基于Ansoft Maxwell 2D的PT新型保护装置用电磁脱扣机构的仿真研究

2017-10-09郑雪钦魏明明易荣先徐广令

电气自动化 2017年3期

关键词：匝数电磁力吸力

郑雪钦，魏明明，易荣先，徐广令

(厦门理工学院电气工程与自动化学院，福建厦门 361024)

基于Ansoft Maxwell 2D的PT新型保护装置用电磁脱扣机构的仿真研究

郑雪钦，魏明明*，易荣先，徐广令

(厦门理工学院电气工程与自动化学院，福建厦门 361024)

基于Ansoft Maxwell 2D的仿真环境，对设计电压互感器新型保护装置用快速电磁脱扣机构建立仿真模型，并对此环境下的电磁脱扣机构进行了不同故障电流、励磁线圈匝数下的静态、动态特性的电磁力仿真研究，得到不同安匝数下的脱扣装置中电磁滑块所受电磁力的大小，为PT新型保护装置设计和优化提供了依据，同时将仿真结果对比电磁吸力理论计算分析，验证了仿真结果的正确性。

Ansoft Maxwell 2D；电压互感器；快速电磁机构；电磁力；PT保护；电磁滑块

Abstract: Based on Ansoft Maxwell 2D simulation environment, this paper uses a fast electromagnetic tripping mechanism to establish a simulation model for the designed new protection device for voltage transformers, and makes a simulation study on static and dynamic characteristics of the electromagnetic tripping mechanism in this environment under the conditions of different fault currents and numbers of excitation coils. The strength of electromagnetic force exerted on the electromagnetic slider in the tripping device is thus obtained for different numbers of ampere turns, thus providing a theoretical basis for the design of the new type PT protection device. Furthermore, through comparison between simulation results and theoretical calculation of electromagnetic force, the correctness of the simulation result is verified.

Keywords: Ansoft Maxwell 2D； voltage transformer； fast electromagnetic mechanism； electromagnetic force； PT protection； electromagnetic slider

0 引言

电压互感器作为系统中重要的保护测量设备，其安全稳定运行为系统的安全稳定运行提供了保障[1]。电压互感器一次侧新型保护装置参考模型如图1所示，主要由真空灭弧室、快速电磁脱扣机构和保护对象电压互感器构成。快速电磁脱扣机构如图2所示，励磁线圈串联在电压互感器一次回路中，当PT一次侧出现电流过大时，电磁线圈在机构内产生磁通，电磁滑块在磁通作用下受到电磁吸力向下压缩弹簧运动，脱扣小球因受到电磁滑块预压力减小而释放分闸拉杆，完成分闸操作。

通过对保护装置进行ADAMS动力学仿真[2]分析得到对于不同预压弹簧力，装置完成脱扣所需的电磁吸力不同，其关系曲线可以看到当预压紧力取100 N时，需要30 N的电磁吸力才能使机构完成脱扣动作。本文在ADAMS仿真的基础上利用有限元[3-4]电磁仿真软件Ansoft Maxwell 2D对保护装置用快速电磁脱扣机构进行动、静态电磁吸力仿真，得到电磁吸力与励磁安匝数关系曲线并对比理论计算结果。

图1 PT一次侧新型保护装置

图2 快速电磁脱扣机构

1 电磁线圈参数的理论计算

线圈中有激磁电流，才能建立一定的磁势，产生磁通和吸力。电磁铁计算主要涉及磁势方程、电磁吸力方程和发热方程。这些方程反映了电磁脱扣装置结构参数和物理参数之间的基本关系。

由ADAMS仿真分析知道，当分闸弹簧预压力为300 N、预压弹簧力为90 N时，脱扣所需电磁吸力为20 N，即设计目标为在尽可能降低开断电流情况下，且额定行程为δ=27 mm时，如图3所示，电磁滑块在此处所受电磁吸力为20 N。

图3 脱扣装置动作气隙示意图

1.1 电磁铁结构因素KΦ和气隙磁感应强度Bδ的确定

美国学者Roters提出了一个在优化条件下与磁感应强度B有关的函数关系的因素[5]：结构因素[6]，定义如式(1)所示:

(1)

式中Fc为初始位置电磁吸力。考虑到所设计电磁脱扣装置漏磁等方面影响，在计算时，增加电磁吸力裕量30%，如式(2)所示。

Fc=F(1+30%)=26

(2)

将滑块所受电磁吸力和最初有效行程δc=27 mm代入上式(1)，求得：

(3)

根据文献[5-6]，查Bδ=f(KΦ)曲线图可得到对应KΦ下气隙磁场强度Bδ为：

Bδ=7050Gs=0.70T

1.2 滑块直径dz的确定

根据麦克斯韦方程组，可推导出电磁吸力方程式[7]：

(4)

式中F为所受电磁吸力，即F=2.6 kg;Bδ—气隙磁通密度

将相关数据代入式(4)：

则滑块有效直径：

(5)

由于所设计电磁滑块为环形中空结构，为了保证滑块端面有效面积不变，滑块实际截面应减去中心部分。可依设计取电磁滑块内外径如图4所示。

dn=6.5 mm，dw=14.5 mm

(6)

1.3 计算所需励磁磁势

图4 滑块截面尺寸图

通过所建立的磁势方程式，可以求出在脱扣状态时电磁脱扣装置所需安匝数，即线圈的磁势。根据安培定律，得出磁势方程式：

IN=ΦδRδ+ΣHili

(7)

式中ΦδRδ为消耗在工作气隙的磁势；

Hili为消耗在非工作气隙和各段导磁体上的磁势总和。

通常，消耗在非工作气隙的磁势占总磁势的5～15%；消耗在各段导磁体上的磁势占总磁势的10～25%。根据文献[8]可得：

IN=1.25ΦδRδ

(8)

根据文献[9-10]：

并代入式(8)中，化简可得：

(9)

将所得Bδ、δ、和dz代入式(9)，即可得到相应的磁势为：

IN=3 712 A

(10)

因此，由式(10)计算结果可知，电磁线圈通以大于3 712 A的励磁磁势时，可在电磁滑块上产生一个电磁吸力为26 N的电磁吸力，使得装置脱扣，电压互感器被切除，即电压互感器得到保护。

2 脱扣装置动、静态电磁仿真

2.1 仿真模型建立及网格划分

通过在Maxwell中建立相应尺寸模型如图5所示，对所建立的仿真模型各零件进行材料设置。外磁轭、下端磁轭、静铁芯、电磁滑块设置为电工纯铁，分合闸拉杆、非导磁腔体、上端盖设置材料为铝，线圈材料设置为铜。作一个边长为50 mm的正方形作为边界，将其设置为空气。网格划分采用自由剖分式方法，对电磁脱扣机构内不同部件进行不同细化网格控制，得到机构网格剖分结果如图6所示。

图5 快速脱扣机构仿真模型图

图6 电磁机构网格剖分图

2.2 静态仿真结果分析

对机构线圈施加不同安匝数磁势激励进行2D静态仿真，并记录电磁滑块在距静铁芯不同位置所受到的电磁力，及电磁机构内磁场密度B分布图。如图7所示为电磁滑块在距静铁芯为11 mm处时所受到的电磁吸力约为48.65 N，滑块在此位置时，机构磁场密度分布如图8所示。

图7 电磁滑块静态电磁力

图8 电磁滑块距离静铁芯11 mm位置处时磁场分布

由图8可以看到，电磁滑块越靠近静铁芯，穿过电磁滑块的磁力线即越密，说明其所受到的电磁吸力越大，因此滑块在往下运动时，随着电磁吸力的增大，更利于实现装置的脱扣动作。本文在做静态仿真过程中，将电磁滑块最初位置(距离静铁芯17 mm)沿着运动方向取几个不同的位置点(距离静铁芯17 mm、16 mm、15 mm、14 mm、13 mm、12 mm)分别仿真在励磁磁势为3 000、4 000、5 000、6 000、7 000安匝磁势下所受静态电磁力大小，并记录数据拟合曲线如图9所示。

图9 不同气隙下电磁吸力与安匝数关系

从图9可以看到，电磁滑块受到的电磁吸力随着励磁磁势安匝数的增大而不断增大，在线圈通以相同磁势安匝数时，电磁滑块所受到的电磁吸力随着气隙的减小而不断增大，这与实际运动电磁铁相符合。

2.3 动态电磁力仿真分析

通过观察图10中电磁滑块运动过程中所受电磁力曲线可以知道，随着电磁滑块向下运动，其所受到的电磁吸力明显增大，这与静态仿真结果相吻合。为了得到一定电磁吸力作用下，改变线圈匝数条件下能实现脱扣动作下的电流值和改变动作电流值条件下所需线圈匝数关系，得到曲线如图11所示。当PT保护装置脱扣所需电磁吸力一定时，则其在线圈中所建立的磁势为一定值，因此，如果要提高保护装置的动作灵敏度，即降低保护装置动作电流，只需要将线圈匝数同比例增大，且较小的开断电流对保护电压互感器而言是极为有利的，但是动作电流也不能太小，防止因增大线圈匝数而带来的保护装置体积变大的问题。

图10 4 000安匝时滑块所受动态电磁力

图11 线圈匝数与线圈电流关系曲线

3 结束语

本文通过利用有限元软件Ansoft Maxwell 2D对PT保护装置用快速电磁脱扣机构中电磁滑块所受电磁吸力进行了静态磁场分布、静态电磁力和动态电磁力仿真，得到了动、静态不同励磁安匝数下电磁滑块所受电磁吸力曲线，并将所得结果与线圈电磁力理论计算对比分析，所得结果误差较小，因此，Ansoft Maxwell 2D软件的仿真结果可以为PT新型保护装置的研究提供一定的数据参考依据。

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A Research on the Simulation of Electromagnetic Tripping MechanismUsed for New-type PT Protection Devices Based on Ansoft Maxwell 2D

Zheng Xueqin, Wei Mingming, Yi Rongxian, Xu Guangling

(College of Electrical Engineering and Automation, Xiamen University of Technology, Xiamen Fujian 361024, China)

10.3969/j.issn.1000-3886.2017.03.014

TM712

1000-3886(2017)03-0042-03

定稿日期: 2016-09-27