短路脱扣器仿真计算

师慧倩，乔卿阳（武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）



短路脱扣器仿真计算

师慧倩，乔卿阳
（武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）

摘要：本文研究的短路脱扣器直接放置在直流断路器的母排上。当母排出现过载或短路电流时，短路脱扣器感应动作，直流断路器分断。短路脱扣器直接由母排感应动作，不受控制回路电源控制，大大增加了断路器的分断可靠性。本文运用电磁场分析软件Ansoft Maxwell对短路脱扣器进行仿真计算，从而验证设计的可行性与可靠性。

关键词：短路脱扣器磁场仿真

0　引言

短路脱扣器运用于某型号直流断路器中。

直流断路器的作用是频繁的接通或切断负荷电路，除此之外还要能够不频繁的切断过载或短路电流，对电路起到保护作用［1］。

某型号直流断路器为切断过载或短路电流采用了两种分断方式。

一种是连接在控制回路的脉冲脱扣器。当有过载或短路电流时，控制回路发出一组脉冲信号，脉冲脱扣器动作，直流断路器断开。但是此种分断方式受制于控制信号，一旦出现控制回路故障，脉冲脱扣器将不会动作，直流断路器无法切断过载或短路电流［2］。

另外一种短路脱扣器直接放置在直流断路器的母排上，当母排出现过载或短路电流时，短路脱扣器感应动作，直流断路器分断。此种分断方式不受控制回路控制，直接由断路器母排感应动作。但动作时间较脉冲脱扣器长。

两种脱扣器本质上都是动铁式电磁铁。在短路电流发生时，脱扣器的动静铁心是否能在较短时间产生足够的电磁吸力带动脱扣机构运动，决定着整个断路器的短路保护功能。因此，短路脱扣器的分析计算有着重要意义。

1　短路脱扣器工作理

短路脱扣器内部结构图由图1所示，由静铁心组件、弹簧、线圈、动铁心、底座硅钢片、磁轭及动、静整定片等组成。

静铁心组件、磁轭、底座硅钢片以及动铁心组成封闭磁路。断路器母排出现过载或短路电流时，磁路中磁通发生变化，当电磁吸力大于弹簧反力时，动铁心进行吸合运动。动铁心运动到一定位置时，原本由动铁心压住的行程开关由常开触点变为常闭触点，线圈回路接通。与此同时，线圈周围磁场发生变化，线圈中出现感应电流，当线圈电流增大到相应值时，线圈回路中脱扣电磁铁动作，断路器实现过载或短路保护功能［3］。

为了调节断路器的短路分断电流值，短路脱扣器有一对整定片。整定片为导磁性材料，动整定片可沿脱扣器底部水平移动。整定片可以分走磁路一部分磁通，从而改线圈周围磁场，调整短路脱扣器短路电流分断值。

图1　短路脱扣器内部结构图

2　仿真建模

本文用电磁场仿真软件Ansoft Maxwell对短路脱扣器进行仿真计算［4，5］。

相对于专业的三维绘图软件如UG、Pro/E等，电磁仿真软件Ansoft Maxwell在绘图方面功能较差。因此本文采用较为简便的方法，将三维模型从专业绘图软件Pro/E中导入Ansoft Maxwell中。如图2所示。

图2　短路脱扣器仿真模型

a）材料属性设置

母排与线圈材料为铜，气球边界与运动域材料为空气，其余材料为steel 1010。

b）激励源添加

母排与气球边界的相交面设置为短路电流进出面。设短路电流为10000 A，时间常数为10 ms。

线圈匝数为200匝。

c）运动域设置

动铁心沿着模型X轴方向运动，质量为650 g。受到弹簧初始力为7 N。其中，弹簧刚度系数为2.26 N/mm，所以动铁心在整个运动过程中受到反力为：7（N）+2.26（N/mm）*position（position为动铁心运动距离）。

d）网格剖分和求解设置

由于本次计算是动铁心吸合过程的仿真，整个过程的磁场都是在变化的，所以求解器选择瞬态磁场求解器。

3　仿真计算

仿真模型设置好之后就可以进行仿真计算。

3.1仿真验证

为了使仿真更接近实际情况，对实际样机具有指导意义，现将线圈仿真电流与实测电流进行对比，如图3所示。从图中可以看出，仿真数据和实测数据基本吻合，仿真数据对后续设计和优化具有一定的指导意义。

图3　仿真与实测线圈电流对比曲线

3.2仿真结果

a）母排的短路电流是时间常数为10 ms，最终增长至10000 A，输入波形如图4，其中横坐标为时间，纵坐标为输入电流。

b）随着短路电流的不断增大，动铁心受到的吸合力也逐渐增大，当吸合力大于弹簧反力时，动铁心即开始运动。动铁心受力如图5所示，其中X轴为时间轴，Y轴为受力轴。

图4　母排短路电流随时间变化曲线

图5　动铁心受力曲线

c）动铁心与静铁心的间隙为8mm。当动铁心受到的吸合力大于弹簧反力时（受力情况如图5所示），动铁心即开始运动。动铁心随时间位移图如图6所示。从图6可以看出，动铁心从开始运动到运动到位的时间∆t约为15 ms。

d）线圈感应电流随时间变化曲线如图7所示。

线圈应电感流的大小以及最大感应电流出现的时间对短路脱扣器分断短路电流有着直接影响。如图7所示，线圈感应电流的峰值约为1.1 A。

4　总结

本文通过虚拟样机技术，对一种短路脱扣器进行合理的简化建模，通过实验数据与仿真数据的对比，验证了模型的可靠性。通电磁场分析软件Ansoft Maxwell的计算，得到了短路脱扣器的受力曲线、位移曲线及线圈感应电流曲线等数据。对短路脱扣器的优化设计有一定的指导意义。

图6　动铁心位移随时间变化曲线

图7　线圈感应电流随时间变化曲线图

参考文献：

［1］方鸿发.低压电器（修订本）［M］.西安：西安交通大学出版社，2008：72～81.

［2］张冠生.电器理论基础（修订本）［M］.西安：西安交通大学出版社，2008：261-285.

［3］刘志远，纽春萍.现代电器设计方法［M］.西安：西安交通大学电器教研室，2007：102～119.

［4］赵博，张洪亮.Ansoft 12在工程电磁场中的应用［M］.北京：中国水利水电出版社，2010.

［5］王旭平，王淑红.动铁式开关电磁铁的Ansoft 仿真［J］.微电机，2014 （4）：25-28.

Simulation of Short-circuit Releaser

Shi Huiqian，Qiao Qingyang
（Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion，Wuhan 430064，China）

Abstract:The short-circuit-releaser which is studied in this paper is placed on the bus-bar directly.When over-load or short-circuit current of bus-bar occurs，the short-circuit-releaser works of the induction，then DC breaker breaks.The short-circuit-releaser works is affected by bus-bar directly.So the short-circuit-releaser has nothing to do with control system circuit power sources.Reliability of the DC-breaker is greatly increased.Simulation of the short-circuit-releaser was done by Ansoft Maxwell，the feasibility and reliability of the short-circuit-releaser is verified.

Keywords:short-circuit-releaser； magnetic fields； simulation

中图分类号：TM561

文献标识码：A

文章编号：1003-4862（2016）06-0064-03

收稿日期：2016-03-07

作者简介：师慧倩（1989-），女，助理工程师。研究方向：短路脱扣器。