直流斷路器過電流脫扣器結構優化設計

凌 煒，王金龍，岳 金,3

直流斷路器過電流脫扣器結構優化設計

凌 煒1，王金龍2，岳 金2,3

(1.廣州地鐵集團有限公司，廣州 510000；2.武漢長海電氣科技開發有限公司，武漢 430064；3.武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064)

在電力系統元件中斷路器承載著分斷短路故障電流保護其它元器件不受損壞的作用，其中過電流脫扣器起著至關重要的作用，其結構設計的好壞制約著斷路器分斷過電流和短路電流的可靠性，本文研究了傳統過電流脫扣器的結構設計，發現其存在吸力側偏及調節力值范圍較窄的缺點，后對其進行結構改進，解決了上述問題，并通過仿真及試驗證實了優化方案的可行性。

斷路器 過電流脫扣器 短路電流 結構優化

0 引言

脫扣器作為電力系統斷路器的保護元件，其迅速、準確、可靠的動作，直接影響著斷路器保護性能。按使用工況，脫扣器分為過電流脫扣器、分勵脫扣器、失壓與欠壓脫扣器、熱脫扣器等。而過電流脫扣器是直流斷路器必不可少的元件，直接影響著斷路器分斷故障電流的能力。設計動作迅速、準確、可靠的過電流脫扣器一直以來都是直流斷路器研發的重點內容。

傳統的脫扣器是基于電磁原理，依靠主電路電流串聯勵磁的電磁鐵，當故障電流達到整定值時，在磁場的作用下，電磁鐵中的動鐵芯朝著氣隙減小的方向運動，同時克服彈簧反力帶動脫扣裝置使機構分閘。而當脫扣器的結構設計定型后，其中的反力彈簧的行程和剛度是一定的，反力彈簧反力達到了其承受的上限時，主回路中通入電流超過一定值時，脫扣裝置不能按照整定電流值要求動作。為了擴大整定電流范圍，滿足產品多種使用工況，對脫扣器的電磁機構進行了改進，保證脫扣器在給定的整定電流值下可靠動作。

如圖1所示，為某型斷路器用的過電流脫扣裝置，在靜磁軛的側邊設計成一圓孔，通過在電磁回路中形成漏磁，使動鐵芯產生的吸力減小，不足以克服反力彈簧反力帶動脫扣裝置動作。需主電路中通入更大的電流才能保證動鐵芯有足夠的吸力克服反力彈簧反力帶動脫扣裝置動作。該種方案雖達到了目標，擴大了整定電流范圍，但同時動鐵芯上也產生偏向圓孔側向力。該側向力導致動鐵芯帶動的脫扣裝置與側壁有摩擦，會使整定值發生偏移，影響其準確性。為解決此問題，本文中對脫扣器靜磁軛進行了優化改進解決了上述動鐵芯存在側向力導致整定值漂移以及擴大了整定電流值范圍。

圖1 傳統的過電流脫扣器

1 結構原理

目前過電流脫扣器結構如圖2所示，主要由靜磁軛、動鐵芯、反力彈簧、反力彈簧力值調節裝置及脫扣裝置組成，其工作原理可簡述如下：承載主電路中電流通過銅排從靜磁軛中穿過，根據所需的整定值預先調節反力彈簧反力值，當銅排承載電流為額定電流時，反力彈簧反力大于動鐵芯在磁場中產生的電磁力，動鐵芯保持不動；當出現短路工況時，電流迅速上升到整定值時，動鐵芯所受到的電磁力大于彈簧反力，動鐵芯向上運動并帶動脫扣裝置一起動作，使得斷路器脫扣分閘，切除故障以保護系統。

1-動鐵芯；2-靜磁軛；3-銅排；4-反力彈簧

2 傳統過電流脫扣器特性計算與分析

本文中為更加準確反映脫扣器結構存在的缺陷。文中的所使用的模型只在優化處進行了修改(見圖3、圖8)，模型中靜磁軛側部設計成空心圓柱，圓柱半徑已為設計中的最大值，模型中動鐵芯材料為Q235，靜磁軛采用疊加成的硅鋼片，材料為50WW350，Q235與50WW350的BH曲線均為非線性，當電流施加到一定值后均存在磁飽和的現象。

1-動鐵芯；2-靜磁軛；3-銅排

本文分析動鐵芯在初值位置(氣隙最大)時的受力情況，研究電流為600-3600 A時，動鐵芯力值大小及電磁機構磁場分布情況。得到了如圖4、圖5所示的靜態受力特性。

圖4 兩種結構脫扣器動鐵芯靜態受力特性

圖5 兩種結構脫扣器動鐵芯水平方向上受到的吸力

針對本脫扣器反力彈簧的實際工況，其提供的最大反力為100 N，由圖4可知傳統的電磁機構不做優化時，銅排上流過的電流大于1500 A，動鐵芯受到的吸力大于100 N，脫扣裝置會立即脫扣，即整定值調節上限為1500 A。而當傳統的電磁機構采用優化結構（靜磁軛側邊設計成空心圓孔）時，銅排上流過的電流大于3200 A，動鐵芯受到的吸力才大于100 N，說明整定值調節的上限通過該優化方式能擴展到3200 A，提高了整定調節范圍，滿足了產品不同的使用工況。然而，實際使用中整定值的調節是通過調節反力彈簧的形變量來實現的，反力彈簧的最大形變量依據產品小型化的要求來設計，一般較小，則在一個較大的整定值范圍內調節出準確的整定值會存在較高的難度，例如上述中優化后脫扣器整定范圍為600-3200 A，若整定值需求為1500 A，可能會存在無論如何調節，能調節出1400 A和1600 A整定值，但1500 A不能調出的現象。對此，該傳統優化方案存在該弊端。

由圖5可知，傳統優化方案中，動鐵芯橫軸方向上易受向左的吸力，并且隨著銅排通電電流值的增加，其吸力將增大。當銅排通電電流為3500 A時，其向左的吸力為35 N,為動鐵芯縱向吸力的35%。較大的側向吸力影響了反力彈簧的受力狀態，反力彈簧易受到側向摩擦力的影響，使得反力彈簧產生的反力值不穩定，導致整定值漂移，影響整定值調節的準確性。因此，該傳統優化方案也存在該弊端。如圖6、圖7是傳統優化結構的磁場強度云圖分布，從圖中可以看出靜磁軛磁感應強度分布不對稱，這是由于靜磁軛右側空心圓孔處存在漏磁導致的，使得動鐵芯處的磁感應強度分布左右不對稱，動鐵芯左側磁感應強度更大，因而易產生向左的吸力。

圖7 傳統優化結構外表面的磁感應強度云圖分布

3 過電流脫扣器結構優化

為解決上述傳統脫扣器優化結構帶來的弊端，對脫扣器靜磁軛結構進行了重新改進，在靜磁軛下端設計成a×b的開口形狀，如圖8所示，該方案能解決動鐵芯橫軸方向上受力不平衡問題，但同時a×b為不同值時，動鐵芯產生的吸力是不一樣的，通過該方法可以提高脫扣器的整定范圍。

1-動鐵芯；2-靜磁軛；3-銅排

3.1 靜態特性計算

以a×b的開口形狀為20×10 mm為例得到了如下圖9所示的磁感應強度云圖分布，從圖中可以看出靜磁軛橫軸左右兩側的磁感應強度分布是對稱的，這說明動鐵芯在橫軸上的力為零，解決了傳統脫扣器優化后動鐵芯橫軸上力不為零的問題。從圖中可以看出，開口處上方磁感應強度較大，這是因為此處磁通密度較大，絕大多數磁力線流經此處構成磁回路。

為分析開口截面大小對電磁吸力的影響，對開口為20×10 mm、20×25 mm、40×28 mm的電磁機構進行磁場仿真，得出了如下圖10所示的靜態特性曲線。

從圖中可以看出：對比無開口與有開口時，可以看出當存在開口時，由于漏磁作用動鐵芯受到的吸力降低了很多，相比傳統優化方案，該方案也增大了整定調節范圍；開口為20×10 mm時，最大調節整定電流為2300 A，開口為20×25 mm和開口為40×28 mm時，最大整點電流均能達到3500 A以上，說明開口截面越大，產生的漏磁越多，動鐵芯受到的吸力越小。因此，為了達到上述所說的提高整定調節的準確度，可以將600—3600 A進行分段，每段對應不同開口的靜磁軛，如600-1800 A整定調節范圍可采用開口為20×10 mm的靜磁軛，1800-3300 A整定調節范圍可采用開口為20×25 mm的靜磁軛；2700 A以上的整定調節范圍可采用開口為28×40 mm的靜磁軛.。為保證脫扣器反力彈簧使用壽命，在調節反力彈簧時，不能將其調節到其使用的上限100 N。

圖9 開口為20×10 mm的脫扣器磁感應強度云圖

圖10 優化后的脫扣器動鐵芯靜態受力特性對比

表1 脫扣器整定試驗記錄

通過不同整定值要求選用不同開口的靜磁軛，在反力彈簧形變量不變情況下，分段后的整定調節范圍精度會明顯提高。表1與圖11是優化后脫扣器整定試驗數據及波形，該結果證實了上述表述的真實性。

圖11 實測整定電流波形

3.2 動態特性計算

為保證脫扣器脫扣裝置能在較短的時間內迅速脫扣，對脫扣器電磁機構還需進行瞬態仿真來加以校核，以滿足實際短路工況要求。依據標準《GB/T 21413.3-2008 鐵路應用機車車輛電氣設備第3部分：電工器件直流斷路器規則》試驗要求及軌道交通行業牽引系統要求該型斷路器額定電壓1800 V、短路電流30 kA、時間常數15 ms、整定電流值設定為1500 A，則在脫扣器開始動作至脫扣裝置脫扣這段時間內，短路電流可用以下函數表示：

本脫扣裝置校核的電磁機構選用開口為20×10 mm的靜磁軛，動鐵芯運動行程為2 mm，動鐵芯質量0.07 kg，反力彈簧剛度歸算到動鐵芯處為12 N/mm，通過仿真計算得到了如圖12所示位移曲線，仿真出的脫扣動作時間為3.8 ms，由于仿真時Band域空間設置要求，仿真設置的運動上限比實際2 mm要小一些，因而脫扣器脫扣動作時間預估為4 ms。根據該型直流斷路器設計要求，脫扣裝置的脫扣動作時間需在5 ms以下，因而上述校核滿足要求，說明脫扣器電磁機構采用有開口的靜磁軛方案合理有效。

4 總結

本文對直流斷路器過電流脫扣器電磁機構進行仿真計算及驗證，得到了以下結論：

1）脫扣器電磁機構由于受產品設計要求的限制致使整定電流調節范圍受限，需對脫扣器電磁機構進行優化改進，給出了兩種優化方案，并進行了對比，得出了相應結論；

2）傳統的脫扣器電磁機構優化方案雖然提高了整定電流調節范圍，但存在著以下兩點弊端：一是調節精度不夠，二是存在側向力，影響脫扣動作可靠性；

3）脫扣器電磁機構采用靜磁軛開口方案能提高整定電流調節范圍，采用將整定電流分段的方式能提高整定精度，而且該方案動鐵芯不存在側向力作用。

[1] 李興文. 低壓斷路器[M]. 北京: 機械工業出版社, 2017.

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[4] 中國標準出版社. 鐵路應用機車車輛電氣設備第3部分: 電工器件直流斷路器規則: GB/T 21413.3-2008[S]. 2008.

Structure Optimization Design of over Current Tripping Device for DC Circuit Breaker

Lin Wei1, Wang Jinlong2, Yue Jin2,3

（1. Guangzhou Metro Group Co., Ltd , Guangzhou 510000, China; 2. Wuhan Changhai Electrical Technology Development Co., Ltd., Wuhan 430064, China; 3. Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China）

TM564

A

1003-4862（2021）08-0030-04

2021-01-26

凌煒（1977-），男，工程師。研究方向：城軌車輛。E-mail: yuejin@whchdq.com.cn