直流断路器在短路电流下稳定性分析

沈 文，李治军，钟积科

应用研究

直流断路器在短路电流下稳定性分析

沈 文，李治军，钟积科

（武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）

当电力系统发生短路故障时，断路器主回路触头会产生很大的电动斥力，可能会造成断路器触头机械变形或熔焊，从而无法切断短路电流实现保护功能。本文以某型直流断路器为研究对象，提出了一种具有电动力补偿功能的触头结构，分析了其在短路电流下动稳及热稳定性，并对其电动斥力及瞬态温升进行有限元仿真计算，最后断路器通过了短时耐受短路电流试验，验证了仿真计算方法的可行性。

短路故障 电动斥力 瞬态温升

0 引言

当电力系统出现短路故障时，断路器主回路触头系统将产生巨大的电动斥力，这种电动斥力会使动、静触头间触头压力减小，接触电阻增加，从而导致触头间温升也随之瞬间增大，严重时甚至会使触头发生熔焊或者机械变形，从而导致断路器无法正常分断短路电流。因此，提高断路器触头系统的电动稳定性具有重大意义[1]。

本文提出一种具有电动力补偿功能的直流断路器触头结构（如图1所示），由主触头（包括动主触头及静主触头）、弧触头（包括动弧触头及静弧触头）及杠杆等组成。由图1所示电流流向可知，流经杠杆与静弧触头部分电流方向相反，从而使静弧触头受到一个与动弧触头间电动斥力方向相反的电磁力，以补偿动、静触头接触处的电动斥力，达到增加触头压力，提高电动稳定性的作用。当断路器的动静触头处于闭合位置时，电动斥力由两部分组成，一部分为动触头在回路自感应磁场所受的洛伦兹力，另一部分为动静触头之间因接触点的电流收缩而产生的霍尔姆力（HOLM力），方向为触头斥开方向，大小与触头承载电流、触头结构、触头材料、触头接触状况等有关[2]。

图1 触头系统结构

本文研究了断路器触头系统在短路故障电流下动稳及热稳定性，并利用有限元仿真软件对触头系统电动斥力及瞬态温升进行了仿真计算，同时分析了动、静触头电动斥力对触头系统热稳定性的影响，最后试制样机通过了短时短路电流耐受能力试验。

1 短路电流下动稳定性分析

1.1 触头系统电动力理论分析

1）洛仑兹力F的计算

利用上式对动触头上所有单元的洛伦兹力力矩求和即可得到整个触头杆洛伦兹力力矩：

触头受到的等效洛伦兹力如式（4）所示：

2）霍尔姆力F的计算

电流在通过动、静触头接触处时，由于电流线在接触面附近发生收缩，因而在电流流过两个触点时会出现电动斥力，该斥力就是霍尔姆力。

对于霍尔姆力（HOLM力），一般采用公式（5）进行计算：

式中：μ-真空磁导率；-触头承载电流（A）；-触头等效半径；-导电斑点半径；F-触头终压力(N)；x-触头的接触系数，为0.3～0.6，一般取0.45；-材料的布氏硬度。

在计算断路器触头导电斑点半径时，触头终压力F由式（6）确定：

式中，F为触头预压力，F为触头洛仑兹力，F为触头HOLM力。

因此本文需首先采用三维有限元法对断路器触头系统洛仑兹力F进行计算。在得到洛仑兹力F的计算结果后，再通过公式（5）、（6）以迭代的计算方式求得触头间的 HOLM 力F，并将洛仑兹力F、HOLM 力F以及弹簧预压力F叠加计算，分析触头是否会被斥开。

1.2 洛仑兹力仿真计算及分析

1）有限元模型建立及网格剖分

为避免网格剖分时尖角和过小单元，将原模型尖角钝化处理，并填充了部分圆孔。触头有限元模型网格划分如下图3所示。仿真计算时建立了一个5倍于触头系统模型大小的圆柱形空气域（未在图2中显示）将触头系统包裹其中。

图2 触头有限元模型网格划分

2）洛仑兹力F仿真计算

根据断路器短时短路电流耐受能力参数要求，在触头进、出线端加载DC50 kA电流，并根据断路器样机可确定主触头片为纯银材料，其余均为纯铜材料。

通过触头接触电阻实测结果，分别对主触头回路和弧触头回路的电流按照比例进行分配，计算得到主触头回路和弧触头回路的电流密度分布如图3所示，洛仑兹力计算结果见表1。主触头洛仑兹力为-43.2 N方向为触头斥开方向；由于弧触头具有电动力补偿功能，洛仑兹力计算结果为17.5 N，方向为触头相吸引方向。

表1 洛仑兹力计算结果

图3 电流密度分布

1.3 HOLM力计算

通过实测断路器样机得到动、静触头预压力F分别约为150 N、320 N，并查阅相关资料得到触头材料纯银和纯铜的布氏硬度后，可根据公式（5）、（6）通过反复迭代的方法来计算HOLM 斥力大小，计算结果见表2。

表2 触头HOLM力计算结果

1.4 电动力计算结果分析

将表1、表2电动力计算结果代入公式（6）计算触头终压力F。计算可得弧触头终压力约为121.6 N，主触头终压力约为59.3 N，主、弧终压力均大于零，因此触头不会斥开。

电动斥力会使断路器动、静触头的触头压力减小，从而导致触头接触电阻增大。因此，电动斥力是否会引起主、弧触头温升过高而熔焊仍需做进一步的探究。

2 短路电流下热稳定性分析

2.1 热分析模型的建立

1）发热分析

要对断路器触头系统进行数值热分析首先须分析其发热。主回路发热源可由两部分组成，一部分为电流流过回路导体时的焦耳热，另一部分为动静触头接触处由于接触电阻的存在而导致的热损耗[3]。其中，动、静触头接触处电阻是回路的主要热源，其模型的建立对于温度场的准确分析非常重要。本断路器的弧触头接触方式为线接触，而主触头的静主触头平面与动主触头圆弧面相切，因此，断路器触头系统存在两种接触电阻导电桥模型。在仿真计算时，可以赋予导电桥不同的电阻率来调整接触电阻数值大小。

2）散热分析

直流断路器产生的热损耗可通过传导、对流和辐射三种形式散失到周围介质中去[3]。由于断路器对外辐射散热只占总散热的很小比重，因此在进行热分析时只考虑热传导、对流的影响。

为了便于计算作以下假设：a)断路器处于无限大空间；b)材料各物理性能参数各向同性；c)断路器触头外表面的对流散热为自然对流散热；d)环境温度为恒定室温20℃。

因此，开关内部三维热传导方程为：

式中：为物体的温度；为导热系数；为单位体积内热源的生成热。

边界条件为开关外表面散热边界条件。

式中：为表面散热系数；T为发热体温度；T为环境温度。

公式（7）、（8）为断路器热分析数学模型，确定热源、表面的散热系数和导热系数后，利用有限元软件基于三维有限元方法求解式（7）、（8）即可对开关的温度场进行分析[4]。

2.2 短路电流下瞬态温升计算

利用有限元分析软件对本断路器触头系统进行热电耦合瞬态温度场仿真计算，加载事故短路电流为50 kA，作用时间0.25 s。

在不考虑触头电动斥力影响下，测得主、弧触头总接触电阻约为15Ω（弧触头接触电阻设定为60 μΩ，主触头接触电阻设定为20 μΩ），环境温度设定为20℃。通过仿真计算得到触头系统在短路电流下瞬态温度场分布云图如图4所示。

如图4可知，断路器触头进、出线端温升变化较小，而主、弧触头接触部位的温升变化较为显著。温升值最高处在主触头接触处，为177.8 K，弧触头接触处最高点温升为138.5 K。

查阅相关资料可知纯铜熔点为1083.4℃，纯银熔点为961.8℃，因此，主触头与弧触头在短路电流50 kA /0.25 s下不会发生熔焊。

2.3 电动斥力对触头温升的影响

逐渐增大断路器主、弧触头接触电阻的阻值，并通过仿真计算得到断路器触头系统最高点温升在不同接触电阻阻值变化曲线图如图5所示，由电动斥力导致触头间接触电阻的增加，对断路器触头系统最高点温升影响较大。

图4 短路电流（50 kA/0.25 s）下温度场分布

图5 不同接触电阻下最高点温升曲线

3 试验验证

为了验证上述电动力及瞬态温升计算的可行性，本文通过试制样机按参数50 kA/0.25 s进行了短时耐受短路电流能力试验，得到了短时耐受短路电流试验波形如图6所示。试验后，断路器触头系统无熔焊或机械变形现象。

4 结论

本文通过对某型直流断路器主回路触头系统动稳定性及热稳定性仿真计算分析样机试验验证，得到了以下结论：

1）提出一种具有电动力补偿功能的弧触头结构，其在短路电流下的洛仑兹力F为触头相吸方向，以补偿动、静弧触头接触处的电动斥力。

2）电动斥力导致动、静触头接触电阻变大，较为影响断路器触头系统最高点温升。

图6 短时耐受短路电流试验波形

[1] 李兴文, 陈德桂, 刘洪武, 等. 触头间电动斥力的三维有限元分析[J]. 高压电器, 2004, 40(1): 53-55.

[2] 周英姿, 尹天文, 孙吉升．分片式触头系统电动力的三维有限元分析［J］．低压电器, 2011(14): 1-4．

[3] 刘树华, 乐洪有, 骆文平. 基于ANSYS的直流断路器温度场数值分析[J]. 船电技术, 2016(3): 45-49.

[4] 冯璟, 李景新, 陈正馨. 万能式断路器散热技术研究[J]. 电器与能效管理技术, 2015(3): 14-18.

Stability analysis of the DC breaker at short-circuit current

Shen Wen, Li Zhijun, Zhong Jike

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

TM564

A

1003-4862（2022）05-0025-04

2021-10-13

沈文（1989-），男，工程师。研究方向：直流断路器。E-mail:549601989@qq.com