框架斷路器觸頭系統電動力仿真分析

鄒 順，李 杰，任志剛

應用研究

框架斷路器觸頭系統電動力仿真分析

鄒 順1，李 杰1，任志剛2

（1.武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064；2. 船舶綜合電力技術重點實驗室，武漢 430064）

框架斷路器動觸頭電流和電動力分布不均，通過有限元分析研究觸頭系統的電動力。研究結果表明：兩側的觸頭片受到的電動斥力較大，中間的觸頭片受到的電動斥力較小；觸頭片受到向中間的吸力，且兩側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 電動力

0 引言

斷路器額定短時耐受電流能力是其重要指標之一，因為斷路器在短路情況下，觸頭間產生的電動斥力可能導致觸頭斥開，斷路器不能工作。觸頭系統的電動穩定性是決定其技術指標的重要因素，因而對觸頭系統進行分析非常必要。

觸頭系統的設計以往主要通過類似樣機進行參照，仍需要通過試制和試驗來驗證其可靠性[1]。本文以額定4 000 A等級框架斷路器為例，通過有限元進行分析，得到了觸頭系統電動力的一般規律，可作為觸頭系統設計的參考。

1 觸頭系統電動力

動觸頭受到的電動力由洛侖茲力和霍爾姆力構成[2]。本文通過有限元分析，求解觸頭系統電動力；根據電流分布，通過數值分析迭代求解霍爾姆力，同時研究了觸頭片間電動力的分布。

1.1 觸頭系統電動力等效計算

以動觸頭片為例對觸頭系統電動力計算進行說明，見圖1。動觸頭在力矩z作用下發生轉動。以單元為例，其電動力F通過其電流密度J和磁通密度B確定；單元的力矩M由電動力F和距離L得到，通過力矩M的體積分，即可得到動觸頭的力矩。已知接觸點中心到轉動中心的距離，可得到等效電動力[3]。

式中：—等效電動力，—對轉軸的力矩，力臂F—力密度L—單元的力臂J—電流密度B—磁通密度。

圖1 等效電動力計算

觸頭系統各橫截面電流分布不均，通過有限元分析，計算觸頭系統各觸頭片的電流密度，得到觸頭系統的磁場分布，進而可求得等效電動力，即：

式中：—矢量磁位，—磁導率，力臂。

1.2 觸頭系統仿真模型

動觸頭片由外向內標記為1～14號，見圖2。通過有限元分析計算短時耐受電流下14個觸頭片的力矩，進而得到等效電動力；然后根據觸頭片的電流分布和觸頭接觸壓力，求得霍爾姆力[4]。

1.3 觸頭系統電動力計算

本例短時耐受電流值為85 kA，其峰值系數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、觸頭系統的磁場分布情況和觸頭片所受電動力大小。

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

由表2可知動觸頭片受到向中間的力，使觸頭片向中間偏移，且中間動觸頭片受力最小，兩邊動觸頭片受力最大，見圖5。

觸頭片間電動力分布見表2。垂直紙面向內為正，向外為負。觸頭片間設計絕緣隔板，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，電動力變大，導致觸頭斥開。

圖2 觸頭系統模型

圖3 觸頭系統電流密度分布圖

圖4 觸頭系統磁通密度分布圖

表1 動觸頭片力矩及等效電動力計算結果

表2 動觸頭片間電動力計算結果

圖5 動觸頭片間電動力分布圖

1.4 霍爾姆力計算

電流流經觸頭時，電流線會發生收縮，觸頭間會產生電動斥力，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，則霍爾姆力進一步可表示為：

式中：—動觸頭的截面半徑；—導電橋的半徑；—真空磁導率；—流經收縮區導體電流，A；—觸頭接觸系數，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。

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

圖7 動觸頭片電動斥力分布圖

表3 觸頭系統動觸頭片總電動斥力和霍爾姆力計算結果

由表3數據可以看出，最大電動斥力約73 N，不足以使觸頭斥開。試驗結果表明斷路器通過85 kA短時耐受試驗，觸頭沒有斥開。如若短時耐受電流進一步增大，由于電流和電動力分布不均有可能造成兩側觸頭片先斥開，電流聚集在中間觸頭片，致使觸頭損壞。

2 結論

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

1）通過對觸頭系統觸頭片間電動力的研究。仿真分析結果表明，動觸頭片受到向中間的吸力，且中間動觸頭片所受吸力最小，兩側動觸頭片所受吸力最大。

2）觸頭系統兩側動觸頭片受到的霍爾姆力較大，中間動觸頭片受到的霍爾姆力較小。

[1] 張敬菽, 陳德桂, 劉洪武. 低壓斷路器操作機構的動態仿真與優化設計[J]. 中國電機工程學報, 2004, 24(03): 102-107.

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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