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(fā)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?jǐn)嗄芰Α１疚奶岢隽艘环N雙磁路大電流脫扣器，對雙磁路大電流脫扣器進行了靜態(tài)特性和動態(tài)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(jié)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(tǒng)有著有功損耗小、調(diào)節(jié)迅速、運行可靠等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于城市軌道交通、冶煉、船舶、礦產(chǎn)等許多行業(yè)。在直流配電系統(tǒng)中，直流斷路器是其安全運行的保證。在系統(tǒng)回路發(fā)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(zhǔn)確性直接影響系統(tǒng)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(zhǔn)確的脫扣器，一直是直流斷路器設(shè)計研發(fā)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(tài)力特性和動態(tài)特性均進行了計算研究，與現(xiàn)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(fā)提供了新的方向。

1 雙磁路大電流脫扣器結(jié)構(gòu)及工作原理

目前一般大電流脫扣器結(jié)構(gòu)如圖1所示。主要由靜磁軛、動鐵芯、反力彈簧、彈簧調(diào)節(jié)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(jù)所需的整定值預(yù)先調(diào)節(jié)反力彈簧力值，當(dāng)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(chǎn)生的電磁力，動鐵芯保持不動；當(dāng)出現(xiàn)短路工況時，電流迅速上升到預(yù)設(shè)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(yīng)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(tǒng)。這種電磁式的大電流脫扣器有著結(jié)構(gòu)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(tǒng)結(jié)構(gòu)的大電流脫扣器

隨著現(xiàn)代直流牽引配電系統(tǒng)容量越來越大，系統(tǒng)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(tǒng)結(jié)構(gòu)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(nèi)部尺寸較為緊湊，大多數(shù)大電流脫扣器都采用碟簧組的結(jié)構(gòu)形式來達到剛度要求[2]。但是碟簧組結(jié)構(gòu)有著碟簧片尺寸存在分散性、碟簧片間需要潤滑、碟簧片數(shù)量太多而導(dǎo)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(jié)構(gòu)組成如圖2所示。

圖2 雙磁路大電流脫扣器

與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的大電流脫扣器結(jié)構(gòu)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(chǎn)生的電磁力F2會抵消一部分下方的第一磁回路所產(chǎn)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(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)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(shè)置的短路環(huán)會因為渦流效應(yīng)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(chǎn)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(jié)構(gòu)的大電流脫扣器進行靜態(tài)力值計算和動態(tài)脫扣特性計算，并與傳統(tǒng)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(tài)力特性計算

本文采用Ansoft軟件對脫扣器的動態(tài)和靜態(tài)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(qū)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(jù)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(yīng)網(wǎng)格劃分，計算區(qū)域選取為模型的5倍大小，計算銜鐵所受的力值。計算結(jié)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(jié)構(gòu)脫扣器的磁場分布。

圖5 兩種結(jié)構(gòu)脫扣器銜鐵靜態(tài)受力特性

表1 兩種結(jié)構(gòu)脫扣器銜鐵靜態(tài)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(jié)果可知，隨著銅排上承載的電流增加，兩種結(jié)構(gòu)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(dāng)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(dāng)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(jié)構(gòu)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(chǎn)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(xiàn)短路電流時，使得銜鐵能動作更快。

3 脫扣器動態(tài)特性計算

電流參數(shù)模擬實際斷路器運行狀態(tài)：2 ms前承載電流為穩(wěn)態(tài)值4000 A，2 ms出現(xiàn)預(yù)期穩(wěn)態(tài)電流值為30 kA的短路故障，時間常數(shù)為15 ms，在Ansoft中以函數(shù)的方式來實現(xiàn)上述工況，其函數(shù)式為：

仿真時間步長設(shè)置為0.1 ms，以前文靜態(tài)計算的銜鐵受力結(jié)果作為脫扣器的相應(yīng)整定值的反力彈簧預(yù)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(jié)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(chǎn)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(dǎo)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(jié)構(gòu)的脫扣器的實際動作電流已經(jīng)相等。

圖10~圖11和表3~表4為仿真計算得到的兩種結(jié)構(gòu)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(xiàn)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(jié)構(gòu)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?jǐn)鄷r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(tǒng)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(jié)

本文針對現(xiàn)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(tài)特性和動態(tài)特性，并得到了以下結(jié)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(dāng)進行相同范圍的整定值調(diào)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(shè)計與應(yīng)用。

2）在出現(xiàn)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(tài)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

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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