TSE觸頭電動力與電流關(guān)系的分析研究

陳紅群

摘要：轉(zhuǎn)換開關(guān)電器的動觸頭通過電流時，會產(chǎn)生電動斥力，造成觸頭壓力的減小，同時接觸電阻增大，甚至可能會導(dǎo)致觸頭虛接或者斥開，嚴重的情況下觸頭將會熔焊或燒毀，影響供電的穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)換開關(guān)電器；電動斥力；觸頭壓力；供電穩(wěn)定性

觸頭壓力是轉(zhuǎn)換開關(guān)電器（簡稱TSE）的一個重要參數(shù)，觸頭壓力直接關(guān)系到觸頭的發(fā)熱進而影響TSE的溫升性能。TSE的觸頭壓力F是由彈簧或者彈簧片提供的，當電流通過觸頭時，動靜觸頭間由于電流收縮產(chǎn)生霍姆力FH，從而導(dǎo)致觸頭壓力減小，當電流很大時，霍姆力也會變得很大，因此需要考慮電動力補償結(jié)構(gòu)。文獻[1]用Ansys對兩種不同觸頭預(yù)壓力相同電流情況下的電動斥力進行了仿真分析。通過ANSYSWORKBENCH計算出觸頭之間的接觸半徑，在三維建模軟件中建立觸頭電接觸有限元模型，導(dǎo)入ANSYSWORKBENCH模塊進行電流場和電磁場分析，從而仿真得出接觸系統(tǒng)的電流密度分布和電動斥力。針對一種斷路器觸頭結(jié)構(gòu)，通過Ansys對比了不同觸頭補償結(jié)構(gòu)在收到短路電流沖擊情況下所受到的電動力。

本文基于一種具有電動力補償裝置的觸頭結(jié)構(gòu)，通過Ansys的仿真分析不同電流的情況下的觸頭電動力，從而有助于確定在通電情況下使觸頭保持最優(yōu)性能的最優(yōu)觸頭壓力。

1 模型的建立與力學(xué)系統(tǒng)分析

下圖是本文分析的一種具有電動力補償裝置的觸頭結(jié)構(gòu)，該觸頭結(jié)構(gòu)由兩個動觸頭（編號3）對稱布置于靜觸頭兩側(cè)（編號1），當電流流過動、靜觸頭時兩個動觸頭就會產(chǎn)生平行導(dǎo)體電動力FL，根據(jù)右手定則可知該力是吸力。

1.靜觸頭2.觸頭彈簧3.動觸頭

一種具有電動力補償裝置的觸頭結(jié)構(gòu)圖

除了平行導(dǎo)體電動力之外，觸頭間在通過電流的情況下還會產(chǎn)生霍姆力FH，以及彈簧提供的觸頭壓力Fk。由這三個力共同組成通電情況下動觸頭的力學(xué)系統(tǒng)，該合力值F合即為通電情況下觸頭所受到的壓力，可由公式（1）表述：

F合=FkFH+FL（1）

2 電動力的假設(shè)及計算

2.1 觸頭間的HOLM力

平行導(dǎo)體導(dǎo)體電動力的本質(zhì)就是洛倫茲力，由于洛倫茲力和霍姆力產(chǎn)生機理不相同，所以在計算時需要分別考慮，動靜觸頭接觸處具有電流電位場，并滿足關(guān)于接觸面和導(dǎo)電斑點的假設(shè)。圓柱形接觸導(dǎo)電的截面半徑為B，導(dǎo)電斑點超導(dǎo)小球的截面半徑為b，電動斥力FH滿足如下公式：

FH=μ04πI2lnBb（2）

將經(jīng)驗公式F=ξHπb2帶入上式中，可得到如下公式：

FH=μ04πI2lnξHπB2Fk（3）

式中Ι——流經(jīng)收縮區(qū)導(dǎo)體的電流（A）；

ξ——跟觸頭表面接觸情況有關(guān)的系數(shù)，其范圍在0.3～06之間；

H——材料的布氏硬度（N/mm2）；

Fk——接觸力（N）。

2.2 導(dǎo)體間的洛倫茲力

本文采用恒定磁場的方程來計算電流密度和磁通密度的分布，對整個模型區(qū)域進行劃分，將電流密度作為激勵，計算其產(chǎn)生的三維磁場，最后根據(jù)公式（4）計算出作用在每個單元上的電動斥力Fi。其中 Ji 為每個單元的電流體密度，Bi 為單元的磁感應(yīng)強度。

Fi=Ji×Bi（4）

導(dǎo)體的體積為V，則作用在導(dǎo)體上的電動力F可用公式（5）表示：

F=∫FidV（5）

因為本文中的觸頭結(jié)構(gòu)為平行導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，所有該觸頭結(jié)構(gòu)所受的洛倫茲力可由平行導(dǎo)體電動力公式（6）進行計算：

FL=2×107I2d0l（6）

式中 d0—— 兩平行導(dǎo)體間間距；

l —— 導(dǎo)體長度。

3 變觸頭尺寸的電動力仿真分析

仿真模型搭建。在CREO2.0軟件中對ATS觸頭部分進行三維模型的建立，并在觸頭模型的外部建立一層空氣場。本文采用直接耦合的方法，同時計算出電流密度、磁場密度和觸頭所受的力值F′，該力值由公式（7）表示。

F′=FLFH（7）

電流密度分布是未知量，因而仿真中將電流值作為輸入，設(shè)置觸頭兩端電壓值，并對整個模型外層表面設(shè)置磁力線平行的邊界條件，然后對結(jié)果進行求解，電觸頭仿真。

4 結(jié)論

為提高電力系統(tǒng)供電穩(wěn)定性，避免出現(xiàn)觸頭熔焊或燒毀現(xiàn)象，本文使用Ansys對觸頭結(jié)構(gòu)進行仿真，根據(jù)仿真結(jié)果得到以下結(jié)論。

（1）該觸頭結(jié)構(gòu)Fl和FH的合力F′為吸力，該觸頭結(jié)構(gòu)具有電動力補償作用；

（2）當電流小于該額定電流的20倍時，吸力值基本上為0，當電流大于5000A左右時，吸力急劇增加；

（3）根據(jù)電流與吸力的關(guān)系曲線為最終確定最優(yōu)觸頭壓力值FK提供了一定的理論指導(dǎo)。

參考文獻：

[1]戴水東，洪黎歡.基于ANSYS的低壓斷路器電動斥力計算分析[J].電器工業(yè)，2013（2）.