基于Ansoft的直流斷路器電弧仿真模型研究

吳玉剛, 遲長(zhǎng)春, 劉 佳

(上海電機(jī)學(xué)院 電氣學(xué)院, 上海 201306)

近年來(lái),直流輸電技術(shù)迅速發(fā)展。王軍龍等[1]針對(duì)直流輸電技術(shù)涉及的輸電控制、保護(hù)、分?jǐn)嗟葐?wèn)題,提出需要強(qiáng)化直流電網(wǎng)中的關(guān)鍵設(shè)備。宋述波等[2]認(rèn)為直流斷路器是在直流輸電過(guò)程中發(fā)揮關(guān)鍵作用的器件,如何保證直流斷路器在輸電過(guò)程中穩(wěn)定運(yùn)行,成為直流斷路器研究中的一大熱點(diǎn)。王澤濤等[3]認(rèn)為在研究過(guò)程中,需要解決兩個(gè)不可避免的問(wèn)題:一是電流恒大于零,需要人為進(jìn)行相關(guān)操作,安全、快速地將直流電路中的電流降為零；二是直流電路中存在大量感性元器件,在切斷故障電路后,這些元器件會(huì)放電,危害人身安全。

當(dāng)前,國(guó)內(nèi)的直流斷路器產(chǎn)品在低壓直流斷路器領(lǐng)域占有一部分市場(chǎng)份額[4],但在高壓領(lǐng)域仍然是國(guó)外品牌占據(jù)主導(dǎo)地位。這主要是因?yàn)閲?guó)內(nèi)直流斷路器在分?jǐn)嗄芰ι洗嬖诓蛔?如在高濕、高鹽、強(qiáng)風(fēng)的惡劣環(huán)境下工作時(shí)其分?jǐn)嗄芰?huì)受到嚴(yán)重影響[5]。永磁體的磁性及引弧板材質(zhì)幾乎決定了國(guó)內(nèi)直流斷路器產(chǎn)品的分?jǐn)嘈阅芎蜕a(chǎn)成本。本文利用Ansoft軟件對(duì)直流斷路器建模,針對(duì)電弧運(yùn)動(dòng)過(guò)程,利用有限元分析法,研究選用不同材質(zhì)的引弧板和永磁體對(duì)電弧電動(dòng)力的影響,可為增強(qiáng)直流斷路器的分?jǐn)嗄芰μ峁﹨⒖肌?/p>

1 直流斷路器電弧電動(dòng)力仿真理論

交流電路中存在過(guò)零點(diǎn),在過(guò)零之后要保證弧隙恢復(fù)電壓低于介質(zhì)的恢復(fù)電壓[6],從而達(dá)到保護(hù)線路的目的,這就是交流電路的滅弧原理。實(shí)際上,電弧是一條熱能極高的等離子體氣體[7],它的溫度不會(huì)產(chǎn)生突變,具備了限流特性。越來(lái)越多的離子會(huì)不斷地增強(qiáng)等效電阻的導(dǎo)電性,電壓從而降低。據(jù)此,可得出直流電弧的靜態(tài)伏安特性曲線,如圖1所示。

圖1 直流電弧的靜態(tài)伏安特性曲線

由圖1中的2段完整電弧的靜態(tài)伏安特性可見(jiàn),電壓與電流呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)的變化趨勢(shì)[8]。其原因是電弧的直徑會(huì)受到電流影響,電流的升高會(huì)使電弧溫度增加,進(jìn)而導(dǎo)致電阻阻值減小。因此,電弧也是負(fù)阻特性的典型代表。

目前,市場(chǎng)上大多數(shù)直流斷路器產(chǎn)品會(huì)添加滅弧設(shè)備來(lái)輔助完成滅弧目的。同時(shí),有些企業(yè)會(huì)另外配置消游離裝置[9]。當(dāng)電路短路時(shí),使得經(jīng)過(guò)滅弧柵后的電弧迅速排出,并且在短時(shí)間內(nèi)冷卻滅弧柵,保障直流斷路器的可靠關(guān)斷,延長(zhǎng)直流斷路器的使用壽命。

本文研究用到了Ansoft軟件。Ansoft軟件含有多種目前較為成熟的應(yīng)用技術(shù),具有使仿真更加豐富的優(yōu)點(diǎn)。以往研究運(yùn)用的基本粒子群算法和蟻群算法,前者容易短期收斂,個(gè)體整合優(yōu)化能力差；后者收斂速度慢,處理時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。本文利用有限元分析法,先將整體剖析成諸多節(jié)點(diǎn)連接的單元,對(duì)各個(gè)單元進(jìn)行分析,然后重新組合,分析整體。對(duì)于直流斷路器而言,選用有限元分析法可使Ansoft軟件畫(huà)出的各個(gè)部件模型結(jié)合更為緊密,同時(shí)能夠大幅縮短電弧電動(dòng)力計(jì)算時(shí)間,提高數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度,從而優(yōu)化整個(gè)仿真系統(tǒng)。

2 直流斷路器仿真模型的建立

直流斷路器(額定電流63 A)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。直流斷路器內(nèi)部有動(dòng)靜觸頭,動(dòng)觸頭作為生成電弧的裝置[10]。當(dāng)直流斷路器開(kāi)始工作時(shí),電流增長(zhǎng)時(shí)間決定了觸頭反應(yīng)的時(shí)間,動(dòng)觸頭會(huì)在電流達(dá)到閾值時(shí),作為引弧板使得電流保持靜止。直流斷路器內(nèi)部的永磁體能夠大幅加快電弧運(yùn)動(dòng)速度,同時(shí)直流斷路器內(nèi)部的磁軛器件會(huì)將電弧引入滅弧柵[11]。電弧在由鋼片組成的滅弧柵中再次受到收縮力[11],完整的電弧受力分成諸多短電弧。因此,相較初始狀態(tài),在該位置的電弧運(yùn)動(dòng)過(guò)程更為復(fù)雜。

圖2 直流斷路器結(jié)構(gòu)圖

在了解了斷路器結(jié)構(gòu)后,選取本次研究所需要的部件,搭建直流斷路器仿真模型。電弧在直流斷路器運(yùn)動(dòng)軌跡可以劃分為4個(gè)運(yùn)動(dòng)區(qū)域,將這4個(gè)區(qū)域標(biāo)注在仿真模型中。利用Ansoft軟件搭建的直流斷路器仿真模型如圖3所示。

圖3 直流斷路器仿真模型

由圖3可見(jiàn),電弧運(yùn)動(dòng)會(huì)經(jīng)過(guò)4個(gè)區(qū)域。區(qū)域1只會(huì)受到方向向下的力。當(dāng)電弧由引弧板牽引從區(qū)域1進(jìn)入?yún)^(qū)域2時(shí),只會(huì)受到方向斜向下的洛倫茲力[12]。區(qū)域3是過(guò)渡區(qū)域。電弧在進(jìn)入滅弧柵前,電弧在過(guò)渡區(qū)域區(qū)中受力方向會(huì)趨于穩(wěn)定,之后會(huì)進(jìn)入?yún)^(qū)域4。實(shí)際上,這4個(gè)區(qū)域?qū)?yīng)了直流斷路器分?jǐn)嗟?個(gè)階段,即觸頭分離階段、運(yùn)動(dòng)階段、靜止階段及熄滅階段。

通過(guò)上述分析可知,要提高直流斷路器的分?jǐn)嘈阅?關(guān)鍵是在運(yùn)動(dòng)階段[13]。提高直流斷路器的電弧電動(dòng)力,使電弧在更短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到滅弧柵,切分成更短的電弧。永磁體的磁性幾乎決定了電弧受力的大小,進(jìn)而影響到整個(gè)產(chǎn)品的性能。因此,在大多數(shù)直流斷路器設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中,都會(huì)通過(guò)添加防氧化劑來(lái)降低永磁體內(nèi)含氧量或者采用新型制備方法快速淬甩獲得性能良好的永磁體,從而達(dá)到增強(qiáng)永磁體磁性的目的。本文選用釹鐵硼強(qiáng)磁體,并采用黏結(jié)方式,使其具備良好的可塑性、耐腐蝕性,在惡劣環(huán)境下,能保持穩(wěn)定工作狀態(tài)。

3 電弧電動(dòng)力仿真分析

(1) 選用鐵質(zhì)引弧板和普通永磁體,變量為永磁體的磁性,在Ansoft軟件中設(shè)置板體參數(shù)后仿真電弧電動(dòng)力,仿真數(shù)據(jù)如表1所示。

著重觀察在第3階段運(yùn)動(dòng)過(guò)程中受到的力,不考慮主要受力方向以外的力。永磁體的放置使得除了區(qū)域4外的電弧電動(dòng)力得到增強(qiáng),不同的磁性會(huì)使得電弧電動(dòng)力改變,呈現(xiàn)正相關(guān)的變化趨勢(shì)。通過(guò)觀察表1,電弧在滅弧柵中受力方向穩(wěn)定,受到的力基本保持不變,使得電弧更快進(jìn)入熄滅階段,達(dá)到熄滅電弧的目的。并且,通過(guò)仿真可知,永磁體對(duì)于提高直流斷路器的分?jǐn)嘈阅苤陵P(guān)重要[14-15]。當(dāng)不放置永磁體時(shí),會(huì)影響直流斷路器中電弧受到的電動(dòng)力,進(jìn)而影響整個(gè)產(chǎn)品的性能。

表1 選用鐵質(zhì)引弧板和普通永磁體時(shí)的電動(dòng)力仿真數(shù)據(jù)

(2) 將鐵質(zhì)引弧板替換為銅質(zhì)引弧板,普通永磁體替換為釹鐵硼強(qiáng)磁體,保持磁性為變量,在Ansoft軟件中重新設(shè)置板體參數(shù)后仿真電弧電動(dòng)力,仿真數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 選用銅質(zhì)引弧板和釹鐵硼強(qiáng)磁體時(shí)的電動(dòng)力仿真數(shù)據(jù)

為了便于觀察,繪制了選用銅質(zhì)引弧板及釹鐵硼強(qiáng)磁體時(shí),4個(gè)區(qū)域電弧電動(dòng)力對(duì)比圖,如圖4所示。

圖4 電動(dòng)力對(duì)比圖

由表1、表2可知,放置鐵質(zhì)引弧板或銅質(zhì)引弧板,區(qū)域內(nèi)的電弧電動(dòng)力都與磁性呈現(xiàn)正相關(guān)的變化趨勢(shì)。永磁體的放置使得區(qū)域1、區(qū)域2、區(qū)域3的電弧電動(dòng)力得到增強(qiáng),可見(jiàn)永磁體對(duì)于提高直流斷路器的分?jǐn)嘈阅苤陵P(guān)重要。另外,通過(guò)觀察表2數(shù)據(jù),當(dāng)放置的永磁體是釹鐵硼強(qiáng)磁體且結(jié)合銅質(zhì)引弧板時(shí),整個(gè)直流斷路器的電弧電動(dòng)力得到極大提升,電弧在滅弧柵中受力方向更加穩(wěn)定,使得電弧更快進(jìn)入滅弧柵,達(dá)到熄滅電弧的目的。因此,選用銅質(zhì)引弧板和釹鐵硼強(qiáng)磁體可有效提高直流斷路器產(chǎn)品的性能。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)分析直流斷路器結(jié)構(gòu),對(duì)直流斷路器進(jìn)行Ansoft建模仿真,并采用有限元分析法,優(yōu)化仿真系統(tǒng)。研究了選用銅質(zhì)引弧板及釹鐵硼強(qiáng)磁體替換鐵質(zhì)引弧板及普通永磁體,對(duì)于電弧電動(dòng)力的影響。由仿真數(shù)據(jù)可知,選用新型釹鐵硼強(qiáng)磁體并結(jié)合銅質(zhì)引弧板,可有效提高電弧電動(dòng)力,加速滅弧過(guò)程,從而提高直流斷路器的分?jǐn)嗄芰ΑＴ撗芯繉?duì)于降低直流斷路器生產(chǎn)成本及進(jìn)一步研究直流斷路器分?jǐn)嗄芰μ峁┝酥匾獏⒖肌?/p>