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低压电器中关键参数仿真设计的研究
2017-04-26 15:59:41  作者:纽春萍 孙昊 杨飞 吴翊等  来源:中国设计师网  
  •   本文总结了低压电器产品设计中的关键参数。针对低压电器中的稳态发热特性、短时大电流情况下动热稳定性、脱扣系统动力学特性以及灭弧特性,分别详细介绍了目前可以实现的仿真方法。前三者所采用的方法包括基于有限元分析的热电耦合、电磁耦合、热电磁耦合、热结构耦合等多种不同种类的耦合场计算。针对灭弧特性采用了基于有限体积法的磁流体动力学计算,并展示了对应的仿真计算结果。通过对关键参数设计方法的总结,展示了目前为止可以实现的整套低压电器设计的方法,为低压电器产品的研发、设计以及产品优化提供了全面的理论体系。

  西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室 纽春萍 孙昊 杨飞 吴翊

  1 引言

  低压电器产品是输配电系统中重要的基础元件。以仿真计算为依托的低压电器设计是目前低压电器研发工作中非常重要的环节,也是国内外低压电器设计研究非常热门的领域[1]。针对低压电器内部诸多关键参数的研发设计,涉及热、电、磁、结构、机械乃至高温等离子体研究等多门学科的复杂开发过程。例如,可以通过热电耦合分析触头间的稳态温升情况[2-3];Kawase利用三维有限元方法计算了固定电接触和低压断路器中的电动力,并验证了霍尔姆力计算公式的正确性[4-5];基于有限元电磁耦合分析与机械特性分析相结合,可以实现对电磁脱扣部件的动力学特性计算[6-7];基于CFD计算流体动力学方法的三维磁流体动力学模型,解决了低压灭弧室中灭弧特性的计算问题[8-9]。

  目前针对低压电器各个关键参数的设计工作,现有文献中的介绍较为分散,没有形成一个完整、统一的体系。同时,针对实际低压电器设计中的各个方面,有些参数的设计在之前的工作中介绍相对较少。本文在已有的低压电器关键参数仿真研究工作的基础上,结合实际低压断路器产品中所需要的关键参数特性,总结了不同特性研究中常用的分析方法,给出了涵盖稳态发热特性、短时大电流情况下动热稳定性、脱扣系统动力学特性以及灭弧特性等相对较为完整的仿真研究体系介绍。最后展示了每个仿真系统对应的仿真结果,并给出了试验数据对比,验证了仿真方法的有效性。这为低压电器产品的研发、设计以及产品优化提供了全面的理论体系。

  2 低压电器仿真设计中的关键参数

  低压电器在实际工作情况下,需要满足以下几个特性:

  (1)能够持续承受额定情况下的长时通流,并保证触头以及内部各个部件不会因为焦耳发热导致其性能劣化;

  (2)在出现大电流情况下触头系统能够承受短时耐受电流,既保证触头系统间不会因短时大电流导致严重的焦耳发热,同时保证触头间不会因电动力斥开导致熔焊;

  (3)在出现长时过载电流或短时短路电流情况下,脱扣系统能够及时、可靠动作,使触头分开从而分断;

  (4)触头分开产生电弧之后,灭弧系统能够迅速分断电弧,并避免重击穿现象发生。因此,低压电器仿真设计中的关键参数可以总结为稳态发热特性、短时大电流情况下动热稳定性、脱扣系统动力学特性以及灭弧特性。针对这些特性,本文分别介绍了对应的仿真方法并总结了目前可以实现的仿真结果。

  3 稳态发热特性

  统计资料显示,在电气系统整机失效机理中,由于电器触点接触电阻过大、触头熔焊和粘结触头材料侵蚀的电接触失效占很大比例。因此对电接触过程进行热分析,不仅能有效分析电接触失效现象,且有助于保证触头系统可靠运行。基于有限元方法的热-电-磁耦合分析可以实现低压电器稳态热过程的分析、设计和校验,可以综合考虑低压电器系统本身各部件,包括触头、连接处、母排等,以及实际型式试验或实际使用工况条件下外接长母排等低压电器各个位置发热情况,其中发热的关键部位为触头接触区域。本文通过在触头位置建立导电桥模型,既模拟了触头间接触电阻随触头压力、触头硬度以及触头温度因素等的变化情况,同时模拟了触头间的电流收缩情况。

  3.1 直流情况下的稳态发热

  随着新能源,如太阳能、通信技术和直流拖动牵引行业的发展,直流电的应用和相应配电保护获得了许多关注[10-11]。低压电器中许多产品开始在直流配电系统中获得了广泛应用,因此对直流通电情况下稳态发热情况的研究也成为一个不可缺少的工作。某塑壳断路器触头系统示意图如图1所示。

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  稳态发热的计算包含两个核心问题:一是考虑触头接触电阻随触头压力、触头硬度等因素的变化;二是确定各个部件表面的散热情况,因此通过试验对比计算结果的准确性非常重要。通过稳态发热测试与散热测试,可以将以上两个关键问题通过试验进行验证。某塑壳断路器不同位置温度变化曲线如图2所示。

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  3.2 交流情况下的稳态发热

  低压电器在交流系统中有非常广泛的应用,因此交流情况下的稳态发热不可忽视。同直流电流不同,交流系统中存在交变的电磁场,电流密度在通电导体内不再是均匀分布,必须考虑电磁场引起的邻近效应和趋肤效应对电流分布乃至温度分布的影响,尤其是在具有多触指触头系统中。某万能式断路器中50Hz稳态电流情况下,温度在不同触指中的分布情况如图3所示。

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  4 短时大电流情况下的动热稳定性

  低压断路器作为配电系统中的重要电器元件之一,用来保护配电网络和工业设备免受过载和短路等故障的损坏。低压电器尤其是万能式断路器一般位于低压配电网络保护特性配合的较高端,保证了低端发生故障时尽可能由低端断路器切除故障,以减小停电范围,所以要求万能式断路器具有延时动作的保护特性,即在短路电流被切断前的一段时间内承受短路电流冲击。表征这个特征的重要参数之一是短时耐受电流Icw,即在规定的使用和性能条件下,在闭合位置时断路器在指定短时间内所能承受的短路电流,是考核在该段时间内断路器能否承受短路电流的电动力和发热所产生的破坏作用,即电动稳定性和热稳定性。

  短时耐受能力仿真主要围绕主触头系统进行,依赖于动静触头间良好的接触状态。在短路电流冲击下,一旦断路器触头发生熔焊,将会使其在需要动作时发生拒分而失效,引发严重的事故。因此,保证触头在短路电流冲击下不发生熔焊是考核其动、热稳定性的最重要内容之一。

  对于断路器来说,短路条件下触头发生熔焊的形式有两种:

  (1)静熔焊。短路电流通过触头的接触斑点时,由于电流线在斑点处的收缩造成电流密度急剧增加,如果接触电阻过大,就会因焦耳热的积累导致局部温度上升,当温度超过触头材料的熔点时,就发生动静触头之间的静熔焊。

  (2)动熔焊。万能式断路器的触头系统所承受的电动力方向通常是引起动静触头之间斥开的方向。

  4.1动稳定性

  断路器触头处于闭合状态时,动触头片所受电动斥力分为洛伦兹力和霍尔姆力两部分。洛伦兹力是因为电流流经回路时出现异向电流,从而产生的斥力;霍尔姆力则是因为动静触头表面粗糙不平,只有极少数导电斑点发生接触,实际接触面积与触头视在接触面积的巨大差距导致电流在流过接触斑点前后发生收缩而产生电动斥力。从本质上来说霍尔姆力也是因异向电流产生,属于洛伦兹力。

  包含洛仑兹力和霍尔姆力的电动斥力计算原理在文献[4-5]中有详细的介绍。短路电流情况下某万能式断路器中不同触头片内磁通密度分布图如图4所示。对应触头片电动斥力随时间的变化如图5所示。

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  4.2 热稳定性

  文献中针对短时大电流情况下的发热计算介绍相对较少。由于这是一个时间短、热电磁结构强耦合的过程,不论从仿真还是试验角度均有较大困难。计算的基本原理在文献[12]中有详细的介绍,某种塑壳断路器触头系统中短时温度变化云图如图6所示。

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  采用高速热成像仪作为试验观测仪器,解决了暂态过程时间短且不易观测的问题,验证了仿真手段的有效性。仿真计算与试验观测的对比结果如图7所示。

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  5 脱扣系统特性

  一般根据实际系统的运行情况,低压电器需要实现以下几种保护功能:大电流脱扣保护,长时过载保护、低电压保护等。相应地为了实现以上多种保护功能,低压电器中的脱扣器一般分为电磁脱扣器、热脱扣器以及智能脱扣器。基于有限元方法,目前可以实现对电磁脱扣器和热脱扣器的性能分析。

  5.1 电磁脱扣器

  电磁脱扣器主要是一种与主电路电流串联励磁的电磁铁。在低压电器领域,电磁脱扣器主要包括拍合式脱扣器与螺管式脱扣器,如图8所示。两者的基本原理是通过电流(载流导体或线圈)产生磁场力,在磁场力的作用下,可动部件进行运动实现脱扣动作。

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  两种脱扣器脱扣特性均采用基于有限元方法的电磁分析,二者基础理论相似。先通过电磁分析,获得电磁铁不同位置、不同励磁电流情况下的吸力特性,结合机构的反力特性,获得不同电流情况下电磁铁可动部件的运动曲线,从而获得不同电流况下不同种类脱扣器的脱扣动作时间[6-7]。

  电磁脱扣器计算结果如图9所示。图9(a)表示以拍合式电磁场为例,利用有限元电磁分析软件获得的磁铁内部磁通密度分布云图。图9(b)表示利用电磁铁的吸力特性,最终获得脱扣时间与脱扣电流的变化曲线。利用获得的电磁铁吸力特性,可以进一步与ADAMS等机构仿真软件结合,获得更为完整的电磁脱扣器动作过程。

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  5.2 热脱扣器

  以低压塑壳断路器为例,为了实现延时过载保护,一般通过双金属元件的发热变形实现热脱扣动作[13]。双金属是由不同热膨胀系数的两层金属彼此牢固结合组合。热膨胀系数高的一层为主动层,低的为被动层。要求二者的热膨胀系数差大,并在一定温度内保持不变,弹性极限大,两层弹性模型模量相等或接近,化学性能稳定,易结合。通常对塑壳断路器来说,过载保护的动作温度为100~130℃,所以选择双金属的允许使用温度范围一定要大于工作中可能达到的最大温度。除此之外,元件的工作温度最好选在线性温度范围内,以便双金属元件具有最高的热敏性能。

  目前来说,随着有限元分析方法的不断发展和完善,可以通过热-电-结构耦合分析,得到双金属元件随时间的形变变化过程,最终获得热脱扣器的脱扣特性。某塑壳断路器中双金属元件局部模型图如图10所示。浅色为导电部分,深色为双金属元件,双金属元件下部固定在导电回路上,电流方向如图中箭头所示。

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  计算得到的双金属元件内部的电流密度分布与变形情况如图11所示。由图11可以明显看到,由于电流密度产生的温度变化导致双金属元件发生了形变,这一形变可以最终推动机构实现脱扣动作。

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  6 灭弧特性

  研究断路器的分断特性从而提高分断能力一直是低压断路器研究的重点,也是行业普遍关心的问题。

  目前,低压断路器广泛采用的辅助灭弧装置为金属栅片灭弧室,其性能优劣直接决定了产品的分断性能。电弧能否在最优的时间内熄灭,很大程度上是由灭弧室的性能决定的。仿真计算中,动、静触头在断路器正常工作时,流过正常的负载电流,导通电路;线路发生短路时,断路器动静触头分开,产生电弧,电弧在动、静触头上停滞一定时间并对触头产生烧蚀,之后沿着引弧金属片运动。动、静触头导电杆将电流导进、导出灭弧室。导杆的几何结构和尺寸决定了灭弧室大部分(另一部分由电弧的结构决定)电流的空间分布,进而一定程度上决定了空间的磁场分布。灭弧栅片由非线性铁磁材料构成,是良好的磁导体,当电弧进入栅片以后,栅片将电弧切割成为若干短弧,由于近极效应,电弧电压上升,限制了短路电流,同时在栅片表面发生强烈的消电离和复合作用,有利于灭弧。外壳的形态则决定了整个灭弧室的几何结构和尺寸,同时也限制了电弧的形态,对电弧的特性也起着重要的作用。灭弧室腔体由空气组成,电弧在空气中会使空气发生强烈的电离,因此空气成为低压断路器的主要灭弧以及绝缘介质,其性能也对电弧特性产生重大的影响。

  针对上述复杂物理过程,可以通过三维磁流体动力学仿真方法实现低压断路器灭弧特性的仿真分析[8-9],获得灭弧室内的压力分布、温度分布、电弧电压、电弧电流、电流密度分布、磁场分布、速度分布等物理量随时间的变化情况,最终可以得到灭弧室内对灭弧性能的优化设计方法。某万能式断路器灭弧室中电弧温度分布情况随时间的变化如图12所示。

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  7 结语

  在目前已有的低压电器关键参数仿真研究工作的基础上,结合实际产品所需要的关键参数特性,总结了不同特性研究中常用的分析方法,给出了一个涵盖稳态发热特性、短时大电流情况下动热稳定性、脱扣系统动力学特性以及灭弧特性等诸多特性的相对较为完整的仿真研究体系。

  针对稳态发热特性,分别给出了直流与交流情况下的温升情况;针对短时大电流情况下触头系统应避免熔焊的要求,给出了包括动稳定性与热稳定性的仿真分析方法;针对脱扣系统,文中给出了目前常见的电磁脱扣器与热脱扣器的计算结果;最后本文对灭弧过程中的关键问题进行了描述,并给出了基于三维磁流体动力学方法的计算结果。本文展示了每个仿真系统对应的方法与结果,为低压电器产品的研发、设计以及产品优化提供了全面的理论体系。

  参考文献

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