小型断路器磁脱扣优化仿真分析及实验研究

胡 金 利

(上海西门子线路保护系统有限公司, 上海 201506)

0 引 言

小型断路器作为一种开关电器被广泛地应用在低压配电系统和光伏发电系统中,发挥着不可替代的控制和保护功能。在系统中出现短路电流时,小型断路器一般通过磁脱扣器进行短路保护。在进行短路保护时,要保证断路器电流小于脱扣阈值时磁脱扣不工作,当电流大于工作阈值时,脱扣速度越快,断路器的分断性能就越优秀,需要保证正常脱扣的同时缩短磁脱扣器的脱扣时间[1]。因此,进行小型断路器电磁吸力优化仿真分析对于提高小型断路器的分断性能具有重要的实际价值。

近年来,国内外许多专家和学者在断路器的仿真及实验方面进行了许多研究。在国内,张广智[2]对万能式断路器触头系统的电动稳定性进行了仿真分析研究;张业[3]对小型断路器分断电弧磁吹效果进行了仿真和实验分析;季良[4]对静导电回路的不同结构下对开断特性的影响作了研究,对两种不同结构的电动力及吹弧磁场进行了仿真分析;沈先[5]优化了脱扣顶杆工作方式,提升了小型断路器脱扣速度;潘万军[6]通过对小型断路器电磁脱扣器电磁吸力的计算分析,对磁轭进行了优化,提高了磁脱扣器的动作灵敏性。

国外各位学者也对小型断路器仿真进行了许多研究。文献[7]发现在小电流情况下直流开断更为困难;文献[8]在直流电压450 V、预期电流10～5 000 A、不同时间常数下对比了永磁体对直流小型断路器开断性能的影响。

本文总结了国内外各位学者对断路器的研究经验,结合研究优势的同时对研究的不足进行了优化。对小型断路器动铁心和轭铁进行了不同结构的设计,通过建立磁脱扣器有限元模型,仿真计算了不同结构时电磁脱扣器的电磁吸力,保证测试产品在规定电流脱扣;优化电磁脱扣器的脱扣时间,同时进行了断路器瞬时脱扣实验,对优化方法进行了验证。本文研究为磁脱扣器的优化设计提供了理论基础,可以减少厂家磁脱扣器的研发时间以及生产成本。

1 计算方法

在小型断路器的螺线管式脱扣器中,主要包括螺线管、动铁心、静铁心和轭铁,脱扣器在初始位置时的三维模型如图1所示。其动作原理为:当螺线管通过主回路电流达到整定值时,由衔铁与铁轭之间工作气隙磁通产生的电磁吸力克服弹簧反作用力,使衔铁动作[9]。

图1 脱扣器在初始位置时的三维模型

要进行电磁脱扣器的电磁吸力分析,需要进行三维电磁场的计算。一般三维电磁场的麦克斯韦方程组[10]为

∇×H(x,y,z)=J(x,y,z)

∇·B(x,y,z)=0

(1)

式中:H(x,y,z)——磁场强度;

J(x,y,z)——电流密度;

B(x,y,z)——磁感应强度。

小型断路器中电磁场的计算为

(2)

式中:A——磁矢量势;

Js——电流密度;

μ——磁导率;

σ——电导率;

t——时间。

动触头所受到的磁场力计算为

(3)

式中:F——磁场力;

J——电流密度;

B——磁通密度;

Ω——空间区域。

电磁吸力计算流程如图2所示。

图2 电磁吸力计算流程

首先使用三维造型软件Creo建立电磁脱扣器的原始模型,并进行动铁心和轭铁结构的优化设计,通过Ansys软件设置单元和材料属性,并对模型进行网格剖分,网格剖分完成后便可以对螺线管式脱扣器进行有限元计算,通过施加电流边界条件,计算螺线管中的电流分布;然后将螺线管中电流分布作为激励,耦合入磁场分析的过程中,进而计算出电磁吸力。通过改变螺线管中的载流大小,以及动铁心与静铁心的间距(工作气隙),可仿真计算出对应于不同电流和工作气隙时的电磁吸力,得到磁脱扣器的静态特性,为动态特性提供插值数据。

静态特性计算时定义动铁心和静铁心的间距为d,以该间距作为工作气隙的度量,动静铁心工作气隙如图3所示。改变载流大小和间距,分别计算电流值为63 A、75 A、125 A、300 A、450 A、625 A、900 A、1 250 A、1 500 A、2 000 A、5 000 A、10 000 A;动铁心与静铁心的工作间距为3.2 mm、3.0 mm、2.5 mm、2.0 mm、1.5 mm、1.0 mm、0.5 mm、0.1 mm,构成一个12×8的静态数据网格,通过对比静态电磁吸力来分析优化前后磁脱扣器结构的优劣。

图3 动静铁心工作气隙

2 仿真模型

2.1 动铁心优化模型

仿真采用三维有限元分析软件Ansys,首先进行了小型断路器中脱扣器的网格剖分,对模型进行有限元计算后获得了原始模型时磁脱扣器在不同间距和电流下的电磁吸力。然后在原有结构的基础上,改变了脱扣器动铁心的结构,使得电磁吸力改变,动铁心的质量减小,计算得到模型改进后动铁心的电磁力,然后导入ADAMS进行动态仿真,分析质量的改变对脱扣器动作的影响。在此基础上探究采用何种改进方式,使得质量的减轻和电磁力的改变对脱扣器动作的影响作用最优。

不同削减度的动铁心优化模型如图4所示。

图4 不同削减度的动铁心优化模型

动铁心模型1是将动铁心削去了直径2 mm,长1 mm的圆柱;动铁心模型2将动铁心削去了直径2 mm,长2 mm的圆柱;动铁心模型3将动铁心削去了直径2 mm,长5 mm的圆柱;动铁心模型4将动铁心削去了直径3 mm,长5 mm的圆柱。

2.2 轭铁优化模型

本文在原有结构的基础上,改变了脱扣器轭铁的结构,计算了6种改进模型的电磁力,并与原始脱扣器模型进行对比,进而探究轭铁结构对电磁吸力的影响。在原有模型的基础上,对轭铁的结构做了修改。轭铁优化模型如图5所示。轭铁模型1在原始模型的基础上,将动铁心侧的轭铁长度增加1.0 mm;轭铁模型2将动铁心侧的轭铁长度减小1.0 mm,两种改进模型的轭铁厚度不变;轭铁模型3在原始模型的基础上,将轭铁厚度增加0.5 mm;轭铁模型4将轭铁厚度增加1.0 mm,其中轭铁模型3、轭铁模型4的轭铁总长度不变;轭铁模型5将动铁心侧的轭铁长度缩短1.5 mm,轭铁厚度不变。

图5 轭铁优化模型

3 电磁吸力仿真结果及分析

3.1 动铁心优化后结果及分析

将磁脱扣器原始模型以及4种动铁心优化后的磁脱扣器模型进行电磁吸力计算,得到5种不同结构动铁心在不同电流、不同空气间隙下的电磁吸力。不同电流、不同空气间隙下动铁心优化前后电磁吸力如图6所示。由图6可见,在改变动铁心结构时,动铁心电磁吸力的变化趋势没有明显改变;当动铁心与静铁心的间距不变时,随着电流的不断增大,动铁心所受到的电磁吸力会不断增大,但是随着电流的增大,电磁吸力增大的速度会变缓,这一效应是磁饱和效应所造成的;当电流大小相同时,间距从0.1 mm增大至3.2 mm,动铁心所受到的电磁吸力不断减小,动静铁心的间距越大,电磁吸力越小。

图6 不同电流、不同空气间隙下动铁心优化前后电磁吸力

为了更加清楚地对比相同电流、相同工作间隙下结构优化前后的电磁吸力,选取工作间隙d为3.2 mm与0.1 mm时5种不同结构的电磁吸力进行了对比。相同电流、相同工作间隙下动铁心优化前后电磁吸力如图7所示。当电流较小时,原始模型和4种修改模型的电磁力相差不大;但是当电流大于500 A时,5种模型电磁力的差距开始出现,并随着电流的增大,差别越来越大。

图7 相同电流、相同工作间隙下动铁心优化前后电磁吸力

原始模型无论在小间距时还是大间距时的电磁吸力都最大,并且这种差距随着电流的增大逐渐变大。在任一间距下,原始模型的电磁力最大,动铁心模型1和动铁心模型2次之,并且与原始模型相差不大,动铁心模型3、动铁心模型4的电磁力依次减小。

由于改进模型的动铁心质量会改变,所以不能单单从电磁吸力来判断优化效果,还需进行进一步的分析。为了使脱扣电流不变,需保证改进模型在同一电流时,随着间距的减小其电磁力的增长速率要大于原始模型,使得在同样的间距和电流下,动铁心的加速度大于原始模型,才会对脱扣器脱扣过程有促进效果。因此,必须对改进模型的电磁力进行归一化处理来判断是否有利于脱扣。动铁心优化前后模型削减长度以及体积如表3所示。

表3 动铁心优化前后模型削减长度以及体积

首先,将改进模型在各个间距和电流下的电磁力除以对应的体积(质量)得到加速度;然后在电流一定时(如电流为300 A时),将改进模型在同样间距下的加速度除以原始模型对应的加速度,得到改进模型加速度的增大倍数,再将各个间距下的增大倍数除以初始间距下的增大倍数,从而得到归一化后的电磁加速度数据。当电流为300 A和10 000 A时,对改进模型进行归一化处理。动铁心优化前后归一化电磁加速度对比如图8所示。

图8 动铁心优化前后归一化电磁加速度对比

对于任意改进模型,图8中数据大于1,说明在保证脱扣电流不变的情况下,该模型相对于原始模型其脱扣速度更快,有利于脱扣;若小于1则说明该模型比原始模型脱扣速度小,脱扣速度要差于原始模型。

当电流为300 A时,动铁心模型1和动铁心模型2相对比较稳定,并且在大多数间距下归一化数值大于1,相比于原始模型其脱扣速度会加快;动铁心模型3既出现了大于1,也出现了小于1的情况,不能说明其动铁心的加速效果要优于原始模型;动铁心模型4数值均小于1,脱扣效果要比原始模型差。当电流为10 000 A时,可以看出,整体上动铁心模型1和动铁心模型2的效果较好,动铁心模型3、动铁心模型4脱扣速度均小于原始模型。综上所述,在上述两种电流下,动铁心模型1和动铁心模型2的脱扣效果要略微优于原始模型。

通过以上5种模型的计算可以看出,削减动铁心的体积一定会减小动铁心的电磁力。考虑了动铁心的质量变化后,将动铁心的加速度进行归一化,结果表明当削减的体积过大时(如动铁心模型3、动铁心模型4),脱扣器的电磁特性会变差,脱扣效果要差于原始模型;当削减体积不大时(如动铁心模型1、动铁心模型2),其脱扣速度要快于原始模型,对于脱扣起到了积极促进的作用。

3.2 轭铁优化后结果及分析

将轭铁原始模型以及优化后的5种不同结构的轭铁进行电磁吸力计算,得到6种不同结构轭铁在不同电流、不同空气间隙下的电磁吸力。不同电流、不同空气间隙下轭铁优化前后电磁吸力如图9所示。

图9 不同电流、不同空气间隙下轭铁优化前后电磁吸力

电磁吸力的变化趋势与动铁心优化时相同,在改变轭铁结构时,动铁心电磁吸力的变化趋势没有明显改变;当动铁心与静铁心的间距不变时,随着电流的不断增大,动铁心所受到的电磁吸力会不断增大,但是随着电流的增大,电磁吸力增大的速度会变缓,这一效应是磁饱和效应所造成的;当电流大小相同时,动静铁心间距从0.1 mm增大至3.2 mm,动铁心所受到的电磁吸力不断减小,动静铁心的间距越大,电磁吸力越小。

为了更好地对比优化后的模型与原始模型的优劣,同样将6种模型的电磁加速度数据进行归一化,d=3.2 mm时得到不同电流下5种模型的电磁加速度。轭铁优化前后归一化电磁加速度对比如图10所示。

图10 轭铁优化前后归一化电磁加速度对比

由图10可见,在两种电流下,轭铁模型5的电磁力最大,上升速率也最快;其次是轭铁模型2和轭铁模型4。

轭铁模型2、轭铁模型4和轭铁模型5共3种模型对于脱扣起到有利作用,电磁力较大且上升速率较快。其中,轭铁模型5(轭铁缩短1.5 mm)对于脱扣最有利,轭铁模型2(轭铁缩短1.0 mm)和轭铁模型4(轭铁左侧加厚1.0 mm)次之。因此,通过缩短轭铁长度又增大轭铁厚度来更大程度地增大脱扣速度,改善电磁特性。

4 优化后实验结果及分析

本文通过优化磁脱扣器来提高小型断路器的磁脱扣能力,为了验证仿真方法的准确性,按照仿真模型优化结果对磁脱扣器进行加工,并且在1.8倍额定电流进行(脱扣阈值为1.5倍额定电流),分别测量优化前后机构的脱扣时间。实验中只替换磁脱扣器部分,确保除优化部件外其他因素相同。小型断路器实验图如图11所示。

进行实验的共有3种断路器,分别为1种原始断路器和优化后的2种断路器。根据仿真结果,优化断路器1将动铁心削去了直径2.0 mm,长1.0 mm的圆柱,优化断路器2将动铁心侧的轭铁长度增加1.0 mm,每组断路器进行5次脱扣实验,所通电流为1 000 A,测量其优化前后瞬时脱扣的时间。瞬时脱扣时间如表4所示。

图11 小型断路器实验图

表4 瞬时脱扣时间

由表4可见,在对断路器磁脱扣器结构优化后,脱扣速度加快,断路器瞬时脱扣时间有一定程度的减小,与仿真结果相吻合,验证了仿真方法的正确性。该仿真方法应用到工业生产中,方便断路器中磁脱扣器的优化,以及初步判断断路器瞬时脱扣时间是否达到设计要求,减小生产成本。

5 结 语

小型断路器作为建筑电气终端配电装置中使用最广泛的一种终端保护电器,其短路保护主要靠磁脱扣器来实现。利用有限元仿真技术对其电磁吸力进行分析,然后针对其结构进行优化,对于改善其脱扣性能起到了很好的作用。本文利用三维造型软件Creo和有限元分析软件Ansys,建立了小型断路器磁脱扣器模型,对动铁心和轭铁结构进行了优化设计,并且对比了优化前后磁脱扣器的电磁吸力以及电磁加速度,最后进行了断路器脱扣实验,实验结果和仿真结果相吻合。得到结论:当动铁心削减体积不大时,或者缩短轭铁长度和增大轭铁厚度时,断路器脱扣速度要快于原始模型,对于脱扣起到了积极促进的作用。