基于飽和磁路的直流斷路器磁脫扣器特性仿真研究

摘" 要：

磁脫扣器是直流斷路器的關(guān)鍵部件，直接決定直流斷路器的短路保護(hù)性能。對基于飽和磁路的磁脫扣器進(jìn)行建模和特性仿真計算，獲取不同電流下的磁力曲線，并與傳統(tǒng)的單磁路磁脫扣器進(jìn)行特性對比分析。結(jié)果表明，基于飽和磁路的磁脫扣器具有更高的脫扣精度和動作可靠性，為磁脫扣器的設(shè)計優(yōu)化提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞：

直流斷路器; 磁脫扣器; 飽和磁路; 仿真研究

中圖分類號： TM561

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號： 2095-8188（2024）10-0065-07

DOI：

10.16628/j.cnki.2095-8188.2024.10.011

韓" 偉（1986—），男，高級工程師，主要從事直流開斷技術(shù)研究。

朱忠建（1978—），男，高級工程師，主要從事直流開斷技術(shù)研究。

衣陳晨（1991—），男，工程師，主要從事直流開關(guān)設(shè)備的設(shè)計與制造工作。

Simulation Study of DC Circuit Breaker Magnetic Release Characteristics Based on Saturation Magnetic Circuit

HAN Wei，" ZHU Zhongjian，" YI Chenchen，" MENG Fanfei，" QIU Zhongjun，" XI Jie

（Jiangsu Daqo Kfine Electrical Co.， Ltd.， Zhenjiang 212200， China）

Abstract：

The magnetic release is the key component of DC circuit breaker，which directly determines the short circuit protection performance of DC circuit breaker.The magnetic release based on saturation magnetic circuit is modeled and simulated to obtain the magnetic curve of different currents，and the characteristics of the magnetic release based on saturation magnetic circuit are compared with the traditional single magnetic circuit magnetic release.The results prove that the magnetic release based on saturation magnetic circuit has higher release accuracy and operation reliability，which provides a basis for the design and optimization of magnetic release.

Key words：

DC circuit breaker; magnetic release; saturation magnetic circuit; simulation study

0" 引" 言

近年來，城市軌道交通特別是地鐵已經(jīng)成為非常重要的交通工具，且與人們生活的聯(lián)系越來越緊密。為保證地鐵車輛的正常運(yùn)行和舒適性，地鐵車輛使用的高速斷路器一般為直流斷路器。直流斷路器作為直流牽引供電系統(tǒng)的核心保護(hù)設(shè)備，可快速切斷回路故障電流，是直流牽引供電系統(tǒng)安全運(yùn)行的重要保證。

與交流供電系統(tǒng)相比，直流供電系統(tǒng)的電流不存在自然過零點(diǎn)，直流電流的開斷更加困難，因此需要安全可靠的磁脫扣器，使直流斷路器在回路短路時，快速切斷短路電流;同時在直流斷路器正常工作情況下，即回路電流在額定電流及以下時防止磁脫扣器誤動作，保障直流牽引供電系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行［1］。

本文對基于飽和磁路的磁脫扣器進(jìn)行建模和特性仿真，獲取不同電流下的磁力曲線，并與傳統(tǒng)的單磁路磁脫扣器進(jìn)行了特性對比分析，結(jié)果證明基于飽和磁路的磁脫扣器具有更高的脫扣精度和動作可靠性，為磁脫扣器的設(shè)計優(yōu)化提供依據(jù)。

1" 磁脫扣器概述

1.1" 磁脫扣器的工作原理

磁脫扣器是直流斷路器進(jìn)行短路保護(hù)的關(guān)鍵部件。傳統(tǒng)磁路的磁脫扣器如圖1所示。主要由導(dǎo)磁框、銜鐵、反力彈簧等組成。導(dǎo)磁框固定安裝，承載主回路電流的銅排從導(dǎo)磁框中穿過，主回路電流在導(dǎo)磁框中產(chǎn)生磁場，使導(dǎo)磁框?qū)︺曡F產(chǎn)生電磁吸力。當(dāng)主回路電流小于磁脫扣器動作電流時，銜鐵受到的電磁吸力小于反力彈簧提供的彈簧反力，銜鐵保持不動;當(dāng)主回路電流大于磁脫扣器動作電流時，銜鐵受到的電磁吸力大于反力彈簧提供的彈簧反力，銜鐵向下運(yùn)動并帶動銜鐵頂桿一起運(yùn)動，使得直流斷路器脫扣分閘，保護(hù)直流供電系統(tǒng)［2-3］。

1.2" 基于飽和磁路的磁脫扣器

隨著直流牽引供電系統(tǒng)的快速發(fā)展，直流斷路器的大電流脫扣保護(hù)的要求也在不斷提高，要求磁脫扣器具有更高的脫扣精度和動作可靠性。GB/T 25890.2—2010 / IEC61992-2：2006《軌道交通 地面裝置 直流開關(guān)設(shè)備 第2部分：直流斷路器》中規(guī)定，對于新斷路器，脫扣器和繼電器動作的最低精度范圍為整定值的±5%。

基于飽和磁路的磁脫扣器如圖2所示。與傳統(tǒng)磁路的磁脫扣器相比，基于飽和磁路的磁脫扣器在銜鐵的頂端增加了第二導(dǎo)磁回路。第二導(dǎo)磁回路產(chǎn)生的電磁力方向與第一導(dǎo)磁回路產(chǎn)生的電磁力方向相反。在主回路電流小于磁脫扣器的動作電流時，第二導(dǎo)磁回路產(chǎn)生的電磁力會抵消第一導(dǎo)磁回路產(chǎn)生的電磁吸力，減小銜鐵受到的向下運(yùn)動的力，在一定電流條件下，甚至?xí)广曡F受到向上運(yùn)動的吸力。

當(dāng)供電系統(tǒng)出現(xiàn)故障，主回路電流大于磁脫扣器動作電流時，由于第一導(dǎo)磁回路的導(dǎo)磁面積

大于第二導(dǎo)磁回路的，第二導(dǎo)磁回路會出現(xiàn)磁飽和現(xiàn)象，因此第一導(dǎo)磁回路的電磁力上升速度會大于第二導(dǎo)磁回路的電磁力上升速度，導(dǎo)致銜鐵開始向下運(yùn)動。隨著銜鐵向下運(yùn)動，第一導(dǎo)磁回路的氣隙迅速減小，而第二導(dǎo)磁回路的氣隙迅速增大，使得2個導(dǎo)磁回路產(chǎn)生的電磁力差值進(jìn)一步增大，從而加快銜鐵的運(yùn)動速度，提高了磁脫扣器的動作精度和可靠性［2］。

1.3" 磁脫扣器在直流斷路器中的應(yīng)用

磁脫扣器的脫扣動作示意如圖3所示。在合閘過程中，合閘推桿推動動觸頭沿主軸順時針旋轉(zhuǎn)，動觸頭與靜觸頭合閘，如圖3（a）。當(dāng)主回路電流大于磁脫扣器動作電流時，銜鐵受到的電磁吸力大于反力彈簧提供的彈簧反力，銜鐵向下運(yùn)動并帶動銜鐵頂桿一起運(yùn)動;當(dāng)銜鐵頂桿與合閘推桿接觸后，壓下合閘推桿，動觸頭被分閘彈簧推動逆時針旋轉(zhuǎn)，直流斷路器完成脫扣動作，如圖3（b）。

磁脫扣器動作時銜鐵的位移情況如圖4所示。磁脫扣器銜鐵在脫扣動作過程中的總行程為6 mm。為了防止影響正常合閘，銜鐵頂桿與合閘推桿之間會預(yù)留2 mm的距離，即在脫扣過程中，銜鐵向下運(yùn)動2 mm后，銜鐵頂桿與合閘推桿接觸，然后壓下合閘推桿，完成脫扣分閘動作。因此銜鐵運(yùn)動的行程可劃分為3個位置：起始位置、接觸位置和結(jié)束位置。銜鐵在起始位置的位移為0 mm，主要是克服反力彈簧提供的彈簧反力。銜鐵在接觸位置的位移為2 mm，此時銜鐵主要是克服合閘推桿提供的合閘保持力和反力彈簧提供的彈簧反力。銜鐵在結(jié)束位置的位移為6 mm，此時銜鐵已完成脫扣動作。因此在仿真研究中，重點(diǎn)分析銜鐵在0 mm位移（起始位置）、2 mm位移（接觸位置）、6 mm位移（結(jié)束位置）的受力情況。

2" 磁脫扣器的模型建立與邊界條件

本文采用Ansoft軟件對磁脫扣器特性進(jìn)行仿真分析。首先建立基于傳統(tǒng)磁路和飽和磁路的磁脫扣器的簡化模型，并保證2個磁脫扣器除磁路不同外，其余尺寸保持一致［4］。在計算中，導(dǎo)磁框的材質(zhì)選用Ansoft軟件自帶的DW315-50硅鋼片材料，銜鐵選用DT4電工純鐵材料［5-6］。

主回路由上銅排、動觸頭和下銅排組成，電流從上銅排流入，經(jīng)動觸頭從下銅排流出。導(dǎo)電回路如圖5所示。根據(jù)實際整定需求，在銅排端面中施加500～6 000 A電流，計算區(qū)域選取為模型的5倍大小，分別計算銜鐵在0 mm位移（起始位置）、2 mm位移（接觸位置）、6 mm位移（結(jié)束位置）時所受到的力值。傳統(tǒng)磁路的磁脫扣器建模及網(wǎng)格劃分如圖6所示;基于飽和磁路的磁脫扣器建模及網(wǎng)格劃分如圖7所示。

3" 磁脫扣器的仿真分析

3.1" 銜鐵在0 mm位移（起始位置）的特性分析

銜鐵在0 mm位移（起始位置）的受力曲線如圖8所示。

傳統(tǒng)磁路的磁脫扣器在電流500 A時銜鐵受力為8 N，隨著電流增大，受力值不斷增加，在電流4 000 A時銜鐵受力為485 N，在電流6 000 A時銜鐵受力最大為730 N。

基于飽和磁路的磁脫扣器在電流500 A時銜鐵受力為-315 N（方向向上），在電流1 000 A時銜鐵向上受力達(dá)到最大值，為-321 N，隨著電流繼續(xù)增大，受力值不斷向下增加，在電流4 000 A時銜鐵受力為0 N，在電流6 000 A時銜鐵受力為239 N。即隨著電流增大，銜鐵先承受反方向的力，并在電流1 000 A時達(dá)到反方向力的最大值，隨后銜鐵受力不斷增加，在電流4 000 A時銜鐵受力為0 N，隨后達(dá)到正向最大值。

該仿真結(jié)果驗證了在主回路電流小于磁脫扣器的動作電流時，第二導(dǎo)磁回路產(chǎn)生的電磁力會抵消第一導(dǎo)磁回路產(chǎn)生的電磁吸力，在一定電流條件下，甚至?xí)广曡F受到向上運(yùn)動的吸力。傳統(tǒng)磁路和基于飽和磁路的磁脫扣器在4 000 A電流、0 mm位移（起始位置）的磁感應(yīng)強(qiáng)度云圖分別如圖9、圖10所示。由圖9、圖10可知，基于飽和磁路的磁脫扣器的第二導(dǎo)磁回路已產(chǎn)生明顯的磁飽和現(xiàn)象。

3.2" 銜鐵在2 mm位移（接觸位置）的特性分析

銜鐵在2 mm位移（接觸位置）的受力曲線如圖11所示。

傳統(tǒng)磁路的磁脫扣器在電流500 A時銜鐵受力為17 N，隨著電流上升，受力值不斷增加，在電流4 000 A時銜鐵受力為780 N，在電流6 000 A時銜鐵受力達(dá)到最大值，為1 051 N。

基于飽和磁路的磁脫扣器在電流500 A時銜鐵受力為11 N，在電流4 000 A時銜鐵受力為642 N，在電流6 000 A時銜鐵受力為924 N。這是由于隨著銜鐵的向下運(yùn)動，第一導(dǎo)磁回路的氣隙迅速減小，而第二導(dǎo)磁回路的氣隙迅速增大，使得2個導(dǎo)磁回路產(chǎn)生的電磁力差值進(jìn)一步增大，加快了銜鐵的運(yùn)動速度。

傳統(tǒng)磁路和基于飽和磁路的磁脫扣器在4 000 A電流、2 mm位移（接觸位置）的磁感應(yīng)強(qiáng)度云圖分別如圖12、圖13所示。

3.3" 銜鐵在6 mm位移（結(jié)束位置）的特性分析

銜鐵在6 mm位移（結(jié)束位置）的受力曲線如圖14所示。

傳統(tǒng)磁路的磁脫扣器在電流500 A時銜鐵受力為1 575 N，隨著電流上升，受力值不斷增加，在電流4 000 A時銜鐵受力為2 179 N，在電流6 000 A時銜鐵受力達(dá)到最大值，為2 370 N。

基于飽和磁路的磁脫扣器在電流500 A時銜鐵受力為1 463 N，在電流4 000 A時銜鐵受力為2 015 N，在電流6 000 A時銜鐵受力為2 089 N。由圖可知，隨著銜鐵的繼續(xù)向下運(yùn)動，第一導(dǎo)磁回路的氣隙減小為0，而第二導(dǎo)磁回路的氣隙增大為6 mm，因此第二導(dǎo)磁回路對鐵心受力的影響減小至最低，鐵心受力主要由第一導(dǎo)磁回路的導(dǎo)磁面積決定。此時傳統(tǒng)磁路的磁脫扣器由于導(dǎo)磁面積較大，其最終受力也稍微大于飽和磁路，且受力與2種磁脫扣器第一導(dǎo)磁回路的導(dǎo)磁面積基本成正比，即2種磁脫扣器的受力相似，并沒有出現(xiàn)較大的差異。

傳統(tǒng)磁路和基于飽和磁路的磁脫扣器在4 000 A電流、6 mm位移（接觸位置）的磁感應(yīng)強(qiáng)度云圖分別如圖15、圖16所示。

3.4" 銜鐵從0 mm位移至2 mm位移的受力變化分析

銜鐵從0 mm位移至2 mm位移的受力變化如表1所示。脫扣器在開始動作時，銜鐵需要克服反力彈簧的反力，即當(dāng)銜鐵在0 mm位移受到的電磁吸力需要抵消反力彈簧提供的彈簧反力。因此銜鐵從0 mm位移至2 mm位移的受力變化直接決定了銜鐵頂桿與合閘推桿接觸后，施加在合閘推桿上的脫扣力，決定了脫扣器動作的可靠性。

傳統(tǒng)磁路的磁脫扣器在電流500 A時銜鐵受力變化為9 N，隨著電流上升，受力變化不斷增加，在電流4 000 A時受力變化為295 N，在電流6 000 A時銜鐵受力變化為321 N。

基于飽和磁路的磁脫扣器在電流500 A時受力變化為326 N，在電流4 000 A時銜鐵受力變化為643 N，在電流6 000 A時銜鐵受力變化為685 N?？梢?，基于飽和磁路的磁脫扣器的受力變化遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)磁路的磁脫扣器，可防止出現(xiàn)磁脫扣器無法動作的情況，使磁脫扣器更加可靠。

4" 試驗驗證

4.1 磁脫扣器反力彈簧設(shè)計

磁脫扣器實現(xiàn)脫扣功能，是電磁吸力、反力彈簧提供的彈簧反力和脫扣裝置脫扣力3者共同作用的結(jié)果。根據(jù)仿真數(shù)據(jù)，在0 mm位移情況下，基于飽和磁路的磁脫扣器在電流4 500 A時，銜鐵受力為62 N。即在脫扣動作電流為4 500 A時，反力彈簧提供的彈簧反力應(yīng)≥62 N。若反力彈簧的材質(zhì)選用SUS316不銹鋼線，彈簧線徑為1.2 mm，則反力彈簧在0 mm位移時彈簧反力為62.0 N，在2 mm位移時彈簧反力為71.9 N，在6 mm位移彈簧反力為91.8 N，彈簧剛度為4.96 N/mm。而基于飽和磁路的磁脫扣器在2 mm位移和6 mm位移的銜鐵受力分別為713 N和2 021 N，均遠(yuǎn)大于對應(yīng)位置的彈簧反力，證明基于飽和磁路的磁脫扣器在該反力彈簧作用下可正常進(jìn)行脫扣動作。

傳統(tǒng)磁路的磁脫扣器在0 mm位移、電流4 500 A時，銜鐵受力為555 N。即在脫扣動作電流為4 500 A時，反力彈簧提供的彈簧反力應(yīng)≥555 N。若反力彈簧的材質(zhì)選用SUS316不銹鋼線，彈簧線徑為3 mm，則反力彈簧在0 mm位移時彈簧反力為566.3 N，在2 mm位移時彈簧反力為639.4 N，在6 mm位移彈簧反力為785.6 N，彈簧剛度為36.54 N/mm。

可見，基于飽和磁路的磁脫扣器反力彈簧的彈簧剛度遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)磁路的，脫扣動作時間也優(yōu)于傳統(tǒng)磁路的。

4.2" 脫扣動作驗證

GB/T 25890.2—2010 / IEC61992-2：2006中規(guī)定，受電流上升率影響分閘啟動的直流斷路器，整定值處的電流上升率不應(yīng)超過200 A/s。

因此在理想情況下，試驗回路的預(yù)期短路電流應(yīng)在短時間上升至脫扣動作電流（4 500 A）的95%，即4 275 A處;隨后以不超過200 A/s的電流上升率上升至脫扣動作電流（4 500 A）的105%，即4 725 A處。脫扣動作電流與預(yù)期短路電流示意圖如圖17所示。

通過以上對磁脫扣器的仿真分析，并結(jié)合反力彈簧的設(shè)計，制備了基于飽和磁路的磁脫扣器樣機(jī)，并采用大電流發(fā)生裝置模擬預(yù)期短路電流波形，對磁脫扣器樣機(jī)進(jìn)行試驗驗證。磁脫扣器樣機(jī)在10次測試中的脫扣動作電流值分布如圖18所示。由圖18可知，脫扣動作電流最大值為4 512 A，最小值為4 428 A，兩者之間的差值為84 A，均處于整定值的±5%范圍內(nèi)，同時經(jīng)測試磁脫扣器的動作時間＜4.7 ms，均滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求。試驗結(jié)果表明測試數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果基本吻合，證明了仿真結(jié)果的正確性和計算精度。

5" 結(jié)" 語

本文針對基于飽和磁路的磁脫扣器進(jìn)行仿真分析，并通過仿真計算對比了傳統(tǒng)磁路的磁脫扣器與基于飽和磁路的磁脫扣器的受力變化，得到了以下結(jié)論：

（1） 當(dāng)銜鐵在0 mm位移（起始位置）時，與傳統(tǒng)磁路的磁脫扣器銜鐵受力隨電流增大持續(xù)增大相比，基于飽和磁路的磁脫扣器，隨著電流的不斷增大，銜鐵受力首先為反向力，隨后變化為正向力。即經(jīng)過適當(dāng)?shù)脑O(shè)計，可實現(xiàn)磁脫扣器在某個給定的電流值，銜鐵受力值為0，降低磁脫扣器對反力彈簧的剛度需求，更加符合磁脫扣器的工程設(shè)計要求。

（2） 當(dāng)銜鐵在6 mm位移（結(jié)束位置）時，傳統(tǒng)磁路的磁脫扣器由于導(dǎo)磁面積較大，銜鐵受力稍微大于飽和磁路的磁脫扣器;且銜鐵受力與2種磁脫扣器第一導(dǎo)磁回路的導(dǎo)磁面積基本成正比，即2種磁脫扣器在結(jié)束位置的受力相似，并沒有出現(xiàn)較大的差異。

（3） 基于飽和磁路的磁脫扣器從0 mm位移至2 mm位移的受力變化遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)磁路的磁脫扣器，增大銜鐵的脫扣動作受力，提高磁脫扣器的動作精度和可靠性，可防止磁脫扣器不正常脫扣。

（4） 基于對磁脫扣器的仿真分析，制備了基于飽和磁路的磁脫扣器樣機(jī)，并采用大電流發(fā)生裝置模擬預(yù)期短路電流波形，對基于飽和磁路的磁脫扣器樣機(jī)進(jìn)行試驗驗證。試驗結(jié)果表明測試數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果基本吻合，證明了仿真結(jié)果的正確性和計算精度。

【參 考 文 獻(xiàn)】

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收稿日期： 20240615