高整定值电磁式短路脱扣器的设计分析与研究.pdf

船电技术|应用研究 Vol.43 No.06 2023.06 80 高整定值电磁式短路脱扣器的设计分析与研高整定值电磁式短路脱扣器的设计分析与研究究 罗欣宇，祝 聪，罗锦华（武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）摘 要：本文基于电磁场理论和 Maxwell 软件，对一种塑壳断路器用高倍数整定电流值的电磁式断路器脱扣器进行优化设计和分析，并通过试验研究验证了该优化设计的正确性。研究结果表明，通过设计分磁回路来减少脱扣器动、静铁芯组成的磁回路的磁场，可以解决高倍数整定电流值情况下铁芯磁饱和的问题，并且脱扣器性能稳定，受周围铁磁物质影响小。关键词：高整定值 电磁式短路脱扣器 分磁回路 优化设计 中图分类号：TM561 文献标识码：A 文章编号：1003-4862（2023）06-0080-04 Analysis and research of electromagnetic short circuit release with high current setting Luo Xinyu,Zhu Cong,Luo Jinhua（Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion,Wuhan 430064,China）Abstract:Based on electromagnetic field theory and Maxwell software,the optimal design and analysis of an electromagnetic circuit breaker trip device with high multiple setting current value of plastic-case circuit breaker are carried out,and the correctness of the optimization design is verified by experimental research.The research results show that the magnetic field of the circuit composed of movable and static iron cores of the release can be reduced by designing a magnetic separation circuit,which can solve the problem of magnetic saturation of the iron core under the condition of high multiple setting current value.Moreover,the performance of the release is stable and the influence of surrounding ferromagnetic substances is small.Keywords:high current setting;electromagnetic short circuit release;magnetic separation circuit;optimal design 0 引言引言 电磁式短路脱扣器，是通过短路电流产生足够大的磁场，使得脱扣器动、静铁芯吸合，带动断路器机构脱扣，进而使断路器跳闸实现短路保护的一种机械式保护元件，无需外界电源，具有可靠性高、动作快等特点，被广泛应用于塑壳断路器设计中。塑壳断路器壳架体积小，使得电磁式短路脱扣器自身的体积受到很大限制。通常塑壳断路器的电磁式短路脱扣器整定值为 812 In12（In 表示断路器的额定电流值），在需要更 收稿日期：2023-02-12 作者简介：罗欣宇（1995-），男，工程师。研究方向：开关电器设备。E-mail： 高整定值时很容易磁路饱和。而电力系统设计中为了实现选择性保护，对断路器整定值要求越来越高，如何解决小体积大电流整定值要求时脱扣器铁芯磁路饱和问题35，是电磁式短路脱扣器设计的难点。目前学者们大多通过增加非工作气隙，增大漏磁的方法来避免铁芯磁路饱和。该种方法虽然作用显著，但是受周围有铁磁物质的影响大，脱扣器稳定性不高6。本文通过设计分磁回路来减少脱扣器动、静铁芯组成的磁回路的磁场，解决了高倍数整定电流值情况下铁芯磁饱和的问题，并基于一种 800 A 塑壳断路器用 20 kA 整定电流值的电磁式断路器脱扣器开展相关设计分析与研究。首先描述了该电磁式短路脱扣器的结构组成。然后对分磁回路建立参数化模型，利用 Maxwell 软件对分磁回Vol.43 No.06 2023.06 船电技术|应用研究 81 路进行迭代分析从而对脱扣器结构进行优化设计，通过分析获得最优解的分磁回路参数，从而设计出脱扣器最终结构尺寸。最后通过样机实验验证了该设计分析的正确性和可行性。1 组成组成结构结构 图 1 所示为该电磁式短路脱扣器的组成结构示意图。静铁芯通过静铁芯支架固定在主回路母排上，动铁芯通过铆钉连接固定在动铁芯支架上，并通过转轴安装在静铁芯支架上，使得动铁芯可以绕着转轴逆时针旋转到与静铁芯接触，并与之形成闭合的磁回路。当主回路母排中有电流通过时，在母排周围形成磁场，并产生使动铁芯逆时针旋转到与静铁芯接触状态的力矩。反力弹簧安装在螺杆上用于给动铁芯施加反力矩，阻止动铁芯逆时针旋转，并可以通过调节弹簧压缩量来调节反力矩大小，进而调整脱扣器的脱扣整定值。配重块用于调整动铁芯运动组件的重心位置，提高脱扣器的抗冲击能力。分磁片固定安装在主回路母排上，并可以单独与静铁芯一起形成封闭的磁回路，用于分担经过动铁芯的部分磁场，避免整定电流过大导致动铁芯磁饱和。为了提高脱扣器的稳定性和可靠性，动铁芯、分磁片和静铁芯用高导磁材料电工纯铁（牌号：DT4A）制造，其 他 材 料 均 用 不 导 磁 材 料 不 锈 钢（牌 号：1Cr18Ni9Ti）制造。图 1 脱扣器结构组成 2 设计设计与优化与优化 2.1 磁回路分析 如图 2 所示，导磁回路由静铁芯、动铁芯和分磁片组成。当主回路有电流 I 通过时，在周围形成感应磁场，并在该感应磁场的作用下，动铁芯受到向静铁芯旋转的磁场力，可以用式（1）表示。202B SF （1）式中：F 为动铁芯所受的吸力，B 为动静铁芯工作气隙的磁场密度，S 为铁芯有效截面积，0为真空中的磁导率。由式（1）可知，当铁芯横截面一定时，动铁芯所受到的吸力大小与动静铁芯工作气隙的磁场密度 B 有关，磁场密度 B 越大，动铁芯所受到的吸力 F 越大。磁场密度 B 由通过主回路母排的电流 I 产生，根据麦克斯韦理论，电流 I 越大，在周围产生的感应磁场也越大，进而使得吸力 F 越大。但是受铁芯材料和尺寸的影响，能经过铁芯内部的最大磁场密度是一定的，即当通过主回路母排中的电流达到一定值时，周围铁芯达到磁饱和，在铁芯内部产生了最大磁场密度 Bm，当主回路母排中电流继续增大时，铁芯中的磁场密度保持 Bm不变，动铁芯所受的吸力 F 也不会产生变化。图 2 导磁回路系统结构模型图 电磁铁设计必须避免在整定电流值下铁芯磁饱和，否则将会使得该电磁铁无法正确整定。受塑壳断路器本体尺寸的影响，电磁式短路脱扣器的尺寸通常较小，使得铁芯截面不大，当要求的整定电流过高时，铁芯很容易达到磁饱和，并无法通过增大铁芯横截面来解决该问题。为了解决该问题，本文在动铁芯和静铁芯之间设计了分磁片，分磁片和静铁芯一起形成分磁回路，使得部分磁场从分磁片中通过，剩下的磁场从动铁芯通过，可以避免动铁芯磁饱和。在电磁铁设计中，为了使动铁芯所受吸力较大，通过动铁芯的磁场密度应略小于饱和。分磁回路中分磁片处于磁饱和状态，因此可以通过设计分磁片的结构尺寸来控制通过动铁芯的磁场密度，根据塑壳断路器实际安装尺寸设计如图 2 所船电技术|应用研究 Vol.43 No.06 2023.06 82 示的电磁式短路脱扣器结构模型，并以分磁片为主要优化对象建立参数化模型如图 3 所示，分磁片的长 a、宽 b 和厚 c 为优化尺寸。图 3 分磁片参数化模型 2.2 优化分析 采取控制变量法分析分磁片各个设计参数与经过动铁芯磁场密度的关系，并据此优化分磁片的外形尺寸，具体优化过程如图 4 所示。取分磁片的长 a、宽 b 和厚 c 为设计变量，根据安装空间的限制确定各个变量的变化范围，然后选择一组数据作为初始结构，建立参数化模型，进行磁场分析。当电磁式脱扣器动铁芯初始吸力较大时，脱扣器动作较稳定，因此在整定电流值下，铁芯中的磁场密度应该接近饱和较好。本文的铁芯材料为电工纯铁 DT4A，根据该材料的导磁特性，首先选择动铁芯磁场密度为 1.82 T 作为目标（由于铁芯磁场密度不均匀，拾取结果不方便，可以通过动铁芯受力的斜率来分析），对分磁片进行优化，对优化结果再次进行磁场分析，并选择动铁芯所受吸力是否大于 25 N 作为目标再次优化，结果如图 5图 7 所示。图 4 优化过程 图 5 为 b=20 mm，c=1 mm 时，a 在 1530 mm之间变化对 F 的影响；图 6 为 a=30.5 mm，c=1 mm时，b 在 1525 mm 之间变化对 F 的影响；图 7为 a=30.5 mm，b=20 mm 时，c 在 0.21.5 mm 之间变化对 F 的影响。由图可以知道增大 a、b 和 c的尺寸都会减小动铁芯所受的吸力，即可以改善动铁芯的磁饱和情况。首先根据图中 F 值大小选择出相应的参数，然后对每一组参数进行电磁场分析，根据铁芯磁场密度确定最终优化结果。图 5 分磁片长度尺寸与动铁芯所受吸力的关系 图 6 分磁片宽度尺寸与动铁芯所受吸力的关系 图 7 分磁片厚度尺寸与动铁芯所受吸力的关系 2.3 优化结果 根据上述对各个参数的分析结果，确定最终的优化结果如表 1 所示。表 1 优化结果 参数名称 a b c 尺寸（mm）30.5 20 0.5 利用有限元软件分析在上述优化结果下电磁式短路脱扣器的磁场特性。图 8 为脱扣器动铁芯受力与主回路母排电流之间的关系。当主回路母排电流在 820 kA 之间变化时，动铁芯受到的吸力在 1526 N 之间变化，同时动铁芯所受到的吸Vol.43 No.06 2023.06 船电技术|应用研究 83 力也具有足够大的变化趋势，以便于整定。当主回路母排电流为 20 kA 时，动铁芯所受吸力为 26 N，保证了此时脱扣器的弹簧反力，也保证了在此电流下该短路脱扣器的稳定性和可靠性。8000.0010500.0013000.0015500.0018000.0020000.00I A14.0016.0018.0020.0022.0024.0026.0028.00Force newtonzc_tukouqi_20191210F/I 图 8 铁芯所受吸力与电流的关系 图 9 为在 20 kA 整定电流值下该短路脱扣器的云图。由图中可知动铁芯的磁场密度约为 1.9 T，略小于该铁芯材料的磁场密度饱和值（DT4A的磁场密度饱和值为 2.2 T），满足设计要求。图 9 铁芯云图 3 实验研究实验研究 按照前面的分析结果加工物理样机，如图 10所示，将该短路脱扣器安装在 800 A 壳架塑壳断路器主回路母排上，并给主回路母排通入低压大电流，对该短路脱扣器进行瞬动整定试验。试验结果如下：当主回路分别通电 20.2 kA、20.5 kA、20.5 kA、20.3 kA、20.2 kA、20.7 kA、20.3 kA、20.4 kA、20.3 kA、20.5 kA 时，脱扣器均动作，操作机构脱扣；当主回路分别通电 19.5 kA、19.4 kA、19.4 kA、19.5 kA、19.3 kA、19.3 kA、19.4 kA、19.3 kA、19.5 kA、19.4 kA 时，脱扣器不动作，操作机构保持合闸状态。试验结果表明，在 20 kA整定电流值下，该脱扣器铁芯磁场密度未达到饱和，脱扣器可以稳定动作，与分析结果相近，满足设计要求。图 10 电磁式短路脱扣器实物照片 4 结论结论 本文基于一种塑壳断路器对大电流电磁式短路脱扣器进行设计分析与优化，通过设计分磁回路来减少脱扣器动、静铁芯组成的磁回路的磁场，解决了高倍数整定电流值情况下铁芯磁饱和的问题，且脱扣器性能稳定，受周围铁磁物质影响小，并通过实验验证了该优化设计和分析的正确性。参考文献：1 张冠生.电器学:理论基础M.机械工业出版社,1980.2 郭凤仪.电器学M.机械工业出版社,2013.3 连理枝.低压断路器及其应用M.北京:中国电力出版社,2002.4 蔡国廉.电磁铁M.上海科学技术出版社,1965.5 张世远.磁性材料基础M.科学出版社,1988.6 梅亮,刘景林,付朝阳.电磁铁吸力计算及仿真分析研究J.微电机,2012,45(6):6-9.