TSE触头电动力与电流关系的分析研究

陈红群

摘要：转换开关电器的动触头通过电流时，会产生电动斥力，造成触头压力的减小，同时接触电阻增大，甚至可能会导致触头虚接或者斥开，严重的情况下触头将会熔焊或烧毁，影响供电的稳定性。

关键词：转换开关电器；电动斥力；触头压力；供电稳定性

触头压力是转换开关电器（简称TSE）的一个重要参数，触头压力直接关系到触头的发热进而影响TSE的温升性能。TSE的触头压力F是由弹簧或者弹簧片提供的，当电流通过触头时，动静触头间由于电流收缩产生霍姆力FH，从而导致触头压力减小，当电流很大时，霍姆力也会变得很大，因此需要考虑电动力补偿结构。文献[1]用Ansys对两种不同触头预压力相同电流情况下的电动斥力进行了仿真分析。通过ANSYSWORKBENCH计算出触头之间的接触半径，在三维建模软件中建立触头电接触有限元模型，导入ANSYSWORKBENCH模块进行电流场和电磁场分析，从而仿真得出接触系统的电流密度分布和电动斥力。针对一种断路器触头结构，通过Ansys对比了不同触头补偿结构在收到短路电流冲击情况下所受到的电动力。

本文基于一种具有电动力补偿装置的触头结构，通过Ansys的仿真分析不同电流的情况下的触头电动力，从而有助于确定在通电情况下使触头保持最优性能的最优触头压力。

1 模型的建立与力学系统分析

下图是本文分析的一种具有电动力补偿装置的触头结构，该触头结构由两个动触头（编号3）对称布置于静触头两侧（编号1），当电流流过动、静触头时两个动触头就会产生平行导体电动力FL，根据右手定则可知该力是吸力。

1.静触头2.触头弹簧3.动触头

一种具有电动力补偿装置的触头结构图

除了平行导体电动力之外，触头间在通过电流的情况下还会产生霍姆力FH，以及弹簧提供的触头压力Fk。由这三个力共同组成通电情况下动触头的力学系统，该合力值F合即为通电情况下触头所受到的压力，可由公式（1）表述：

F合=FkFH+FL（1）

2 电动力的假设及计算

2.1 触头间的HOLM力

平行导体导体电动力的本质就是洛伦兹力，由于洛伦兹力和霍姆力产生机理不相同，所以在计算时需要分别考虑，动静触头接触处具有电流电位场，并满足关于接触面和导电斑点的假设。圆柱形接触导电的截面半径为B，导电斑点超导小球的截面半径为b，电动斥力FH满足如下公式：

FH=μ04πI2lnBb（2）

将经验公式F=ξHπb2带入上式中，可得到如下公式：

FH=μ04πI2lnξHπB2Fk（3）

式中Ι——流经收缩区导体的电流（A）；

ξ——跟触头表面接触情况有关的系数，其范围在0.3～06之间；

H——材料的布氏硬度（N/mm2）；

Fk——接觸力（N）。

2.2 导体间的洛伦兹力

本文采用恒定磁场的方程来计算电流密度和磁通密度的分布，对整个模型区域进行划分，将电流密度作为激励，计算其产生的三维磁场，最后根据公式（4）计算出作用在每个单元上的电动斥力Fi。其中 Ji 为每个单元的电流体密度，Bi 为单元的磁感应强度。

Fi=Ji×Bi（4）

导体的体积为V，则作用在导体上的电动力F可用公式（5）表示：

F=∫FidV（5）

因为本文中的触头结构为平行导体结构，所有该触头结构所受的洛伦兹力可由平行导体电动力公式（6）进行计算：

FL=2×107I2d0l（6）

式中 d0—— 两平行导体间间距；

l —— 导体长度。

3 变触头尺寸的电动力仿真分析

仿真模型搭建。在CREO2.0软件中对ATS触头部分进行三维模型的建立，并在触头模型的外部建立一层空气场。本文采用直接耦合的方法，同时计算出电流密度、磁场密度和触头所受的力值F′，该力值由公式（7）表示。

F′=FLFH（7）

电流密度分布是未知量，因而仿真中将电流值作为输入，设置触头两端电压值，并对整个模型外层表面设置磁力线平行的边界条件，然后对结果进行求解，电触头仿真。

4 结论

为提高电力系统供电稳定性，避免出现触头熔焊或烧毁现象，本文使用Ansys对触头结构进行仿真，根据仿真结果得到以下结论。

（1）该触头结构Fl和FH的合力F′为吸力，该触头结构具有电动力补偿作用；

（2）当电流小于该额定电流的20倍时，吸力值基本上为0，当电流大于5000A左右时，吸力急剧增加；

（3）根据电流与吸力的关系曲线为最终确定最优触头压力值FK提供了一定的理论指导。

参考文献：

[1]戴水东，洪黎欢.基于ANSYS的低压断路器电动斥力计算分析[J].电器工业，2013（2）.