船用接触器与熔断器的协调配合能力研究.pdf

船电技术|应用研究 Vol.43 No.06 2023.06 110 船用船用接触器与熔断器接触器与熔断器的的协调配合能力研究协调配合能力研究 周海东（上海电器科学研究所（集团）有限公司，上海 200063）摘 要：接触器与短路保护电器（SCPD）的协调配合能力是开关电器的重要性能参数。本文首先计算得到直流熔断器的截流值 Ic 和全分断时间 tt 两个重要参数。基于上述参数，确定了直流接触器的触头结构及触头弹簧的力值，然后基于虚功原理采用 ANSYS MAXWELL 软件计算并提取每片动触头所受的回路电动力；基于数学离散方法采用 MATLAB 软件编程，求解出动触头的霍尔姆（Holm）力，然后通过合力的计算证明接触器动触头不会被斥开。同时，结合触头的温升仿真分析结果，论证了直流接触器与直流熔断器具备协调配合能力。本文最终通过样机的实际试验，证明了设计方案合理及仿真计算准确。关键词：短路保护能力 协调配合 直流接触器 直流熔断器 中图分类号：U665 文献标识码：A 文章编号：1003-4862（2023）06-0110-05 Research on Coordination Ability of Marine DC Contactor and DC Fuse Zhou Haidong（Shanghai Electric Apparatus Research Institute(Group)Co.,Ltd.,Shanghai 200063,China）Abstract:The coordination ability between contactor and Short Circuit Protection(SCPD)is an important performance parameter of switch electrical apparatus.In this paper,the cut-off value IC and the total cut-off time tt of DC fuse are calculated firstly.Based on the above parameters,the contact structure of DC contactor and the force value of contact spring are determined,and then the electric force of each contact is calculated and extracted by ANSYS Maxwell software based on virtual work principle Based on the mathematical discrete method,the Kholm force of the moving contact is obtained by programming with MATLAB software,and the resultant force is calculated to prove that the moving contact of the contactor can not be repelled.At the same time,combined with the simulation results of contact temperature rise,it is demonstrated that DC contactor and DC Fuse have the ability of coordination.Finally,the practical test of the prototype proves that the design scheme is reasonable and the simulation calculation is accurate.Keyword:short-circuit protection capability;coordination ability;DC contactors;DC fuses 0 引引 言言 接触器一般不用于分断短路电流，接触器制造厂应该推荐一种适用的短路保护电器（SCPD），如断路器、熔断器等，作为接触器的后备保护。SCPD 的参数应该与接触器的参数配合使用，制造厂应规定与接触器配合使用的 SCPD 的型式和特性。对于每种协调配合类型，选用不同制造厂推荐的 SCPD 时，协调配合可能会无效1。配合类型（保护式）有两种：“1”型协调配合，要求接 收稿日期：2023-01-10 作者简介：周海东(1985-)，硕士。研究方向：船用中压开关电器。E-mail:Z 触器或起动器在短路条件下不应对人或设备引起危害，在未修理和更换零件前，允许不能继续使用；“2”型协调配合，要求接触器或起动器在短路条件下不应对人及设备引起危害，且应能够继续使用，允许触头熔焊，但制造厂应指明关于设备维修所采用的方法1。本文中的直流接触器（以下简称“接触器”）与直流熔断器（以下简称“熔断器”）的协调配合，要求熔断器在分断 110 kA（额定电压为直流 4300 V）、时间常数为 5 ms 的预期短路电流的过程中，接触器能够承受短路电流的冲击，触头不发生斥开、熔焊等现象；在熔断器完成短路分断后，接Vol.43 No.06 2023.06 船电技术|应用研究 111 触器可以进行正常合分闸操作。因此，本文的接触器与熔断器的协调配合需要满足“2”型协调配合，且接触器的触头不应发生斥开和熔焊现象。1 几种参数的计算与分析几种参数的计算与分析 1.1 熔断器短路保护能力的参数计算 对于接触器与熔断器协调配合，熔断器的截流值 Ic和完全分断时间 tt是两个重要的参数。1）弧前时间 tp计算 2 2 2 （1-1）1 2 (1)式中，Cm=80000 A smm-4(银熔体的指数)；S=1.71288 mm（并联变截面面积）；IA=110 kA（预期短路电流）；5 s(时间常数）；n=30(串联变截面数)。图 1 熔体变截面-弧前时间调整系数 K1 图 2 di/dt-弧前时间调整系数 K2 K1=1.22(熔体变截面-弧前时间调整系数，见图 1)；当 di/dt=22 kA/ms 时，K2=1.30(di/dt-弧前时间调整系数，见图 2)；根据式(1)计算结果：弧前时间：tp=1.75 ms。2）截断电流 Ic计算 截断电流计算公式：Ic=IA（1-e-/）(2)式中，Ic截断电流；IA=110 kA（预期短路电流）；L/R 5 ms（时间常数）；根据公式(2)计算结果：Ic=32.48 kA。3）完全分断时间 tt的计算 tt=tp (3)式中，tt完全分断时间；tp弧前时间；取值为 di/dt 与完全分断时间调整系数，见图 3。图 3 di/dt-完全分断时间调整系数 当 tp=1.75 ms 时，1取值为 3.2，根据公式(3)计算结果：tt=5.6 ms。在计算出完全分断时间：tt=5.6 ms，在保证足够的设计裕量的前提下，确定接触器和熔断器协调配合设计的输入参数为50 kA，10 ms。按照上述参数要求，确定本文中的接触器触头结构及触头弹簧的力值。1.2 接触器触头受力的仿真计算 接触器触头受力主要分为三部分：回路电动力、霍尔姆力和触头弹簧压力，若三者合力作用是促使动触头和静触头压紧，则动触头不会被斥开。在 50kA 短路电流下，对触头结构的合力进行仿真计算。1.2.1 仿真模型及仿真条件 为了便于对接触器主回路进行建模和网格划分，在尽量不影响计算结果准确性的前提下，对接触器主回路的三维模型作如下的简化：1）导电体采用直接连接的方式，去除连接处的螺栓孔。2）假设材料的磁导率都是线性的。3）空间电荷和位移电流的影响，暂不考虑。4）假设各种材料的物性参数为常数，不随材料温度的改变而发生改变。经过以上简化，得到接触器主回路的三维模型如图 4 所示。随后设置激励电流为直流 50 kA，采用 ANSYS MAXWELL 软件进行网格剖分和有限元计算，网格剖分后的模型如图 5 所示。船电技术|应用研究 Vol.43 No.06 2023.06 112 图 4 触头结构的简化模型图 图 5 触头系统网格剖分图 1.2.2 回路电动力的仿真计算 回路中，在磁场中运动的电荷会受到力的作用，在磁场中的载流导体也会受到力的作用，这种力称为回路电动力，又称洛伦兹力。洛伦兹力的大小和方向与电流的种类、大小和方向有关，也与电流经过的回路形状、回路的相互位置、回路间的介质、导体的截面形状等有关2。为了计算洛伦兹力，首先仿真得到接触器触头系统的电流密度分布和磁感应强度云图，分别如图 6 和图7 所示。图 6 主回路电流密度分布图 图 7 主回路磁感应强度云图 得到电流密度和磁感应强度分布后，就可以通过虚功原理在MAXWELL软件中计算并提取出每片动触头所受的洛伦兹力3，计算结果如表1所示。其中FX、FY、FZ分别表示动触头受到的三个方向力，三维方位示意图如图8所示。图中，最内侧动触头编号为1，由内向外，依次为动触头2、3、4。显然，我们最关心Z方向受力Fz，负值表示此力为不利于动静触头闭合的方向，接触器动触头受力示意图，如图8所示。表1 每片动触头所受的洛伦兹力Fz 动触头编号 1 2 3 4 洛伦兹力Fz/N-23.792-24.234-24.301-23.691 图8 接触器动触头受力示意图 1.2.3 霍尔姆（Holm）力的计算 对霍尔姆力的研究，主要是如何描述触头间的电接触情况，其大小与电流、导电斑半径和触头半径有关。当电流恒定时，导电斑的半径越小，触头半径越大，则触头间的霍尔姆力就越大4。根据电接触理论，所有的固体材料在相互接触时，在一个很大的接触压力范围内，实际接触面积只是视在接触面的很小一部分。所以当电流在一对触头流过时会收缩到一个很小的区域，如图9所示，沿触头表面流动的电流会产生一个使触头斥开的力FB，即霍尔姆力。霍尔姆力的计算公式：(4)式中，真空磁导率；瞬时电流值；触头半径；收缩点半径的平均值；图9 电流通过触头产生斥力示意图 其中，收缩点半径 a 与接触压力和接触材料的硬度有关，研究表明，为触头的实际接触面积，。由此可得：(5)式中，触头表面的总面积；触头的材料硬度；触头压力；式(5)，触头压力 是一个合力，其表达式为：(6)式中，触头弹簧压力；触头回路电动力，动触头静触头2RFs触头弹簧力FB电动斥力Vol.43 No.06 2023.06 船电技术|应用研究 113 即洛伦兹力；将式(5)中的 用式(6)代替，得 (7)因为FB出现在方程的两端，所以这是一个隐式方程，不易直接求解。对于式(7)，基于数学离散方法采用MATLAB软件编程求解，以FB为自变量，以式(7)等式右边的整体为因变量，穷举法绘制两个量的曲线。若两条曲线是不相交的，说明上述公式是无解的，动静触头将会斥开；若两条曲线相交，说明公式是有解的，动静触头将不会斥开，曲线交点对应的值就是霍尔姆力的值。四个动触头所受霍尔姆力计算结果，如表2所示。表2 每片动触头所受的霍尔姆力 动触头编号 1 2 3 4 霍尔姆力/N-32.65-32.86-32.95-32.46 1.2.4动触头所受合力 将动触头所受的力都已折算到竖直Z方向上，正值表示此力驱使动静触头压紧，负值表示此力驱使动静触头分离。表3 接触器每片动触头所受的合力 触头片编号 电流值/A 洛伦兹力/N 霍尔姆力/N 触头弹簧压力/N 合力/N 1 12482-23.792-32.65 82 25.558 2 12518-24.234-32.86 82 24.906 3 12522-24.301-32.95 82 24.749 4 12478-23.691-32.46 82 25.849 通过以上计算得到每片动触头所受合力，如表 3 所示，接触器每片动触头所受的合力均为正值。因此，当短路电流为 50 kA 时，接触器的动触头不会被斥开。1.3 动触头在短路电流下的温升计算 在熔断器短路分断过程中，接触器需要耐受一定时间的短路电流，直至熔断器完成分断。在此过程中，触头会发热，如果温度高达一定数值以后，可能会使材料的物理、化学性能发生变化，其机械强度也显著降低5。举例来说，假如温度超过了触头材料的软化点，则可能会导致动静触头熔焊，无法进行正常的合分闸操作。因为接触器通过短路电流的时间很短，只有几毫秒。在这么短的时间向外传出的热量很少，所以可以忽略这部分热量，近似认为这是一个绝热过程。这时，全部热能都储存在导体内，使导体温度升高。也就是在分析过程中，主回路和外界不存在任何的热交换，据此来计算接触器触头的温升。首先，在上述建立仿真模型的基础上，加载的电流值为50 kA，进行电磁场的计算，算出接触器主回路的电阻损耗，也就是焦耳热损耗。将电阻热损耗作为输入，耦合到温度场计算中，利用ANSYS WORKBENCH软件进行瞬态温度场仿真，得到接触器触头的温度分布。设置的仿真环境温度为22，动触头在短路电流50 kA且持续10 ms的温度分布云图，如图10所示。触头材料铜在短时发热的情况下，在300 左右机械强度明显下降，仿真结果显示触头的最高温度约56，远小于铜的软化温度，短路电流分断完成后，接触器的触头不会发生熔焊现象。通过上述仿真计算分析，直流接触器与直流熔断器具备协调配合能力。图10 动触头的温度分布云图 2 协调配合能力协调配合能力试验试验验证验证 本文通过试制样机在中国船舶集团第七一二研究所电工检测中心完成了协调配合能力摸底试验。试验预期波形如图 11 所示，试验电压：4367 V，试验电流：112.8 kA，时间常数：5.15 ms。图 11 试验预期波形 船电技术|应用研究 Vol.43 No.06 2023.06 114 图 12 正式试验波形 最终试验结果：熔断器能够在电压 DC 4300 V 条件下，分断时间常数为 5 ms 的预期 110 kA短路电流；在此过程中，接触器能够承受短路电流的冲击，触头未发生斥开、熔焊等现象；试验完成后，接触器还可以进行正常合分闸操作。实际摸底试验波形如图 12 所示，实测截断断流为：31.8 kA，完全分断时间：5.54 ms；峰值电弧电压Ud:7.4 kV。通过实际试验结果，证明了设计方案合理性及仿真计算结果的准确性。3 结结语语 本文针对一型船用直流接触器与直流熔断器的短路协调配合能力进行研究，首先分析确定直流接触器与直流熔断器需要满足“2”型协调配合，且接触器的触头不应发生斥开和熔焊现象。通过计算得到熔断器短路保护能力的两个重要参数（截断电流Ic和全分断时间tt）；基于上述参数，确定了接触器触头系统的结构及触头弹簧的力值。然后通过理论计算和仿真分析相结合的方式，论证了接触器与熔断器的短路协调配合设计的正确性。同时，本文基于ANSYS软件和MATLAB软件的仿真计算的过程，为接触器与短路保护电器（SCPD）的协调配合能力的研究提供了参考。参考文献参考文献:1 低压开关设备和控制设备 第 4-1 部分:接触器和电动机启动器 机电式接触器和电动机启动器（含电动机保护器）S:GB14048.4-2020.2 郭凤仪,王智勇.电器基础理论M.北京:机械工业出版社,2019.3 贾峰,奚泓,曾萍.额定限制短路电流试验后接触器的故障分析J.电器与能效管理技术,2019(11):32-35.4 李靖.高低压电器及设计M.北京:机械工业出版社,2016.5 尹天文,何瑞华.低压电器技术手册M.北京:机械工业出版社,2014.