长度成正比4.与热推力成正比上述介绍了关于双金属元件的尺寸设计与计算的解析方法。为了更方便直观的完成设计工作，还可以利用ANSYS有限元分析软件进行设计26PLbσδ=()20kLfθθδ−Δ=()204kbEPLθθδ−=5.ANSYS软件设计热双金属元件热双金属元件的设计涉及到热分析与结构分析，对于电阻合金等材料的分析甚至还包括电磁分析。利用ANSYS有限元分析软件，基于ANSYS软件的热分析功能，能够实现热-电-结构的耦合求解传热方式传导对流辐射热分析类型稳态暂态ansys热耦合类型热结构耦合热流体耦合热电耦合热磁耦合热电磁结构耦合5.ANSYS软件设计热双金属元件ANSYS分析软件采用的单位制项目单位长度m时间s质量kg温度℃电流A能量J功率W说明：AN