直流5 kA電磁斥力驅動式高速觸頭操動機構動作可靠性的優化設計

武瑾，莊勁武，王晨，江壯賢

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直流5 kA電磁斥力驅動式高速觸頭操動機構動作可靠性的優化設計

武瑾，莊勁武，王晨，江壯賢

（海軍工程大學電氣工程學院，武漢 430033）

額定大電流的電磁斥力驅動式觸頭操動機構難以實現工程化，論文從減小電磁斥力、增強材料強度、提高機構工程可實現性等方面考慮，提出了增大驅動電容減小預充電壓、斥力線圈放電回路中串聯電感、優化斥力線圈結構參數以及采用電導率較小、相對磁導率較大的鋼材作為斥力線圈支撐板等的優化方案。仿真和試驗數據表明：在斥力線圈放電回路中串聯電感，不僅保證了驅動電容的體積盡可能小，有利于工程應用，也極大地降低了脈沖斥力對機構的機械沖擊，提高了機構的動作可靠性，有效地延長了其機械壽命。

大電流 電磁斥力 可靠性 優化 工程化

0 引言

在地鐵、輕軌、船舶等直流電網中，隨著系統容量的不斷增大，一種將機械開關與固態開關相結合的混合型直流限流斷路器孕育而生。機械開關承擔穩態通流任務，系統發生短路故障時，機械開關分斷的同時導通固態開關，電流從機械開關換流至固態開關，由固態開關分斷短路電流[1-3]。固態開關無弧且動作迅速，為了快速抑制短路電流的上升，需要縮短機械開關的響應及剛分時間，提高動觸頭運動初期的分閘速度。因此，基于渦流感應原理的電磁斥力機構逐漸取代了傳統的操動機構。這種新型高速觸頭操動機構與固態開關配合使用，可以有效地提高斷路器分斷短路電流的能力。

電磁斥力機構是利用放電脈沖電流通過盤狀斥力線圈時，與附近金屬斥力盤感應出的渦流產生脈沖斥力作用，進而推動動觸頭快速動作。一方面，隨著系統額定電流的不斷提高，電磁斥力峰值可以達到幾十甚至幾百kN，同時力的作用時間只有幾百個μs[4-6]；另一方面，斷路器機械壽命必須滿足幾千次甚至高達幾萬次的國、軍標要求[7]。因此斷路器的分閘操作對機構機械沖擊的累積勢必降低其動作可靠性并增加其工程化應用的難度。本文將呈現出高達90 kN脈沖斥力的沖擊對直流5000 A電磁斥力驅動式高速觸頭操動機構所造成的材料與結構的破壞。

文獻[8]中，基于系統電壓等級5000 V的電磁斥力驅動式高速操動機構，通過仿真得到其脈沖斥力峰值接近180 kN。文獻[9]中，基于額定7000 A的電磁驅動式直流混合開關，脈沖斥力峰值高達100 kN。文獻[10-11]中，盡管系統容量較小，但電磁斥力峰值仍可達幾十kN。然而，大部分文獻僅僅完成了電磁斥力驅動式觸頭操動機構的仿真或原理樣機的驗證性試驗，鮮有涉及機構的工程化問題，包括機構動作穩定性測試及優化設計等。本文基于直流5000 A電磁斥力機構樣機，結合具體的分斷指標要求，提出增大驅動電容減小預充電壓、在斥力線圈放電回路中串聯電感以及優化機構材料和線圈結構參數等方法，力求優化大電流下電磁斥力驅動式高速觸頭操動機構的方案設計，提高動作可靠性，實現斷路器的工程化應用。論文采用斥力線圈放電回路中串聯電感的優化方案，完成了直流5000 A機構樣機的2000次分、合閘操作，并從剛分時間、初始氣隙、機構內阻及運動軌跡等方面，論證了方案的可行性以及機構動作的穩定性。

1 大脈沖斥力對機構的機械沖擊

文中提到的直流5000 A混合型限流斷路器高速觸頭操動機構是采用電磁斥力驅動的，原理樣機的結構尺寸與電氣參數如表1所示。

表1 原理樣機結構及電氣參數

1.1 直流5000 A機構樣機的運動仿真

借助工程電磁場有限元仿真軟件Ansoft，我們對直流5000 A的電磁斥力機構樣機建立了二維仿真模型。圖1是完成網格剖分后的軸對稱模型，網格劃分得越多，計算結果越精確，但同時計算量也隨之增大。

根據斷路器的分斷特性，電磁斥力機構的運動指標主要由兩個點確定，一是觸頭兩端起壓時刻的額定開距，一是觸頭兩端產生過壓時刻的額定開距。根據直流5000 A斷路器的分斷指標要求，樣機的運動特性需滿足：起壓點1 ms時觸頭額定開距1.5 mm以及過壓2 ms時額定開距4 mm。

圖1 樣機二維仿真模型

為了獲得更短的剛分時間和更大的初始運動速度，圖2采用小電容、大電壓的驅動策略，在儲能電容400 μF，預充電壓2500 V的驅動能量下，電磁斥力峰值高達90 kN。

圖2 樣機仿真結果

1.2 直流5000 A機構樣機的試驗

在對機構樣機進行幾十次分閘操作之后，斥力線圈板與斥力盤間的氣隙越來越小，由最初的1 mm減小到0.05 mm左右；觸頭的運動特性不穩定，尤其是剛分時間波動較大。拆卸樣機后如圖3所示：發現斥力線圈支撐環氧板嚴重開裂；表層的環氧薄板部分泛白起皮；位于支撐環氧板下方的支撐鋼板出現塑性變形。斥力線圈放置于支撐環氧板內，當斥力盤受到電磁斥力帶動動觸頭快速運動時，斥力線圈會受到相同的力并對支撐板造成沖擊。為了保證機構運動的穩定性，斥力線圈支撐板必須具有很好的抗沖擊能力。

為了分析上述現象產生的根源，借助于高速攝像記錄下斥力線圈支撐板的形變過程。電磁斥力產生后，支撐板出現劇烈振蕩，最大有0.8 mm的形變量，直至穩定，整個過程持續時間接近5 ms。支撐板選用的是普通環氧材料，屈服強度小。因此，高達90 kN電磁斥力的反復沖擊以及環氧支撐板塑性變形的累積必然對機構材料的強度，甚至動作的可靠性形成巨大挑戰。

圖3 巨大沖擊力對樣機造成的破壞

2 機構參數的優化

由圖2可以看出，90 kN電磁斥力下動觸頭的位移完全能夠滿足預期的指標要求，并留有一定裕度，因此為了提高機構的動作可靠性，可以適當減小電磁斥力峰值。

通常，在電磁斥力作用時間內，動觸頭會獲得一個最大運動速度V；斥力消失后，由于負載力的作用，動觸頭會以V為初速度，作減速運動，直至機構成功鎖扣。

驅動電容不變，降低預充電壓，在保證運動特性曲線滿足指標要求的情況下，的確可以減小電磁斥力。然而，僅僅減小電容的預充電壓，降低電磁斥力峰值的同時縮短了力的作用時間，這會使V迅速減小，進而影響其后期的運動軌跡。因此為了使動觸頭運動到最大開距，成功鎖扣，僅僅減小預充電壓，只能實現電磁斥力的小幅度降低。

2.1 驅動電容的優化

小電容大電壓的方案適合剛分時間盡量短、觸頭間盡早形成大開距的情況[12]。而直流5000 A斷路器分斷指標中的兩個關鍵點對應著電磁斥力的作用時間基本結束，即它對剛分時間和初始速度的要求并不高，那么減小電磁斥力峰值，并適當延長力的作用時間仍然可以滿足預期指標要求。在驅動能量相同的情況下，增大驅動電容減小預充電壓是可以實現上述驅動策略的。

現將驅動電容分別增大到1 mF、5 mF，對應的預充電壓減小到1580 V、707 V，那么相關數據的仿真對比結果如表2所示。

表2 相同驅動能量下增大驅動電容的仿真對比

其中，I、F分別為脈沖電流峰值、脈沖斥力峰值；V為動觸頭的最大速度；定義為機構效率，即最大動能與驅動能量的百分比；定義為驅動電容的能量密度，即單位體積內的能量，越大表明實際驅動電容的體積越小，更利于工程應用。表2中，驅動能量不變，隨著電容的增大、預充電壓的減小，電磁斥力的確可以迅速減小，同時機構效率也有所提高，然而電容的能量密度急劇減小，即電容體積增大了許多，這并不利于機構的工程化應用。

2.2 驅動電路的優化

驅動能量不變，同時確保驅動電容體積盡可能小，為了減小電磁斥力，在斥力線圈放電回路中串聯電感也是一種優化途徑。顯然，增大回路電感，同時回路電阻也相應地增加，必然會降低放電脈沖電流，進而減小電磁斥力。

如圖4所示，L為串聯電感，為了延長力的作用時間，將其串入二極管續流回路；R為電感內阻。仿真中，驅動電容400 μF，預充電壓2500 V，將串聯電感分別調整為20 μH、40 μH，其仿真對比結果如表3所示。在驅動能量及驅動電容體積不變的情況下，隨著串聯電感的增大，電磁斥力迅速減小，同時機構效率也有一定的提高。

圖4 斥力線圈電容放電回路

表3 串聯電感后的仿真對比

1.1節提到的斷路器指標中，動觸頭運動特性的時間軸是以剛分時刻作為零點的。剛分時間是指從斥力線圈放電回路晶閘管導通到動、靜觸頭間弧壓建立的時間，隨著電容或串聯電感的增大，機構剛分時間會隨之增大。增大驅動電容或串聯40 μH電感后，采用直線位移傳感器，并搭建剛分時間測試回路對直流5000 A機構樣機的運動特性進行記錄，處理后得到如圖5所示的對比波形，時間零點均為機構相應的剛分時刻，可以看出，對于直流5000 A機構樣機來說，斥力線圈放電回路中串入40 μH電感這一優化方案，在運動特性滿足預期指標要求的前提下，能夠將脈沖斥力的峰值減小到30 kN，極大地減弱了力對機構的機械沖擊。

2.3 斥力線圈結構參數的優化

斥力線圈放電回路中串聯40 μH電感，雖然能夠有效地減小電磁斥力，但是該電感并沒有參與力的作用，這是對能量的浪費。若通過改變斥力線圈的結構尺寸，使得回路電阻、電感與串聯40 μH電感的方案保持一致。為了得到相同的脈沖力，即相同的運動特性，可以減小驅動電容的能量，即進一步減小其體積。

仿真中，選擇線徑為1.6 mm的銅導線，繞制40匝，使得線圈內、外徑基本不變，驅動電容1.5 mF，預充電壓1150 V，能量由1250 J減小到990 J，其脈沖斥力與運動軌跡的仿真對比結果如圖6所示?？梢?，在串聯電感的方案基礎上，適當改變斥力線圈的結構參數，不僅運動特性保持不變，而且驅動能量也減小了，進一步降低了機構的工程化應用難度。

圖6 串聯電感與改變線圈結構兩種方案的仿真對比

2.4 斥力線圈支撐材料的優選

為了提高機構的動作可靠性，延長其機械壽命，一方面可以改變驅動策略，減小電磁斥力，進而降低力對機構的機械沖擊；另一方面可以從機構的結構設計和材料的選擇上進行優化。

正如1.2節提到的，為了保證機構動作的穩定與可靠，斥力線圈支撐板必須具有很好的抗沖擊性。除了優化驅動參數，減小電磁斥力外，可以通過選擇強度更高的材料以抵御力的反復沖擊。

鋼材作為替代對象，強度高，同時可導電，由圖7可以看出，支撐材料的電導率和相對磁導率會對電磁斥力產生不同程度的影響。從能量角度解釋，在斥力線圈放電回路驅動參數相同的情況下，若支撐板導電，它同樣會感應出渦流，消耗一部分電能，那么斥力盤感應出的渦流會降低，從而減小脈沖斥力，同時電導率越大，脈沖斥力越小。同樣用能量的觀點闡述，支撐板選擇導磁材料可為斥力線圈產生的磁場提供了更好的導磁回路，從而減少能量在空氣中的損耗，同時相對磁導率越大，脈沖斥力越大。因此，應該選擇電導率較小且相對磁導率較大的鋼板作為斥力線圈的支撐材料。

圖7 不同支撐材料下電磁斥力的仿真對比

3 機械壽命試驗與結果

對機構參數進行優化，一方面增強了材料的強度，另一方面降低了電磁斥力對機構的機械沖擊。論文采用在斥力線圈放電回路中串入40 μH電感的優化方案，對直流5000 A的原理樣機進行了2000次分、合閘操作，以驗證其動作可靠性。

表4 初始氣隙與滅弧室內阻試驗數據

表4列舉了操作過程中，合閘狀態下斥力線圈與斥力盤間的初始氣隙以及滅弧室內阻的變化情況。初始氣隙的變化會直接影響線圈與斥力盤間的互感，從而影響脈沖電流、脈沖斥力，最終影響機構的運動特性；滅弧室內阻過大會影響斷路器額定通流情況下的溫升。表4中，初始氣隙的平均值為2.7 mm，大量的試驗數據表明，上、下0.1 mm的波動不會對機構的運動特性有顯著的影響；滅弧室內阻均在要求值10 μΩ以內波動。

圖8記錄了機構剛分時間的變化情況，根據斷路器的分斷特性，分斷過程中，需要提前設定機構的剛分時間，而剛分時間的長短會影響觸頭的燃弧能量，進而影響真空介質恢復強度。前20次分、合閘操作，由于機構處于運動的磨合期，因此波動較大，之后剛分時間在160~290 μs間波動，均值為225 μs，最大、最小值有正負65 μs的偏差，介質恢復試驗證明，這個偏差不會對觸頭的燃弧能量產生質的影響[14]，因此，圖8中剛分時間的波動是在允許范圍之內的。

圖8 機構剛分時間試驗數據

由圖9可以看出，2000次分、合閘前后觸頭運動軌跡基本一致，機構的運動特性非常穩定，圖中，時間零點即為放電脈沖電流的零點。因此斥力線圈放電回路串入電感的方案可以很好地解決大額定電流下，巨大脈沖斥力制約機構機械壽命的問題，提高了斷路器的動作可靠性。

圖9 壽命試驗前后運動軌跡對比

4 結論

論文通過對直流5000 A電磁斥力驅動式高速觸頭操動機構動作可靠性的研究，得到如下結論：

1）驅動電容能量不變的情況下，增大電容減小電壓的驅動方案可以極大地減小脈沖斥力、提高機構效率，然而驅動電容體積增大，不利于工程應用；

2）仿真與試驗結果表明，在斥力線圈放電回路中串聯電感，不僅保證了驅動電容的體積盡可能小，也極大地降低了脈沖斥力對機構的機械沖擊，有效地提高機構動作可靠性；

3）基于串聯電感方案，在確?；芈冯娮?、電感不變的情況下，適當改變斥力線圈的結構尺寸，能夠減小驅動電容能量，從而更有利于工程應用；

4）選擇電導率較小、相對磁導率較大的鋼材作為斥力線圈支撐板，在增強支撐板抗沖擊能力的同時，可適當提高機構效率。

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Reliability Optimization Design of DC 5 kA High-speed Contacts Operation System Driven by Electromagnetic Repulsion Mechanism

Wu Jin，Zhuang Jinwu，Wang Chen，Jiang Zhuangxian

（Department of Electrical Engineering of Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China）

TM561

A

1003-4862（2013）10-0001-05

2012-11-23

國家青年科學基金項目（51207166）

武瑾（1984-），女，博士生。研究方向：艦船電力系統安全運行。