TSE觸頭電動力與電流關系的分析研究

陳紅群

摘要：轉換開關電器的動觸頭通過電流時，會產生電動斥力，造成觸頭壓力的減小，同時接觸電阻增大，甚至可能會導致觸頭虛接或者斥開，嚴重的情況下觸頭將會熔焊或燒毀，影響供電的穩定性。

關鍵詞：轉換開關電器；電動斥力；觸頭壓力；供電穩定性

觸頭壓力是轉換開關電器（簡稱TSE）的一個重要參數，觸頭壓力直接關系到觸頭的發熱進而影響TSE的溫升性能。TSE的觸頭壓力F是由彈簧或者彈簧片提供的，當電流通過觸頭時，動靜觸頭間由于電流收縮產生霍姆力FH，從而導致觸頭壓力減小，當電流很大時，霍姆力也會變得很大，因此需要考慮電動力補償結構。文獻[1]用Ansys對兩種不同觸頭預壓力相同電流情況下的電動斥力進行了仿真分析。通過ANSYSWORKBENCH計算出觸頭之間的接觸半徑，在三維建模軟件中建立觸頭電接觸有限元模型，導入ANSYSWORKBENCH模塊進行電流場和電磁場分析，從而仿真得出接觸系統的電流密度分布和電動斥力。針對一種斷路器觸頭結構，通過Ansys對比了不同觸頭補償結構在收到短路電流沖擊情況下所受到的電動力。

本文基于一種具有電動力補償裝置的觸頭結構，通過Ansys的仿真分析不同電流的情況下的觸頭電動力，從而有助于確定在通電情況下使觸頭保持最優性能的最優觸頭壓力。

1 模型的建立與力學系統分析

下圖是本文分析的一種具有電動力補償裝置的觸頭結構，該觸頭結構由兩個動觸頭（編號3）對稱布置于靜觸頭兩側（編號1），當電流流過動、靜觸頭時兩個動觸頭就會產生平行導體電動力FL，根據右手定則可知該力是吸力。

1.靜觸頭2.觸頭彈簧3.動觸頭

一種具有電動力補償裝置的觸頭結構圖

除了平行導體電動力之外，觸頭間在通過電流的情況下還會產生霍姆力FH，以及彈簧提供的觸頭壓力Fk。由這三個力共同組成通電情況下動觸頭的力學系統，該合力值F合即為通電情況下觸頭所受到的壓力，可由公式（1）表述：

F合=FkFH+FL（1）

2 電動力的假設及計算

2.1 觸頭間的HOLM力

平行導體導體電動力的本質就是洛倫茲力，由于洛倫茲力和霍姆力產生機理不相同，所以在計算時需要分別考慮，動靜觸頭接觸處具有電流電位場，并滿足關于接觸面和導電斑點的假設。圓柱形接觸導電的截面半徑為B，導電斑點超導小球的截面半徑為b，電動斥力FH滿足如下公式：

FH=μ04πI2lnBb（2）

將經驗公式F=ξHπb2帶入上式中，可得到如下公式：

FH=μ04πI2lnξHπB2Fk（3）

式中Ι——流經收縮區導體的電流（A）；

ξ——跟觸頭表面接觸情況有關的系數，其范圍在0.3～06之間；

H——材料的布氏硬度（N/mm2）；

Fk——接觸力（N）。

2.2 導體間的洛倫茲力

本文采用恒定磁場的方程來計算電流密度和磁通密度的分布，對整個模型區域進行劃分，將電流密度作為激勵，計算其產生的三維磁場，最后根據公式（4）計算出作用在每個單元上的電動斥力Fi。其中 Ji 為每個單元的電流體密度，Bi 為單元的磁感應強度。

Fi=Ji×Bi（4）

導體的體積為V，則作用在導體上的電動力F可用公式（5）表示：

F=∫FidV（5）

因為本文中的觸頭結構為平行導體結構，所有該觸頭結構所受的洛倫茲力可由平行導體電動力公式（6）進行計算：

FL=2×107I2d0l（6）

式中 d0—— 兩平行導體間間距；

l —— 導體長度。

3 變觸頭尺寸的電動力仿真分析

仿真模型搭建。在CREO2.0軟件中對ATS觸頭部分進行三維模型的建立，并在觸頭模型的外部建立一層空氣場。本文采用直接耦合的方法，同時計算出電流密度、磁場密度和觸頭所受的力值F′，該力值由公式（7）表示。

F′=FLFH（7）

電流密度分布是未知量，因而仿真中將電流值作為輸入，設置觸頭兩端電壓值，并對整個模型外層表面設置磁力線平行的邊界條件，然后對結果進行求解，電觸頭仿真。

4 結論

為提高電力系統供電穩定性，避免出現觸頭熔焊或燒毀現象，本文使用Ansys對觸頭結構進行仿真，根據仿真結果得到以下結論。

（1）該觸頭結構Fl和FH的合力F′為吸力，該觸頭結構具有電動力補償作用；

（2）當電流小于該額定電流的20倍時，吸力值基本上為0，當電流大于5000A左右時，吸力急劇增加；

（3）根據電流與吸力的關系曲線為最終確定最優觸頭壓力值FK提供了一定的理論指導。

參考文獻：

[1]戴水東，洪黎歡.基于ANSYS的低壓斷路器電動斥力計算分析[J].電器工業，2013（2）.