框架斷路器觸頭系統(tǒng)電動(dòng)力仿真分析

鄒 順，李 杰，任志剛

應(yīng)用研究

框架斷路器觸頭系統(tǒng)電動(dòng)力仿真分析

鄒 順1，李 杰1，任志剛2

（1.武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064；2. 船舶綜合電力技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430064）

框架斷路器動(dòng)觸頭電流和電動(dòng)力分布不均，通過有限元分析研究觸頭系統(tǒng)的電動(dòng)力。研究結(jié)果表明：兩側(cè)的觸頭片受到的電動(dòng)斥力較大，中間的觸頭片受到的電動(dòng)斥力較小；觸頭片受到向中間的吸力，且兩側(cè)的觸頭片受到的吸力大，中間的觸頭片受到的吸力小。

框架斷路器 觸頭系統(tǒng) 電動(dòng)力

0 引言

斷路器額定短時(shí)耐受電流能力是其重要指標(biāo)之一，因?yàn)閿嗦菲髟诙搪非闆r下，觸頭間產(chǎn)生的電動(dòng)斥力可能導(dǎo)致觸頭斥開，斷路器不能工作。觸頭系統(tǒng)的電動(dòng)穩(wěn)定性是決定其技術(shù)指標(biāo)的重要因素，因而對(duì)觸頭系統(tǒng)進(jìn)行分析非常必要。

觸頭系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以往主要通過類似樣機(jī)進(jìn)行參照，仍需要通過試制和試驗(yàn)來驗(yàn)證其可靠性[1]。本文以額定4 000 A等級(jí)框架斷路器為例，通過有限元進(jìn)行分析，得到了觸頭系統(tǒng)電動(dòng)力的一般規(guī)律，可作為觸頭系統(tǒng)設(shè)計(jì)的參考。

1 觸頭系統(tǒng)電動(dòng)力

動(dòng)觸頭受到的電動(dòng)力由洛侖茲力和霍爾姆力構(gòu)成[2]。本文通過有限元分析，求解觸頭系統(tǒng)電動(dòng)力；根據(jù)電流分布，通過數(shù)值分析迭代求解霍爾姆力，同時(shí)研究了觸頭片間電動(dòng)力的分布。

1.1 觸頭系統(tǒng)電動(dòng)力等效計(jì)算

以動(dòng)觸頭片為例對(duì)觸頭系統(tǒng)電動(dòng)力計(jì)算進(jìn)行說明，見圖1。動(dòng)觸頭在力矩z作用下發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。以單元為例，其電動(dòng)力F通過其電流密度J和磁通密度B確定；單元的力矩M由電動(dòng)力F和距離L得到，通過力矩M的體積分，即可得到動(dòng)觸頭的力矩。已知接觸點(diǎn)中心到轉(zhuǎn)動(dòng)中心的距離，可得到等效電動(dòng)力[3]。

式中：—等效電動(dòng)力，—對(duì)轉(zhuǎn)軸的力矩，力臂F—力密度L—單元的力臂J—電流密度B—磁通密度。

圖1 等效電動(dòng)力計(jì)算

觸頭系統(tǒng)各橫截面電流分布不均，通過有限元分析，計(jì)算觸頭系統(tǒng)各觸頭片的電流密度，得到觸頭系統(tǒng)的磁場(chǎng)分布，進(jìn)而可求得等效電動(dòng)力，即：

式中：—矢量磁位，—磁導(dǎo)率，力臂。

1.2 觸頭系統(tǒng)仿真模型

動(dòng)觸頭片由外向內(nèi)標(biāo)記為1～14號(hào)，見圖2。通過有限元分析計(jì)算短時(shí)耐受電流下14個(gè)觸頭片的力矩，進(jìn)而得到等效電動(dòng)力；然后根據(jù)觸頭片的電流分布和觸頭接觸壓力，求得霍爾姆力[4]。

1.3 觸頭系統(tǒng)電動(dòng)力計(jì)算

本例短時(shí)耐受電流值為85 kA，其峰值系數(shù)2.2，則仿真加載電流取187 kA；得到觸頭片的電流密度分布情況、觸頭系統(tǒng)的磁場(chǎng)分布情況和觸頭片所受電動(dòng)力大小。

已知接觸點(diǎn)中心到轉(zhuǎn)動(dòng)中心的距離（本文中=0.028 m），通過求得觸頭片受到的力矩，可得等效電動(dòng)力，詳見表1。

由表2可知?jiǎng)佑|頭片受到向中間的力，使觸頭片向中間偏移，且中間動(dòng)觸頭片受力最小，兩邊動(dòng)觸頭片受力最大，見圖5。

觸頭片間電動(dòng)力分布見表2。垂直紙面向內(nèi)為正，向外為負(fù)。觸頭片間設(shè)計(jì)絕緣隔板，且相鄰觸頭片間距不宜過大，可有效解決觸頭片向中間靠攏，以至于觸頭壓力變小，電動(dòng)力變大，導(dǎo)致觸頭斥開。

圖2 觸頭系統(tǒng)模型

圖3 觸頭系統(tǒng)電流密度分布圖

圖4 觸頭系統(tǒng)磁通密度分布圖

表1 動(dòng)觸頭片力矩及等效電動(dòng)力計(jì)算結(jié)果

表2 動(dòng)觸頭片間電動(dòng)力計(jì)算結(jié)果

圖5 動(dòng)觸頭片間電動(dòng)力分布圖

1.4 霍爾姆力計(jì)算

電流流經(jīng)觸頭時(shí)，電流線會(huì)發(fā)生收縮，觸頭間會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)斥力，即霍爾姆力[5]。

圖6 霍爾姆力示意圖

霍爾姆力F可表示為：

其中：

由式5和式6，則霍爾姆力進(jìn)一步可表示為：

式中：—?jiǎng)佑|頭的截面半徑；—導(dǎo)電橋的半徑；—真空磁導(dǎo)率；—流經(jīng)收縮區(qū)導(dǎo)體電流，A；—觸頭接觸系數(shù)，其范圍在0.3～1之間；—觸頭材料的布氏硬度，N/mm2；F—觸頭接觸力，N。

各觸頭片電動(dòng)斥力結(jié)果見表3，動(dòng)觸頭片電動(dòng)斥力分布如圖7所示。由于最左側(cè)2片動(dòng)觸頭和最右側(cè)2片動(dòng)觸頭的布置方式與中間10片動(dòng)觸頭不一致，總體表現(xiàn)為中間動(dòng)觸頭片所受電動(dòng)斥力最小，兩側(cè)電動(dòng)斥力最大。

圖7 動(dòng)觸頭片電動(dòng)斥力分布圖

表3 觸頭系統(tǒng)動(dòng)觸頭片總電動(dòng)斥力和霍爾姆力計(jì)算結(jié)果

由表3數(shù)據(jù)可以看出，最大電動(dòng)斥力約73 N，不足以使觸頭斥開。試驗(yàn)結(jié)果表明斷路器通過85 kA短時(shí)耐受試驗(yàn)，觸頭沒有斥開。如若短時(shí)耐受電流進(jìn)一步增大，由于電流和電動(dòng)力分布不均有可能造成兩側(cè)觸頭片先斥開，電流聚集在中間觸頭片，致使觸頭損壞。

2 結(jié)論

考慮到各觸頭片上的電流分布不均衡性，以及電動(dòng)力的不均衡性等問題，研究結(jié)果表明：

1）通過對(duì)觸頭系統(tǒng)觸頭片間電動(dòng)力的研究。仿真分析結(jié)果表明，動(dòng)觸頭片受到向中間的吸力，且中間動(dòng)觸頭片所受吸力最小，兩側(cè)動(dòng)觸頭片所受吸力最大。

2）觸頭系統(tǒng)兩側(cè)動(dòng)觸頭片受到的霍爾姆力較大，中間動(dòng)觸頭片受到的霍爾姆力較小。

[1] 張敬菽, 陳德桂, 劉洪武. 低壓斷路器操作機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)仿真與優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2004, 24(03): 102-107.

[2] 潘璇, 段新高, 陳大江. 萬能式斷路器的短時(shí)耐受能力校核[J]. 電器與能效管理技術(shù), 2014, 15(01): 14-18.

[3] 萬祥軍, 季慧玉, 陳正馨, 馮璟. 萬能式斷路器觸頭系統(tǒng)電動(dòng)力仿真與試驗(yàn)研究[J]. 低壓電器, 2012, 16(01): 1-4+28.

[4] 周英姿, 尹天文, 孫吉升. 分片式觸頭系統(tǒng)電動(dòng)力的三維有限元分析[J]. 低壓電器, 2011, 14(01): 1-4.

[5] 鄭楠, 蘇秀蘋, 喬延華, 姚明坤. 斷路器觸頭結(jié)構(gòu)中電動(dòng)斥力仿真分析研究[J]. 電器與能效管理技術(shù), 2016, 08(01): 32-35+68.

Electrodynamic force simulation analysis of contact system of air circuit breaker

Zou Shun1, Li Jie1, Ren Zhigang2

（1.Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China; 2.Key Laboratory of Marine Integrated Electric Technology, Wuhan 430064, China）

TM561

A

1003-4862（2022）11-0078-03

2022-01-04

鄒順（1993-），男，工程師，研究方向：混合式直流斷路器。E-mail：457466246@qq.com

李杰（1989-），男，工程師，研究方向：混合式直流斷路器。E-mail：jieleewhu@126.com