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(jìn)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(duì)雙磁路大電流脫扣器進(jìn)行了靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性仿真計(jì)算，并與單磁路大電流脫扣器進(jìn)行了特性對(duì)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(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)，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(yùn)行的保證。在系統(tǒng)回路發(fā)生短路故障時(shí)，直流斷路器的大電流脫扣器動(dòng)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(qiáng)[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(jì)研發(fā)的重點(diǎn)。

本文針對(duì)目前直流大電流脫扣器所存在的缺點(diǎn)，提出了一種雙磁路式大電流脫扣器，對(duì)其靜態(tài)力特性和動(dòng)態(tài)特性均進(jìn)行了計(jì)算研究，與現(xiàn)有常用大電流脫扣器特性進(jìn)行了對(duì)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(dòng)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(shí)，反力彈簧力大于銅排上電流產(chǎn)生的電磁力，動(dòng)鐵芯保持不動(dòng)；當(dāng)出現(xiàn)短路工況時(shí)，電流迅速上升到預(yù)設(shè)的整定值時(shí)，動(dòng)鐵芯所受到的電磁力大于彈簧反力，動(dòng)鐵芯向下運(yùn)動(dòng)并帶動(dòng)相應(yīng)的脫扣部件一起動(dòng)作，使得斷路器脫扣分閘，切除故障以保護(hù)系統(tǒng)。這種電磁式的大電流脫扣器有著結(jié)構(gòu)簡單、動(dòng)作速度快、功能可靠、不需額外的電源和信號(hào)等特點(diǎn)。

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(hù)的整定值也隨之增大。但是對(duì)于上述傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的大電流脫扣器而言，整定值的進(jìn)一步增大會(huì)使得動(dòng)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(dá)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(huì)降低動(dòng)鐵芯運(yùn)動(dòng)速度，延長脫扣時(shí)間，延后電流切斷時(shí)刻。

為了解決上述缺點(diǎn)，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(gè)磁回路，同時(shí)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(shí)，上方第二磁回路所產(chǎn)生的電磁力F2會(huì)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(duì)彈簧剛度的需求；當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)短路故障時(shí)，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(shí)，第二磁回路上所設(shè)置的短路環(huán)會(huì)因?yàn)闇u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(yùn)動(dòng)。銜鐵在向下運(yùn)動(dòng)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(gè)磁回路所產(chǎn)生的電磁力差值F1-F2進(jìn)一步增大，加快了銜鐵的運(yùn)動(dòng)速度，同時(shí)由于需求的彈簧剛度較小，銜鐵在向下運(yùn)動(dòng)中所受到的彈簧反力也較小，因此進(jìn)一步加快了銜鐵的運(yùn)動(dòng)速度，更快的到達(dá)脫扣位置，使得斷路器能更快的脫扣分閘。下面本文將對(duì)雙磁路結(jié)構(gòu)的大電流脫扣器進(jìn)行靜態(tài)力值計(jì)算和動(dòng)態(tài)脫扣特性計(jì)算，并與傳統(tǒng)單磁路脫扣器進(jìn)行特性對(duì)比。

圖3 雙磁路大電流脫扣器磁路示意

2 靜態(tài)力特性計(jì)算

本文采用Ansoft軟件對(duì)脫扣器的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)力特性進(jìn)行計(jì)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(gè)模型除了磁路區(qū)別外其它尺寸均保持一致。在計(jì)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(shí)際整定值需求，在銅排中端面加載6000～14000 A電流，在計(jì)算中使用Ansoft自適應(yīng)網(wǎng)格劃分，計(jì)算區(qū)域選取為模型的5倍大小，計(jì)算銜鐵所受的力值。計(jì)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(shí)，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(jì)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(yuǎn)小于單磁路脫扣器銜鐵的受力，表明了第二磁回路對(duì)降低銜鐵受力作用顯著；當(dāng)銅排承載電流值為6000 A時(shí)，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(shí)，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?yàn)殡p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(shí)這一特性也有助于在出現(xiàn)短路電流時(shí)，使得銜鐵能動(dòng)作更快。

3 脫扣器動(dòng)態(tài)特性計(jì)算

電流參數(shù)模擬實(shí)際斷路器運(yùn)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(shí)間常數(shù)為15 ms，在Ansoft中以函數(shù)的方式來實(shí)現(xiàn)上述工況，其函數(shù)式為：

仿真時(shí)間步長設(shè)置為0.1 ms，以前文靜態(tài)計(jì)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(duì)單磁路和雙磁路脫扣器分別進(jìn)行計(jì)算。

表2 短路電流作用下銜鐵啟動(dòng)電流值

圖9和表2為在短路電流作用下，銜鐵啟動(dòng)時(shí)刻的電流值（定義銜鐵運(yùn)動(dòng)行程超過0.01 mm時(shí)為啟動(dòng)時(shí)刻）。由計(jì)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(dòng)時(shí)刻會(huì)晚于單磁路脫扣器，這是因?yàn)殡p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(yùn)動(dòng)，而這則導(dǎo)致開始動(dòng)作時(shí)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(shí)際動(dòng)作電流趨于一致，到整定值為14000 A時(shí)，兩種結(jié)構(gòu)的脫扣器的實(shí)際動(dòng)作電流已經(jīng)相等。

圖10~圖11和表3~表4為仿真計(jì)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(dòng)作時(shí)長和脫扣時(shí)刻電流值。由圖中可知，因?yàn)殡p磁路脫扣器的反力彈簧剛度遠(yuǎn)小于單磁路脫扣器的反力彈簧剛度，在運(yùn)動(dòng)過程中雙磁路脫扣器的銜鐵所受的彈簧反力遠(yuǎn)小于單磁路脫扣器，因此雙磁路脫扣器的動(dòng)作時(shí)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(jìn)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(dòng)作時(shí)長的差距也隨之變大；得益于脫扣動(dòng)作時(shí)長較小，雙磁路脫扣器盡管動(dòng)作時(shí)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(dá)脫扣位置，分?jǐn)鄷r(shí)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(hù)系統(tǒng)回路。

圖10 短路電流作用下銜鐵動(dòng)作總時(shí)間

表3 短路電流作用下銜鐵動(dòng)作總時(shí)間

圖11 銜鐵到達(dá)脫扣位置時(shí)刻電流值

4 總結(jié)

本文針對(duì)現(xiàn)在常用的單磁路大電流脫扣器存在的缺點(diǎn)，提出了一種雙磁路大電流脫扣器，并通過仿真計(jì)算對(duì)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(dòng)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(yuǎn)小于單磁路大電流脫扣器磁軛的受力，當(dāng)進(jìn)行相同范圍的整定值調(diào)整時(shí)，雙磁路脫扣器的所需的反力彈簧剛度遠(yuǎn)小于單磁路脫扣器，更易于工程設(shè)計(jì)與應(yīng)用。

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

3）在短路電流作用下，雙磁路大電流脫扣器的動(dòng)作時(shí)間小于單磁路脫扣器，且這一時(shí)間差可以彌補(bǔ)雙磁路脫扣器啟動(dòng)時(shí)刻較晚的劣勢，并最終比單磁路脫扣器更快的到達(dá)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(jìn)行以下幾個(gè)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(dòng)態(tài)特性；

2）對(duì)雙磁路脫扣器進(jìn)行整定試驗(yàn)和短路試驗(yàn)驗(yàn)證。

表4 銜鐵到達(dá)脫扣位置時(shí)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