基于Maxwell對直流斷路器吹弧裝置的研究設計

汪 浩，馬子文，彭振東

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基于Maxwell對直流斷路器吹弧裝置的研究設計

汪 浩，馬子文，彭振東

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

基于Maxwell仿真分析軟件以及電磁場理論，分析設計了直流斷路器兩種吹弧裝置—永磁體勵磁吹弧裝置和線圈勵磁吹弧裝置，通過Maxwell對兩種形式吹弧裝置的磁場分布進行仿真分析，并通過試驗比較兩種吹弧裝置的吹弧效果。研究結果表明，線圈勵磁吹弧裝置的吹弧效果優于永磁體勵磁吹弧裝置，且線圈勵磁吹弧裝置的吹弧磁場具有無極性的特點。

永磁體勵磁 線圈勵磁 吹弧裝置

0 引言

斷路器主要完成的工作是接通和斷開正常狀態下的電流以及斷開故障狀態下的短路電流，保護電力系統中的電氣設備。當短路電流通過斷路器時，脫扣器迅速脫扣，并帶動操作機構運動，此時動、靜觸頭在操作機構和電動斥力的作用下分離，電弧在觸頭之間會產生、拉長。在動、靜觸頭之間形成電弧后要經過一定的時間才開始運動，即電弧在呈現的開始階段電弧會停滯，停滯時間越久，觸頭的燒蝕情況就越嚴重，影響斷路器的使用壽命以及開斷性能。電流停滯時間隨觸頭區域的磁場強度增強而減小，所以合理增強觸頭區域的磁場強度有利于提高斷路器的開斷性能。觸頭區域的磁場一般是由自勵磁場或自勵磁場和外加磁場疊加而成。可通過增強外加磁場的方式來增強觸頭區域的磁場強度，本文通過研究設計吹弧裝置來研究如何有效地提高觸頭區域的磁場強度，從而減小開始階段電弧停滯時間，提高斷路器的開斷性能[1-4]。

本文基于Maxwell仿真分析軟件對斷路器的吹弧裝置進行仿真設計及分析。本文只對串激線圈勵磁和永磁體勵磁兩種形式的吹弧裝置進行仿真設計及分析。

1 吹弧裝置工作原理

吹弧裝置主要由導磁板、導磁鐵芯以及勵磁源組成。根據勵磁源的不同，分為線圈勵磁（如圖1所示）和永磁體勵磁（如圖2所示）。

1.1線圈勵磁

圖1 線圈勵磁吹弧裝置

線圈勵磁裝置的工作原理：當斷路器開斷電流時，動、靜觸頭開始分離，動、靜觸頭之間會產生電弧，電弧則在主回路電動力的作用下迅速轉移到引弧角，此時電弧將引弧角、勵磁線圈、出線端串聯在一起，根據安培定律可知，安裝在勵磁線圈內腔中的鐵芯將感應出磁場，勵磁線圈的繞向應保證電弧受到的電動力的方向為進入滅弧室的方向。

線圈勵磁吹弧裝置仿真計算的第一步是進行靜態電流傳導分析，得到電流的密度分布，第二步是以第一步計算得到的電流密度分布作為磁場計算的激勵源計算觸頭區域的磁場分布。

由于斷路器的導電回路結構比較復雜，電流密度并不是均勻分布，勵磁線圈的勵磁電流通過仿真計算得到。電流密度滿足式（1）和（2）所示的邊界條件：

式中：——導體的電導率，電弧的電導率為銀的10-4；——矢量電位；——通過導體和電弧的電流總和。

電流密度與磁通密度之間的關系式如式（3）所示：

式中：——磁矢位；——磁導率。

1.2 永磁體勵磁

永磁體勵磁吹弧裝置工作原理：永磁體會在導磁鐵芯和導磁鐵板以及導磁鐵板之間上形成閉合的磁回路，并通過合理設計導磁板極面的形狀，從而使吹弧磁場集中分布在動、靜觸頭斷口區域及引弧角區域，電弧在該吹弧磁場的作用下快速進入滅弧室。

圖2 永磁體勵磁吹弧裝置

永磁體勵磁吹弧裝置仿真計算滿足電磁場的基本理論計算，即滿足Maxwell方程組以及交界面條件。計算方程組如下式（4）所示：

式中：E—電場強度；B—磁感應強度；H—磁場強度；D—電位移矢量；J—電流密度；—電荷密度。

2 仿真建模

為分析方便省略一些不必要的零件，并簡化模型，在Ansoft Maxwell中建立線圈勵磁吹弧裝置和永磁體勵磁吹弧裝置的仿真模型如圖3和圖4所示。

圖3 線圈勵磁吹弧裝置仿真模型

以下是根據仿真模型，進行仿真分析的設置。

圖4 永磁體勵磁吹弧裝置仿真模型

a）材料屬性設置

如圖3、4所示建立的仿真模型，并利用Ansoft Maxwell對兩種不同勵磁方式的吹弧裝置進行靜磁場仿真分析。

b）激勵源添加

勵磁線圈的激勵源為線圈上通電的電流，對斷路器的分析計算得到勵磁線圈的激勵源電流的大小，并添加設置。永磁體勵磁的激勵源在材料設置過程中已完成設置。

c）網格剖分和求解設置

本文是對兩種勵磁方式的吹弧裝置仿真計算，主要是比較兩種勵磁方式的吹弧裝置在觸頭區間的磁場強度，采用靜磁場分析求解器。網格的剖分采用軟件自動剖分。

3 仿真計算

本文對線圈勵磁的方式通過不同的鐵芯直徑、不同的導磁板厚度、不同繞線匝數分別進行仿真分析。為了獲取觸頭區域磁場變化情況，本文在如圖5所示的兩導磁板之間沿著導磁板中心線提取磁場強度，并仿真計算得到這段區間的磁場強度。為了進行嚴格對比，兩種情況下采用相同的坐標，即選取的起止點相同。

線圈勵磁吹弧裝置仿真計算線圈的匝數n采用5匝和6匝；線圈的鐵芯直徑采用30 mm、40 mm、50 mm；導磁板的厚度采用4 mm、5 mm。

仿真計算得到提取線段的磁場強度隨距離變化的曲線如圖6所示。

圖5 磁場仿真結果提取數據點位置示意圖

（a）仿真結果一

（b）仿真結果二

（c）仿真結果三

（d）仿真結果四

（e）仿真結果五

（f）仿真結果六

圖6 磁場強度分析結果對比曲線

圖中給出了永磁體勵磁吹弧裝置與線圈勵磁吹弧裝置在提取線段處的磁場強度，其中線圈勵磁吹弧裝置給出了各種不同條件下的磁場強度曲線。

由于磁場強度越強，電弧起始階段停滯時間越短，但在滿足磁場強度要求的前提下，磁場強度的增強，往往會導致設計成本的增加。綜合比較分析，本文線圈勵磁吹弧裝置采用鐵芯直徑=40 mm，導磁板的厚度=5 mm，繞線匝數n=6。根據仿真分析，給出線圈勵磁吹弧裝置和永磁體勵磁吹弧裝置的磁場分布如圖7、8所示。

通過以上仿真分析，對研究對象可獲得以下結論：

a）在導磁板與鐵芯的結合處容易出現磁飽和，使磁場不便于傳導到導磁板后端，影響觸頭區域的磁場強度。

b）適當增大鐵芯的直徑能夠增加觸頭區域的磁場強度。

c）適當增加導磁板的厚度對觸頭區域的磁場強度有一定程度地加強。

d）將繞線匝數適當的增加觸頭區域的磁場強度也會有一定程度的加強。

e）選定的線圈勵磁吹弧裝置在觸頭區域的磁場強度比永磁體勵磁吹弧裝置在觸頭區域的磁場強度強。

圖7 線圈勵磁吹弧裝置磁場強度分布云圖

圖8 永磁體勵磁吹弧裝置磁場強度分布云圖

4 實驗研究

為驗證仿真分析結果，比較兩種吹弧裝置的吹弧效果，搭建試驗平臺，其試驗原理如圖9所示。試驗系統回路的時間常數可通過調節試驗系統回路的電阻和電感來得到，數據采集系統對試品（斷路器樣機）兩端的電壓信號以及分流器兩端的電壓信號進行采集。試驗時電弧電壓是通過采集試品兩端的電壓信號得到，電弧電流是通過采集分流器的電壓信號得到。再根據電弧電壓和電流波形可以得到燃弧時間。通過比較燃弧時間以及試驗采集的波形，比較兩種吹弧裝置的吹弧效果。

根據圖9的試驗原理圖將斷路器接入到試驗系統回路，并進行試驗。由于斷路器分斷大電流時，可利用主回路自身產生的電動力驅動電弧進入滅弧室，本文只進行零界電流的開斷試驗。試驗系統的電路參數為：電壓1800 V、電流50 A、時間常數10 ms，得到的試驗結果如表1。

圖9 試驗原理圖

表1 試驗結果表

從表1中的試驗數據可以看到電弧電壓在0～300 V時，由于永磁體勵磁吹弧裝置在動靜觸頭區域所形成的磁場強度較強，故永磁體勵磁吹弧裝置的燃弧時間比線圈勵磁吹弧裝置的燃弧時間短。電弧電壓在300～800 V時，由于永磁體勵磁吹弧裝置在引弧角上所產生的磁場比較小，故永磁體勵磁吹弧裝置的燃弧時間明顯變長，當電弧電壓維持在900 V左右，分斷電弧受到的洛倫茲力不足以驅動電弧繼續前行，電弧弧根在引弧角上持續燃弧，電弧電器開斷臨界電流失敗，故在試驗過程中出現如圖10所示的永磁體勵磁吹弧裝置的臨界電流分斷波形。

從試驗得到的圖11及表1中可以看到，電弧進入引弧角后受到的洛倫茲力驅動電弧繼續快速前行，使電弧電壓快速升高，當電弧電壓高于系統電壓時，電弧熄滅。

從圖10、圖11以及表1中可以看出，線圈勵磁吹弧裝置的吹弧效果明顯優于永磁體勵磁吹弧裝置，與仿真分析的結果相當，對之后的吹弧裝置的設計具有指導意義。

圖10 線圈勵磁吹弧裝置臨界電流分斷波形

圖11 線圈勵磁吹弧裝置臨界電流分斷波形

5 結論

本文結合吹弧裝置仿真分析以及樣機試驗，分析了兩種不同勵磁方式的吹弧裝置磁場分布以及對吹弧效果。通過仿真和試驗分析，線圈勵磁吹弧裝置的吹弧效果優于電磁鐵勵磁吹弧裝置，并且勵磁線圈吹弧裝置吹弧磁場無極性。本文仿真分析為設計提供了指導思想，降低了吹弧裝置的設計成本。

[1] 郭鳳儀. 電器學[M]. 機械工業出版社, 2013.

[2] 張冠生. 電器理論基礎（修訂本）[M]. 西安: 西安交通大學出版社, 2008.

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[4] 趙博, 張洪亮. Ansoft 12在工程電磁場中的應用[M]. 北京: 中國水利水電出版社, 2010.

[5] 陳德桂. 低壓電器仿真與數字化設計技術的進展[J]. 電器與能效管理技術, 2014.

Design and Research of Blowout Device for DC Circuit Breaker Based on Maxwell

Wang Hao, Ma Ziwen, Peng Zhendong

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

TM561

A

1003-4862（2018）02-0025-05

2017-11-20

汪浩（1989-），男，研究生。研究方向：開關電氣設備。Email：xjtu3005@163.com