短路脫扣器仿真計算

師慧倩，喬卿陽（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

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短路脫扣器仿真計算

師慧倩，喬卿陽
（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

摘要：本文研究的短路脫扣器直接放置在直流斷路器的母排上。當母排出現(xiàn)過載或短路電流時，短路脫扣器感應動作，直流斷路器分斷。短路脫扣器直接由母排感應動作，不受控制回路電源控制，大大增加了斷路器的分斷可靠性。本文運用電磁場分析軟件Ansoft Maxwell對短路脫扣器進行仿真計算，從而驗證設計的可行性與可靠性。

關鍵詞：短路脫扣器磁場仿真

0　引言

短路脫扣器運用于某型號直流斷路器中。

直流斷路器的作用是頻繁的接通或切斷負荷電路，除此之外還要能夠不頻繁的切斷過載或短路電流，對電路起到保護作用［1］。

某型號直流斷路器為切斷過載或短路電流采用了兩種分斷方式。

一種是連接在控制回路的脈沖脫扣器。當有過載或短路電流時，控制回路發(fā)出一組脈沖信號，脈沖脫扣器動作，直流斷路器斷開。但是此種分斷方式受制于控制信號，一旦出現(xiàn)控制回路故障，脈沖脫扣器將不會動作，直流斷路器無法切斷過載或短路電流［2］。

另外一種短路脫扣器直接放置在直流斷路器的母排上，當母排出現(xiàn)過載或短路電流時，短路脫扣器感應動作，直流斷路器分斷。此種分斷方式不受控制回路控制，直接由斷路器母排感應動作。但動作時間較脈沖脫扣器長。

兩種脫扣器本質上都是動鐵式電磁鐵。在短路電流發(fā)生時，脫扣器的動靜鐵心是否能在較短時間產(chǎn)生足夠的電磁吸力帶動脫扣機構運動，決定著整個斷路器的短路保護功能。因此，短路脫扣器的分析計算有著重要意義。

1　短路脫扣器工作理

短路脫扣器內部結構圖由圖1所示，由靜鐵心組件、彈簧、線圈、動鐵心、底座硅鋼片、磁軛及動、靜整定片等組成。

靜鐵心組件、磁軛、底座硅鋼片以及動鐵心組成封閉磁路。斷路器母排出現(xiàn)過載或短路電流時，磁路中磁通發(fā)生變化，當電磁吸力大于彈簧反力時，動鐵心進行吸合運動。動鐵心運動到一定位置時，原本由動鐵心壓住的行程開關由常開觸點變?yōu)槌ｉ]觸點，線圈回路接通。與此同時，線圈周圍磁場發(fā)生變化，線圈中出現(xiàn)感應電流，當線圈電流增大到相應值時，線圈回路中脫扣電磁鐵動作，斷路器實現(xiàn)過載或短路保護功能［3］。

為了調節(jié)斷路器的短路分斷電流值，短路脫扣器有一對整定片。整定片為導磁性材料，動整定片可沿脫扣器底部水平移動。整定片可以分走磁路一部分磁通，從而改線圈周圍磁場，調整短路脫扣器短路電流分斷值。

圖1　短路脫扣器內部結構圖

2　仿真建模

本文用電磁場仿真軟件Ansoft Maxwell對短路脫扣器進行仿真計算［4，5］。

相對于專業(yè)的三維繪圖軟件如UG、Pro/E等，電磁仿真軟件Ansoft Maxwell在繪圖方面功能較差。因此本文采用較為簡便的方法，將三維模型從專業(yè)繪圖軟件Pro/E中導入Ansoft Maxwell中。如圖2所示。

圖2　短路脫扣器仿真模型

a）材料屬性設置

母排與線圈材料為銅，氣球邊界與運動域材料為空氣，其余材料為steel 1010。

b）激勵源添加

母排與氣球邊界的相交面設置為短路電流進出面。設短路電流為10000 A，時間常數(shù)為10 ms。

線圈匝數(shù)為200匝。

c）運動域設置

動鐵心沿著模型X軸方向運動，質量為650 g。受到彈簧初始力為7 N。其中，彈簧剛度系數(shù)為2.26 N/mm，所以動鐵心在整個運動過程中受到反力為：7（N）+2.26（N/mm）*position（position為動鐵心運動距離）。

d）網(wǎng)格剖分和求解設置

由于本次計算是動鐵心吸合過程的仿真，整個過程的磁場都是在變化的，所以求解器選擇瞬態(tài)磁場求解器。

3　仿真計算

仿真模型設置好之后就可以進行仿真計算。

3.1仿真驗證

為了使仿真更接近實際情況，對實際樣機具有指導意義，現(xiàn)將線圈仿真電流與實測電流進行對比，如圖3所示。從圖中可以看出，仿真數(shù)據(jù)和實測數(shù)據(jù)基本吻合，仿真數(shù)據(jù)對后續(xù)設計和優(yōu)化具有一定的指導意義。

圖3　仿真與實測線圈電流對比曲線

3.2仿真結果

a）母排的短路電流是時間常數(shù)為10 ms，最終增長至10000 A，輸入波形如圖4，其中橫坐標為時間，縱坐標為輸入電流。

b）隨著短路電流的不斷增大，動鐵心受到的吸合力也逐漸增大，當吸合力大于彈簧反力時，動鐵心即開始運動。動鐵心受力如圖5所示，其中X軸為時間軸，Y軸為受力軸。

圖4　母排短路電流隨時間變化曲線

圖5　動鐵心受力曲線

c）動鐵心與靜鐵心的間隙為8mm。當動鐵心受到的吸合力大于彈簧反力時（受力情況如圖5所示），動鐵心即開始運動。動鐵心隨時間位移圖如圖6所示。從圖6可以看出，動鐵心從開始運動到運動到位的時間?t約為15 ms。

d）線圈感應電流隨時間變化曲線如圖7所示。

線圈應電感流的大小以及最大感應電流出現(xiàn)的時間對短路脫扣器分斷短路電流有著直接影響。如圖7所示，線圈感應電流的峰值約為1.1 A。

4　總結

本文通過虛擬樣機技術，對一種短路脫扣器進行合理的簡化建模，通過實驗數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)的對比，驗證了模型的可靠性。通電磁場分析軟件Ansoft Maxwell的計算，得到了短路脫扣器的受力曲線、位移曲線及線圈感應電流曲線等數(shù)據(jù)。對短路脫扣器的優(yōu)化設計有一定的指導意義。

圖6　動鐵心位移隨時間變化曲線

圖7　線圈感應電流隨時間變化曲線圖

參考文獻：

［1］方鴻發(fā).低壓電器（修訂本）［M］.西安：西安交通大學出版社，2008：72～81.

［2］張冠生.電器理論基礎（修訂本）［M］.西安：西安交通大學出版社，2008：261-285.

［3］劉志遠，紐春萍.現(xiàn)代電器設計方法［M］.西安：西安交通大學電器教研室，2007：102～119.

［4］趙博，張洪亮.Ansoft 12在工程電磁場中的應用［M］.北京：中國水利水電出版社，2010.

［5］王旭平，王淑紅.動鐵式開關電磁鐵的Ansoft 仿真［J］.微電機，2014 （4）：25-28.

Simulation of Short-circuit Releaser

Shi Huiqian，Qiao Qingyang
（Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion，Wuhan 430064，China）

Abstract:The short-circuit-releaser which is studied in this paper is placed on the bus-bar directly.When over-load or short-circuit current of bus-bar occurs，the short-circuit-releaser works of the induction，then DC breaker breaks.The short-circuit-releaser works is affected by bus-bar directly.So the short-circuit-releaser has nothing to do with control system circuit power sources.Reliability of the DC-breaker is greatly increased.Simulation of the short-circuit-releaser was done by Ansoft Maxwell，the feasibility and reliability of the short-circuit-releaser is verified.

Keywords:short-circuit-releaser； magnetic fields； simulation

中圖分類號：TM561

文獻標識碼：A

文章編號：1003-4862（2016）06-0064-03

收稿日期：2016-03-07

作者簡介：師慧倩（1989-），女，助理工程師。研究方向：短路脫扣器。