一種高短時耐受電流能力觸頭結構設計分析

劉 哲，姚 偉，王金龍，陳 程，謝豐茜

應用研究

一種高短時耐受電流能力觸頭結構設計分析

劉 哲，姚 偉，王金龍，陳 程，謝豐茜

(武漢船用電力推進裝置研究所武漢長海電氣科技開發有限公司，武漢 430064)

軌道交通、直流牽引供電系統正往高速、大功率、大容量方向發展，因此對系統中的核心開關元器件的耐壓等級及承載能力提出更高要求，尤其是短時過載、短時耐受電流能力兩項指標，在保證接觸電阻、動作壽命滿足要求的同時提升短時耐受電流能力產品的需求迫在眉睫。本文設計提出一種高短時耐受電流能力觸頭結構，通過理論計算并結合Maxwell仿真分析該結構的可行性，最后對試驗樣機進行設定電流下的短時耐受電流能力試驗。試驗結果表明，該觸頭結構具有較高的短時耐受電流能力，滿足應用需求。

直流牽引供電系統 開關元器件 觸頭結構 短時耐受電流能力

0 引言

軌道交通、直流牽引系統正往高速、大功率、大容量方向發展，隨之對系統中核心開關元器件（接觸器、復合開關等）的耐壓等級及承載能力也提出了更高要求，其中短時過載、短時耐受電流能力兩項指標尤為關鍵。

機車車載直流接觸器對短時耐受電流能力要求僅為8倍的額定電流；而軌道交通地面裝置中直流接觸器對短時耐受電流能力要求往往要達到50 kA甚至更高，常規機車車載直流接觸器的觸頭結構大都為拍合式，幾乎無法滿足使用需求。

觸頭間的電動斥力[1-2]通常由兩個力組成：洛倫茲力和Holm力，洛倫茲力是周圍磁場對通電觸頭的作用力，Holm力是由于觸頭實際接觸面積很小，電流經過接觸區域附近會發生電流線收縮而產生的斥力。當短路電流流經觸頭時，若觸頭壓力未達到要求，動觸頭將在電動斥力的作用下被斥開，此時觸頭間會產生故障電流電弧，由于該電弧強度遠超額定分斷下的電弧強度，觸頭將會受到永久性損傷、甚至燒毀，影響系統安全。

現設計一種高短時耐受電流能力觸頭結構，在某型接觸器上已得到應用，結構示意圖如圖1所示，本文介紹了觸頭結構的設計過程，通過理論分析、仿真計算、試驗驗證進行詳細論述，成功完成了該結構的研制，滿足使用需求。

圖1 高短時耐受電流能力觸頭結構模型

1 觸頭結構介紹

該觸頭結構詳細設計如圖2所示。觸頭結構由3個動觸頭、1個靜觸頭、3個動觸頭彈簧、1個動觸頭結構框架、3個緊固螺釘、若干墊片組成；3個動觸頭為并聯關系且相互獨立，每個動觸頭后端均固定有動觸頭彈簧，在動、靜觸頭合閘到位后，給動觸頭提供足夠的觸頭終壓力。

圖2 觸頭結構示意圖

2 電動斥力理論分析

觸頭間的電動斥力由洛倫茲力和Holm力疊加而成，當主回路流經50 kA過載電流時，將被均分3份，每個動觸頭的過載電流為16.7 kA。動觸頭彈簧剛度為11.5 N/mm，觸頭彈簧的原長為37 mm，初始長度為30.4 mm，觸頭超程為7.3 mm，因此觸頭合閘到位后，每個觸頭彈簧的終壓力為159.9 N。

（1）洛倫茲力計算

三個動觸頭的外形尺寸相同，且為水平排列，結構上類似于兩相等平行有限長載流導體，觸頭間的電動力F1可利用比奧-沙伐定律[3]進行計算：

式中，為流經觸頭的電流為16.7 kA；為觸頭長度為75 mm；為動觸頭間的距離，其中d13=55 mm，d12=d23=27.5 mm，觸頭1、2、3的位置如圖1所示。

由于流經三個動觸頭的電流方向相同，故觸頭間的電動力方向與觸頭彈簧的作用力方向垂直，因此電動力對觸頭斥開的影響可忽略不計。

（2）Holm力計算

式中：F為觸頭間Holm力；0為真空磁導率4π×10-7H/m；為單個觸頭的過載電流16.7 kA；動觸頭的觸頭面積為300 mm2，為觸頭等效半徑9.8 mm；F為觸頭間的預壓縮力，2為單個觸頭彈簧的終壓力159.9 N，由前文分析可知洛倫茲力1=0；ξ表征觸頭表面的接觸情況，取值范圍為0.3～0.6，通常取0.45；為觸頭材料的布氏硬度，觸頭材料為銀氧化錫AgSnO2，取1078 N/mm2；為觸頭有效接觸面積的等效半徑，該值與終觸頭壓力正相關，終壓力越大，觸頭有效接觸面積越大，值也越大。

代入式子計算可得，單觸頭所受Holm力F≈111.8 N。

綜上，單個觸頭的電動斥力=F+1≈111.8 N＜159.9 N，故電動斥力不會將動觸頭斥開，電動穩定性能得到保障。

3 電動斥力仿真計算

本文采用電磁場仿真軟件Ansoft Maxwell對動靜觸頭間的電動斥力進行計算[4-6]。

（1）電動力仿真計算

為了準確計算電動力，將動、靜觸頭接觸面均改為平面接觸，使接觸區域不存在電流線收縮問題，以排除HOLM力的干擾。簡化后的觸頭結構模型如圖3所示。

圖3 簡化后觸頭結構模型

根據試驗要求，在進、出銅排端面加載50 kA直流電流，所有部件材質均設置為紫銅copper，采用自適應剖分網格，觸頭接觸處的網格剖分圖如圖4所示。

圖4 觸頭接觸處網格剖分圖

流經每個觸頭的電流密度云圖如圖5所示，根據云圖可知各觸頭承載電流大致相同，利用安培定律進行積分計算，觸頭1，承載電流16.6 kA；觸頭2，承載電流16.7 kA；觸頭3，承載電流16.6kA。

圖5 流經各觸頭電流密度云圖

電動力仿真結果數據匯總見表2，X方向為觸頭彈簧作用力方向。三個觸頭在觸頭彈簧作用力方向上的電動力分別為1=0.62 N、2=0.75 N、3=0.61 N，可忽略不計，與理論分析基本相吻合。

（2）Holm力仿真計算

Holm力是由于觸頭實際接觸面積很小，電流經過接觸區域附近會發生電流線收縮而產生。根據上述理論數據計算可知，觸頭有效接觸面積的等效半徑r為0.32 mm，則有效接觸面積為0.32 mm2，導電橋的高度設置為0.2 mm[7]，如圖6所示；其他參數設置均與電動力仿真計算相同。

表2 各觸頭電動力仿真數據匯總

觸頭接觸處的網格剖分圖如圖7所示，流經每個觸頭的電流線在導電橋處均發生收縮，效果圖如圖8所示。

圖7 Holm力觸頭接觸處網格剖分圖

圖8 電流密度仿真圖

Holm力仿真結果數據匯總見表3，X方向為觸頭彈簧作用力方向。三個觸頭在觸頭彈簧作用力方向上的電動力分別為F1=-83.49 N、F2=-79.09 N、F3=-85.21 N。

綜上，通過仿真計算可得：三個動觸頭的電動斥力分別為：F1=82.87 N，F2=78.34 N，F3=84.6 N；均小于單個觸頭彈簧終壓力159.9 N，故電動斥力不會將觸頭斥開，電動穩定性能夠得到保障。

表3 各觸頭Holm力仿真數據匯總

4 試驗驗證

基于理論分析與仿真計算雙項確認該觸頭結構的可靠性，設計并制造了某型直流接觸器，并對其進行50 kA/250 ms短時耐受電流能力試驗；試驗電流為DC50.4 kA，通電時間256.2 ms，能量為707.9 MA2?s，試驗波形如圖9所示。

試驗過程中，若動、靜觸頭出現斥開現象，觸頭間的接觸電阻在斥開瞬間將會增大，此時電流波形及電壓波形均會發生波動，即觸頭斥開瞬間，電流波形會出現短時跌落再恢復，電壓波形會出現短時升高再恢復。

由圖9的試驗波形可看出，在通電時間內，電流波形和電壓波形持續平穩均未發生波動，說明觸頭在試驗過程中未出現斥開現象，即試驗成功通過。

圖9 短時耐受電流能力試驗波形

5 總結

本文設計了一種高短時耐受電流能力觸頭結構，先通過理論分析與仿真計算證明該結構的可靠性，然后將其應用于某型直流接觸器，并設計

制造出試驗樣機，進行50 kA/250 ms短時耐受電流能力試驗驗證，通過三方面綜合分析論證，證明該觸頭結構具有較高的短時耐受電流能力，滿足現階段軌道交通、直流牽引系統的應用需求，同時對高短時耐受電流能力的觸頭結構研發有一定的指導作用。

[1] 喬延華, 蘇秀蘋, 董天穎. 油阻尼斷路器觸頭間電動斥力分析[J]. 電器與能效管理技術, 2017(16): 1-5，21.

[2] 張廣智，尹家燦，趙鵬，等. 萬能式斷路器觸頭系統電動穩定性的仿真計算[J]. 電器與能效管理技術，2020(4)：54-61.

[3] 許志紅. 電器理論基礎[M]. 北京: 機械工業出版社, 2014.

[4] 萬祥軍, 季慧玉, 陳正馨,等. 萬能式斷路器觸頭系統電動力仿真與試驗研究[J]. 低壓電器, 2012(16): 1-4.

[5] 李興文, 陳德桂, 劉洪武, 等. 觸頭間電動斥力的三維有限元分析[J]. 高壓電器, 2004(1): 53-55.

[6] 馬海武，趙仙紅. 電磁場理論[M]. 北京：北京郵電大學出版社，2004：105-110.

[7] 鄭楠，蘇秀蘋，喬延華，等. 斷路器觸頭結構中電動斥力仿真分析研究[J]. 電器與能效管理技術，2016(8)：32-35，68.

Design and analysis of a high short time current withstand contact structure

Liu Zhe, Yao Wei, Wang Jinlong, Chen Cheng, Xie Fengqian

（Wuhan Changhai Electrical Technology Development Co., Ltd., Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China）

TM564.1

A

1003-4862（2023）12-0024-04

2023-04-17

劉哲（1983-），男，高工。研究方向：直流開關電器。E-mail: 410407531@qq.com