直流斷路器過(guò)電流脫扣器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

凌 煒，王金龍，岳 金,3

直流斷路器過(guò)電流脫扣器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

凌 煒1，王金龍2，岳 金2,3

(1.廣州地鐵集團(tuán)有限公司，廣州 510000；2.武漢長(zhǎng)海電氣科技開(kāi)發(fā)有限公司，武漢 430064；3.武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064)

在電力系統(tǒng)元件中斷路器承載著分?jǐn)喽搪饭收想娏鞅Ｗo(hù)其它元器件不受損壞的作用，其中過(guò)電流脫扣器起著至關(guān)重要的作用，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的好壞制約著斷路器分?jǐn)噙^(guò)電流和短路電流的可靠性，本文研究了傳統(tǒng)過(guò)電流脫扣器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，發(fā)現(xiàn)其存在吸力側(cè)偏及調(diào)節(jié)力值范圍較窄的缺點(diǎn)，后對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，解決了上述問(wèn)題，并通過(guò)仿真及試驗(yàn)證實(shí)了優(yōu)化方案的可行性。

斷路器 過(guò)電流脫扣器 短路電流 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

0 引言

脫扣器作為電力系統(tǒng)斷路器的保護(hù)元件，其迅速、準(zhǔn)確、可靠的動(dòng)作，直接影響著斷路器保護(hù)性能。按使用工況，脫扣器分為過(guò)電流脫扣器、分勵(lì)脫扣器、失壓與欠壓脫扣器、熱脫扣器等。而過(guò)電流脫扣器是直流斷路器必不可少的元件，直接影響著斷路器分?jǐn)喙收想娏鞯哪芰?。設(shè)計(jì)動(dòng)作迅速、準(zhǔn)確、可靠的過(guò)電流脫扣器一直以來(lái)都是直流斷路器研發(fā)的重點(diǎn)內(nèi)容。

傳統(tǒng)的脫扣器是基于電磁原理，依靠主電路電流串聯(lián)勵(lì)磁的電磁鐵，當(dāng)故障電流達(dá)到整定值時(shí)，在磁場(chǎng)的作用下，電磁鐵中的動(dòng)鐵芯朝著氣隙減小的方向運(yùn)動(dòng)，同時(shí)克服彈簧反力帶動(dòng)脫扣裝置使機(jī)構(gòu)分閘。而當(dāng)脫扣器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)定型后，其中的反力彈簧的行程和剛度是一定的，反力彈簧反力達(dá)到了其承受的上限時(shí)，主回路中通入電流超過(guò)一定值時(shí)，脫扣裝置不能按照整定電流值要求動(dòng)作。為了擴(kuò)大整定電流范圍，滿足產(chǎn)品多種使用工況，對(duì)脫扣器的電磁機(jī)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，保證脫扣器在給定的整定電流值下可靠動(dòng)作。

如圖1所示，為某型斷路器用的過(guò)電流脫扣裝置，在靜磁軛的側(cè)邊設(shè)計(jì)成一圓孔，通過(guò)在電磁回路中形成漏磁，使動(dòng)鐵芯產(chǎn)生的吸力減小，不足以克服反力彈簧反力帶動(dòng)脫扣裝置動(dòng)作。需主電路中通入更大的電流才能保證動(dòng)鐵芯有足夠的吸力克服反力彈簧反力帶動(dòng)脫扣裝置動(dòng)作。該種方案雖達(dá)到了目標(biāo)，擴(kuò)大了整定電流范圍，但同時(shí)動(dòng)鐵芯上也產(chǎn)生偏向圓孔側(cè)向力。該側(cè)向力導(dǎo)致動(dòng)鐵芯帶動(dòng)的脫扣裝置與側(cè)壁有摩擦，會(huì)使整定值發(fā)生偏移，影響其準(zhǔn)確性。為解決此問(wèn)題，本文中對(duì)脫扣器靜磁軛進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)解決了上述動(dòng)鐵芯存在側(cè)向力導(dǎo)致整定值漂移以及擴(kuò)大了整定電流值范圍。

圖1 傳統(tǒng)的過(guò)電流脫扣器

1 結(jié)構(gòu)原理

目前過(guò)電流脫扣器結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由靜磁軛、動(dòng)鐵芯、反力彈簧、反力彈簧力值調(diào)節(jié)裝置及脫扣裝置組成，其工作原理可簡(jiǎn)述如下：承載主電路中電流通過(guò)銅排從靜磁軛中穿過(guò)，根據(jù)所需的整定值預(yù)先調(diào)節(jié)反力彈簧反力值，當(dāng)銅排承載電流為額定電流時(shí)，反力彈簧反力大于動(dòng)鐵芯在磁場(chǎng)中產(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)鐵芯向上運(yùn)動(dòng)并帶動(dòng)脫扣裝置一起動(dòng)作，使得斷路器脫扣分閘，切除故障以保護(hù)系統(tǒng)。

1-動(dòng)鐵芯；2-靜磁軛；3-銅排；4-反力彈簧

2 傳統(tǒng)過(guò)電流脫扣器特性計(jì)算與分析

本文中為更加準(zhǔn)確反映脫扣器結(jié)構(gòu)存在的缺陷。文中的所使用的模型只在優(yōu)化處進(jìn)行了修改(見(jiàn)圖3、圖8)，模型中靜磁軛側(cè)部設(shè)計(jì)成空心圓柱，圓柱半徑已為設(shè)計(jì)中的最大值，模型中動(dòng)鐵芯材料為Q235，靜磁軛采用疊加成的硅鋼片，材料為50WW350，Q235與50WW350的BH曲線均為非線性，當(dāng)電流施加到一定值后均存在磁飽和的現(xiàn)象。

1-動(dòng)鐵芯；2-靜磁軛；3-銅排

本文分析動(dòng)鐵芯在初值位置(氣隙最大)時(shí)的受力情況，研究電流為600-3600 A時(shí)，動(dòng)鐵芯力值大小及電磁機(jī)構(gòu)磁場(chǎng)分布情況。得到了如圖4、圖5所示的靜態(tài)受力特性。

圖4 兩種結(jié)構(gòu)脫扣器動(dòng)鐵芯靜態(tài)受力特性

圖5 兩種結(jié)構(gòu)脫扣器動(dòng)鐵芯水平方向上受到的吸力

針對(duì)本脫扣器反力彈簧的實(shí)際工況，其提供的最大反力為100 N，由圖4可知傳統(tǒng)的電磁機(jī)構(gòu)不做優(yōu)化時(shí)，銅排上流過(guò)的電流大于1500 A，動(dòng)鐵芯受到的吸力大于100 N，脫扣裝置會(huì)立即脫扣，即整定值調(diào)節(jié)上限為1500 A。而當(dāng)傳統(tǒng)的電磁機(jī)構(gòu)采用優(yōu)化結(jié)構(gòu)（靜磁軛側(cè)邊設(shè)計(jì)成空心圓孔）時(shí)，銅排上流過(guò)的電流大于3200 A，動(dòng)鐵芯受到的吸力才大于100 N，說(shuō)明整定值調(diào)節(jié)的上限通過(guò)該優(yōu)化方式能擴(kuò)展到3200 A，提高了整定調(diào)節(jié)范圍，滿足了產(chǎn)品不同的使用工況。然而，實(shí)際使用中整定值的調(diào)節(jié)是通過(guò)調(diào)節(jié)反力彈簧的形變量來(lái)實(shí)現(xiàn)的，反力彈簧的最大形變量依據(jù)產(chǎn)品小型化的要求來(lái)設(shè)計(jì)，一般較小，則在一個(gè)較大的整定值范圍內(nèi)調(diào)節(jié)出準(zhǔn)確的整定值會(huì)存在較高的難度，例如上述中優(yōu)化后脫扣器整定范圍為600-3200 A，若整定值需求為1500 A，可能會(huì)存在無(wú)論如何調(diào)節(jié)，能調(diào)節(jié)出1400 A和1600 A整定值，但1500 A不能調(diào)出的現(xiàn)象。對(duì)此，該傳統(tǒng)優(yōu)化方案存在該弊端。

由圖5可知，傳統(tǒng)優(yōu)化方案中，動(dòng)鐵芯橫軸方向上易受向左的吸力，并且隨著銅排通電電流值的增加，其吸力將增大。當(dāng)銅排通電電流為3500 A時(shí)，其向左的吸力為35 N,為動(dòng)鐵芯縱向吸力的35%。較大的側(cè)向吸力影響了反力彈簧的受力狀態(tài)，反力彈簧易受到側(cè)向摩擦力的影響，使得反力彈簧產(chǎn)生的反力值不穩(wěn)定，導(dǎo)致整定值漂移，影響整定值調(diào)節(jié)的準(zhǔn)確性。因此，該傳統(tǒng)優(yōu)化方案也存在該弊端。如圖6、圖7是傳統(tǒng)優(yōu)化結(jié)構(gòu)的磁場(chǎng)強(qiáng)度云圖分布，從圖中可以看出靜磁軛磁感應(yīng)強(qiáng)度分布不對(duì)稱，這是由于靜磁軛右側(cè)空心圓孔處存在漏磁導(dǎo)致的，使得動(dòng)鐵芯處的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布左右不對(duì)稱，動(dòng)鐵芯左側(cè)磁感應(yīng)強(qiáng)度更大，因而易產(chǎn)生向左的吸力。

圖7 傳統(tǒng)優(yōu)化結(jié)構(gòu)外表面的磁感應(yīng)強(qiáng)度云圖分布

3 過(guò)電流脫扣器結(jié)構(gòu)優(yōu)化

為解決上述傳統(tǒng)脫扣器優(yōu)化結(jié)構(gòu)帶來(lái)的弊端，對(duì)脫扣器靜磁軛結(jié)構(gòu)進(jìn)行了重新改進(jìn)，在靜磁軛下端設(shè)計(jì)成a×b的開(kāi)口形狀，如圖8所示，該方案能解決動(dòng)鐵芯橫軸方向上受力不平衡問(wèn)題，但同時(shí)a×b為不同值時(shí)，動(dòng)鐵芯產(chǎn)生的吸力是不一樣的，通過(guò)該方法可以提高脫扣器的整定范圍。

1-動(dòng)鐵芯；2-靜磁軛；3-銅排

3.1 靜態(tài)特性計(jì)算

以a×b的開(kāi)口形狀為20×10 mm為例得到了如下圖9所示的磁感應(yīng)強(qiáng)度云圖分布，從圖中可以看出靜磁軛橫軸左右兩側(cè)的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布是對(duì)稱的，這說(shuō)明動(dòng)鐵芯在橫軸上的力為零，解決了傳統(tǒng)脫扣器優(yōu)化后動(dòng)鐵芯橫軸上力不為零的問(wèn)題。從圖中可以看出，開(kāi)口處上方磁感應(yīng)強(qiáng)度較大，這是因?yàn)榇颂幋磐芏容^大，絕大多數(shù)磁力線流經(jīng)此處構(gòu)成磁回路。

為分析開(kāi)口截面大小對(duì)電磁吸力的影響，對(duì)開(kāi)口為20×10 mm、20×25 mm、40×28 mm的電磁機(jī)構(gòu)進(jìn)行磁場(chǎng)仿真，得出了如下圖10所示的靜態(tài)特性曲線。

從圖中可以看出：對(duì)比無(wú)開(kāi)口與有開(kāi)口時(shí)，可以看出當(dāng)存在開(kāi)口時(shí)，由于漏磁作用動(dòng)鐵芯受到的吸力降低了很多，相比傳統(tǒng)優(yōu)化方案，該方案也增大了整定調(diào)節(jié)范圍；開(kāi)口為20×10 mm時(shí)，最大調(diào)節(jié)整定電流為2300 A，開(kāi)口為20×25 mm和開(kāi)口為40×28 mm時(shí)，最大整點(diǎn)電流均能達(dá)到3500 A以上，說(shuō)明開(kāi)口截面越大，產(chǎn)生的漏磁越多，動(dòng)鐵芯受到的吸力越小。因此，為了達(dá)到上述所說(shuō)的提高整定調(diào)節(jié)的準(zhǔn)確度，可以將600—3600 A進(jìn)行分段，每段對(duì)應(yīng)不同開(kāi)口的靜磁軛，如600-1800 A整定調(diào)節(jié)范圍可采用開(kāi)口為20×10 mm的靜磁軛，1800-3300 A整定調(diào)節(jié)范圍可采用開(kāi)口為20×25 mm的靜磁軛；2700 A以上的整定調(diào)節(jié)范圍可采用開(kāi)口為28×40 mm的靜磁軛.。為保證脫扣器反力彈簧使用壽命，在調(diào)節(jié)反力彈簧時(shí)，不能將其調(diào)節(jié)到其使用的上限100 N。

圖9 開(kāi)口為20×10 mm的脫扣器磁感應(yīng)強(qiáng)度云圖

圖10 優(yōu)化后的脫扣器動(dòng)鐵芯靜態(tài)受力特性對(duì)比

表1 脫扣器整定試驗(yàn)記錄

通過(guò)不同整定值要求選用不同開(kāi)口的靜磁軛，在反力彈簧形變量不變情況下，分段后的整定調(diào)節(jié)范圍精度會(huì)明顯提高。表1與圖11是優(yōu)化后脫扣器整定試驗(yàn)數(shù)據(jù)及波形，該結(jié)果證實(shí)了上述表述的真實(shí)性。

圖11 實(shí)測(cè)整定電流波形

3.2 動(dòng)態(tài)特性計(jì)算

為保證脫扣器脫扣裝置能在較短的時(shí)間內(nèi)迅速脫扣，對(duì)脫扣器電磁機(jī)構(gòu)還需進(jìn)行瞬態(tài)仿真來(lái)加以校核，以滿足實(shí)際短路工況要求。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 21413.3-2008 鐵路應(yīng)用機(jī)車車輛電氣設(shè)備第3部分：電工器件直流斷路器規(guī)則》試驗(yàn)要求及軌道交通行業(yè)牽引系統(tǒng)要求該型斷路器額定電壓1800 V、短路電流30 kA、時(shí)間常數(shù)15 ms、整定電流值設(shè)定為1500 A，則在脫扣器開(kāi)始動(dòng)作至脫扣裝置脫扣這段時(shí)間內(nèi)，短路電流可用以下函數(shù)表示：

本脫扣裝置校核的電磁機(jī)構(gòu)選用開(kāi)口為20×10 mm的靜磁軛，動(dòng)鐵芯運(yùn)動(dòng)行程為2 mm，動(dòng)鐵芯質(zhì)量0.07 kg，反力彈簧剛度歸算到動(dòng)鐵芯處為12 N/mm，通過(guò)仿真計(jì)算得到了如圖12所示位移曲線，仿真出的脫扣動(dòng)作時(shí)間為3.8 ms，由于仿真時(shí)Band域空間設(shè)置要求，仿真設(shè)置的運(yùn)動(dòng)上限比實(shí)際2 mm要小一些，因而脫扣器脫扣動(dòng)作時(shí)間預(yù)估為4 ms。根據(jù)該型直流斷路器設(shè)計(jì)要求，脫扣裝置的脫扣動(dòng)作時(shí)間需在5 ms以下，因而上述校核滿足要求，說(shuō)明脫扣器電磁機(jī)構(gòu)采用有開(kāi)口的靜磁軛方案合理有效。

4 總結(jié)

本文對(duì)直流斷路器過(guò)電流脫扣器電磁機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真計(jì)算及驗(yàn)證，得到了以下結(jié)論：

1）脫扣器電磁機(jī)構(gòu)由于受產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求的限制致使整定電流調(diào)節(jié)范圍受限，需對(duì)脫扣器電磁機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，給出了兩種優(yōu)化方案，并進(jìn)行了對(duì)比，得出了相應(yīng)結(jié)論；

2）傳統(tǒng)的脫扣器電磁機(jī)構(gòu)優(yōu)化方案雖然提高了整定電流調(diào)節(jié)范圍，但存在著以下兩點(diǎn)弊端：一是調(diào)節(jié)精度不夠，二是存在側(cè)向力，影響脫扣動(dòng)作可靠性；

3）脫扣器電磁機(jī)構(gòu)采用靜磁軛開(kāi)口方案能提高整定電流調(diào)節(jié)范圍，采用將整定電流分段的方式能提高整定精度，而且該方案動(dòng)鐵芯不存在側(cè)向力作用。

[1] 李興文. 低壓斷路器[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2017.

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[4] 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社. 鐵路應(yīng)用機(jī)車車輛電氣設(shè)備第3部分: 電工器件直流斷路器規(guī)則: GB/T 21413.3-2008[S]. 2008.

Structure Optimization Design of over Current Tripping Device for DC Circuit Breaker

Lin Wei1, Wang Jinlong2, Yue Jin2,3

（1. Guangzhou Metro Group Co., Ltd , Guangzhou 510000, China; 2. Wuhan Changhai Electrical Technology Development Co., Ltd., Wuhan 430064, China; 3. Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China）

TM564

A

1003-4862（2021）08-0030-04

2021-01-26

凌煒（1977-），男，工程師。研究方向：城軌車輛。E-mail: yuejin@whchdq.com.cn