江壯賢 莊勁武 王 晨 劉路輝 戴 超

（海軍工程大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院 武漢 430033）

1 引言

由高速機(jī)械觸頭與功率半導(dǎo)體并聯(lián)組成的混合型限流斷路器具有通流容量大、關(guān)斷速度快、限流能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，是新型限流斷路器發(fā)展的一個(gè)主要方向[1]。在混合型限流斷路器中為了限制、分?jǐn)喔呱仙识搪冯娏?，要求它必須具備高反?yīng)速度及動(dòng)作速度，能夠在短路故障發(fā)生初期切斷故障電路。由于功率半導(dǎo)體器件的動(dòng)作速度極快，因而機(jī)械觸頭機(jī)構(gòu)的反應(yīng)速度成為制約限流斷路器性能發(fā)揮的瓶頸。同時(shí)限流斷路器在切斷短路電流時(shí)觸頭兩端會(huì)出現(xiàn)遠(yuǎn)大于系統(tǒng)電壓的瞬時(shí)過壓，因此要求機(jī)械觸頭能夠獲得盡量大的初始速度，盡早形成絕緣間隙。

基于電磁感應(yīng)渦流原理的電磁斥力機(jī)構(gòu)具有機(jī)械延遲時(shí)間短，初始運(yùn)動(dòng)速度快的優(yōu)點(diǎn)[2-7]，特別適合用于驅(qū)動(dòng)機(jī)械觸頭高速分閘，已被廣泛應(yīng)用于混合式直流限流斷路器[8]、真空直流斷路器[9]、新型超導(dǎo)限流器[10]等電力系統(tǒng)的限流保護(hù)設(shè)備的高速觸頭驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中。

文獻(xiàn)[11]運(yùn)用電路理論和傳輸線理論推導(dǎo)出使電磁斥力機(jī)構(gòu)效率最大化的運(yùn)動(dòng)部件特征質(zhì)量的計(jì)算方程，并通過仿真分析指出實(shí)際工程上可實(shí)現(xiàn)的斥力機(jī)構(gòu)能達(dá)到的最大效率約為30%，但該文只分析了運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量對(duì)斥力機(jī)構(gòu)效率的影響，無法全面反應(yīng)斥力機(jī)構(gòu)其它參數(shù)對(duì)斥力影響的規(guī)律，不能用于指導(dǎo)實(shí)際機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)[12]采用仿真方法對(duì)應(yīng)用于真空觸頭驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電磁斥力機(jī)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)分析，得到了設(shè)計(jì)的一般性原則，但其分析的重點(diǎn)在于如何縮短行程時(shí)間。實(shí)際上限流型斷路器更關(guān)注機(jī)械觸頭在接到分?jǐn)嘈盘?hào)后的反應(yīng)速度以及初期的運(yùn)動(dòng)速度。文獻(xiàn)[13]采用基于平行排列的同軸雙圓形線圈模型，導(dǎo)出了計(jì)算電磁推力的基本分析公式，分析了電磁推力機(jī)構(gòu)的工作性能與結(jié)構(gòu)參數(shù)的一般關(guān)系，但并沒有具體研究其電磁學(xué)與機(jī)械動(dòng)力學(xué)特性，距離實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)尚遠(yuǎn)。

本文采用有限元仿真方法對(duì)電磁斥力機(jī)構(gòu)進(jìn)行建模分析。通過對(duì)改變電磁斥力機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)及電氣參數(shù)得到的不同仿真結(jié)果進(jìn)行分析，得到了這些參數(shù)對(duì)電磁斥力機(jī)構(gòu)動(dòng)作效果影響的規(guī)律，并以此為指導(dǎo)設(shè)計(jì)了基于電磁斥力機(jī)構(gòu)的高速機(jī)械觸頭。研制了基于電磁斥力原理的高速觸頭機(jī)構(gòu)樣機(jī)，該樣機(jī)的初始分離時(shí)間為 220μs，試驗(yàn)結(jié)果與仿真算例的比較，證明了仿真分析的正確性。

2 電磁斥力機(jī)構(gòu)的工作原理

圖1 電磁斥力機(jī)構(gòu)工作原理Fig.1 Working principle of electro-magnetic mechanism

電磁斥力機(jī)構(gòu)一般由脈沖放電回路、斥力線圈和斥力金屬盤三部分組成，如圖1所示。其中脈沖電容C，功率晶閘管VT、續(xù)流二極管VD和斥力線圈組成了機(jī)構(gòu)的脈沖放電回路。當(dāng)晶閘管接到觸發(fā)信號(hào)導(dǎo)通后，預(yù)先儲(chǔ)能的電容對(duì)斥力線圈放電形成脈沖電流，該電流在斥力線圈周圍產(chǎn)生脈沖磁場，位于斥力線圈正上方的斥力金屬盤由于脈沖磁場的作用形成感應(yīng)渦流，且方向與斥力線圈中的電流方向相反，因而感應(yīng)渦流所產(chǎn)生的磁場與線圈產(chǎn)生的磁場方向相反，從而在斥力線圈與斥力金屬盤間產(chǎn)生巨大的電磁斥力，推動(dòng)運(yùn)動(dòng)部件高速運(yùn)動(dòng)。

3 電磁斥力機(jī)構(gòu)數(shù)學(xué)模型

斥力機(jī)構(gòu)動(dòng)作時(shí)，根據(jù)能量守恒定律電源提供的能量dAs應(yīng)等于機(jī)構(gòu)所做的dA功與磁場中能量的變化dw以及熱損耗dQ之和，即

如果斥力線圈與斥力盤之間有磁耦合，可以寫出它們的能量平衡關(guān)系式為

式中，e1與e2、i1與i2、R1與R2分別為斥力線圈與金屬盤的電壓、電流和電阻。

兩個(gè)線圈的磁能w決定于下式

式中L1——斥力線圈的電感；

L2——斥力盤電感；

M——互感。

聯(lián)立式（1）～式（3）可得機(jī)構(gòu)所做的功為

由于L1、L2都為常數(shù)，則機(jī)構(gòu)的電磁斥力為

從式（5）可見，電磁斥力F與斥力線圈電流i1、斥力金屬盤上的感應(yīng)電流i2及線圈與銅盤間的互感對(duì)斥力金屬盤位移的導(dǎo)數(shù)dM/(dz)成正比。

4 電磁斥力機(jī)構(gòu)有限元仿真模型

為了研究電磁斥力機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性，本文采用電磁場有限元仿真軟件Ansoft對(duì)電磁斥力機(jī)構(gòu)進(jìn)行建模。由于電磁斥力機(jī)構(gòu)為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，可以采用Ansoft的RZ二維平面來建立等效模型，圖2所示為進(jìn)行有限元剖分后電磁斥力機(jī)構(gòu)的二維軸對(duì)稱模型。網(wǎng)格分得越多計(jì)算結(jié)果越準(zhǔn)確，但是計(jì)算量也越大。

在加入邊界條件時(shí)除了常規(guī)的氣球邊界外，需要把線圈看作是一個(gè)低阻值的電感，其外部電路如圖3所示。其中L與R為線圈自身的電阻和電感，C為預(yù)先充電的電容，VD為續(xù)流二極管，Lcircuit為線路電感。用電流探頭表筆監(jiān)測線圈電流。

圖2 電磁斥力機(jī)構(gòu)的有限元網(wǎng)格劃分Fig.2 Finite elements of the mechanism

圖3 邊界條件中的外部電路Fig.3 External circuit in simulation

5 電磁斥力機(jī)構(gòu)參數(shù)仿真分析

5.1 斥力線圈匝數(shù)分析

改變斥力線圈匝數(shù)得到的仿真結(jié)果如圖 4a所示，當(dāng)線圈的匝數(shù)為20匝時(shí)，斥力峰值為21kN，而當(dāng)線圈匝數(shù)為10匝和40匝時(shí)，斥力峰值分別為13kN和 17.5kN。斥力線圈的電感與電阻與線圈匝數(shù)密切相關(guān)。當(dāng)線圈匝數(shù)較少時(shí)，電感與電阻較小，因而脈沖電流峰值較大，但由于線圈匝數(shù)少使得磁通變化率小，因而斥力峰值較小；當(dāng)線圈匝數(shù)達(dá)到一定程度后，再增加線圈匝數(shù)會(huì)使線圈的電感和電阻過大而導(dǎo)致脈沖電流過小，因而斥力又隨著匝數(shù)的增加而減小。同時(shí)斥力線圈匝數(shù)越多，斥力峰值時(shí)間越遲，導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)部件加速的時(shí)間過長，不能在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到最大值。因而在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)選擇合適的斥力線圈匝數(shù)，使電磁斥力能夠在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到最佳值，從幾種仿真算例的結(jié)果來看，線圈匝數(shù)為20時(shí)，機(jī)構(gòu)作用效果最好。

5.2 斥力銅盤厚度分析

圖 4b所示為斥力銅盤厚度分別為 0.5mm、2mm、4mm和6mm四種情況時(shí)電磁斥力的曲線。當(dāng)銅盤厚度為 0.5mm時(shí)，電磁斥力峰值最小為16kN；當(dāng)銅盤厚度為 2mm時(shí)，電磁斥力峰值增加為19kN；當(dāng)銅盤厚度為4mm和6mm時(shí)斥力峰值大小基本上一致，為21kN。依據(jù)電磁場理論，當(dāng)高頻電流在導(dǎo)體中流過時(shí)由于趨膚效應(yīng)電流將集中在導(dǎo)體表面。電磁斥力機(jī)構(gòu)的脈沖磁場在斥力盤中感應(yīng)的渦流由于趨膚效應(yīng)，大部分分布在2倍趨膚效應(yīng)的滲透深度2d以內(nèi)，其中

式中ω——信號(hào)角頻率；

μ——材料的磁導(dǎo)率；

σ——材料的電導(dǎo)率。

在所設(shè)計(jì)電磁斥力機(jī)構(gòu)樣機(jī)中及放電電路中ω=1.57×104rad/s，μ≈μ0=4π×10–7H/m，σ=5.8×107S/m。代入式（6）可得該條件下斥力盤的趨膚深度為1.2mm。由于斥力盤感應(yīng)的渦流絕大部分集中在 2倍趨膚深度2.4mm之內(nèi)，當(dāng)斥力盤厚度大于2.4mm后繼續(xù)增加厚度不能明顯增加斥力峰值，相反會(huì)由于運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量的增加使觸頭加速度變小。因此在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，從斥力角度考慮只需使斥力盤厚度等于2倍趨膚深度即可，但是為了保證一定的機(jī)械強(qiáng)度使斥力盤在巨大電磁斥力的作用下不發(fā)生塑性形變則應(yīng)當(dāng)增加斥力盤的厚度或在斥力盤上方增加其他高強(qiáng)度的支撐。

5.3 斥力盤與斥力線圈間隙分析

改變斥力盤與斥力線圈的初始間隙 gap，得到的仿真結(jié)果如圖4c所示。間隙越小，線圈與斥力盤耦合越好，斥力越大；氣隙越大，線圈的等效電感越大，斥力線圈中的脈沖電流上升率越小，因而斥力越小，斥力峰值時(shí)間越長。當(dāng)斥力間隙為0.5mm時(shí)，電磁斥力峰值可達(dá)23kN；而當(dāng)斥力間隙為4mm時(shí)，電磁斥力峰值僅為11.5kN。斥力機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，在條件允許的情況下應(yīng)使斥力盤與斥力線圈的初始間隙盡量小。

5.4 放電電容容量及充電電壓對(duì)斥力的影響分析

由于電容儲(chǔ)存的能量與電容充電電壓的平方及電容容量成正比，因而電容容量或是電容充電電壓的提高都會(huì)使斥力峰值增大，如圖4d、4e所示。但是增大電容容量會(huì)使放電周期變長，從而使電磁斥力到達(dá)峰值的時(shí)間變長，而電容電壓的提高則會(huì)增加對(duì)機(jī)構(gòu)絕緣強(qiáng)度的要求，因此在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要選擇合適的電容容量及充電電壓參數(shù)。

5.5 放電線路電感對(duì)斥力影響分析

在電磁斥力機(jī)構(gòu)的動(dòng)作過程中由于斥力盤與斥力線圈的耦合作用使得斥力線圈的等效電感遠(yuǎn)小于斥力線圈自身的電感，因而線路電感對(duì)斥力作用的影響效果明顯。改變放電線路電感，保持斥力機(jī)構(gòu)其他參數(shù)不變得到的結(jié)果如圖4f所示。線路電感增大不僅會(huì)使斥力峰值減小，而且使峰值時(shí)間延遲，不利于運(yùn)動(dòng)部件在運(yùn)動(dòng)初期獲得大的加速度，當(dāng)線路電感由 1μH 增加到 9μH 時(shí)，電磁斥力峰值由24.5kN減小到14kN，斥力峰值時(shí)間由90μs增加至150μs。因而在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量減小線路電感，若引線過長時(shí)應(yīng)盡量使用雙絞線。

圖4 電磁斥力機(jī)構(gòu)參數(shù)仿真分析Fig.4 Simulation analysis of the mechanism

6 混合型限流斷路器高速觸頭機(jī)構(gòu)

6.1 高速觸頭機(jī)構(gòu)組成

通過以上對(duì)電磁斥力機(jī)構(gòu)各主要參數(shù)進(jìn)行仿真分析，得到了各參數(shù)對(duì)電磁斥力機(jī)構(gòu)作用效果影響的規(guī)律，以此為指導(dǎo)設(shè)計(jì)了混合型限流斷路器的高速觸頭機(jī)構(gòu)樣機(jī)如圖5所示。該樣機(jī)由斥力銅盤、斥力線圈、動(dòng)觸頭、靜觸頭、連桿、彈簧系統(tǒng)及永磁鎖扣機(jī)構(gòu)組成。斥力銅盤位于動(dòng)觸頭上方，斥力線圈固定于支架上，合閘時(shí)彈簧為觸頭提供預(yù)緊力，此時(shí)銅盤正好位于斥力線圈正上方，兩者間隙應(yīng)盡量小，樣機(jī)參數(shù)見下表。

圖5 高速觸頭機(jī)構(gòu)樣機(jī)Fig.5 Construction of electro-magnetic mechanism

表 電磁斥力機(jī)構(gòu)原理樣機(jī)參數(shù)Tab. Parameters of the mechanism

6.2 高速觸頭機(jī)構(gòu)試驗(yàn)分析

通過外部充電電路將斥力電容充至工作電壓，觸發(fā)放電回路晶閘管使放電回路導(dǎo)通，用電流傳感器測量斥力線圈電流，用直線位移傳感器測量各時(shí)刻對(duì)應(yīng)的位移，實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)果與仿真計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖6所示。圖6a為放電脈沖電流波形，電流峰值為5kA，峰值時(shí)間100μs。圖6b為動(dòng)觸頭的位移時(shí)間特性曲線，動(dòng)觸頭在斥力機(jī)構(gòu)動(dòng)作的前期便獲得了巨大的加速度，推動(dòng)觸頭高速運(yùn)動(dòng)，斥力作用結(jié)束之后，動(dòng)觸頭已獲得一定的初速度，該速度使觸頭能夠克服彈簧的彈力繼續(xù)向上運(yùn)動(dòng)，并最終由鎖扣機(jī)構(gòu)固定于分閘位置。試驗(yàn)結(jié)果與仿真計(jì)算結(jié)果基本吻合，證明了仿真分析的正確性。

圖6 樣機(jī)仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.6 Results comparison between test and simulation

為了測量動(dòng)、靜觸頭的初始分離時(shí)間，在觸頭兩端串聯(lián)直流電源及5kΩ電阻，觸頭在合閘狀態(tài)時(shí)電阻兩端電壓為電源電壓，當(dāng)動(dòng)靜觸頭分離時(shí)電阻兩端電壓為零，用示波器監(jiān)測高速觸頭機(jī)構(gòu)分閘動(dòng)作時(shí)電阻兩端電壓，如圖7所示。在晶閘管觸發(fā)信號(hào)發(fā)出220μs后，電阻兩端電壓躍變?yōu)?V，動(dòng)靜觸頭開始分離。

圖7 動(dòng)靜觸頭分離時(shí)間Fig.7 Contact separation time

從樣機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，所研制高速觸頭機(jī)構(gòu)動(dòng)、靜觸頭的初始分離時(shí)間為 220μs，從后期對(duì)混合型限流斷路器的短路分?jǐn)鄬?shí)驗(yàn)結(jié)果證明，該高速觸頭機(jī)構(gòu)可以滿足混合型限流斷路器在分?jǐn)啻箅娏鞲呱仙识搪冯娏鲿r(shí)對(duì)機(jī)械觸頭機(jī)構(gòu)快速動(dòng)作、高速分離特性的要求。

假定短路電流上升率為20A/μs，采用高速觸頭機(jī)構(gòu)，從檢測到短路故障到觸頭分離，功率半導(dǎo)體開始對(duì)短路電流進(jìn)行關(guān)斷，電流共上升了 4.4kA，而采用傳統(tǒng)斷路器，其動(dòng)作時(shí)間按3ms計(jì)算，在動(dòng)作過程中電流共上升了60kA。由此可見，對(duì)于大容量、高上升率的電力系統(tǒng)采用高速觸頭機(jī)構(gòu)可極大提高斷路器的短路保護(hù)能力。

7 結(jié)論

本文推導(dǎo)了電磁斥力機(jī)構(gòu)斥力的計(jì)算公式，該公式表明電磁斥力與斥力線圈電流、斥力金屬盤上的感應(yīng)電流及線圈與斥力盤的互感對(duì)斥力金屬盤位移的導(dǎo)數(shù)成正比。

采用有限元仿真軟件對(duì)電磁斥力機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真分析，得到以下結(jié)論：

（1）電磁斥力峰值隨著斥力線圈匝數(shù)的增加的變化律是斥力峰值先增大后減小，存在一個(gè)極大值，而斥力峰值時(shí)間隨著線圈匝數(shù)增加而變長。

（2）電磁斥力峰值隨斥力盤厚度的增大先是明顯增大，當(dāng)斥力盤厚度大于2倍趨膚深度之后，斥力盤厚度增加，斥力峰值基本保持不變。

（3）電磁斥力峰值與線圈同斥力盤間的間隙成反比例關(guān)系，間隙越大，線圈等效電感越大，斥力峰值越小。

（4）電磁斥力峰值與電容充電電壓的平方、電容容量成正比例關(guān)系，斥力峰值時(shí)間隨電容容量的增加而變長。

（5）電磁斥力峰值隨線路電感的增加而減小，峰值時(shí)間隨線路電感的增加而變長。

設(shè)計(jì)了混合型限流斷路器的高速機(jī)械觸頭機(jī)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了仿真分析的正確性。該樣機(jī)的初始分離時(shí)間為 220μs，能夠滿足混合性限流斷路器在大電流條件下限制、分?jǐn)喔呱仙识搪冯娏鞯囊蟆?/p>

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