短路脫扣器特性研究

鄧為 涂煜 金雪豐

（中國船舶重工集團第七一二研究所，武漢 430064）

0 引言

短路脫扣器是直流快速斷路器對線路進行短路保護的執(zhí)行部件。直流快速斷路器是一種限流型斷路器，其對短路電流的限制作用體現(xiàn)在短路脫扣器上。短路發(fā)生時，短路電流還沒有上升至預期短路電流，短路脫扣器就動作使斷路器解扣分斷。如圖1所示，左上部分坐標系中曲線1為短路發(fā)生時預期短路電流波形，曲線2為斷路器動作時的實際電流波形。短路電流上升至脫扣器整定值時，脫扣器開始動作，斷路器解扣，動靜觸頭分離，觸頭間產(chǎn)生電弧，斷口恢復電壓從零開始上升，電弧從觸頭進入滅弧柵片，弧壓迅速上升。當電源提供的能量不足以維持電弧持續(xù)燃燒所需能量時，電弧電流不斷下降，直至電流為零時，電弧熄滅，斷口電壓與電源電壓相同，線路被切斷。

脫扣器動作時間越短，斷路器分斷越快，脫扣器動作特性對決定了斷路器的快速性?？燮鞯蔫F磁吸力和碟簧反力都是非線性的，很難通過直接計算來分析脫扣器的動態(tài)特性。傳統(tǒng)脫扣器設(shè)計需要經(jīng)過多輪實驗驗證，不斷改進，費時費力。仿真設(shè)計和數(shù)學處理軟件為脫扣器的動態(tài)特性定量計算提供了可能，計算結(jié)果可以為設(shè)計或者改進設(shè)計提供依據(jù)，減少實驗輪次。

圖1 直流快速開關(guān)短路分斷示意圖[1]

1 短路脫扣器靜態(tài)分析計算

圖2 短路脫扣器仿真模型

利用 Ansoft對短路脫扣器進行三維建模仿真，仿真模型如圖2所示，包括3個部分：靜鐵芯、動鐵芯和激磁部分。對于脫扣器其它部分，由于對磁路沒有影響，模型中不予考慮。

進行網(wǎng)格剖分之后的模型如圖3所示。網(wǎng)格剖分太粗會導致計算精度差，但過細又會帶來過大的運算量。實際剖分應(yīng)選擇合適的大小，計算精度和計算量二者兼顧[3,4]。

圖3 仿真模型網(wǎng)格剖分

電流為4000 A時，用Ansoft軟件計算不同氣隙下的脫扣器鐵芯吸力[5]，根據(jù)計算的數(shù)據(jù)點在 Matlab中繪制的鐵芯吸力隨氣隙變化曲線如圖4所示。隨著氣隙長度的減小，吸力增加越來越快。實際短路發(fā)生時，短路電流還會不斷上升，吸力會進一步增加。

圖4 鐵芯吸力隨氣隙變化曲線

對數(shù)據(jù)點進行最小二乘擬合，擬合出的二階多項式為

其中x為氣隙長度，y為鐵芯吸力。

碟簧力與形變之間具有非線性特性，為了得到較準確的反力特性，需要對碟簧進行實驗測試，將測試出的數(shù)據(jù)進行擬合，得到反映碟簧特性的數(shù)學表達式。對短路脫扣器利用彈簧測力機進行測試，碟簧總的初始形變?yōu)?.5 mm, 將測力機可動端行程換算為碟簧總形變，得到碟簧總形變量與碟簧力的關(guān)系曲線（補充總形變?yōu)榱愕狞c）如圖5所示。

對數(shù)據(jù)點進行最小二乘擬合，擬合出的二階多項式為

其中x為碟簧總的形變量，y為碟簧力。

圖5 碟簧總形變量與碟簧力關(guān)系曲線

在試驗室對脫扣器進行整定試驗，整定回路利用直流發(fā)電機作為電源，該電機輸出電壓為定值，通過改變勵磁電阻得到變化的電流。實驗時先將脫扣器指示器調(diào)整到合適的位置，不斷調(diào)節(jié)整定回路電流，脫扣器剛好能動作（脫扣器不動作時的回路電流與緊接著的下一次實驗動作時的回路電流相差10%以內(nèi)）的電流即為整定電流。將脫扣器刻度換算為碟簧壓縮量，整定電流與碟簧壓縮量對應(yīng)關(guān)系如表1所示：

表1 碟簧壓縮量對應(yīng)的整定電流

利用碟簧力特性擬合公式得到不同碟簧壓縮量對應(yīng)的碟簧力，根據(jù)ansoft仿真計算得到的電流為2800 A時的電磁吸力，以及電流與力的關(guān)系（在鐵芯未飽和時電磁吸力與電流的平方成正比）得到不同整定電流對應(yīng)的電磁吸力，如表 2所示。

表2 整定電流對應(yīng)的電磁吸力

從表中可以看出，兩種力的偏差在10%以內(nèi)，考慮測量和計算誤差，兩種力的偏差在可接受范圍之內(nèi)。

2 脫扣器動態(tài)特性數(shù)值計算及實驗對比

脫扣器動鐵芯部分的運動遵循達朗貝爾方程[2]：

其中F(x,i)為電磁吸力，f(x)為碟簧反力，動鐵芯部分重力忽略不計，機構(gòu)摩擦同樣忽略不計，m為運動部分等效質(zhì)量，i(t)為短路電流。短路電流與預期短路電流峰值IP和線路時間常數(shù)τ有關(guān)，其表達式為

當F ( x ,i(t))≤ f(x)時，脫扣器動鐵心的速度 v ( t)及加速度 a ( t)都為0，即有下式成立；

當脫扣器鐵心未飽和時，相同氣隙長度下，電磁力與電流的平方成正比[5]。因此電磁力可以按照下式計算：

根據(jù)文章前面得到的碟簧與形變的擬合曲線，碟簧反力按下式計算，式中x為動鐵心位移，l0為碟簧預壓縮量：

采用表達式（1）到（4），就可以在 Matlab中對脫扣器動態(tài)特性進行數(shù)值計算。計算前，首先對以下變量賦初值：氣隙長度d0，位移x0，碟簧預壓縮量 l0，碟簧預壓力 f0，運動部件的質(zhì)量m。

短路電流到來時，判斷不同時刻的電磁吸力是否到達碟簧預壓力，如果沒有，繼續(xù)計算下一時刻電磁吸力，直到電磁吸力等于碟簧預壓力（實際判斷時以是否大于或等于作為判據(jù)）。這一階段動鐵芯位移為零，速度為零，加速度為零。

當電磁吸力開始超過碟簧預壓力時，利用運動定律計算不同時刻的加速度，速度，位移，利用前一時刻的計算結(jié)果計算下一時刻的加速度、速度、位移。當位移達到額定位移xe時，計算結(jié)束。

取IP=80000 A，τ=32 ms，l0=5 mm，設(shè)定行程8 mm，運動部件質(zhì)量m=1 kg。計算短路電流及動鐵心運動參數(shù)。根據(jù)計算結(jié)果繪制的短路電流波形如圖6所示，動鐵芯部分位移隨時間變化曲線，加速度隨時間變化曲線以及速度隨時間變化曲線如圖7所示。開始階段，由于短路電流較小，電磁吸力也較小，動鐵芯部分速度、加速度、位移均為零。當短路電流增加到一定值（與實際整定值相對應(yīng)）時，動鐵芯部分加速度不斷增加，速度也不斷增加，位移不斷增加。這里雖然設(shè)定行程為 8 mm，實際過程中，動鐵芯走完空行程即開始撞擊撥叉桿使斷路器解扣。動鐵芯部分走完4 mm時斷路器實際上已完成解扣。脫扣器的動作時間以動鐵心移動4 mm為結(jié)束。這里計算的脫扣器動作時間約為4 ms，實際軌道交通對脫扣器動作時間要求為5 ms以內(nèi)，該脫扣器滿足動作時間要求。

圖6 預期短路電流仿真波形

圖7 脫扣器動作特性曲線

在斷流容量試驗室對斷路器進行分斷實驗。通過調(diào)節(jié)線路參數(shù)，得到所需的時間常數(shù)和預期短路電流。分斷波形如圖8所示，脫扣器動作時間從電流到達整定值開始計時，以斷口電壓上升起點作為計時終點，從波形圖測得的脫扣器動作時間約為4.2 ms，與仿真計算結(jié)果基本吻合。

圖8 開關(guān)分斷實驗波形

4 結(jié)論

通過 Ansoft軟件計算出脫扣器在指定電流下不同氣隙的電磁力，然后對電磁力與氣隙的關(guān)系進行擬合，得到電磁力與氣隙間的近似函數(shù)關(guān)系。脫扣器鐵心未飽和時，電磁力與電流平方成正比，因此不同電流下的電磁力也可以通過擬合函數(shù)計算出來。通過電磁力與碟簧的擬合函數(shù)以及運動函數(shù)，可以在Matlab中對脫扣器動作時間進行計算。采用擬合函數(shù)的方法計算脫扣器的動作時間，方法簡單易行，計算精度也滿足工程要求，其關(guān)鍵在于擬合函數(shù)要有足夠精度。在進行短路脫扣器的設(shè)計時，通過仿真軟件預估脫扣器的動作時間，可以減少脫扣器的試驗輪次，提高設(shè)計效率。

[1]UR26 36 40 46. 直流快速斷路器產(chǎn)品樣本, 瑞士賽雪龍公司.

[2]張冠生 電器學理論基礎(chǔ). 機械工業(yè)出版社

[3]俞國勇. 塑殼斷路器瞬時脫扣器動靜特性仿真及優(yōu)化. 電工電氣, 2009(1).

[4]向洪崗. 應(yīng)用有限元方法分析塑殼斷路器磁脫扣器的動作特性. 西安交通大學學報, 2005(8).

[5]金曉明. 基于脫扣線圈電流的斷路器機械狀態(tài)預測算法研究. 高壓電器, 2010(4).