武瑾，莊勁武，王晨，江壯賢

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直流5 kA電磁斥力驅(qū)動(dòng)式高速觸頭操動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)作可靠性的優(yōu)化設(shè)計(jì)

武瑾，莊勁武，王晨，江壯賢

（海軍工程大學(xué)電氣工程學(xué)院，武漢 430033）

額定大電流的電磁斥力驅(qū)動(dòng)式觸頭操動(dòng)機(jī)構(gòu)難以實(shí)現(xiàn)工程化，論文從減小電磁斥力、增強(qiáng)材料強(qiáng)度、提高機(jī)構(gòu)工程可實(shí)現(xiàn)性等方面考慮，提出了增大驅(qū)動(dòng)電容減小預(yù)充電壓、斥力線圈放電回路中串聯(lián)電感、優(yōu)化斥力線圈結(jié)構(gòu)參數(shù)以及采用電導(dǎo)率較小、相對磁導(dǎo)率較大的鋼材作為斥力線圈支撐板等的優(yōu)化方案。仿真和試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：在斥力線圈放電回路中串聯(lián)電感，不僅保證了驅(qū)動(dòng)電容的體積盡可能小，有利于工程應(yīng)用，也極大地降低了脈沖斥力對機(jī)構(gòu)的機(jī)械沖擊，提高了機(jī)構(gòu)的動(dòng)作可靠性，有效地延長了其機(jī)械壽命。

大電流 電磁斥力 可靠性 優(yōu)化 工程化

0 引言

在地鐵、輕軌、船舶等直流電網(wǎng)中，隨著系統(tǒng)容量的不斷增大，一種將機(jī)械開關(guān)與固態(tài)開關(guān)相結(jié)合的混合型直流限流斷路器孕育而生。機(jī)械開關(guān)承擔(dān)穩(wěn)態(tài)通流任務(wù)，系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí)，機(jī)械開關(guān)分?jǐn)嗟耐瑫r(shí)導(dǎo)通固態(tài)開關(guān)，電流從機(jī)械開關(guān)換流至固態(tài)開關(guān)，由固態(tài)開關(guān)分?jǐn)喽搪冯娏鱗1-3]。固態(tài)開關(guān)無弧且動(dòng)作迅速，為了快速抑制短路電流的上升，需要縮短機(jī)械開關(guān)的響應(yīng)及剛分時(shí)間，提高動(dòng)觸頭運(yùn)動(dòng)初期的分閘速度。因此，基于渦流感應(yīng)原理的電磁斥力機(jī)構(gòu)逐漸取代了傳統(tǒng)的操動(dòng)機(jī)構(gòu)。這種新型高速觸頭操動(dòng)機(jī)構(gòu)與固態(tài)開關(guān)配合使用，可以有效地提高斷路器分?jǐn)喽搪冯娏鞯哪芰Α?/p>

電磁斥力機(jī)構(gòu)是利用放電脈沖電流通過盤狀斥力線圈時(shí)，與附近金屬斥力盤感應(yīng)出的渦流產(chǎn)生脈沖斥力作用，進(jìn)而推動(dòng)動(dòng)觸頭快速動(dòng)作。一方面，隨著系統(tǒng)額定電流的不斷提高，電磁斥力峰值可以達(dá)到幾十甚至幾百kN，同時(shí)力的作用時(shí)間只有幾百個(gè)μs[4-6]；另一方面，斷路器機(jī)械壽命必須滿足幾千次甚至高達(dá)幾萬次的國、軍標(biāo)要求[7]。因此斷路器的分閘操作對機(jī)構(gòu)機(jī)械沖擊的累積勢必降低其動(dòng)作可靠性并增加其工程化應(yīng)用的難度。本文將呈現(xiàn)出高達(dá)90 kN脈沖斥力的沖擊對直流5000 A電磁斥力驅(qū)動(dòng)式高速觸頭操動(dòng)機(jī)構(gòu)所造成的材料與結(jié)構(gòu)的破壞。

文獻(xiàn)[8]中，基于系統(tǒng)電壓等級5000 V的電磁斥力驅(qū)動(dòng)式高速操動(dòng)機(jī)構(gòu)，通過仿真得到其脈沖斥力峰值接近180 kN。文獻(xiàn)[9]中，基于額定7000 A的電磁驅(qū)動(dòng)式直流混合開關(guān)，脈沖斥力峰值高達(dá)100 kN。文獻(xiàn)[10-11]中，盡管系統(tǒng)容量較小，但電磁斥力峰值仍可達(dá)幾十kN。然而，大部分文獻(xiàn)僅僅完成了電磁斥力驅(qū)動(dòng)式觸頭操動(dòng)機(jī)構(gòu)的仿真或原理樣機(jī)的驗(yàn)證性試驗(yàn)，鮮有涉及機(jī)構(gòu)的工程化問題，包括機(jī)構(gòu)動(dòng)作穩(wěn)定性測試及優(yōu)化設(shè)計(jì)等。本文基于直流5000 A電磁斥力機(jī)構(gòu)樣機(jī)，結(jié)合具體的分?jǐn)嘀笜?biāo)要求，提出增大驅(qū)動(dòng)電容減小預(yù)充電壓、在斥力線圈放電回路中串聯(lián)電感以及優(yōu)化機(jī)構(gòu)材料和線圈結(jié)構(gòu)參數(shù)等方法，力求優(yōu)化大電流下電磁斥力驅(qū)動(dòng)式高速觸頭操動(dòng)機(jī)構(gòu)的方案設(shè)計(jì)，提高動(dòng)作可靠性，實(shí)現(xiàn)斷路器的工程化應(yīng)用。論文采用斥力線圈放電回路中串聯(lián)電感的優(yōu)化方案，完成了直流5000 A機(jī)構(gòu)樣機(jī)的2000次分、合閘操作，并從剛分時(shí)間、初始?xì)庀丁C(jī)構(gòu)內(nèi)阻及運(yùn)動(dòng)軌跡等方面，論證了方案的可行性以及機(jī)構(gòu)動(dòng)作的穩(wěn)定性。

1 大脈沖斥力對機(jī)構(gòu)的機(jī)械沖擊

文中提到的直流5000 A混合型限流斷路器高速觸頭操動(dòng)機(jī)構(gòu)是采用電磁斥力驅(qū)動(dòng)的，原理樣機(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸與電氣參數(shù)如表1所示。

表1 原理樣機(jī)結(jié)構(gòu)及電氣參數(shù)

1.1 直流5000 A機(jī)構(gòu)樣機(jī)的運(yùn)動(dòng)仿真

借助工程電磁場有限元仿真軟件Ansoft，我們對直流5000 A的電磁斥力機(jī)構(gòu)樣機(jī)建立了二維仿真模型。圖1是完成網(wǎng)格剖分后的軸對稱模型，網(wǎng)格劃分得越多，計(jì)算結(jié)果越精確，但同時(shí)計(jì)算量也隨之增大。

根據(jù)斷路器的分?jǐn)嗵匦?，電磁斥力機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)指標(biāo)主要由兩個(gè)點(diǎn)確定，一是觸頭兩端起壓時(shí)刻的額定開距，一是觸頭兩端產(chǎn)生過壓時(shí)刻的額定開距。根據(jù)直流5000 A斷路器的分?jǐn)嘀笜?biāo)要求，樣機(jī)的運(yùn)動(dòng)特性需滿足：起壓點(diǎn)1 ms時(shí)觸頭額定開距1.5 mm以及過壓2 ms時(shí)額定開距4 mm。

圖1 樣機(jī)二維仿真模型

為了獲得更短的剛分時(shí)間和更大的初始運(yùn)動(dòng)速度，圖2采用小電容、大電壓的驅(qū)動(dòng)策略，在儲(chǔ)能電容400 μF，預(yù)充電壓2500 V的驅(qū)動(dòng)能量下，電磁斥力峰值高達(dá)90 kN。

圖2 樣機(jī)仿真結(jié)果

1.2 直流5000 A機(jī)構(gòu)樣機(jī)的試驗(yàn)

在對機(jī)構(gòu)樣機(jī)進(jìn)行幾十次分閘操作之后，斥力線圈板與斥力盤間的氣隙越來越小，由最初的1 mm減小到0.05 mm左右；觸頭的運(yùn)動(dòng)特性不穩(wěn)定，尤其是剛分時(shí)間波動(dòng)較大。拆卸樣機(jī)后如圖3所示：發(fā)現(xiàn)斥力線圈支撐環(huán)氧板嚴(yán)重開裂；表層的環(huán)氧薄板部分泛白起皮；位于支撐環(huán)氧板下方的支撐鋼板出現(xiàn)塑性變形。斥力線圈放置于支撐環(huán)氧板內(nèi)，當(dāng)斥力盤受到電磁斥力帶動(dòng)動(dòng)觸頭快速運(yùn)動(dòng)時(shí)，斥力線圈會(huì)受到相同的力并對支撐板造成沖擊。為了保證機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性，斥力線圈支撐板必須具有很好的抗沖擊能力。

為了分析上述現(xiàn)象產(chǎn)生的根源，借助于高速攝像記錄下斥力線圈支撐板的形變過程。電磁斥力產(chǎn)生后，支撐板出現(xiàn)劇烈振蕩，最大有0.8 mm的形變量，直至穩(wěn)定，整個(gè)過程持續(xù)時(shí)間接近5 ms。支撐板選用的是普通環(huán)氧材料，屈服強(qiáng)度小。因此，高達(dá)90 kN電磁斥力的反復(fù)沖擊以及環(huán)氧支撐板塑性變形的累積必然對機(jī)構(gòu)材料的強(qiáng)度，甚至動(dòng)作的可靠性形成巨大挑戰(zhàn)。

圖3 巨大沖擊力對樣機(jī)造成的破壞

2 機(jī)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化

由圖2可以看出，90 kN電磁斥力下動(dòng)觸頭的位移完全能夠滿足預(yù)期的指標(biāo)要求，并留有一定裕度，因此為了提高機(jī)構(gòu)的動(dòng)作可靠性，可以適當(dāng)減小電磁斥力峰值。

通常，在電磁斥力作用時(shí)間內(nèi)，動(dòng)觸頭會(huì)獲得一個(gè)最大運(yùn)動(dòng)速度V；斥力消失后，由于負(fù)載力的作用，動(dòng)觸頭會(huì)以V為初速度，作減速運(yùn)動(dòng)，直至機(jī)構(gòu)成功鎖扣。

驅(qū)動(dòng)電容不變，降低預(yù)充電壓，在保證運(yùn)動(dòng)特性曲線滿足指標(biāo)要求的情況下，的確可以減小電磁斥力。然而，僅僅減小電容的預(yù)充電壓，降低電磁斥力峰值的同時(shí)縮短了力的作用時(shí)間，這會(huì)使V迅速減小，進(jìn)而影響其后期的運(yùn)動(dòng)軌跡。因此為了使動(dòng)觸頭運(yùn)動(dòng)到最大開距，成功鎖扣，僅僅減小預(yù)充電壓，只能實(shí)現(xiàn)電磁斥力的小幅度降低。

2.1 驅(qū)動(dòng)電容的優(yōu)化

小電容大電壓的方案適合剛分時(shí)間盡量短、觸頭間盡早形成大開距的情況[12]。而直流5000 A斷路器分?jǐn)嘀笜?biāo)中的兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)對應(yīng)著電磁斥力的作用時(shí)間基本結(jié)束，即它對剛分時(shí)間和初始速度的要求并不高，那么減小電磁斥力峰值，并適當(dāng)延長力的作用時(shí)間仍然可以滿足預(yù)期指標(biāo)要求。在驅(qū)動(dòng)能量相同的情況下，增大驅(qū)動(dòng)電容減小預(yù)充電壓是可以實(shí)現(xiàn)上述驅(qū)動(dòng)策略的。

現(xiàn)將驅(qū)動(dòng)電容分別增大到1 mF、5 mF，對應(yīng)的預(yù)充電壓減小到1580 V、707 V，那么相關(guān)數(shù)據(jù)的仿真對比結(jié)果如表2所示。

表2 相同驅(qū)動(dòng)能量下增大驅(qū)動(dòng)電容的仿真對比

其中，I、F分別為脈沖電流峰值、脈沖斥力峰值；V為動(dòng)觸頭的最大速度；定義為機(jī)構(gòu)效率，即最大動(dòng)能與驅(qū)動(dòng)能量的百分比；定義為驅(qū)動(dòng)電容的能量密度，即單位體積內(nèi)的能量，越大表明實(shí)際驅(qū)動(dòng)電容的體積越小，更利于工程應(yīng)用。表2中，驅(qū)動(dòng)能量不變，隨著電容的增大、預(yù)充電壓的減小，電磁斥力的確可以迅速減小，同時(shí)機(jī)構(gòu)效率也有所提高，然而電容的能量密度急劇減小，即電容體積增大了許多，這并不利于機(jī)構(gòu)的工程化應(yīng)用。

2.2 驅(qū)動(dòng)電路的優(yōu)化

驅(qū)動(dòng)能量不變，同時(shí)確保驅(qū)動(dòng)電容體積盡可能小，為了減小電磁斥力，在斥力線圈放電回路中串聯(lián)電感也是一種優(yōu)化途徑。顯然，增大回路電感，同時(shí)回路電阻也相應(yīng)地增加，必然會(huì)降低放電脈沖電流，進(jìn)而減小電磁斥力。

如圖4所示，L為串聯(lián)電感，為了延長力的作用時(shí)間，將其串入二極管續(xù)流回路；R為電感內(nèi)阻。仿真中，驅(qū)動(dòng)電容400 μF，預(yù)充電壓2500 V，將串聯(lián)電感分別調(diào)整為20 μH、40 μH，其仿真對比結(jié)果如表3所示。在驅(qū)動(dòng)能量及驅(qū)動(dòng)電容體積不變的情況下，隨著串聯(lián)電感的增大，電磁斥力迅速減小，同時(shí)機(jī)構(gòu)效率也有一定的提高。

圖4 斥力線圈電容放電回路

表3 串聯(lián)電感后的仿真對比

1.1節(jié)提到的斷路器指標(biāo)中，動(dòng)觸頭運(yùn)動(dòng)特性的時(shí)間軸是以剛分時(shí)刻作為零點(diǎn)的。剛分時(shí)間是指從斥力線圈放電回路晶閘管導(dǎo)通到動(dòng)、靜觸頭間弧壓建立的時(shí)間，隨著電容或串聯(lián)電感的增大，機(jī)構(gòu)剛分時(shí)間會(huì)隨之增大。增大驅(qū)動(dòng)電容或串聯(lián)40 μH電感后，采用直線位移傳感器，并搭建剛分時(shí)間測試回路對直流5000 A機(jī)構(gòu)樣機(jī)的運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行記錄，處理后得到如圖5所示的對比波形，時(shí)間零點(diǎn)均為機(jī)構(gòu)相應(yīng)的剛分時(shí)刻，可以看出，對于直流5000 A機(jī)構(gòu)樣機(jī)來說，斥力線圈放電回路中串入40 μH電感這一優(yōu)化方案，在運(yùn)動(dòng)特性滿足預(yù)期指標(biāo)要求的前提下，能夠?qū)⒚}沖斥力的峰值減小到30 kN，極大地減弱了力對機(jī)構(gòu)的機(jī)械沖擊。

2.3 斥力線圈結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化

斥力線圈放電回路中串聯(lián)40 μH電感，雖然能夠有效地減小電磁斥力，但是該電感并沒有參與力的作用，這是對能量的浪費(fèi)。若通過改變斥力線圈的結(jié)構(gòu)尺寸，使得回路電阻、電感與串聯(lián)40 μH電感的方案保持一致。為了得到相同的脈沖力，即相同的運(yùn)動(dòng)特性，可以減小驅(qū)動(dòng)電容的能量，即進(jìn)一步減小其體積。

仿真中，選擇線徑為1.6 mm的銅導(dǎo)線，繞制40匝，使得線圈內(nèi)、外徑基本不變，驅(qū)動(dòng)電容1.5 mF，預(yù)充電壓1150 V，能量由1250 J減小到990 J，其脈沖斥力與運(yùn)動(dòng)軌跡的仿真對比結(jié)果如圖6所示?？梢姡诖?lián)電感的方案基礎(chǔ)上，適當(dāng)改變斥力線圈的結(jié)構(gòu)參數(shù)，不僅運(yùn)動(dòng)特性保持不變，而且驅(qū)動(dòng)能量也減小了，進(jìn)一步降低了機(jī)構(gòu)的工程化應(yīng)用難度。

圖6 串聯(lián)電感與改變線圈結(jié)構(gòu)兩種方案的仿真對比

2.4 斥力線圈支撐材料的優(yōu)選

為了提高機(jī)構(gòu)的動(dòng)作可靠性，延長其機(jī)械壽命，一方面可以改變驅(qū)動(dòng)策略，減小電磁斥力，進(jìn)而降低力對機(jī)構(gòu)的機(jī)械沖擊；另一方面可以從機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料的選擇上進(jìn)行優(yōu)化。

正如1.2節(jié)提到的，為了保證機(jī)構(gòu)動(dòng)作的穩(wěn)定與可靠，斥力線圈支撐板必須具有很好的抗沖擊性。除了優(yōu)化驅(qū)動(dòng)參數(shù)，減小電磁斥力外，可以通過選擇強(qiáng)度更高的材料以抵御力的反復(fù)沖擊。

鋼材作為替代對象，強(qiáng)度高，同時(shí)可導(dǎo)電，由圖7可以看出，支撐材料的電導(dǎo)率和相對磁導(dǎo)率會(huì)對電磁斥力產(chǎn)生不同程度的影響。從能量角度解釋，在斥力線圈放電回路驅(qū)動(dòng)參數(shù)相同的情況下，若支撐板導(dǎo)電，它同樣會(huì)感應(yīng)出渦流，消耗一部分電能，那么斥力盤感應(yīng)出的渦流會(huì)降低，從而減小脈沖斥力，同時(shí)電導(dǎo)率越大，脈沖斥力越小。同樣用能量的觀點(diǎn)闡述，支撐板選擇導(dǎo)磁材料可為斥力線圈產(chǎn)生的磁場提供了更好的導(dǎo)磁回路，從而減少能量在空氣中的損耗，同時(shí)相對磁導(dǎo)率越大，脈沖斥力越大。因此，應(yīng)該選擇電導(dǎo)率較小且相對磁導(dǎo)率較大的鋼板作為斥力線圈的支撐材料。

圖7 不同支撐材料下電磁斥力的仿真對比

3 機(jī)械壽命試驗(yàn)與結(jié)果

對機(jī)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，一方面增強(qiáng)了材料的強(qiáng)度，另一方面降低了電磁斥力對機(jī)構(gòu)的機(jī)械沖擊。論文采用在斥力線圈放電回路中串入40 μH電感的優(yōu)化方案，對直流5000 A的原理樣機(jī)進(jìn)行了2000次分、合閘操作，以驗(yàn)證其動(dòng)作可靠性。

表4 初始?xì)庀杜c滅弧室內(nèi)阻試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表4列舉了操作過程中，合閘狀態(tài)下斥力線圈與斥力盤間的初始?xì)庀兑约皽缁∈覂?nèi)阻的變化情況。初始?xì)庀兜淖兓瘯?huì)直接影響線圈與斥力盤間的互感，從而影響脈沖電流、脈沖斥力，最終影響機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性；滅弧室內(nèi)阻過大會(huì)影響斷路器額定通流情況下的溫升。表4中，初始?xì)庀兜钠骄禐?.7 mm，大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，上、下0.1 mm的波動(dòng)不會(huì)對機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性有顯著的影響；滅弧室內(nèi)阻均在要求值10 μΩ以內(nèi)波動(dòng)。

圖8記錄了機(jī)構(gòu)剛分時(shí)間的變化情況，根據(jù)斷路器的分?jǐn)嗵匦?，分?jǐn)噙^程中，需要提前設(shè)定機(jī)構(gòu)的剛分時(shí)間，而剛分時(shí)間的長短會(huì)影響觸頭的燃弧能量，進(jìn)而影響真空介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度。前20次分、合閘操作，由于機(jī)構(gòu)處于運(yùn)動(dòng)的磨合期，因此波動(dòng)較大，之后剛分時(shí)間在160~290 μs間波動(dòng)，均值為225 μs，最大、最小值有正負(fù)65 μs的偏差，介質(zhì)恢復(fù)試驗(yàn)證明，這個(gè)偏差不會(huì)對觸頭的燃弧能量產(chǎn)生質(zhì)的影響[14]，因此，圖8中剛分時(shí)間的波動(dòng)是在允許范圍之內(nèi)的。

圖8 機(jī)構(gòu)剛分時(shí)間試驗(yàn)數(shù)據(jù)

由圖9可以看出，2000次分、合閘前后觸頭運(yùn)動(dòng)軌跡基本一致，機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性非常穩(wěn)定，圖中，時(shí)間零點(diǎn)即為放電脈沖電流的零點(diǎn)。因此斥力線圈放電回路串入電感的方案可以很好地解決大額定電流下，巨大脈沖斥力制約機(jī)構(gòu)機(jī)械壽命的問題，提高了斷路器的動(dòng)作可靠性。

圖9 壽命試驗(yàn)前后運(yùn)動(dòng)軌跡對比

4 結(jié)論

論文通過對直流5000 A電磁斥力驅(qū)動(dòng)式高速觸頭操動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)作可靠性的研究，得到如下結(jié)論：

1）驅(qū)動(dòng)電容能量不變的情況下，增大電容減小電壓的驅(qū)動(dòng)方案可以極大地減小脈沖斥力、提高機(jī)構(gòu)效率，然而驅(qū)動(dòng)電容體積增大，不利于工程應(yīng)用；

2）仿真與試驗(yàn)結(jié)果表明，在斥力線圈放電回路中串聯(lián)電感，不僅保證了驅(qū)動(dòng)電容的體積盡可能小，也極大地降低了脈沖斥力對機(jī)構(gòu)的機(jī)械沖擊，有效地提高機(jī)構(gòu)動(dòng)作可靠性；

3）基于串聯(lián)電感方案，在確?；芈冯娮?、電感不變的情況下，適當(dāng)改變斥力線圈的結(jié)構(gòu)尺寸，能夠減小驅(qū)動(dòng)電容能量，從而更有利于工程應(yīng)用；

4）選擇電導(dǎo)率較小、相對磁導(dǎo)率較大的鋼材作為斥力線圈支撐板，在增強(qiáng)支撐板抗沖擊能力的同時(shí)，可適當(dāng)提高機(jī)構(gòu)效率。

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Reliability Optimization Design of DC 5 kA High-speed Contacts Operation System Driven by Electromagnetic Repulsion Mechanism

Wu Jin，Zhuang Jinwu，Wang Chen，Jiang Zhuangxian

（Department of Electrical Engineering of Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China）

TM561

A

1003-4862（2013）10-0001-05

2012-11-23

國家青年科學(xué)基金項(xiàng)目（51207166）

武瑾（1984-），女，博士生。研究方向：艦船電力系統(tǒng)安全運(yùn)行。