汪 浩，馬子文，彭振東

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基于Maxwell對(duì)直流斷路器吹弧裝置的研究設(shè)計(jì)

汪 浩，馬子文，彭振東

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

基于Maxwell仿真分析軟件以及電磁場(chǎng)理論，分析設(shè)計(jì)了直流斷路器兩種吹弧裝置—永磁體勵(lì)磁吹弧裝置和線圈勵(lì)磁吹弧裝置，通過(guò)Maxwell對(duì)兩種形式吹弧裝置的磁場(chǎng)分布進(jìn)行仿真分析，并通過(guò)試驗(yàn)比較兩種吹弧裝置的吹弧效果。研究結(jié)果表明，線圈勵(lì)磁吹弧裝置的吹弧效果優(yōu)于永磁體勵(lì)磁吹弧裝置，且線圈勵(lì)磁吹弧裝置的吹弧磁場(chǎng)具有無(wú)極性的特點(diǎn)。

永磁體勵(lì)磁 線圈勵(lì)磁 吹弧裝置

0 引言

斷路器主要完成的工作是接通和斷開(kāi)正常狀態(tài)下的電流以及斷開(kāi)故障狀態(tài)下的短路電流，保護(hù)電力系統(tǒng)中的電氣設(shè)備。當(dāng)短路電流通過(guò)斷路器時(shí)，脫扣器迅速脫扣，并帶動(dòng)操作機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，此時(shí)動(dòng)、靜觸頭在操作機(jī)構(gòu)和電動(dòng)斥力的作用下分離，電弧在觸頭之間會(huì)產(chǎn)生、拉長(zhǎng)。在動(dòng)、靜觸頭之間形成電弧后要經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間才開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，即電弧在呈現(xiàn)的開(kāi)始階段電弧會(huì)停滯，停滯時(shí)間越久，觸頭的燒蝕情況就越嚴(yán)重，影響斷路器的使用壽命以及開(kāi)斷性能。電流停滯時(shí)間隨觸頭區(qū)域的磁場(chǎng)強(qiáng)度增強(qiáng)而減小，所以合理增強(qiáng)觸頭區(qū)域的磁場(chǎng)強(qiáng)度有利于提高斷路器的開(kāi)斷性能。觸頭區(qū)域的磁場(chǎng)一般是由自勵(lì)磁場(chǎng)或自勵(lì)磁場(chǎng)和外加磁場(chǎng)疊加而成?？赏ㄟ^(guò)增強(qiáng)外加磁場(chǎng)的方式來(lái)增強(qiáng)觸頭區(qū)域的磁場(chǎng)強(qiáng)度，本文通過(guò)研究設(shè)計(jì)吹弧裝置來(lái)研究如何有效地提高觸頭區(qū)域的磁場(chǎng)強(qiáng)度，從而減小開(kāi)始階段電弧停滯時(shí)間，提高斷路器的開(kāi)斷性能[1-4]。

本文基于Maxwell仿真分析軟件對(duì)斷路器的吹弧裝置進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)及分析。本文只對(duì)串激線圈勵(lì)磁和永磁體勵(lì)磁兩種形式的吹弧裝置進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)及分析。

1 吹弧裝置工作原理

吹弧裝置主要由導(dǎo)磁板、導(dǎo)磁鐵芯以及勵(lì)磁源組成。根據(jù)勵(lì)磁源的不同，分為線圈勵(lì)磁（如圖1所示）和永磁體勵(lì)磁（如圖2所示）。

1.1線圈勵(lì)磁

圖1 線圈勵(lì)磁吹弧裝置

線圈勵(lì)磁裝置的工作原理：當(dāng)斷路器開(kāi)斷電流時(shí)，動(dòng)、靜觸頭開(kāi)始分離，動(dòng)、靜觸頭之間會(huì)產(chǎn)生電弧，電弧則在主回路電動(dòng)力的作用下迅速轉(zhuǎn)移到引弧角，此時(shí)電弧將引弧角、勵(lì)磁線圈、出線端串聯(lián)在一起，根據(jù)安培定律可知，安裝在勵(lì)磁線圈內(nèi)腔中的鐵芯將感應(yīng)出磁場(chǎng)，勵(lì)磁線圈的繞向應(yīng)保證電弧受到的電動(dòng)力的方向?yàn)檫M(jìn)入滅弧室的方向。

線圈勵(lì)磁吹弧裝置仿真計(jì)算的第一步是進(jìn)行靜態(tài)電流傳導(dǎo)分析，得到電流的密度分布，第二步是以第一步計(jì)算得到的電流密度分布作為磁場(chǎng)計(jì)算的激勵(lì)源計(jì)算觸頭區(qū)域的磁場(chǎng)分布。

由于斷路器的導(dǎo)電回路結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，電流密度并不是均勻分布，勵(lì)磁線圈的勵(lì)磁電流通過(guò)仿真計(jì)算得到。電流密度滿足式（1）和（2）所示的邊界條件：

式中：——導(dǎo)體的電導(dǎo)率，電弧的電導(dǎo)率為銀的10-4；——矢量電位；——通過(guò)導(dǎo)體和電弧的電流總和。

電流密度與磁通密度之間的關(guān)系式如式（3）所示：

式中：——磁矢位；——磁導(dǎo)率。

1.2 永磁體勵(lì)磁

永磁體勵(lì)磁吹弧裝置工作原理：永磁體會(huì)在導(dǎo)磁鐵芯和導(dǎo)磁鐵板以及導(dǎo)磁鐵板之間上形成閉合的磁回路，并通過(guò)合理設(shè)計(jì)導(dǎo)磁板極面的形狀，從而使吹弧磁場(chǎng)集中分布在動(dòng)、靜觸頭斷口區(qū)域及引弧角區(qū)域，電弧在該吹弧磁場(chǎng)的作用下快速進(jìn)入滅弧室。

圖2 永磁體勵(lì)磁吹弧裝置

永磁體勵(lì)磁吹弧裝置仿真計(jì)算滿足電磁場(chǎng)的基本理論計(jì)算，即滿足Maxwell方程組以及交界面條件。計(jì)算方程組如下式（4）所示：

式中：E—電場(chǎng)強(qiáng)度；B—磁感應(yīng)強(qiáng)度；H—磁場(chǎng)強(qiáng)度；D—電位移矢量；J—電流密度；—電荷密度。

2 仿真建模

為分析方便省略一些不必要的零件，并簡(jiǎn)化模型，在Ansoft Maxwell中建立線圈勵(lì)磁吹弧裝置和永磁體勵(lì)磁吹弧裝置的仿真模型如圖3和圖4所示。

圖3 線圈勵(lì)磁吹弧裝置仿真模型

以下是根據(jù)仿真模型，進(jìn)行仿真分析的設(shè)置。

圖4 永磁體勵(lì)磁吹弧裝置仿真模型

a）材料屬性設(shè)置

如圖3、4所示建立的仿真模型，并利用Ansoft Maxwell對(duì)兩種不同勵(lì)磁方式的吹弧裝置進(jìn)行靜磁場(chǎng)仿真分析。

b）激勵(lì)源添加

勵(lì)磁線圈的激勵(lì)源為線圈上通電的電流，對(duì)斷路器的分析計(jì)算得到勵(lì)磁線圈的激勵(lì)源電流的大小，并添加設(shè)置。永磁體勵(lì)磁的激勵(lì)源在材料設(shè)置過(guò)程中已完成設(shè)置。

c）網(wǎng)格剖分和求解設(shè)置

本文是對(duì)兩種勵(lì)磁方式的吹弧裝置仿真計(jì)算，主要是比較兩種勵(lì)磁方式的吹弧裝置在觸頭區(qū)間的磁場(chǎng)強(qiáng)度，采用靜磁場(chǎng)分析求解器。網(wǎng)格的剖分采用軟件自動(dòng)剖分。

3 仿真計(jì)算

本文對(duì)線圈勵(lì)磁的方式通過(guò)不同的鐵芯直徑、不同的導(dǎo)磁板厚度、不同繞線匝數(shù)分別進(jìn)行仿真分析。為了獲取觸頭區(qū)域磁場(chǎng)變化情況，本文在如圖5所示的兩導(dǎo)磁板之間沿著導(dǎo)磁板中心線提取磁場(chǎng)強(qiáng)度，并仿真計(jì)算得到這段區(qū)間的磁場(chǎng)強(qiáng)度。為了進(jìn)行嚴(yán)格對(duì)比，兩種情況下采用相同的坐標(biāo)，即選取的起止點(diǎn)相同。

線圈勵(lì)磁吹弧裝置仿真計(jì)算線圈的匝數(shù)n采用5匝和6匝；線圈的鐵芯直徑采用30 mm、40 mm、50 mm；導(dǎo)磁板的厚度采用4 mm、5 mm。

仿真計(jì)算得到提取線段的磁場(chǎng)強(qiáng)度隨距離變化的曲線如圖6所示。

圖5 磁場(chǎng)仿真結(jié)果提取數(shù)據(jù)點(diǎn)位置示意圖

（a）仿真結(jié)果一

（b）仿真結(jié)果二

（c）仿真結(jié)果三

（d）仿真結(jié)果四

（e）仿真結(jié)果五

（f）仿真結(jié)果六

圖6 磁場(chǎng)強(qiáng)度分析結(jié)果對(duì)比曲線

圖中給出了永磁體勵(lì)磁吹弧裝置與線圈勵(lì)磁吹弧裝置在提取線段處的磁場(chǎng)強(qiáng)度，其中線圈勵(lì)磁吹弧裝置給出了各種不同條件下的磁場(chǎng)強(qiáng)度曲線。

由于磁場(chǎng)強(qiáng)度越強(qiáng)，電弧起始階段停滯時(shí)間越短，但在滿足磁場(chǎng)強(qiáng)度要求的前提下，磁場(chǎng)強(qiáng)度的增強(qiáng)，往往會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)成本的增加。綜合比較分析，本文線圈勵(lì)磁吹弧裝置采用鐵芯直徑=40 mm，導(dǎo)磁板的厚度=5 mm，繞線匝數(shù)n=6。根據(jù)仿真分析，給出線圈勵(lì)磁吹弧裝置和永磁體勵(lì)磁吹弧裝置的磁場(chǎng)分布如圖7、8所示。

通過(guò)以上仿真分析，對(duì)研究對(duì)象可獲得以下結(jié)論：

a）在導(dǎo)磁板與鐵芯的結(jié)合處容易出現(xiàn)磁飽和，使磁場(chǎng)不便于傳導(dǎo)到導(dǎo)磁板后端，影響觸頭區(qū)域的磁場(chǎng)強(qiáng)度。

b）適當(dāng)增大鐵芯的直徑能夠增加觸頭區(qū)域的磁場(chǎng)強(qiáng)度。

c）適當(dāng)增加導(dǎo)磁板的厚度對(duì)觸頭區(qū)域的磁場(chǎng)強(qiáng)度有一定程度地加強(qiáng)。

d）將繞線匝數(shù)適當(dāng)?shù)脑黾佑|頭區(qū)域的磁場(chǎng)強(qiáng)度也會(huì)有一定程度的加強(qiáng)。

e）選定的線圈勵(lì)磁吹弧裝置在觸頭區(qū)域的磁場(chǎng)強(qiáng)度比永磁體勵(lì)磁吹弧裝置在觸頭區(qū)域的磁場(chǎng)強(qiáng)度強(qiáng)。

圖7 線圈勵(lì)磁吹弧裝置磁場(chǎng)強(qiáng)度分布云圖

圖8 永磁體勵(lì)磁吹弧裝置磁場(chǎng)強(qiáng)度分布云圖

4 實(shí)驗(yàn)研究

為驗(yàn)證仿真分析結(jié)果，比較兩種吹弧裝置的吹弧效果，搭建試驗(yàn)平臺(tái)，其試驗(yàn)原理如圖9所示。試驗(yàn)系統(tǒng)回路的時(shí)間常數(shù)可通過(guò)調(diào)節(jié)試驗(yàn)系統(tǒng)回路的電阻和電感來(lái)得到，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)試品（斷路器樣機(jī)）兩端的電壓信號(hào)以及分流器兩端的電壓信號(hào)進(jìn)行采集。試驗(yàn)時(shí)電弧電壓是通過(guò)采集試品兩端的電壓信號(hào)得到，電弧電流是通過(guò)采集分流器的電壓信號(hào)得到。再根據(jù)電弧電壓和電流波形可以得到燃弧時(shí)間。通過(guò)比較燃弧時(shí)間以及試驗(yàn)采集的波形，比較兩種吹弧裝置的吹弧效果。

根據(jù)圖9的試驗(yàn)原理圖將斷路器接入到試驗(yàn)系統(tǒng)回路，并進(jìn)行試驗(yàn)。由于斷路器分?jǐn)啻箅娏鲿r(shí)，可利用主回路自身產(chǎn)生的電動(dòng)力驅(qū)動(dòng)電弧進(jìn)入滅弧室，本文只進(jìn)行零界電流的開(kāi)斷試驗(yàn)。試驗(yàn)系統(tǒng)的電路參數(shù)為：電壓1800 V、電流50 A、時(shí)間常數(shù)10 ms，得到的試驗(yàn)結(jié)果如表1。

圖9 試驗(yàn)原理圖

表1 試驗(yàn)結(jié)果表

從表1中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看到電弧電壓在0～300 V時(shí)，由于永磁體勵(lì)磁吹弧裝置在動(dòng)靜觸頭區(qū)域所形成的磁場(chǎng)強(qiáng)度較強(qiáng)，故永磁體勵(lì)磁吹弧裝置的燃弧時(shí)間比線圈勵(lì)磁吹弧裝置的燃弧時(shí)間短。電弧電壓在300～800 V時(shí)，由于永磁體勵(lì)磁吹弧裝置在引弧角上所產(chǎn)生的磁場(chǎng)比較小，故永磁體勵(lì)磁吹弧裝置的燃弧時(shí)間明顯變長(zhǎng)，當(dāng)電弧電壓維持在900 V左右，分?jǐn)嚯娀∈艿降穆鍌惼澚Σ蛔阋则?qū)動(dòng)電弧繼續(xù)前行，電弧弧根在引弧角上持續(xù)燃弧，電弧電器開(kāi)斷臨界電流失敗，故在試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)如圖10所示的永磁體勵(lì)磁吹弧裝置的臨界電流分?jǐn)嗖ㄐ巍?/p>

從試驗(yàn)得到的圖11及表1中可以看到，電弧進(jìn)入引弧角后受到的洛倫茲力驅(qū)動(dòng)電弧繼續(xù)快速前行，使電弧電壓快速升高，當(dāng)電弧電壓高于系統(tǒng)電壓時(shí)，電弧熄滅。

從圖10、圖11以及表1中可以看出，線圈勵(lì)磁吹弧裝置的吹弧效果明顯優(yōu)于永磁體勵(lì)磁吹弧裝置，與仿真分析的結(jié)果相當(dāng)，對(duì)之后的吹弧裝置的設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。

圖10 線圈勵(lì)磁吹弧裝置臨界電流分?jǐn)嗖ㄐ?/p>

圖11 線圈勵(lì)磁吹弧裝置臨界電流分?jǐn)嗖ㄐ?/p>

5 結(jié)論

本文結(jié)合吹弧裝置仿真分析以及樣機(jī)試驗(yàn)，分析了兩種不同勵(lì)磁方式的吹弧裝置磁場(chǎng)分布以及對(duì)吹弧效果。通過(guò)仿真和試驗(yàn)分析，線圈勵(lì)磁吹弧裝置的吹弧效果優(yōu)于電磁鐵勵(lì)磁吹弧裝置，并且勵(lì)磁線圈吹弧裝置吹弧磁場(chǎng)無(wú)極性。本文仿真分析為設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)思想，降低了吹弧裝置的設(shè)計(jì)成本。

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Design and Research of Blowout Device for DC Circuit Breaker Based on Maxwell

Wang Hao, Ma Ziwen, Peng Zhendong

（Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China）

TM561

A

1003-4862（2018）02-0025-05

2017-11-20

汪浩（1989-），男，研究生。研究方向：開(kāi)關(guān)電氣設(shè)備。Email：xjtu3005@163.com