一種雙磁路大電流脫扣器及其特性仿真分析

周 陽，李寶明，劉 哲

一種雙磁路大電流脫扣器及其特性仿真分析

周 陽1，李寶明2，劉 哲1

（1. 武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064；2. 武漢長海電氣科技開發有限公司，武漢 430064）

大電流脫扣器作為斷路器的核心部件，其性能直接決定斷路器的分斷能力。本文提出了一種雙磁路大電流脫扣器，對雙磁路大電流脫扣器進行了靜態特性和動態特性仿真計算，并與單磁路大電流脫扣器進行了特性對比，結果證明了雙磁路脫扣器需要的反力彈簧的剛度更小，且能更快的切斷短路電流。

直流斷路器 雙磁路 大電流脫扣器

0 引言

 直流配電系統有著有功損耗小、調節迅速、運行可靠等優點，廣泛應用于城市軌道交通、冶煉、船舶、礦產等許多行業。在直流配電系統中，直流斷路器是其安全運行的保證。在系統回路發生短路故障時，直流斷路器的大電流脫扣器動作，使得斷路器分閘，斷開回路，切除故障。其脫扣速度與脫扣的準確性直接影響系統回路的安全性與可靠性，且脫扣速度越快則直流斷路器限流和開斷短路電流的能力越強[1]。因此，尋求脫扣速度更快、脫扣電流值更準確的脫扣器，一直是直流斷路器設計研發的重點。

本文針對目前直流大電流脫扣器所存在的缺點，提出了一種雙磁路式大電流脫扣器，對其靜態力特性和動態特性均進行了計算研究，與現有常用大電流脫扣器特性進行了對比，為大電流脫扣器的研發提供了新的方向。

1 雙磁路大電流脫扣器結構及工作原理

目前一般大電流脫扣器結構如圖1所示。主要由靜磁軛、動鐵芯、反力彈簧、彈簧調節桿組成。其工作原理可簡述如下：承載主回路電流的銅排從靜磁軛中穿過，根據所需的整定值預先調節反力彈簧力值，當銅排承載電流為額定電流時，反力彈簧力大于銅排上電流產生的電磁力，動鐵芯保持不動；當出現短路工況時，電流迅速上升到預設的整定值時，動鐵芯所受到的電磁力大于彈簧反力，動鐵芯向下運動并帶動相應的脫扣部件一起動作，使得斷路器脫扣分閘，切除故障以保護系統。這種電磁式的大電流脫扣器有著結構簡單、動作速度快、功能可靠、不需額外的電源和信號等特點。

圖1 傳統結構的大電流脫扣器

隨著現代直流牽引配電系統容量越來越大，系統回路的額定電流與短路電流峰值也隨之越來越大，這就要求斷路器的大電流脫扣保護的整定值也隨之增大。但是對于上述傳統結構的大電流脫扣器而言，整定值的進一步增大會使得動鐵芯所受到的電磁力急劇增大，這就要求選用更大剛度的反力彈簧。由于大電流脫扣器的內部尺寸較為緊湊，大多數大電流脫扣器都采用碟簧組的結構形式來達到剛度要求[2]。但是碟簧組結構有著碟簧片尺寸存在分散性、碟簧片間需要潤滑、碟簧片數量太多而導致失效率增高等問題，且過大的剛度會降低動鐵芯運動速度，延長脫扣時間，延后電流切斷時刻。

為了解決上述缺點，本文提出一種雙磁路式大電流脫扣器，其結構組成如圖2所示。

圖2 雙磁路大電流脫扣器

與傳統結構的大電流脫扣器結構不同的地方在于，雙磁路大電流脫扣器在銜鐵的上部增加了一個磁回路，同時用絕緣板將銜鐵分隔為上銜鐵片和下銜鐵塊，并使用螺釘栓接在一起。在銅排通過電流時，上方第二磁回路所產生的電磁力F2會抵消一部分下方的第一磁回路所產生的電磁吸力F1，使得銜鐵受到的向下的力大大減少，降低了對彈簧剛度的需求；當系統出現短路故障時，銅排中電流迅速上升，由于第一磁回路的磁面積大于第二磁回路，同時，第二磁回路上所設置的短路環會因為渦流效應減慢第二磁回路的磁通量增大，因此第一磁回路的電磁力F1上升速度大于第二磁回路的電磁力F2，銜鐵開始向下運動。銜鐵在向下運動的過程中，第一磁回路的氣隙迅速減小而第二磁回路的氣隙迅速增大，使得兩個磁回路所產生的電磁力差值F1-F2進一步增大，加快了銜鐵的運動速度，同時由于需求的彈簧剛度較小，銜鐵在向下運動中所受到的彈簧反力也較小，因此進一步加快了銜鐵的運動速度，更快的到達脫扣位置，使得斷路器能更快的脫扣分閘。下面本文將對雙磁路結構的大電流脫扣器進行靜態力值計算和動態脫扣特性計算，并與傳統單磁路脫扣器進行特性對比。

圖3 雙磁路大電流脫扣器磁路示意

2 靜態力特性計算

本文采用Ansoft軟件對脫扣器的動態和靜態力特性進行計算。首先建立單磁路脫扣器和雙磁路脫扣器的簡化模型，并保證兩個模型除了磁路區別外其它尺寸均保持一致。在計算中，靜磁軛和銜鐵均采用Ansoft自帶的硅鋼片材料DW540-50，其B-H特性曲線如圖4所示。

圖4 硅鋼片B-H特性

根據實際整定值需求，在銅排中端面加載6000～14000 A電流，在計算中使用Ansoft自適應網格劃分，計算區域選取為模型的5倍大小，計算銜鐵所受的力值。計算結果如圖5和表1所示，圖6和圖7為銅排承載電流值為14000 A時，兩種結構脫扣器的磁場分布。

圖5 兩種結構脫扣器銜鐵靜態受力特性

表1 兩種結構脫扣器銜鐵靜態受力特性

圖6 單磁路脫扣器磁場分布

圖7 雙磁路脫扣器磁場分布

由計算結果可知，隨著銅排上承載的電流增加，兩種結構脫扣器的銜鐵受力均隨之增加；在相同的電流作用下雙磁路脫扣器的銜鐵受力遠小于單磁路脫扣器銜鐵的受力，表明了第二磁回路對降低銜鐵受力作用顯著；當銅排承載電流值為6000 A時，單磁路脫扣器銜鐵受力大小約為雙磁路脫扣器銜鐵的23倍，而當銅排承載電流值為14000 A時，單磁路脫扣器銜鐵受力大小約為雙磁路脫扣器銜鐵的3.5倍，兩者力值差距隨著電流值增大而減小，這是因為雙磁路結構的第二磁回路磁通面積較小，相比于第一磁回路更容易磁飽和，因此隨著電流的增大，第二磁回路產生的電磁力增速小于第一磁回路，但同時這一特性也有助于在出現短路電流時，使得銜鐵能動作更快。

3 脫扣器動態特性計算

電流參數模擬實際斷路器運行狀態：2 ms前承載電流為穩態值4000 A，2 ms出現預期穩態電流值為30 kA的短路故障，時間常數為15 ms，在Ansoft中以函數的方式來實現上述工況，其函數式為：

仿真時間步長設置為0.1 ms，以前文靜態計算的銜鐵受力結果作為脫扣器的相應整定值的反力彈簧預緊力值，對單磁路和雙磁路脫扣器分別進行計算。

表2 短路電流作用下銜鐵啟動電流值

圖9和表2為在短路電流作用下，銜鐵啟動時刻的電流值（定義銜鐵運動行程超過0.01 mm時為啟動時刻）。由計算結果可知，在短路電流的作用下，雙磁路脫扣器的銜鐵啟動時刻會晚于單磁路脫扣器，這是因為雙磁路脫扣器必須要第一磁回路和第二磁回路在銜鐵上產生足夠的力值差后，銜鐵才能克服反力彈簧的反力向下運動，而這則導致開始動作時刻的電流值不可避免地滯后于單磁路脫扣器。隨著整定值增大，第二磁回路更趨近于磁飽和，兩種脫扣器的實際動作電流趨于一致，到整定值為14000 A時，兩種結構的脫扣器的實際動作電流已經相等。

圖10~圖11和表3~表4為仿真計算得到的兩種結構的脫扣器在短路電流作用下的脫扣動作時長和脫扣時刻電流值。由圖中可知，因為雙磁路脫扣器的反力彈簧剛度遠小于單磁路脫扣器的反力彈簧剛度，在運動過程中雙磁路脫扣器的銜鐵所受的彈簧反力遠小于單磁路脫扣器，因此雙磁路脫扣器的動作時長小于單磁路脫扣器，且隨著整定值的增大，靜磁軛也逐漸出現磁飽和的趨勢，電磁力的上升速度進一步變慢，克服彈簧反力也變得愈加困難，因此兩種結構脫扣器的動作時長的差距也隨之變大；得益于脫扣動作時長較小，雙磁路脫扣器盡管動作時刻晚于單磁路脫扣器，但雙磁路脫扣器卻仍比單磁路脫扣器更快地到達脫扣位置，分斷時刻的電流值更小，這也意味著配備了雙磁路大電流脫扣器的斷路器能夠更好的保護系統回路。

圖10 短路電流作用下銜鐵動作總時間

表3 短路電流作用下銜鐵動作總時間

圖11 銜鐵到達脫扣位置時刻電流值

4 總結

本文針對現在常用的單磁路大電流脫扣器存在的缺點，提出了一種雙磁路大電流脫扣器，并通過仿真計算對比了單磁路大電流脫扣器與雙磁路脫扣器的靜態特性和動態特性，并得到了以下結論：

1）在相同電流下，雙磁路大電流脫扣器磁軛的受力遠小于單磁路大電流脫扣器磁軛的受力，當進行相同范圍的整定值調整時，雙磁路脫扣器的所需的反力彈簧剛度遠小于單磁路脫扣器，更易于工程設計與應用。

2）在出現短路電流時，雙磁路大電流脫扣器的啟動時刻略晚于單磁路大電流脫扣器，但是其時間差隨著整定增加而降低，并在14000 A整定值時趨于一致。

3）在短路電流作用下，雙磁路大電流脫扣器的動作時間小于單磁路脫扣器，且這一時間差可以彌補雙磁路脫扣器啟動時刻較晚的劣勢，并最終比單磁路脫扣器更快的到達脫扣位置，更早的切斷短路電流。

在下一步的研究中，將著重進行以下幾個方面的研究：

1）研究雙磁路脫扣器在不同電流上升率下的動態特性；

2）對雙磁路脫扣器進行整定試驗和短路試驗驗證。

表4 銜鐵到達脫扣位置時刻電流值

[1] 朱中建, 楊倬, 裴軍等. 直流斷路器瞬動式磁脫扣器的設計分析[J]. 電器與能效管理技術, 2014(11): 30-33.

[2] 屈建宇, 趙虎, 吳剛等. 高速直流斷路器用磁脫扣器調節特性研究[J]. 高電壓技術, 2015,41(9): 3130-3135.

[3] 顧惠民. 斷路器過電流保護脫扣器的設計研究[J]. 電器與能效管理技術, 2016(2): 9-15.

[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] GB/T25890.1-2010, 軌道交通地面裝置直流開關設備第1部分: 總則[S].

A Dual Magnetic Loop High Current Tripper and Analysis of Its Characteristic Simulation

Zhou Yang1, Li Baoming2, Liu Zhe1

(1. Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China; 2. Wuhan Changhai Electrical Technology Development Co., Ltd., Wuhan 430064, China )

TM561

A

1003-4862（2019）10-0037-05

2019-04-03

周陽（1993-），男，助理工程師。研究方向：直流斷路器。E-mail: zhouyang712@126.com