基于Ansoft的直流断路器电弧仿真模型研究

吴玉刚, 迟长春, 刘 佳

(上海电机学院 电气学院, 上海 201306)

近年来,直流输电技术迅速发展。王军龙等[1]针对直流输电技术涉及的输电控制、保护、分断等问题,提出需要强化直流电网中的关键设备。宋述波等[2]认为直流断路器是在直流输电过程中发挥关键作用的器件,如何保证直流断路器在输电过程中稳定运行,成为直流断路器研究中的一大热点。王泽涛等[3]认为在研究过程中,需要解决两个不可避免的问题:一是电流恒大于零,需要人为进行相关操作,安全、快速地将直流电路中的电流降为零；二是直流电路中存在大量感性元器件,在切断故障电路后,这些元器件会放电,危害人身安全。

当前,国内的直流断路器产品在低压直流断路器领域占有一部分市场份额[4],但在高压领域仍然是国外品牌占据主导地位。这主要是因为国内直流断路器在分断能力上存在不足,如在高湿、高盐、强风的恶劣环境下工作时其分断能力会受到严重影响[5]。永磁体的磁性及引弧板材质几乎决定了国内直流断路器产品的分断性能和生产成本。本文利用Ansoft软件对直流断路器建模,针对电弧运动过程,利用有限元分析法,研究选用不同材质的引弧板和永磁体对电弧电动力的影响,可为增强直流断路器的分断能力提供参考。

1 直流断路器电弧电动力仿真理论

交流电路中存在过零点,在过零之后要保证弧隙恢复电压低于介质的恢复电压[6],从而达到保护线路的目的,这就是交流电路的灭弧原理。实际上,电弧是一条热能极高的等离子体气体[7],它的温度不会产生突变,具备了限流特性。越来越多的离子会不断地增强等效电阻的导电性,电压从而降低。据此,可得出直流电弧的静态伏安特性曲线,如图1所示。

图1 直流电弧的静态伏安特性曲线

由图1中的2段完整电弧的静态伏安特性可见,电压与电流呈现负相关的变化趋势[8]。其原因是电弧的直径会受到电流影响,电流的升高会使电弧温度增加,进而导致电阻阻值减小。因此,电弧也是负阻特性的典型代表。

目前,市场上大多数直流断路器产品会添加灭弧设备来辅助完成灭弧目的。同时,有些企业会另外配置消游离装置[9]。当电路短路时,使得经过灭弧栅后的电弧迅速排出,并且在短时间内冷却灭弧栅,保障直流断路器的可靠关断,延长直流断路器的使用寿命。

本文研究用到了Ansoft软件。Ansoft软件含有多种目前较为成熟的应用技术,具有使仿真更加丰富的优点。以往研究运用的基本粒子群算法和蚁群算法,前者容易短期收敛,个体整合优化能力差；后者收敛速度慢,处理时间过长。本文利用有限元分析法,先将整体剖析成诸多节点连接的单元,对各个单元进行分析,然后重新组合,分析整体。对于直流断路器而言,选用有限元分析法可使Ansoft软件画出的各个部件模型结合更为紧密,同时能够大幅缩短电弧电动力计算时间,提高数据准确度,从而优化整个仿真系统。

2 直流断路器仿真模型的建立

直流断路器(额定电流63 A)结构图如图2所示。直流断路器内部有动静触头,动触头作为生成电弧的装置[10]。当直流断路器开始工作时,电流增长时间决定了触头反应的时间,动触头会在电流达到阈值时,作为引弧板使得电流保持静止。直流断路器内部的永磁体能够大幅加快电弧运动速度,同时直流断路器内部的磁轭器件会将电弧引入灭弧栅[11]。电弧在由钢片组成的灭弧栅中再次受到收缩力[11],完整的电弧受力分成诸多短电弧。因此,相较初始状态,在该位置的电弧运动过程更为复杂。

图2 直流断路器结构图

在了解了断路器结构后,选取本次研究所需要的部件,搭建直流断路器仿真模型。电弧在直流断路器运动轨迹可以划分为4个运动区域,将这4个区域标注在仿真模型中。利用Ansoft软件搭建的直流断路器仿真模型如图3所示。

图3 直流断路器仿真模型

由图3可见,电弧运动会经过4个区域。区域1只会受到方向向下的力。当电弧由引弧板牵引从区域1进入区域2时,只会受到方向斜向下的洛伦兹力[12]。区域3是过渡区域。电弧在进入灭弧栅前,电弧在过渡区域区中受力方向会趋于稳定,之后会进入区域4。实际上,这4个区域对应了直流断路器分断的4个阶段,即触头分离阶段、运动阶段、静止阶段及熄灭阶段。

通过上述分析可知,要提高直流断路器的分断性能,关键是在运动阶段[13]。提高直流断路器的电弧电动力,使电弧在更短的时间内达到灭弧栅,切分成更短的电弧。永磁体的磁性几乎决定了电弧受力的大小,进而影响到整个产品的性能。因此,在大多数直流断路器设计环节中,都会通过添加防氧化剂来降低永磁体内含氧量或者采用新型制备方法快速淬甩获得性能良好的永磁体,从而达到增强永磁体磁性的目的。本文选用钕铁硼强磁体,并采用黏结方式,使其具备良好的可塑性、耐腐蚀性,在恶劣环境下,能保持稳定工作状态。

3 电弧电动力仿真分析

(1) 选用铁质引弧板和普通永磁体,变量为永磁体的磁性,在Ansoft软件中设置板体参数后仿真电弧电动力,仿真数据如表1所示。

着重观察在第3阶段运动过程中受到的力,不考虑主要受力方向以外的力。永磁体的放置使得除了区域4外的电弧电动力得到增强,不同的磁性会使得电弧电动力改变,呈现正相关的变化趋势。通过观察表1,电弧在灭弧栅中受力方向稳定,受到的力基本保持不变,使得电弧更快进入熄灭阶段,达到熄灭电弧的目的。并且,通过仿真可知,永磁体对于提高直流断路器的分断性能至关重要[14-15]。当不放置永磁体时,会影响直流断路器中电弧受到的电动力,进而影响整个产品的性能。

表1 选用铁质引弧板和普通永磁体时的电动力仿真数据

(2) 将铁质引弧板替换为铜质引弧板,普通永磁体替换为钕铁硼强磁体,保持磁性为变量,在Ansoft软件中重新设置板体参数后仿真电弧电动力,仿真数据如表2所示。

表2 选用铜质引弧板和钕铁硼强磁体时的电动力仿真数据

为了便于观察,绘制了选用铜质引弧板及钕铁硼强磁体时,4个区域电弧电动力对比图,如图4所示。

图4 电动力对比图

由表1、表2可知,放置铁质引弧板或铜质引弧板,区域内的电弧电动力都与磁性呈现正相关的变化趋势。永磁体的放置使得区域1、区域2、区域3的电弧电动力得到增强,可见永磁体对于提高直流断路器的分断性能至关重要。另外,通过观察表2数据,当放置的永磁体是钕铁硼强磁体且结合铜质引弧板时,整个直流断路器的电弧电动力得到极大提升,电弧在灭弧栅中受力方向更加稳定,使得电弧更快进入灭弧栅,达到熄灭电弧的目的。因此,选用铜质引弧板和钕铁硼强磁体可有效提高直流断路器产品的性能。

4 结 语

本文通过分析直流断路器结构,对直流断路器进行Ansoft建模仿真,并采用有限元分析法,优化仿真系统。研究了选用铜质引弧板及钕铁硼强磁体替换铁质引弧板及普通永磁体,对于电弧电动力的影响。由仿真数据可知,选用新型钕铁硼强磁体并结合铜质引弧板,可有效提高电弧电动力,加速灭弧过程,从而提高直流断路器的分断能力。该研究对于降低直流断路器生产成本及进一步研究直流断路器分断能力提供了重要参考。