一种双磁路大电流脱扣器及其特性仿真分析

周 阳，李宝明，刘 哲

一种双磁路大电流脱扣器及其特性仿真分析

周 阳1，李宝明2，刘 哲1

（1. 武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064；2. 武汉长海电气科技开发有限公司，武汉 430064）

大电流脱扣器作为断路器的核心部件，其性能直接决定断路器的分断能力。本文提出了一种双磁路大电流脱扣器，对双磁路大电流脱扣器进行了静态特性和动态特性仿真计算，并与单磁路大电流脱扣器进行了特性对比，结果证明了双磁路脱扣器需要的反力弹簧的刚度更小，且能更快的切断短路电流。

直流断路器 双磁路 大电流脱扣器

0 引言

 直流配电系统有着有功损耗小、调节迅速、运行可靠等优点，广泛应用于城市轨道交通、冶炼、船舶、矿产等许多行业。在直流配电系统中，直流断路器是其安全运行的保证。在系统回路发生短路故障时，直流断路器的大电流脱扣器动作，使得断路器分闸，断开回路，切除故障。其脱扣速度与脱扣的准确性直接影响系统回路的安全性与可靠性，且脱扣速度越快则直流断路器限流和开断短路电流的能力越强[1]。因此，寻求脱扣速度更快、脱扣电流值更准确的脱扣器，一直是直流断路器设计研发的重点。

本文针对目前直流大电流脱扣器所存在的缺点，提出了一种双磁路式大电流脱扣器，对其静态力特性和动态特性均进行了计算研究，与现有常用大电流脱扣器特性进行了对比，为大电流脱扣器的研发提供了新的方向。

1 双磁路大电流脱扣器结构及工作原理

目前一般大电流脱扣器结构如图1所示。主要由静磁轭、动铁芯、反力弹簧、弹簧调节杆组成。其工作原理可简述如下：承载主回路电流的铜排从静磁轭中穿过，根据所需的整定值预先调节反力弹簧力值，当铜排承载电流为额定电流时，反力弹簧力大于铜排上电流产生的电磁力，动铁芯保持不动；当出现短路工况时，电流迅速上升到预设的整定值时，动铁芯所受到的电磁力大于弹簧反力，动铁芯向下运动并带动相应的脱扣部件一起动作，使得断路器脱扣分闸，切除故障以保护系统。这种电磁式的大电流脱扣器有着结构简单、动作速度快、功能可靠、不需额外的电源和信号等特点。

图1 传统结构的大电流脱扣器

随着现代直流牵引配电系统容量越来越大，系统回路的额定电流与短路电流峰值也随之越来越大，这就要求断路器的大电流脱扣保护的整定值也随之增大。但是对于上述传统结构的大电流脱扣器而言，整定值的进一步增大会使得动铁芯所受到的电磁力急剧增大，这就要求选用更大刚度的反力弹簧。由于大电流脱扣器的内部尺寸较为紧凑，大多数大电流脱扣器都采用碟簧组的结构形式来达到刚度要求[2]。但是碟簧组结构有着碟簧片尺寸存在分散性、碟簧片间需要润滑、碟簧片数量太多而导致失效率增高等问题，且过大的刚度会降低动铁芯运动速度，延长脱扣时间，延后电流切断时刻。

为了解决上述缺点，本文提出一种双磁路式大电流脱扣器，其结构组成如图2所示。

图2 双磁路大电流脱扣器

与传统结构的大电流脱扣器结构不同的地方在于，双磁路大电流脱扣器在衔铁的上部增加了一个磁回路，同时用绝缘板将衔铁分隔为上衔铁片和下衔铁块，并使用螺钉栓接在一起。在铜排通过电流时，上方第二磁回路所产生的电磁力F2会抵消一部分下方的第一磁回路所产生的电磁吸力F1，使得衔铁受到的向下的力大大减少，降低了对弹簧刚度的需求；当系统出现短路故障时，铜排中电流迅速上升，由于第一磁回路的磁面积大于第二磁回路，同时，第二磁回路上所设置的短路环会因为涡流效应减慢第二磁回路的磁通量增大，因此第一磁回路的电磁力F1上升速度大于第二磁回路的电磁力F2，衔铁开始向下运动。衔铁在向下运动的过程中，第一磁回路的气隙迅速减小而第二磁回路的气隙迅速增大，使得两个磁回路所产生的电磁力差值F1-F2进一步增大，加快了衔铁的运动速度，同时由于需求的弹簧刚度较小，衔铁在向下运动中所受到的弹簧反力也较小，因此进一步加快了衔铁的运动速度，更快的到达脱扣位置，使得断路器能更快的脱扣分闸。下面本文将对双磁路结构的大电流脱扣器进行静态力值计算和动态脱扣特性计算，并与传统单磁路脱扣器进行特性对比。

图3 双磁路大电流脱扣器磁路示意

2 静态力特性计算

本文采用Ansoft软件对脱扣器的动态和静态力特性进行计算。首先建立单磁路脱扣器和双磁路脱扣器的简化模型，并保证两个模型除了磁路区别外其它尺寸均保持一致。在计算中，静磁轭和衔铁均采用Ansoft自带的硅钢片材料DW540-50，其B-H特性曲线如图4所示。

图4 硅钢片B-H特性

根据实际整定值需求，在铜排中端面加载6000～14000 A电流，在计算中使用Ansoft自适应网格划分，计算区域选取为模型的5倍大小，计算衔铁所受的力值。计算结果如图5和表1所示，图6和图7为铜排承载电流值为14000 A时，两种结构脱扣器的磁场分布。

图5 两种结构脱扣器衔铁静态受力特性

表1 两种结构脱扣器衔铁静态受力特性

图6 单磁路脱扣器磁场分布

图7 双磁路脱扣器磁场分布

由计算结果可知，随着铜排上承载的电流增加，两种结构脱扣器的衔铁受力均随之增加；在相同的电流作用下双磁路脱扣器的衔铁受力远小于单磁路脱扣器衔铁的受力，表明了第二磁回路对降低衔铁受力作用显著；当铜排承载电流值为6000 A时，单磁路脱扣器衔铁受力大小约为双磁路脱扣器衔铁的23倍，而当铜排承载电流值为14000 A时，单磁路脱扣器衔铁受力大小约为双磁路脱扣器衔铁的3.5倍，两者力值差距随着电流值增大而减小，这是因为双磁路结构的第二磁回路磁通面积较小，相比于第一磁回路更容易磁饱和，因此随着电流的增大，第二磁回路产生的电磁力增速小于第一磁回路，但同时这一特性也有助于在出现短路电流时，使得衔铁能动作更快。

3 脱扣器动态特性计算

电流参数模拟实际断路器运行状态：2 ms前承载电流为稳态值4000 A，2 ms出现预期稳态电流值为30 kA的短路故障，时间常数为15 ms，在Ansoft中以函数的方式来实现上述工况，其函数式为：

仿真时间步长设置为0.1 ms，以前文静态计算的衔铁受力结果作为脱扣器的相应整定值的反力弹簧预紧力值，对单磁路和双磁路脱扣器分别进行计算。

表2 短路电流作用下衔铁启动电流值

图9和表2为在短路电流作用下，衔铁启动时刻的电流值（定义衔铁运动行程超过0.01 mm时为启动时刻）。由计算结果可知，在短路电流的作用下，双磁路脱扣器的衔铁启动时刻会晚于单磁路脱扣器，这是因为双磁路脱扣器必须要第一磁回路和第二磁回路在衔铁上产生足够的力值差后，衔铁才能克服反力弹簧的反力向下运动，而这则导致开始动作时刻的电流值不可避免地滞后于单磁路脱扣器。随着整定值增大，第二磁回路更趋近于磁饱和，两种脱扣器的实际动作电流趋于一致，到整定值为14000 A时，两种结构的脱扣器的实际动作电流已经相等。

图10~图11和表3~表4为仿真计算得到的两种结构的脱扣器在短路电流作用下的脱扣动作时长和脱扣时刻电流值。由图中可知，因为双磁路脱扣器的反力弹簧刚度远小于单磁路脱扣器的反力弹簧刚度，在运动过程中双磁路脱扣器的衔铁所受的弹簧反力远小于单磁路脱扣器，因此双磁路脱扣器的动作时长小于单磁路脱扣器，且随着整定值的增大，静磁轭也逐渐出现磁饱和的趋势，电磁力的上升速度进一步变慢，克服弹簧反力也变得愈加困难，因此两种结构脱扣器的动作时长的差距也随之变大；得益于脱扣动作时长较小，双磁路脱扣器尽管动作时刻晚于单磁路脱扣器，但双磁路脱扣器却仍比单磁路脱扣器更快地到达脱扣位置，分断时刻的电流值更小，这也意味着配备了双磁路大电流脱扣器的断路器能够更好的保护系统回路。

图10 短路电流作用下衔铁动作总时间

表3 短路电流作用下衔铁动作总时间

图11 衔铁到达脱扣位置时刻电流值

4 总结

本文针对现在常用的单磁路大电流脱扣器存在的缺点，提出了一种双磁路大电流脱扣器，并通过仿真计算对比了单磁路大电流脱扣器与双磁路脱扣器的静态特性和动态特性，并得到了以下结论：

1）在相同电流下，双磁路大电流脱扣器磁轭的受力远小于单磁路大电流脱扣器磁轭的受力，当进行相同范围的整定值调整时，双磁路脱扣器的所需的反力弹簧刚度远小于单磁路脱扣器，更易于工程设计与应用。

2）在出现短路电流时，双磁路大电流脱扣器的启动时刻略晚于单磁路大电流脱扣器，但是其时间差随着整定增加而降低，并在14000 A整定值时趋于一致。

3）在短路电流作用下，双磁路大电流脱扣器的动作时间小于单磁路脱扣器，且这一时间差可以弥补双磁路脱扣器启动时刻较晚的劣势，并最终比单磁路脱扣器更快的到达脱扣位置，更早的切断短路电流。

在下一步的研究中，将着重进行以下几个方面的研究：

1）研究双磁路脱扣器在不同电流上升率下的动态特性；

2）对双磁路脱扣器进行整定试验和短路试验验证。

表4 衔铁到达脱扣位置时刻电流值

[1] 朱中建, 杨倬, 裴军等. 直流断路器瞬动式磁脱扣器的设计分析[J]. 电器与能效管理技术, 2014(11): 30-33.

[2] 屈建宇, 赵虎, 吴刚等. 高速直流断路器用磁脱扣器调节特性研究[J]. 高电压技术, 2015,41(9): 3130-3135.

[3] 顾惠民. 断路器过电流保护脱扣器的设计研究[J]. 电器与能效管理技术, 2016(2): 9-15.

[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] GB/T25890.1-2010, 轨道交通地面装置直流开关设备第1部分: 总则[S].

A Dual Magnetic Loop High Current Tripper and Analysis of Its Characteristic Simulation

Zhou Yang1, Li Baoming2, Liu Zhe1

(1. Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China; 2. Wuhan Changhai Electrical Technology Development Co., Ltd., Wuhan 430064, China )

TM561

A

1003-4862（2019）10-0037-05

2019-04-03

周阳（1993-），男，助理工程师。研究方向：直流断路器。E-mail: zhouyang712@126.com