框架断路器触头系统电动力仿真分析

邹 顺，李 杰，任志刚

应用研究

框架断路器触头系统电动力仿真分析

邹 顺1，李 杰1，任志刚2

（1.武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064；2. 船舶综合电力技术重点实验室，武汉 430064）

框架断路器动触头电流和电动力分布不均，通过有限元分析研究触头系统的电动力。研究结果表明：两侧的触头片受到的电动斥力较大，中间的触头片受到的电动斥力较小；触头片受到向中间的吸力，且两侧的触头片受到的吸力大，中间的触头片受到的吸力小。

框架断路器 触头系统 电动力

0 引言

断路器额定短时耐受电流能力是其重要指标之一，因为断路器在短路情况下，触头间产生的电动斥力可能导致触头斥开，断路器不能工作。触头系统的电动稳定性是决定其技术指标的重要因素，因而对触头系统进行分析非常必要。

触头系统的设计以往主要通过类似样机进行参照，仍需要通过试制和试验来验证其可靠性[1]。本文以额定4 000 A等级框架断路器为例，通过有限元进行分析，得到了触头系统电动力的一般规律，可作为触头系统设计的参考。

1 触头系统电动力

动触头受到的电动力由洛仑兹力和霍尔姆力构成[2]。本文通过有限元分析，求解触头系统电动力；根据电流分布，通过数值分析迭代求解霍尔姆力，同时研究了触头片间电动力的分布。

1.1 触头系统电动力等效计算

以动触头片为例对触头系统电动力计算进行说明，见图1。动触头在力矩z作用下发生转动。以单元为例，其电动力F通过其电流密度J和磁通密度B确定；单元的力矩M由电动力F和距离L得到，通过力矩M的体积分，即可得到动触头的力矩。已知接触点中心到转动中心的距离，可得到等效电动力[3]。

式中：—等效电动力，—对转轴的力矩，力臂F—力密度L—单元的力臂J—电流密度B—磁通密度。

图1 等效电动力计算

触头系统各横截面电流分布不均，通过有限元分析，计算触头系统各触头片的电流密度，得到触头系统的磁场分布，进而可求得等效电动力，即：

式中：—矢量磁位，—磁导率，力臂。

1.2 触头系统仿真模型

动触头片由外向内标记为1～14号，见图2。通过有限元分析计算短时耐受电流下14个触头片的力矩，进而得到等效电动力；然后根据触头片的电流分布和触头接触压力，求得霍尔姆力[4]。

1.3 触头系统电动力计算

本例短时耐受电流值为85 kA，其峰值系数2.2，则仿真加载电流取187 kA；得到触头片的电流密度分布情况、触头系统的磁场分布情况和触头片所受电动力大小。

已知接触点中心到转动中心的距离（本文中=0.028 m），通过求得触头片受到的力矩，可得等效电动力，详见表1。

由表2可知动触头片受到向中间的力，使触头片向中间偏移，且中间动触头片受力最小，两边动触头片受力最大，见图5。

触头片间电动力分布见表2。垂直纸面向内为正，向外为负。触头片间设计绝缘隔板，且相邻触头片间距不宜过大，可有效解决触头片向中间靠拢，以至于触头压力变小，电动力变大，导致触头斥开。

图2 触头系统模型

图3 触头系统电流密度分布图

图4 触头系统磁通密度分布图

表1 动触头片力矩及等效电动力计算结果

表2 动触头片间电动力计算结果

图5 动触头片间电动力分布图

1.4 霍尔姆力计算

电流流经触头时，电流线会发生收缩，触头间会产生电动斥力，即霍尔姆力[5]。

图6 霍尔姆力示意图

霍尔姆力F可表示为：

其中：

由式5和式6，则霍尔姆力进一步可表示为：

式中：—动触头的截面半径；—导电桥的半径；—真空磁导率；—流经收缩区导体电流，A；—触头接触系数，其范围在0.3～1之间；—触头材料的布氏硬度，N/mm2；F—触头接触力，N。

各触头片电动斥力结果见表3，动触头片电动斥力分布如图7所示。由于最左侧2片动触头和最右侧2片动触头的布置方式与中间10片动触头不一致，总体表现为中间动触头片所受电动斥力最小，两侧电动斥力最大。

图7 动触头片电动斥力分布图

表3 触头系统动触头片总电动斥力和霍尔姆力计算结果

由表3数据可以看出，最大电动斥力约73 N，不足以使触头斥开。试验结果表明断路器通过85 kA短时耐受试验，触头没有斥开。如若短时耐受电流进一步增大，由于电流和电动力分布不均有可能造成两侧触头片先斥开，电流聚集在中间触头片，致使触头损坏。

2 结论

考虑到各触头片上的电流分布不均衡性，以及电动力的不均衡性等问题，研究结果表明：

1）通过对触头系统触头片间电动力的研究。仿真分析结果表明，动触头片受到向中间的吸力，且中间动触头片所受吸力最小，两侧动触头片所受吸力最大。

2）触头系统两侧动触头片受到的霍尔姆力较大，中间动触头片受到的霍尔姆力较小。

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Electrodynamic force simulation analysis of contact system of air circuit breaker

Zou Shun1, Li Jie1, Ren Zhigang2

（1.Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China; 2.Key Laboratory of Marine Integrated Electric Technology, Wuhan 430064, China）

TM561

A

1003-4862（2022）11-0078-03

2022-01-04

邹顺（1993-），男，工程师，研究方向：混合式直流断路器。E-mail：457466246@qq.com

李杰（1989-），男，工程师，研究方向：混合式直流断路器。E-mail：jieleewhu@126.com