短路脫扣器仿真計算

師慧倩，喬卿陽（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

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短路脫扣器仿真計算

師慧倩，喬卿陽
（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

摘要：本文研究的短路脫扣器直接放置在直流斷路器的母排上。當母排出現過載或短路電流時，短路脫扣器感應動作，直流斷路器分斷。短路脫扣器直接由母排感應動作，不受控制回路電源控制，大大增加了斷路器的分斷可靠性。本文運用電磁場分析軟件Ansoft Maxwell對短路脫扣器進行仿真計算，從而驗證設計的可行性與可靠性。

關鍵詞：短路脫扣器磁場仿真

0　引言

短路脫扣器運用于某型號直流斷路器中。

直流斷路器的作用是頻繁的接通或切斷負荷電路，除此之外還要能夠不頻繁的切斷過載或短路電流，對電路起到保護作用［1］。

某型號直流斷路器為切斷過載或短路電流采用了兩種分斷方式。

一種是連接在控制回路的脈沖脫扣器。當有過載或短路電流時，控制回路發出一組脈沖信號，脈沖脫扣器動作，直流斷路器斷開。但是此種分斷方式受制于控制信號，一旦出現控制回路故障，脈沖脫扣器將不會動作，直流斷路器無法切斷過載或短路電流［2］。

另外一種短路脫扣器直接放置在直流斷路器的母排上，當母排出現過載或短路電流時，短路脫扣器感應動作，直流斷路器分斷。此種分斷方式不受控制回路控制，直接由斷路器母排感應動作。但動作時間較脈沖脫扣器長。

兩種脫扣器本質上都是動鐵式電磁鐵。在短路電流發生時，脫扣器的動靜鐵心是否能在較短時間產生足夠的電磁吸力帶動脫扣機構運動，決定著整個斷路器的短路保護功能。因此，短路脫扣器的分析計算有著重要意義。

1　短路脫扣器工作理

短路脫扣器內部結構圖由圖1所示，由靜鐵心組件、彈簧、線圈、動鐵心、底座硅鋼片、磁軛及動、靜整定片等組成。

靜鐵心組件、磁軛、底座硅鋼片以及動鐵心組成封閉磁路。斷路器母排出現過載或短路電流時，磁路中磁通發生變化，當電磁吸力大于彈簧反力時，動鐵心進行吸合運動。動鐵心運動到一定位置時，原本由動鐵心壓住的行程開關由常開觸點變為常閉觸點，線圈回路接通。與此同時，線圈周圍磁場發生變化，線圈中出現感應電流，當線圈電流增大到相應值時，線圈回路中脫扣電磁鐵動作，斷路器實現過載或短路保護功能［3］。

為了調節斷路器的短路分斷電流值，短路脫扣器有一對整定片。整定片為導磁性材料，動整定片可沿脫扣器底部水平移動。整定片可以分走磁路一部分磁通，從而改線圈周圍磁場，調整短路脫扣器短路電流分斷值。

圖1　短路脫扣器內部結構圖

2　仿真建模

本文用電磁場仿真軟件Ansoft Maxwell對短路脫扣器進行仿真計算［4，5］。

相對于專業的三維繪圖軟件如UG、Pro/E等，電磁仿真軟件Ansoft Maxwell在繪圖方面功能較差。因此本文采用較為簡便的方法，將三維模型從專業繪圖軟件Pro/E中導入Ansoft Maxwell中。如圖2所示。

圖2　短路脫扣器仿真模型

a）材料屬性設置

母排與線圈材料為銅，氣球邊界與運動域材料為空氣，其余材料為steel 1010。

b）激勵源添加

母排與氣球邊界的相交面設置為短路電流進出面。設短路電流為10000 A，時間常數為10 ms。

線圈匝數為200匝。

c）運動域設置

動鐵心沿著模型X軸方向運動，質量為650 g。受到彈簧初始力為7 N。其中，彈簧剛度系數為2.26 N/mm，所以動鐵心在整個運動過程中受到反力為：7（N）+2.26（N/mm）*position（position為動鐵心運動距離）。

d）網格剖分和求解設置

由于本次計算是動鐵心吸合過程的仿真，整個過程的磁場都是在變化的，所以求解器選擇瞬態磁場求解器。

3　仿真計算

仿真模型設置好之后就可以進行仿真計算。

3.1仿真驗證

為了使仿真更接近實際情況，對實際樣機具有指導意義，現將線圈仿真電流與實測電流進行對比，如圖3所示。從圖中可以看出，仿真數據和實測數據基本吻合，仿真數據對后續設計和優化具有一定的指導意義。

圖3　仿真與實測線圈電流對比曲線

3.2仿真結果

a）母排的短路電流是時間常數為10 ms，最終增長至10000 A，輸入波形如圖4，其中橫坐標為時間，縱坐標為輸入電流。

b）隨著短路電流的不斷增大，動鐵心受到的吸合力也逐漸增大，當吸合力大于彈簧反力時，動鐵心即開始運動。動鐵心受力如圖5所示，其中X軸為時間軸，Y軸為受力軸。

圖4　母排短路電流隨時間變化曲線

圖5　動鐵心受力曲線

c）動鐵心與靜鐵心的間隙為8mm。當動鐵心受到的吸合力大于彈簧反力時（受力情況如圖5所示），動鐵心即開始運動。動鐵心隨時間位移圖如圖6所示。從圖6可以看出，動鐵心從開始運動到運動到位的時間?t約為15 ms。

d）線圈感應電流隨時間變化曲線如圖7所示。

線圈應電感流的大小以及最大感應電流出現的時間對短路脫扣器分斷短路電流有著直接影響。如圖7所示，線圈感應電流的峰值約為1.1 A。

4　總結

本文通過虛擬樣機技術，對一種短路脫扣器進行合理的簡化建模，通過實驗數據與仿真數據的對比，驗證了模型的可靠性。通電磁場分析軟件Ansoft Maxwell的計算，得到了短路脫扣器的受力曲線、位移曲線及線圈感應電流曲線等數據。對短路脫扣器的優化設計有一定的指導意義。

圖6　動鐵心位移隨時間變化曲線

圖7　線圈感應電流隨時間變化曲線圖

參考文獻：

［1］方鴻發.低壓電器（修訂本）［M］.西安：西安交通大學出版社，2008：72～81.

［2］張冠生.電器理論基礎（修訂本）［M］.西安：西安交通大學出版社，2008：261-285.

［3］劉志遠，紐春萍.現代電器設計方法［M］.西安：西安交通大學電器教研室，2007：102～119.

［4］趙博，張洪亮.Ansoft 12在工程電磁場中的應用［M］.北京：中國水利水電出版社，2010.

［5］王旭平，王淑紅.動鐵式開關電磁鐵的Ansoft 仿真［J］.微電機，2014 （4）：25-28.

Simulation of Short-circuit Releaser

Shi Huiqian，Qiao Qingyang
（Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion，Wuhan 430064，China）

Abstract:The short-circuit-releaser which is studied in this paper is placed on the bus-bar directly.When over-load or short-circuit current of bus-bar occurs，the short-circuit-releaser works of the induction，then DC breaker breaks.The short-circuit-releaser works is affected by bus-bar directly.So the short-circuit-releaser has nothing to do with control system circuit power sources.Reliability of the DC-breaker is greatly increased.Simulation of the short-circuit-releaser was done by Ansoft Maxwell，the feasibility and reliability of the short-circuit-releaser is verified.

Keywords:short-circuit-releaser； magnetic fields； simulation

中圖分類號：TM561

文獻標識碼：A

文章編號：1003-4862（2016）06-0064-03

收稿日期：2016-03-07

作者簡介：師慧倩（1989-），女，助理工程師。研究方向：短路脫扣器。