液压电磁式断路器建模与分析.pdf

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电器与能效管理技术（2015No9）研究与分析液压电磁式断路器建模与分析冰姚国华，许志红（福州大学电气工程与自动化学院，福建福州350116）摘要：

建立了液压电磁式断路器电磁机构脱扣特性的仿真分析模型，通过有限元软件Ansys计算不同情况下的电磁吸力，分析其与气隙和衔铁角度的关系，为吸反力的配合提供参考依据。

在LabView软件中搭建电磁机构的动态数学模型，通过修改硅油粘度和弹簧（扭簧）等参数，分析脱扣特性的变化，为设计性能优良的断路器产品提供了理论基础。

关键词：

液压电磁式断路器；电磁机构；三维建模：

有限元分析中图分类号：

TM561文献标志码：

A文章编号：

20958188（2015）09-0008-07姚国华（199l一），男，硕士研究生，研究方向为智能电器及其在线监测。

ModelingandAnalysisofHydraulicMagneticCircuitBreakerYA0Guohua，XUZhihong（SchoolofElectricalEngineering，FuzhouUniversity，Fuzhou350116，China）Abstract：

ThesimulationmodelofhydraulicmagneticcircuitbreakerwasestablishedThroughthefiniteelementsoftwareAnsystocalculatetheelectromagneticforceunderdifferentconditions，thispaperanalyzeditsrelationwithairgapandangleofthearmatureThebasisforelectromagneticforceandcounter-forcetocooperatewasprovidedAdynamicmathematicalmodelofelectromagneticorganizationinLabViewsoftwaewasbuiltBychangingtheviscosityofsiliconeoilandspring（torsionspring）parameter，itanalyzedthevariationofthetrippingcharacteristicThislaidthetheoreticalfoundationfordesigningthecircuitbreakerproductwithexcellentperformanceKeywords：

hydraulicmagneticcircuitbreaker；electromagneticorganization；3Dmodeling；finiteelementanalysis0引言常见的小型断路器有热磁式和液压电磁式两种。

液压电磁式断路器采用了液压电磁脱扣装置，液压机构中的液压油采用了粘度较为稳定的硅油，使断路器脱扣特性受环境温度影响较小，工作稳定可靠，可不考虑因周围环境温度过高而降容使用。

其特殊结构使过载脱扣和短路脱扣一体化，可以广泛应用于计算机及其外围设备、工业自动控制系统、铁路机车、通用电源系统，特别适合一些对保护精度要求较高的场合。

改变断路器电磁机构一些结构参数，如线圈匝数、油杯尺寸、硅油粘度等，可以获得不同的脱扣特性。

在小型断路器的设计中，往往通过经验公式来计算脱扣器的一些参数，方法简单，但是需要经过多次的修改和验证才能确定最终的参数，而且误差较大。

随着计算机技术的发展与仿真分析软件的快速发展，利用有限元法对磁场进行分析已经成为工程技术领域中必不可少的先进手段_1j。

文献8-l0均利用仿真分析软件分别进行了结构设计、建模和特性分析等。

本文采用有限元法，以液压电磁式断路器的电磁机构为研究对象，来分析断路器的工作特性，可以提高计算精度和缩短研发周期，为产品的优化设计提供理论依据。

许志红（1963一），女，教授，博士生导师，研究方向为智能电器及其在线监测。

基金项目：

国家自然科学基金项目（51277031）一8一电器与能效管理技术（2015No9）研究与分析3I-+393429-24誊一黧譬14圳二；吉iii宣皇吉釜釜黧；ii024681002一。

一一o角度（。

）（a）铁心吸力角度（。

）（b）衔铁吸力矩图5铁心吸力和衔铁吸力矩与衔铁角度的关系分析图4和图5，可知：

（1）当衔铁角度固定时，衔铁吸力矩和铁心吸力随着气隙的减小而增大。

当气隙1mm时，其增大的幅度比较小；当气隙1mm时，其快速上升。

（2）当气隙固定时，铁心吸力随着衔铁角度的减小而增加的幅度不大。

在气隙为005mm，即铁心位于极靴处附近，且衔铁角度2。

时，衔铁吸力矩随着衔铁角度的减小而快速增大。

23铁心和极靴参数对电磁吸力的影响极靴和铁心是磁路的组成部分，改变其截面积，将会改变磁路的磁阻，影响磁场强度，使端面磁通量发生变化，从而对铁心、衔铁受到的吸力和吸力矩产生影响。

将铁心的上部和极靴的截面积减少30后，计算的铁心吸力和衔铁吸力矩与原参数下的进行对比，分别如图6和图7所示。

z0气隙mm气隙mm（a）衔铁角度为lO。

时（b）衔铁角度为0。

时图6改变参数前后铁心吸力对比。

气隙mm气隙mm（a）衔铁角度为l0。

时（b）衔铁角度为0。

时图7改变参数前后衔铁吸力矩对比一10一由图6可见，减小截面积后，当气隙较大时，铁心吸力几乎不变；当气隙15mm时，铁心吸力略有减小。

由图7可见，减小截面积后，当气隙较小时，衔铁吸力矩减小随着气隙的减小也更加明显。

当气隙和衔铁角度较大时，磁路的磁阻主要由气隙的空气组成，铁心和极靴截面的减小对整个磁路磁阻的影响不明显，可忽略不计；当气隙和衔铁角度较小时，磁路导磁部分的磁阻也随之增加，此时铁心和极靴的截面减小将导致磁路磁阻的增加，磁感应强度减小，使铁心吸力和衔铁吸力矩明显减小。

3脱扣特性分析以上分析的是电磁机构的平均吸力，但是实际上断路器的动作是一个动态的过程。

线圈与主回路串联在一起，铁心吸力和衔铁吸力矩是随着线圈电流大小和（铁心和衔铁）空间位置的变化而改变，而铁心吸力和衔铁吸力矩的变化又影响着铁心和衔铁的空间位置。

因此断路器能否可靠、实时、适时动作，需要进一步分析其动态过程。

31动态数学模型的建立311动态微分方程组油杯中的铁心为直动式，衔铁为拍合式。

铁心在运动过程中受到电磁吸力和油阻尼力、弹簧反力的共同作用；衔铁受到吸力矩和扭簧反力矩作用。

在铁心和衔铁的运动过程中，电路上必须遵循电压平衡方程，磁场上必须遵循麦克斯韦方程，运动上必须遵循达朗贝尔运动方程。

这些方程间存在相互的联系，构成了描述动态过程的微分方程组，即=iR+业dtm=一（，警）一（）

（1）面1，=一ld【式中：

线圈两端的电压；线圈电流；R线圈电阻；研究与分析电器与能效管理技术（2015No9）电磁系统全磁链；时间；m油杯中铁心的质量；油杯中铁心的位移；F铁心电磁吸力；铁心弹簧反力；F铁心油阻尼反力；铁心运动速度；衔铁旋转角度；，_一衔铁绕其旋转轴的转动惯量；折算到极靴表面中心处的衔铁吸力转矩；衔铁扭簧的反力转矩；衔铁角速度。

由于该断路器的线圈回路即为主回路，线圈电流由主电路决定，因此可不考虑线圈电压和系统磁链，铁心、衔铁受到的电磁吸力可直接由主回路电流，结合衔铁角度和铁心位移通过插值得到。

312油阻尼力的计算油杯中的硅油结构为圆柱环形间隙流动。

幂律流体圆柱环形间隙流动阻尼的阻尼力F为nF：

c

（2）式中：

c阻尼器的阻尼系数；粘滞流体阻尼力的的幂指数。

一

（二）（2ct+1）（JD2一）1。

一2h缸【（D+Do）J（3）其中，在低剪切速度下，O一1。

式中：

硅油粘度系数；下铁心高度；D油杯内径；下铁心直径；d上铁心直径；油杯与下铁心的间隙。

313反力矩的计算本文研究的断路器为拍合式结构，扭簧安装在衔铁上。

当电路发生过载时，随着铁心的移动，气隙越来越小，衔铁吸力矩逐渐增大；当衔铁吸力矩大于扭簧提供的反力矩时，衔铁便开始运动，因此扭簧的参数特性和安装扭矩将会影响断路器的脱扣时间。

扭簧的刚度是指单位角位移产生的角回程扭矩，表达式为K=而Ed4UlZ）4（D）o式中：

卜工作扭矩；工作扭矩下的变形角；E弹簧材料的的弹性模量；d弹簧材料直径；n有效圈数；D弹簧的中径。

32动态数学模型的求解动态数学模型中需要对各个微分方程进行求解，可以采用数值法求解，将时间变量t离散化，采用四阶龙格一库塔法求解。

本文以LabView软件为平台，通过LabView的控制设计和仿真工具包，可以快速地建立断路器电磁机构动态模型，对其进行动态特性计算与分析。

动态计算流程图如图8所示。

其中铁心位移、速度和衔铁角位移、角加速度的初始值为0。

铁心位移衔铁角位移图8动态计算程流程图33动态过程分析样机的额定电流为AC25A。

输入一条有效值为3125A（1251）的电流曲线，分析铁心和衔铁的运动情况。

油杯内气隙和衔铁角度随时间变化情况分别如图9和图l0所示。

由图9可见，当t70s时，铁心基本匀速朝极靴方向运动，气隙逐渐减小；当70s74s时，铁心的运动速度越来越快，此时气隙较小，导致铁心吸力增大；当t=74S时，铁心运动至极靴处。

由图10可见，在铁心运动至极靴之前，衔铁几乎保持不动；当铁心运动至极靴时，衔铁吸力矩一11电器与能效管理技术（2015No9）研究与分析l210Dv86援4囊zO图9气隙随时间变化情况时间s一8囊：

耋2。

74图10衔铁角度随时间变化情况大于扭簧反力矩，衔铁在经历几个周期的振动后，转动至极靴面附近，断路器跳闸分开。

34影响脱扣特性的因素铁心在运动过程中受到反力有自身重力、油阻尼力和弹簧的反力，衔铁受到反力矩主要由扭簧提供。

当铁心的规格和材料确定后，重力也就确定，无法改变。

因此影响断路器脱扣特性的主要因素有硅油、铁心弹簧和衔铁扭簧。

341硅油粘度对脱扣特性的影响油杯中的硅油作为阻尼油，来调节断路器过载时的延时时间。

保持其他参数不变，仅改变硅油粘度，可得不同脱扣特性。

为了便于分析，将硅油粘度为500mms、800mms、1000mms时脱扣时间与电流的关系绘制成脱扣特性曲线，如图11所示。

图11硅油粘度对脱扣特性的影响一12一由图11可见，在原设计参数下，断路器在2900A电流下（1161），硅油粘度从500mms到1000mms，均不会脱扣。

同时在这几种硅油粘度下油杯内的铁心都会缓慢运动到极靴处，此后在电流的一个周期内大部分时间衔铁吸力矩扭簧反力矩，衔铁只会振动，其角速度和角位移曲线分别如图l2和图13所示。

衔铁并不会转动至极靴面，因此断路器不会动作。

f鼍瑙嘏一图12衔铁角速度图13衔铁角位移曲线硅油粘度不同，铁心在相同速度下受到油阻尼力也不同，由式

（2）和（3）可知，硅油粘度越大，铁心受到的油阻尼力也越大，导致铁心在油杯中的运动也越慢，因此脱扣时间也增加。

随着硅油粘度的增加，在相同电流下，断路器的脱扣时间也增加，并且随着电流的减少，脱扣时间增加的也越来越长。

342油杯与下铁心的间隙对脱扣特性的影响由于油杯内径D和粗铁心（下铁心）的直径存在一定的加工误差，实际产品中油杯与下铁心的间隙h=（DD。

）2在一定范围内变动。

由式（3）可见，此项参数的不同将影响阻尼系数。

对于不同的D一

（2）数值，分别进行仿真，并与样机实测进行对比，如图14所示。

研究与分析电器与能效管理技术（2015No9）图14不同间隙下的脱扣曲线由图14可见，油杯内径D与粗铁心的直径Dn的差值h对脱扣曲线影响较大。

由式（3）可知，油阻尼力Fcc1h。

根据样机的参数，（hi）=5832，即采用相同粘度的硅油且铁心运动速度相同的情况下，不同批次产品的铁心受到油阻尼力最大可能相差5倍多，因此不同h值下的脱扣曲线的相差较大。

这可能会导致不同批次产品的脱扣曲线具有较大分散性。

在能满足脱扣要求的前提下，不应将h值设计得过小。

343铁心弹簧参数对脱扣特性的影响保持其他参数不变，仅改变弹簧的刚度，得到不同电流下脱扣时间如表1所示。

表1不同弹簧刚度下断路器脱扣时间s保持其他参数不变，仅改变弹簧的初始压缩量，得到不同电流下脱扣时间如表2所示。

表2弹簧不同初始压缩量下脱扣时间s当电流较小时，只有等到铁心运动至极靴附近时，衔铁吸力矩才能克服扭力反力矩而使衔铁转动至极靴面，断路器跳闸断开。

增大弹簧的刚度或者初始压缩量，都将使铁心受到的反力增大，从而导致铁心运动至极靴附近的时间增长，脱扣时间也因此增加；当电流较大时，铁心还未运动至极靴附近，此时的衔铁吸力矩已经足以克服扭簧反力矩使衔铁转动，因此此时增大弹簧的刚度或者初始压缩量对脱扣时间的影响不大。

由此可知，增大弹簧的刚度或者初始压缩量，将使脱扣时间增长。

随着电流的增大，这种趋势也逐渐减弱。

344扭簧安装扭矩对脱扣特性的影响保持其他参数不变，仅改变扭簧的安装扭矩，得到不同电流下脱扣时间如表3所示。

表3扭簧不同安装扭矩下脱扣时间s由表3可知，扭簧安装扭矩的变化基本不会影响铁心的运动，而断路器的脱扣时间主要由铁心的运动快慢决定，因此扭簧安装扭矩的变化对脱扣时间的影响很小。

但安装扭矩的大小会影响扭簧反力矩的大小，安装扭矩越大，则在相同衔铁角度下的扭簧反力矩也越大。

在相同的电流情况下，当铁心运动到极靴附近时，安装扭矩增大可能导致衔铁吸力矩无法克服扭簧反力矩而转动至极靴面，如将安装扭矩从2184Nmm提高到2275Nmm，在电流为3000A时断路器就无法脱扣。

因此扭簧安装扭矩的变化对脱扣时间的影响很小，而对断路器的脱扣电流产生影响，安装扭矩越大，断路器的脱扣电流也越大。

4结语本文借助Ansys软件和LabView软件对液压一】3一电器与能效管理技术（2015No9）研究与分析（上接第7页）

（2）从散裂粒子的角度来说明器壁产气材料对电弧特性的影响是一种新的观点，可进一步从工程应用的角度进行研究。

（3）要提高更高电压下低压断路器的分断能力，测量栅片的电压是一种有效的途径，可结合二维光纤测试系统或高速摄像机观测电弧形态，从而为灭弧室的优化设计提供可靠的依据。

（4）低压断路器的数字化设计方法及其专用分析软件是实现产品最优化设计的高效工具，已在产品研发中获得推广应用，针对新的技术需求，可进一步开展深入研究。

14【参考文献】1NAKANOT，TANAKAY，UESUGIY，eta1SpallationoccurrencecontrolbymixingphthalateestersinpolyamidematerialforpolymerablationassistedcircuitbreakersC20InternationalConferenceonGasDischargesandtheirApplications，2014：

2152182HAUERW，ZHOUXRe-ignitionandpostarccurrentphenomenainlowvoltagecircuitbreakerC27InternationalConferenceonE1ectricalContacts，2014：

398-403收稿日期：

2015425