林福坤
（紫金铜业有限公司 龙岩 364204）
摘要：在对传统旋转刀闸式隔离开关电动稳定性分析的基础上，对主回路结构布置进行了改进设计，最大程度降低了电动斥力对刀闸的转动力矩，在ANSOFT MAXWELL中建模进行有限元仿真计算，最终通过了试验验证，证明该设计切实有效的降低了主回路电动斥力对隔离开关电动稳定性的影响，实现了小体积隔离开关满足较大短路电流的电动稳定性要求。
关键词：隔离开关；电动稳定性；电动斥力
Optimal design of electric stability of rotary tool - gate isolating switch
LinFukun
（ZiJin Copper Co.，Ltd，LongYan 364204，China）
Abstract：On the basis of the analysis of the electric stability of the traditional rotary tool-gate isolation switch，arrangement of main circuit structure was improved design，the greatest degree reduces the electric repulsion force for the rotational torque，modeling simulation calculation in the ANSOFT MAXWELL，eventually passed the test，it is proved that the design can effectively reduce the influence of the main circuit electric repulsion force on the electric stability of the isolating seitch，implements the small isolating switch can satisfy the demands of large short-circuit current electric stability.
Keywords：isolating switch；electric stability；electric repulsion force
引言
隔离开关无灭弧能力，不能带载分合，故当短路电流流经隔离开关时，其必须能承受住短路电流而不发生触头斥开拉弧现象。当电流流经导体时，导体与导体之间就会产生电动力，该电动力与电流的平方成正比，故当短路电流流经导体时就会产生非常巨大的电动力，该电动力产生的转矩会使隔离开关的刀闸斥开而造成事故。电器能承受短路电流电动力的作用而不至被破坏或产生永久变形的能力称为电器的电动稳定性[1]。
短路电流造成的电动力主要有两部分，一部分是电流线在接触点收缩造成的HOLM力，一部分是导电回路结构产生的洛伦兹力。旋转刀闸式隔离开关的电动稳定性也因此有两种表现形式，一种是夹持触指因HOLM力张开，一种是刀闸因洛伦兹力产生的力矩大于摩擦力矩和自锁力矩而斥开，本文主要研究如何降低洛伦兹力。洛伦兹力会受到结构尺寸与安装空间的限制不能被有效降低，通常可以通过增大自锁力、增加触指夹持力和优化回路结构降低洛伦兹力对刀闸稳定性的冲击。但增大自锁力势必会使机构复杂增大开关体积，增加触指压力会增大机械磨损降低开关寿命，故本文从优化回路结构着手进行设计研究，以期达到电动力补偿的效果。
1 刀闸式隔离开关电动力理论分析
刀闸式隔离开关电回路结构比较简单，适合用比奥-沙伐尔进行理论计算分析。现以传统刀闸式隔离开关电回路进行理论分析。
传统刀闸式隔离开关电回路结构如图1，呈几字形。电流回路形成的斥力使回路结构受到如图所示方向的力。l1段代表刀闸，其所承受的电动力最大，对其用比奥-沙伐尔定律进行理论计算分析。
图1 传统几字回路结构
这里可以假设电流线无限细，则l1段受到l2段的电动力为
（1）
Kh—回路因数，仅与导体回路的形状、长度、布置情况有关[2]。
对于该主回路结构l1和l2互相垂直，其回路因数为
（2）
式中y0—为刀闸导电界面特性参数，此刀闸为矩形界面则其为0.224×（长+宽）
将（2）带入式（1）可得
（3）
对于相同的电流i，由式（3）可知F对l2求导后，在l2=0时，F最小，即可以尽量减小电流回路l2的长度来降低电动力。对于隔离开关就需要降低合闸位置刀闸与进出排之间的距离，以达到降低洛伦兹斥力的设计目的。
2 仿真计算
本论文使用Ansoft maxwell有限元仿真分析软件，对传统的和经过优化设计改进的旋转式刀闸隔离开关刀闸所受转矩进行三维仿真计算[3-5]。仿真参数按照实际工况进行设定，短路电流峰值为100kA，本隔离开关实际主回路为两极并联，故单极按照50kA进行计算。
2.1 传统设计回路结构仿真
如图2静触头与进出排为一体，旋转刀闸绕转轴进行分合闸操作，合闸后锁扣力通过自锁轴锁紧旋转刀闸。图3为主回路相关尺寸。
图2 几字形回路分闸位
图3 几字形回路合闸位及相关尺寸
如图4，将模型导入Ansoft中后进行约束、添加激励等操作，相关分析设置为：
Maximum number of passe为1.2，Percent Erro为0.8，Refinement Per Pass为30%。
图4 导入Ansoft中的3D模型
图5为该回路结构的电流密度分布图，从图中电流线可明显看出电流在经过静触头流入出线母排时有明显的一段向下的路径。通过仿真计算算出该段电流在刀闸上产生的旋转力矩，计算结果如图6，最大可达12Nm。
图5 电流密度分布图
图6 旋转力矩计算结果
2.2 改进设计回路结构仿真计算
本文设计改进主要体现在静触头座的结构改变，通过改变静触头座结构达到改变回路结构的目的，最终使得刀闸合闸位基本与电流进出高度相等，最大限度降低电斥力。
如图7为改进后的主回路处于合闸位示意图。
图7 改进设计的主回路结构
相关仿真设置同2.1，最终得到其电流密度分布图，如图8。从电流密度分布图中可明显看出电流线在经过刀闸流入静触头和出线母排时基本对称，因此此电动力在刀闸上产生的旋转力矩势必会得到减小。通过仿真计算得出其刀闸所受旋转力矩如图9，最大旋转力矩降至2Nm左右。
图8 改进回路结构后电流密度分布图
图9 旋转力矩计算结果
经过理论计算比较可明显看出，优化设计改进主回路结构后，刀闸所受到的旋转力矩得到了明显的降低
3 实验验证
两极主回路做并联进行试验，通以1kV，峰值电流为100kA的直流电流，通电时间为38ms。采集电压电流波形如图10。
图10 试验电压电流波形
试验完成后，观察开关状态如图11。由图可以看出隔离开关试验完成以后状态无异常，通过了试验。
图11 试验后开关状态
4 结论
所设计的隔离开关满足了要求，达到了预期目标。通过改进设计主回路结构，极大的降低了电动斥力，降低了刀闸所受的转动力矩。通过较小的锁扣力就可以实现刀闸合闸自锁，所以完全可以通过电机自锁功能实现，如此避免了复杂的自锁机构，很大程度上减小了隔离开关的体积。
利用仿真软件辅助设计，可以进行较为复杂的计算，降低设计工作量。同时可靠的仿真计算可以有效的指导设计工作，使得设计效果清晰明了。
参考文献：
[1]尹天文. 低压电器技术手册[M]. 北京：机械工业出版社，2014.
[2]郭凤仪，李靖. 电器学[M]. 北京：机械工业出版社，2013.
[3]周阳，钟积科，乐洪有. 基于Ansoft的隔离开关触头电动力分析及优化[J]. 船电技术，2016.
[4]黄蔚偈，兰太寿，刘向军. 基于ANSYS有限元法的接触系统电动力分析[J]. 电气开关，2013（4）：18-21.
[5]李兴文，陈德桂，刘洪武，等. 触头间电动斥力的三维有限元分析[J]. 高压电器，2004，40（1）：53-55.
作者简介：
林福坤（1982.11.9-），男，福建龙岩，汉，本科，电气工程师，冶炼加工设备自动控制、供配电；紫金铜业有限公司。
论文作者:林福坤
论文发表刊物:《河南电力》2018年7期
论文发表时间:2018/9/13
标签：回路论文; 电流论文; 力矩论文; 结构论文; 斥力论文; 如图论文; 触头论文; 《河南电力》2018年7期论文;