小型斷路器磁脫扣優(yōu)化仿真分析及實(shí)驗(yàn)研究

胡 金 利

(上海西門子線路保護(hù)系統(tǒng)有限公司, 上海 201506)

0 引 言

小型斷路器作為一種開關(guān)電器被廣泛地應(yīng)用在低壓配電系統(tǒng)和光伏發(fā)電系統(tǒng)中,發(fā)揮著不可替代的控制和保護(hù)功能。在系統(tǒng)中出現(xiàn)短路電流時(shí),小型斷路器一般通過磁脫扣器進(jìn)行短路保護(hù)。在進(jìn)行短路保護(hù)時(shí),要保證斷路器電流小于脫扣閾值時(shí)磁脫扣不工作,當(dāng)電流大于工作閾值時(shí),脫扣速度越快,斷路器的分?jǐn)嘈阅芫驮絻?yōu)秀,需要保證正常脫扣的同時(shí)縮短磁脫扣器的脫扣時(shí)間[1]。因此,進(jìn)行小型斷路器電磁吸力優(yōu)化仿真分析對(duì)于提高小型斷路器的分?jǐn)嘈阅芫哂兄匾膶?shí)際價(jià)值。

近年來(lái),國(guó)內(nèi)外許多專家和學(xué)者在斷路器的仿真及實(shí)驗(yàn)方面進(jìn)行了許多研究。在國(guó)內(nèi),張廣智[2]對(duì)萬(wàn)能式斷路器觸頭系統(tǒng)的電動(dòng)穩(wěn)定性進(jìn)行了仿真分析研究;張業(yè)[3]對(duì)小型斷路器分?jǐn)嚯娀〈糯敌ЧM(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)分析;季良[4]對(duì)靜導(dǎo)電回路的不同結(jié)構(gòu)下對(duì)開斷特性的影響作了研究,對(duì)兩種不同結(jié)構(gòu)的電動(dòng)力及吹弧磁場(chǎng)進(jìn)行了仿真分析;沈先[5]優(yōu)化了脫扣頂桿工作方式,提升了小型斷路器脫扣速度;潘萬(wàn)軍[6]通過對(duì)小型斷路器電磁脫扣器電磁吸力的計(jì)算分析,對(duì)磁軛進(jìn)行了優(yōu)化,提高了磁脫扣器的動(dòng)作靈敏性。

國(guó)外各位學(xué)者也對(duì)小型斷路器仿真進(jìn)行了許多研究。文獻(xiàn)[7]發(fā)現(xiàn)在小電流情況下直流開斷更為困難;文獻(xiàn)[8]在直流電壓450 V、預(yù)期電流10～5 000 A、不同時(shí)間常數(shù)下對(duì)比了永磁體對(duì)直流小型斷路器開斷性能的影響。

本文總結(jié)了國(guó)內(nèi)外各位學(xué)者對(duì)斷路器的研究經(jīng)驗(yàn),結(jié)合研究?jī)?yōu)勢(shì)的同時(shí)對(duì)研究的不足進(jìn)行了優(yōu)化。對(duì)小型斷路器動(dòng)鐵心和軛鐵進(jìn)行了不同結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì),通過建立磁脫扣器有限元模型,仿真計(jì)算了不同結(jié)構(gòu)時(shí)電磁脫扣器的電磁吸力,保證測(cè)試產(chǎn)品在規(guī)定電流脫扣;優(yōu)化電磁脫扣器的脫扣時(shí)間,同時(shí)進(jìn)行了斷路器瞬時(shí)脫扣實(shí)驗(yàn),對(duì)優(yōu)化方法進(jìn)行了驗(yàn)證。本文研究為磁脫扣器的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ),可以減少?gòu)S家磁脫扣器的研發(fā)時(shí)間以及生產(chǎn)成本。

1 計(jì)算方法

在小型斷路器的螺線管式脫扣器中,主要包括螺線管、動(dòng)鐵心、靜鐵心和軛鐵,脫扣器在初始位置時(shí)的三維模型如圖1所示。其動(dòng)作原理為:當(dāng)螺線管通過主回路電流達(dá)到整定值時(shí),由銜鐵與鐵軛之間工作氣隙磁通產(chǎn)生的電磁吸力克服彈簧反作用力,使銜鐵動(dòng)作[9]。

圖1 脫扣器在初始位置時(shí)的三維模型

要進(jìn)行電磁脫扣器的電磁吸力分析,需要進(jìn)行三維電磁場(chǎng)的計(jì)算。一般三維電磁場(chǎng)的麥克斯韋方程組[10]為

?×H(x,y,z)=J(x,y,z)

?·B(x,y,z)=0

(1)

式中:H(x,y,z)——磁場(chǎng)強(qiáng)度;

J(x,y,z)——電流密度;

B(x,y,z)——磁感應(yīng)強(qiáng)度。

小型斷路器中電磁場(chǎng)的計(jì)算為

(2)

式中:A——磁矢量勢(shì);

Js——電流密度;

μ——磁導(dǎo)率;

σ——電導(dǎo)率;

t——時(shí)間。

動(dòng)觸頭所受到的磁場(chǎng)力計(jì)算為

(3)

式中:F——磁場(chǎng)力;

J——電流密度;

B——磁通密度;

Ω——空間區(qū)域。

電磁吸力計(jì)算流程如圖2所示。

圖2 電磁吸力計(jì)算流程

首先使用三維造型軟件Creo建立電磁脫扣器的原始模型,并進(jìn)行動(dòng)鐵心和軛鐵結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì),通過Ansys軟件設(shè)置單元和材料屬性,并對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格剖分,網(wǎng)格剖分完成后便可以對(duì)螺線管式脫扣器進(jìn)行有限元計(jì)算,通過施加電流邊界條件,計(jì)算螺線管中的電流分布;然后將螺線管中電流分布作為激勵(lì),耦合入磁場(chǎng)分析的過程中,進(jìn)而計(jì)算出電磁吸力。通過改變螺線管中的載流大小,以及動(dòng)鐵心與靜鐵心的間距(工作氣隙),可仿真計(jì)算出對(duì)應(yīng)于不同電流和工作氣隙時(shí)的電磁吸力,得到磁脫扣器的靜態(tài)特性,為動(dòng)態(tài)特性提供插值數(shù)據(jù)。

靜態(tài)特性計(jì)算時(shí)定義動(dòng)鐵心和靜鐵心的間距為d,以該間距作為工作氣隙的度量,動(dòng)靜鐵心工作氣隙如圖3所示。改變載流大小和間距,分別計(jì)算電流值為63 A、75 A、125 A、300 A、450 A、625 A、900 A、1 250 A、1 500 A、2 000 A、5 000 A、10 000 A;動(dòng)鐵心與靜鐵心的工作間距為3.2 mm、3.0 mm、2.5 mm、2.0 mm、1.5 mm、1.0 mm、0.5 mm、0.1 mm,構(gòu)成一個(gè)12×8的靜態(tài)數(shù)據(jù)網(wǎng)格,通過對(duì)比靜態(tài)電磁吸力來(lái)分析優(yōu)化前后磁脫扣器結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣。

圖3 動(dòng)靜鐵心工作氣隙

2 仿真模型

2.1 動(dòng)鐵心優(yōu)化模型

仿真采用三維有限元分析軟件Ansys,首先進(jìn)行了小型斷路器中脫扣器的網(wǎng)格剖分,對(duì)模型進(jìn)行有限元計(jì)算后獲得了原始模型時(shí)磁脫扣器在不同間距和電流下的電磁吸力。然后在原有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,改變了脫扣器動(dòng)鐵心的結(jié)構(gòu),使得電磁吸力改變,動(dòng)鐵心的質(zhì)量減小,計(jì)算得到模型改進(jìn)后動(dòng)鐵心的電磁力,然后導(dǎo)入ADAMS進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真,分析質(zhì)量的改變對(duì)脫扣器動(dòng)作的影響。在此基礎(chǔ)上探究采用何種改進(jìn)方式,使得質(zhì)量的減輕和電磁力的改變對(duì)脫扣器動(dòng)作的影響作用最優(yōu)。

不同削減度的動(dòng)鐵心優(yōu)化模型如圖4所示。

圖4 不同削減度的動(dòng)鐵心優(yōu)化模型

動(dòng)鐵心模型1是將動(dòng)鐵心削去了直徑2 mm,長(zhǎng)1 mm的圓柱;動(dòng)鐵心模型2將動(dòng)鐵心削去了直徑2 mm,長(zhǎng)2 mm的圓柱;動(dòng)鐵心模型3將動(dòng)鐵心削去了直徑2 mm,長(zhǎng)5 mm的圓柱;動(dòng)鐵心模型4將動(dòng)鐵心削去了直徑3 mm,長(zhǎng)5 mm的圓柱。

2.2 軛鐵優(yōu)化模型

本文在原有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,改變了脫扣器軛鐵的結(jié)構(gòu),計(jì)算了6種改進(jìn)模型的電磁力,并與原始脫扣器模型進(jìn)行對(duì)比,進(jìn)而探究軛鐵結(jié)構(gòu)對(duì)電磁吸力的影響。在原有模型的基礎(chǔ)上,對(duì)軛鐵的結(jié)構(gòu)做了修改。軛鐵優(yōu)化模型如圖5所示。軛鐵模型1在原始模型的基礎(chǔ)上,將動(dòng)鐵心側(cè)的軛鐵長(zhǎng)度增加1.0 mm;軛鐵模型2將動(dòng)鐵心側(cè)的軛鐵長(zhǎng)度減小1.0 mm,兩種改進(jìn)模型的軛鐵厚度不變;軛鐵模型3在原始模型的基礎(chǔ)上,將軛鐵厚度增加0.5 mm;軛鐵模型4將軛鐵厚度增加1.0 mm,其中軛鐵模型3、軛鐵模型4的軛鐵總長(zhǎng)度不變;軛鐵模型5將動(dòng)鐵心側(cè)的軛鐵長(zhǎng)度縮短1.5 mm,軛鐵厚度不變。

圖5 軛鐵優(yōu)化模型

3 電磁吸力仿真結(jié)果及分析

3.1 動(dòng)鐵心優(yōu)化后結(jié)果及分析

將磁脫扣器原始模型以及4種動(dòng)鐵心優(yōu)化后的磁脫扣器模型進(jìn)行電磁吸力計(jì)算,得到5種不同結(jié)構(gòu)動(dòng)鐵心在不同電流、不同空氣間隙下的電磁吸力。不同電流、不同空氣間隙下動(dòng)鐵心優(yōu)化前后電磁吸力如圖6所示。由圖6可見,在改變動(dòng)鐵心結(jié)構(gòu)時(shí),動(dòng)鐵心電磁吸力的變化趨勢(shì)沒有明顯改變;當(dāng)動(dòng)鐵心與靜鐵心的間距不變時(shí),隨著電流的不斷增大,動(dòng)鐵心所受到的電磁吸力會(huì)不斷增大,但是隨著電流的增大,電磁吸力增大的速度會(huì)變緩,這一效應(yīng)是磁飽和效應(yīng)所造成的;當(dāng)電流大小相同時(shí),間距從0.1 mm增大至3.2 mm,動(dòng)鐵心所受到的電磁吸力不斷減小,動(dòng)靜鐵心的間距越大,電磁吸力越小。

圖6 不同電流、不同空氣間隙下動(dòng)鐵心優(yōu)化前后電磁吸力

為了更加清楚地對(duì)比相同電流、相同工作間隙下結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后的電磁吸力,選取工作間隙d為3.2 mm與0.1 mm時(shí)5種不同結(jié)構(gòu)的電磁吸力進(jìn)行了對(duì)比。相同電流、相同工作間隙下動(dòng)鐵心優(yōu)化前后電磁吸力如圖7所示。當(dāng)電流較小時(shí),原始模型和4種修改模型的電磁力相差不大;但是當(dāng)電流大于500 A時(shí),5種模型電磁力的差距開始出現(xiàn),并隨著電流的增大,差別越來(lái)越大。

圖7 相同電流、相同工作間隙下動(dòng)鐵心優(yōu)化前后電磁吸力

原始模型無(wú)論在小間距時(shí)還是大間距時(shí)的電磁吸力都最大,并且這種差距隨著電流的增大逐漸變大。在任一間距下,原始模型的電磁力最大,動(dòng)鐵心模型1和動(dòng)鐵心模型2次之,并且與原始模型相差不大,動(dòng)鐵心模型3、動(dòng)鐵心模型4的電磁力依次減小。

由于改進(jìn)模型的動(dòng)鐵心質(zhì)量會(huì)改變,所以不能單單從電磁吸力來(lái)判斷優(yōu)化效果,還需進(jìn)行進(jìn)一步的分析。為了使脫扣電流不變,需保證改進(jìn)模型在同一電流時(shí),隨著間距的減小其電磁力的增長(zhǎng)速率要大于原始模型,使得在同樣的間距和電流下,動(dòng)鐵心的加速度大于原始模型,才會(huì)對(duì)脫扣器脫扣過程有促進(jìn)效果。因此,必須對(duì)改進(jìn)模型的電磁力進(jìn)行歸一化處理來(lái)判斷是否有利于脫扣。動(dòng)鐵心優(yōu)化前后模型削減長(zhǎng)度以及體積如表3所示。

表3 動(dòng)鐵心優(yōu)化前后模型削減長(zhǎng)度以及體積

首先,將改進(jìn)模型在各個(gè)間距和電流下的電磁力除以對(duì)應(yīng)的體積(質(zhì)量)得到加速度;然后在電流一定時(shí)(如電流為300 A時(shí)),將改進(jìn)模型在同樣間距下的加速度除以原始模型對(duì)應(yīng)的加速度,得到改進(jìn)模型加速度的增大倍數(shù),再將各個(gè)間距下的增大倍數(shù)除以初始間距下的增大倍數(shù),從而得到歸一化后的電磁加速度數(shù)據(jù)。當(dāng)電流為300 A和10 000 A時(shí),對(duì)改進(jìn)模型進(jìn)行歸一化處理。動(dòng)鐵心優(yōu)化前后歸一化電磁加速度對(duì)比如圖8所示。

圖8 動(dòng)鐵心優(yōu)化前后歸一化電磁加速度對(duì)比

對(duì)于任意改進(jìn)模型,圖8中數(shù)據(jù)大于1,說(shuō)明在保證脫扣電流不變的情況下,該模型相對(duì)于原始模型其脫扣速度更快,有利于脫扣;若小于1則說(shuō)明該模型比原始模型脫扣速度小,脫扣速度要差于原始模型。

當(dāng)電流為300 A時(shí),動(dòng)鐵心模型1和動(dòng)鐵心模型2相對(duì)比較穩(wěn)定,并且在大多數(shù)間距下歸一化數(shù)值大于1,相比于原始模型其脫扣速度會(huì)加快;動(dòng)鐵心模型3既出現(xiàn)了大于1,也出現(xiàn)了小于1的情況,不能說(shuō)明其動(dòng)鐵心的加速效果要優(yōu)于原始模型;動(dòng)鐵心模型4數(shù)值均小于1,脫扣效果要比原始模型差。當(dāng)電流為10 000 A時(shí),可以看出,整體上動(dòng)鐵心模型1和動(dòng)鐵心模型2的效果較好,動(dòng)鐵心模型3、動(dòng)鐵心模型4脫扣速度均小于原始模型。綜上所述,在上述兩種電流下,動(dòng)鐵心模型1和動(dòng)鐵心模型2的脫扣效果要略微優(yōu)于原始模型。

通過以上5種模型的計(jì)算可以看出,削減動(dòng)鐵心的體積一定會(huì)減小動(dòng)鐵心的電磁力。考慮了動(dòng)鐵心的質(zhì)量變化后,將動(dòng)鐵心的加速度進(jìn)行歸一化,結(jié)果表明當(dāng)削減的體積過大時(shí)(如動(dòng)鐵心模型3、動(dòng)鐵心模型4),脫扣器的電磁特性會(huì)變差,脫扣效果要差于原始模型;當(dāng)削減體積不大時(shí)(如動(dòng)鐵心模型1、動(dòng)鐵心模型2),其脫扣速度要快于原始模型,對(duì)于脫扣起到了積極促進(jìn)的作用。

3.2 軛鐵優(yōu)化后結(jié)果及分析

將軛鐵原始模型以及優(yōu)化后的5種不同結(jié)構(gòu)的軛鐵進(jìn)行電磁吸力計(jì)算,得到6種不同結(jié)構(gòu)軛鐵在不同電流、不同空氣間隙下的電磁吸力。不同電流、不同空氣間隙下軛鐵優(yōu)化前后電磁吸力如圖9所示。

圖9 不同電流、不同空氣間隙下軛鐵優(yōu)化前后電磁吸力

電磁吸力的變化趨勢(shì)與動(dòng)鐵心優(yōu)化時(shí)相同,在改變軛鐵結(jié)構(gòu)時(shí),動(dòng)鐵心電磁吸力的變化趨勢(shì)沒有明顯改變;當(dāng)動(dòng)鐵心與靜鐵心的間距不變時(shí),隨著電流的不斷增大,動(dòng)鐵心所受到的電磁吸力會(huì)不斷增大,但是隨著電流的增大,電磁吸力增大的速度會(huì)變緩,這一效應(yīng)是磁飽和效應(yīng)所造成的;當(dāng)電流大小相同時(shí),動(dòng)靜鐵心間距從0.1 mm增大至3.2 mm,動(dòng)鐵心所受到的電磁吸力不斷減小,動(dòng)靜鐵心的間距越大,電磁吸力越小。

為了更好地對(duì)比優(yōu)化后的模型與原始模型的優(yōu)劣,同樣將6種模型的電磁加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化,d=3.2 mm時(shí)得到不同電流下5種模型的電磁加速度。軛鐵優(yōu)化前后歸一化電磁加速度對(duì)比如圖10所示。

圖10 軛鐵優(yōu)化前后歸一化電磁加速度對(duì)比

由圖10可見,在兩種電流下,軛鐵模型5的電磁力最大,上升速率也最快;其次是軛鐵模型2和軛鐵模型4。

軛鐵模型2、軛鐵模型4和軛鐵模型5共3種模型對(duì)于脫扣起到有利作用,電磁力較大且上升速率較快。其中,軛鐵模型5(軛鐵縮短1.5 mm)對(duì)于脫扣最有利,軛鐵模型2(軛鐵縮短1.0 mm)和軛鐵模型4(軛鐵左側(cè)加厚1.0 mm)次之。因此,通過縮短軛鐵長(zhǎng)度又增大軛鐵厚度來(lái)更大程度地增大脫扣速度,改善電磁特性。

4 優(yōu)化后實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

本文通過優(yōu)化磁脫扣器來(lái)提高小型斷路器的磁脫扣能力,為了驗(yàn)證仿真方法的準(zhǔn)確性,按照仿真模型優(yōu)化結(jié)果對(duì)磁脫扣器進(jìn)行加工,并且在1.8倍額定電流進(jìn)行(脫扣閾值為1.5倍額定電流),分別測(cè)量?jī)?yōu)化前后機(jī)構(gòu)的脫扣時(shí)間。實(shí)驗(yàn)中只替換磁脫扣器部分,確保除優(yōu)化部件外其他因素相同。小型斷路器實(shí)驗(yàn)圖如圖11所示。

進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的共有3種斷路器,分別為1種原始斷路器和優(yōu)化后的2種斷路器。根據(jù)仿真結(jié)果,優(yōu)化斷路器1將動(dòng)鐵心削去了直徑2.0 mm,長(zhǎng)1.0 mm的圓柱,優(yōu)化斷路器2將動(dòng)鐵心側(cè)的軛鐵長(zhǎng)度增加1.0 mm,每組斷路器進(jìn)行5次脫扣實(shí)驗(yàn),所通電流為1 000 A,測(cè)量其優(yōu)化前后瞬時(shí)脫扣的時(shí)間。瞬時(shí)脫扣時(shí)間如表4所示。

圖11 小型斷路器實(shí)驗(yàn)圖

表4 瞬時(shí)脫扣時(shí)間

由表4可見,在對(duì)斷路器磁脫扣器結(jié)構(gòu)優(yōu)化后,脫扣速度加快,斷路器瞬時(shí)脫扣時(shí)間有一定程度的減小,與仿真結(jié)果相吻合,驗(yàn)證了仿真方法的正確性。該仿真方法應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)中,方便斷路器中磁脫扣器的優(yōu)化,以及初步判斷斷路器瞬時(shí)脫扣時(shí)間是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求,減小生產(chǎn)成本。

5 結(jié) 語(yǔ)

小型斷路器作為建筑電氣終端配電裝置中使用最廣泛的一種終端保護(hù)電器,其短路保護(hù)主要靠磁脫扣器來(lái)實(shí)現(xiàn)。利用有限元仿真技術(shù)對(duì)其電磁吸力進(jìn)行分析,然后針對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,對(duì)于改善其脫扣性能起到了很好的作用。本文利用三維造型軟件Creo和有限元分析軟件Ansys,建立了小型斷路器磁脫扣器模型,對(duì)動(dòng)鐵心和軛鐵結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),并且對(duì)比了優(yōu)化前后磁脫扣器的電磁吸力以及電磁加速度,最后進(jìn)行了斷路器脫扣實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果相吻合。得到結(jié)論:當(dāng)動(dòng)鐵心削減體積不大時(shí),或者縮短軛鐵長(zhǎng)度和增大軛鐵厚度時(shí),斷路器脫扣速度要快于原始模型,對(duì)于脫扣起到了積極促進(jìn)的作用。