劉 哲，姚 偉，王金龍，陳 程，謝豐茜

應(yīng)用研究

一種高短時(shí)耐受電流能力觸頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

劉 哲，姚 偉，王金龍，陳 程，謝豐茜

(武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所武漢長(zhǎng)海電氣科技開發(fā)有限公司，武漢 430064)

軌道交通、直流牽引供電系統(tǒng)正往高速、大功率、大容量方向發(fā)展，因此對(duì)系統(tǒng)中的核心開關(guān)元器件的耐壓等級(jí)及承載能力提出更高要求，尤其是短時(shí)過(guò)載、短時(shí)耐受電流能力兩項(xiàng)指標(biāo)，在保證接觸電阻、動(dòng)作壽命滿足要求的同時(shí)提升短時(shí)耐受電流能力產(chǎn)品的需求迫在眉睫。本文設(shè)計(jì)提出一種高短時(shí)耐受電流能力觸頭結(jié)構(gòu)，通過(guò)理論計(jì)算并結(jié)合Maxwell仿真分析該結(jié)構(gòu)的可行性，最后對(duì)試驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行設(shè)定電流下的短時(shí)耐受電流能力試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，該觸頭結(jié)構(gòu)具有較高的短時(shí)耐受電流能力，滿足應(yīng)用需求。

直流牽引供電系統(tǒng) 開關(guān)元器件 觸頭結(jié)構(gòu) 短時(shí)耐受電流能力

0 引言

軌道交通、直流牽引系統(tǒng)正往高速、大功率、大容量方向發(fā)展，隨之對(duì)系統(tǒng)中核心開關(guān)元器件（接觸器、復(fù)合開關(guān)等）的耐壓等級(jí)及承載能力也提出了更高要求，其中短時(shí)過(guò)載、短時(shí)耐受電流能力兩項(xiàng)指標(biāo)尤為關(guān)鍵。

機(jī)車車載直流接觸器對(duì)短時(shí)耐受電流能力要求僅為8倍的額定電流；而軌道交通地面裝置中直流接觸器對(duì)短時(shí)耐受電流能力要求往往要達(dá)到50 kA甚至更高，常規(guī)機(jī)車車載直流接觸器的觸頭結(jié)構(gòu)大都為拍合式，幾乎無(wú)法滿足使用需求。

觸頭間的電動(dòng)斥力[1-2]通常由兩個(gè)力組成：洛倫茲力和Holm力，洛倫茲力是周圍磁場(chǎng)對(duì)通電觸頭的作用力，Holm力是由于觸頭實(shí)際接觸面積很小，電流經(jīng)過(guò)接觸區(qū)域附近會(huì)發(fā)生電流線收縮而產(chǎn)生的斥力。當(dāng)短路電流流經(jīng)觸頭時(shí)，若觸頭壓力未達(dá)到要求，動(dòng)觸頭將在電動(dòng)斥力的作用下被斥開，此時(shí)觸頭間會(huì)產(chǎn)生故障電流電弧，由于該電弧強(qiáng)度遠(yuǎn)超額定分?jǐn)嘞碌碾娀?qiáng)度，觸頭將會(huì)受到永久性損傷、甚至燒毀，影響系統(tǒng)安全。

現(xiàn)設(shè)計(jì)一種高短時(shí)耐受電流能力觸頭結(jié)構(gòu)，在某型接觸器上已得到應(yīng)用，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，本文介紹了觸頭結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過(guò)程，通過(guò)理論分析、仿真計(jì)算、試驗(yàn)驗(yàn)證進(jìn)行詳細(xì)論述，成功完成了該結(jié)構(gòu)的研制，滿足使用需求。

圖1 高短時(shí)耐受電流能力觸頭結(jié)構(gòu)模型

1 觸頭結(jié)構(gòu)介紹

該觸頭結(jié)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計(jì)如圖2所示。觸頭結(jié)構(gòu)由3個(gè)動(dòng)觸頭、1個(gè)靜觸頭、3個(gè)動(dòng)觸頭彈簧、1個(gè)動(dòng)觸頭結(jié)構(gòu)框架、3個(gè)緊固螺釘、若干墊片組成；3個(gè)動(dòng)觸頭為并聯(lián)關(guān)系且相互獨(dú)立，每個(gè)動(dòng)觸頭后端均固定有動(dòng)觸頭彈簧，在動(dòng)、靜觸頭合閘到位后，給動(dòng)觸頭提供足夠的觸頭終壓力。

圖2 觸頭結(jié)構(gòu)示意圖

2 電動(dòng)斥力理論分析

觸頭間的電動(dòng)斥力由洛倫茲力和Holm力疊加而成，當(dāng)主回路流經(jīng)50 kA過(guò)載電流時(shí)，將被均分3份，每個(gè)動(dòng)觸頭的過(guò)載電流為16.7 kA。動(dòng)觸頭彈簧剛度為11.5 N/mm，觸頭彈簧的原長(zhǎng)為37 mm，初始長(zhǎng)度為30.4 mm，觸頭超程為7.3 mm，因此觸頭合閘到位后，每個(gè)觸頭彈簧的終壓力為159.9 N。

（1）洛倫茲力計(jì)算

三個(gè)動(dòng)觸頭的外形尺寸相同，且為水平排列，結(jié)構(gòu)上類似于兩相等平行有限長(zhǎng)載流導(dǎo)體，觸頭間的電動(dòng)力F1可利用比奧-沙伐定律[3]進(jìn)行計(jì)算：

式中，為流經(jīng)觸頭的電流為16.7 kA；為觸頭長(zhǎng)度為75 mm；為動(dòng)觸頭間的距離，其中d13=55 mm，d12=d23=27.5 mm，觸頭1、2、3的位置如圖1所示。

由于流經(jīng)三個(gè)動(dòng)觸頭的電流方向相同，故觸頭間的電動(dòng)力方向與觸頭彈簧的作用力方向垂直，因此電動(dòng)力對(duì)觸頭斥開的影響可忽略不計(jì)。

（2）Holm力計(jì)算

式中：F為觸頭間Holm力；0為真空磁導(dǎo)率4π×10-7H/m；為單個(gè)觸頭的過(guò)載電流16.7 kA；動(dòng)觸頭的觸頭面積為300 mm2，為觸頭等效半徑9.8 mm；F為觸頭間的預(yù)壓縮力，2為單個(gè)觸頭彈簧的終壓力159.9 N，由前文分析可知洛倫茲力1=0；ξ表征觸頭表面的接觸情況，取值范圍為0.3～0.6，通常取0.45；為觸頭材料的布氏硬度，觸頭材料為銀氧化錫AgSnO2，取1078 N/mm2；為觸頭有效接觸面積的等效半徑，該值與終觸頭壓力正相關(guān)，終壓力越大，觸頭有效接觸面積越大，值也越大。

代入式子計(jì)算可得，單觸頭所受Holm力F≈111.8 N。

綜上，單個(gè)觸頭的電動(dòng)斥力=F+1≈111.8 N＜159.9 N，故電動(dòng)斥力不會(huì)將動(dòng)觸頭斥開，電動(dòng)穩(wěn)定性能得到保障。

3 電動(dòng)斥力仿真計(jì)算

本文采用電磁場(chǎng)仿真軟件Ansoft Maxwell對(duì)動(dòng)靜觸頭間的電動(dòng)斥力進(jìn)行計(jì)算[4-6]。

（1）電動(dòng)力仿真計(jì)算

為了準(zhǔn)確計(jì)算電動(dòng)力，將動(dòng)、靜觸頭接觸面均改為平面接觸，使接觸區(qū)域不存在電流線收縮問(wèn)題，以排除HOLM力的干擾。簡(jiǎn)化后的觸頭結(jié)構(gòu)模型如圖3所示。

圖3 簡(jiǎn)化后觸頭結(jié)構(gòu)模型

根據(jù)試驗(yàn)要求，在進(jìn)、出銅排端面加載50 kA直流電流，所有部件材質(zhì)均設(shè)置為紫銅copper，采用自適應(yīng)剖分網(wǎng)格，觸頭接觸處的網(wǎng)格剖分圖如圖4所示。

圖4 觸頭接觸處網(wǎng)格剖分圖

流經(jīng)每個(gè)觸頭的電流密度云圖如圖5所示，根據(jù)云圖可知各觸頭承載電流大致相同，利用安培定律進(jìn)行積分計(jì)算，觸頭1，承載電流16.6 kA；觸頭2，承載電流16.7 kA；觸頭3，承載電流16.6kA。

圖5 流經(jīng)各觸頭電流密度云圖

電動(dòng)力仿真結(jié)果數(shù)據(jù)匯總見表2，X方向?yàn)橛|頭彈簧作用力方向。三個(gè)觸頭在觸頭彈簧作用力方向上的電動(dòng)力分別為1=0.62 N、2=0.75 N、3=0.61 N，可忽略不計(jì)，與理論分析基本相吻合。

（2）Holm力仿真計(jì)算

Holm力是由于觸頭實(shí)際接觸面積很小，電流經(jīng)過(guò)接觸區(qū)域附近會(huì)發(fā)生電流線收縮而產(chǎn)生。根據(jù)上述理論數(shù)據(jù)計(jì)算可知，觸頭有效接觸面積的等效半徑r為0.32 mm，則有效接觸面積為0.32 mm2，導(dǎo)電橋的高度設(shè)置為0.2 mm[7]，如圖6所示；其他參數(shù)設(shè)置均與電動(dòng)力仿真計(jì)算相同。

表2 各觸頭電動(dòng)力仿真數(shù)據(jù)匯總

觸頭接觸處的網(wǎng)格剖分圖如圖7所示，流經(jīng)每個(gè)觸頭的電流線在導(dǎo)電橋處均發(fā)生收縮，效果圖如圖8所示。

圖7 Holm力觸頭接觸處網(wǎng)格剖分圖

圖8 電流密度仿真圖

Holm力仿真結(jié)果數(shù)據(jù)匯總見表3，X方向?yàn)橛|頭彈簧作用力方向。三個(gè)觸頭在觸頭彈簧作用力方向上的電動(dòng)力分別為F1=-83.49 N、F2=-79.09 N、F3=-85.21 N。

綜上，通過(guò)仿真計(jì)算可得：三個(gè)動(dòng)觸頭的電動(dòng)斥力分別為：F1=82.87 N，F(xiàn)2=78.34 N，F(xiàn)3=84.6 N；均小于單個(gè)觸頭彈簧終壓力159.9 N，故電動(dòng)斥力不會(huì)將觸頭斥開，電動(dòng)穩(wěn)定性能夠得到保障。

表3 各觸頭Holm力仿真數(shù)據(jù)匯總

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

基于理論分析與仿真計(jì)算雙項(xiàng)確認(rèn)該觸頭結(jié)構(gòu)的可靠性，設(shè)計(jì)并制造了某型直流接觸器，并對(duì)其進(jìn)行50 kA/250 ms短時(shí)耐受電流能力試驗(yàn)；試驗(yàn)電流為DC50.4 kA，通電時(shí)間256.2 ms，能量為707.9 MA2?s，試驗(yàn)波形如圖9所示。

試驗(yàn)過(guò)程中，若動(dòng)、靜觸頭出現(xiàn)斥開現(xiàn)象，觸頭間的接觸電阻在斥開瞬間將會(huì)增大，此時(shí)電流波形及電壓波形均會(huì)發(fā)生波動(dòng)，即觸頭斥開瞬間，電流波形會(huì)出現(xiàn)短時(shí)跌落再恢復(fù)，電壓波形會(huì)出現(xiàn)短時(shí)升高再恢復(fù)。

由圖9的試驗(yàn)波形可看出，在通電時(shí)間內(nèi)，電流波形和電壓波形持續(xù)平穩(wěn)均未發(fā)生波動(dòng)，說(shuō)明觸頭在試驗(yàn)過(guò)程中未出現(xiàn)斥開現(xiàn)象，即試驗(yàn)成功通過(guò)。

圖9 短時(shí)耐受電流能力試驗(yàn)波形

5 總結(jié)

本文設(shè)計(jì)了一種高短時(shí)耐受電流能力觸頭結(jié)構(gòu)，先通過(guò)理論分析與仿真計(jì)算證明該結(jié)構(gòu)的可靠性，然后將其應(yīng)用于某型直流接觸器，并設(shè)計(jì)

制造出試驗(yàn)樣機(jī)，進(jìn)行50 kA/250 ms短時(shí)耐受電流能力試驗(yàn)驗(yàn)證，通過(guò)三方面綜合分析論證，證明該觸頭結(jié)構(gòu)具有較高的短時(shí)耐受電流能力，滿足現(xiàn)階段軌道交通、直流牽引系統(tǒng)的應(yīng)用需求，同時(shí)對(duì)高短時(shí)耐受電流能力的觸頭結(jié)構(gòu)研發(fā)有一定的指導(dǎo)作用。

[1] 喬延華, 蘇秀蘋, 董天穎. 油阻尼斷路器觸頭間電動(dòng)斥力分析[J]. 電器與能效管理技術(shù), 2017(16): 1-5，21.

[2] 張廣智，尹家燦，趙鵬，等. 萬(wàn)能式斷路器觸頭系統(tǒng)電動(dòng)穩(wěn)定性的仿真計(jì)算[J]. 電器與能效管理技術(shù)，2020(4)：54-61.

[3] 許志紅. 電器理論基礎(chǔ)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2014.

[4] 萬(wàn)祥軍, 季慧玉, 陳正馨,等. 萬(wàn)能式斷路器觸頭系統(tǒng)電動(dòng)力仿真與試驗(yàn)研究[J]. 低壓電器, 2012(16): 1-4.

[5] 李興文, 陳德桂, 劉洪武, 等. 觸頭間電動(dòng)斥力的三維有限元分析[J]. 高壓電器, 2004(1): 53-55.

[6] 馬海武，趙仙紅. 電磁場(chǎng)理論[M]. 北京：北京郵電大學(xué)出版社，2004：105-110.

[7] 鄭楠，蘇秀蘋，喬延華，等. 斷路器觸頭結(jié)構(gòu)中電動(dòng)斥力仿真分析研究[J]. 電器與能效管理技術(shù)，2016(8)：32-35，68.

Design and analysis of a high short time current withstand contact structure

Liu Zhe, Yao Wei, Wang Jinlong, Chen Cheng, Xie Fengqian

（Wuhan Changhai Electrical Technology Development Co., Ltd., Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China）

TM564.1

A

1003-4862（2023）12-0024-04

2023-04-17

劉哲（1983-），男，高工。研究方向：直流開關(guān)電器。E-mail: 410407531@qq.com