鄭雪欽，魏明明，易榮先，徐廣令

(廈門理工學(xué)院 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福建 廈門 361024)

基于Ansoft Maxwell 2D的PT新型保護(hù)裝置用電磁脫扣機(jī)構(gòu)的仿真研究

鄭雪欽，魏明明*，易榮先，徐廣令

(廈門理工學(xué)院 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福建 廈門 361024)

基于Ansoft Maxwell 2D的仿真環(huán)境，對設(shè)計(jì)電壓互感器新型保護(hù)裝置用快速電磁脫扣機(jī)構(gòu)建立仿真模型，并對此環(huán)境下的電磁脫扣機(jī)構(gòu)進(jìn)行了不同故障電流、勵(lì)磁線圈匝數(shù)下的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性的電磁力仿真研究，得到不同安匝數(shù)下的脫扣裝置中電磁滑塊所受電磁力的大小，為PT新型保護(hù)裝置設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了依據(jù)，同時(shí)將仿真結(jié)果對比電磁吸力理論計(jì)算分析，驗(yàn)證了仿真結(jié)果的正確性。

Ansoft Maxwell 2D；電壓互感器；快速電磁機(jī)構(gòu)；電磁力；PT保護(hù)；電磁滑塊

Abstract: Based on Ansoft Maxwell 2D simulation environment, this paper uses a fast electromagnetic tripping mechanism to establish a simulation model for the designed new protection device for voltage transformers, and makes a simulation study on static and dynamic characteristics of the electromagnetic tripping mechanism in this environment under the conditions of different fault currents and numbers of excitation coils. The strength of electromagnetic force exerted on the electromagnetic slider in the tripping device is thus obtained for different numbers of ampere turns, thus providing a theoretical basis for the design of the new type PT protection device. Furthermore, through comparison between simulation results and theoretical calculation of electromagnetic force, the correctness of the simulation result is verified.

Keywords: Ansoft Maxwell 2D； voltage transformer； fast electromagnetic mechanism； electromagnetic force； PT protection； electromagnetic slider

0 引 言

電壓互感器作為系統(tǒng)中重要的保護(hù)測量設(shè)備，其安全穩(wěn)定運(yùn)行為系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了保障[1]。電壓互感器一次側(cè)新型保護(hù)裝置參考模型如圖1所示，主要由真空滅弧室、快速電磁脫扣機(jī)構(gòu)和保護(hù)對象電壓互感器構(gòu)成?？焖匐姶琶摽蹤C(jī)構(gòu)如圖2所示，勵(lì)磁線圈串聯(lián)在電壓互感器一次回路中，當(dāng)PT一次側(cè)出現(xiàn)電流過大時(shí)，電磁線圈在機(jī)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生磁通，電磁滑塊在磁通作用下受到電磁吸力向下壓縮彈簧運(yùn)動(dòng)，脫扣小球因受到電磁滑塊預(yù)壓力減小而釋放分閘拉桿，完成分閘操作。

通過對保護(hù)裝置進(jìn)行ADAMS動(dòng)力學(xué)仿真[2]分析得到對于不同預(yù)壓彈簧力，裝置完成脫扣所需的電磁吸力不同，其關(guān)系曲線可以看到當(dāng)預(yù)壓緊力取100 N時(shí)，需要30 N的電磁吸力才能使機(jī)構(gòu)完成脫扣動(dòng)作。本文在ADAMS仿真的基礎(chǔ)上利用有限元[3-4]電磁仿真軟件Ansoft Maxwell 2D對保護(hù)裝置用快速電磁脫扣機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)、靜態(tài)電磁吸力仿真，得到電磁吸力與勵(lì)磁安匝數(shù)關(guān)系曲線并對比理論計(jì)算結(jié)果。

圖1 PT一次側(cè)新型保護(hù)裝置

圖2 快速電磁脫扣機(jī)構(gòu)

1 電磁線圈參數(shù)的理論計(jì)算

線圈中有激磁電流，才能建立一定的磁勢，產(chǎn)生磁通和吸力。 電磁鐵計(jì)算主要涉及磁勢方程、電磁吸力方程和發(fā)熱方程。這些方程反映了電磁脫扣裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)和物理參數(shù)之間的基本關(guān)系。

由ADAMS仿真分析知道，當(dāng)分閘彈簧預(yù)壓力為300 N、預(yù)壓彈簧力為90 N時(shí)，脫扣所需電磁吸力為20 N，即設(shè)計(jì)目標(biāo)為在盡可能降低開斷電流情況下，且額定行程為δ=27 mm時(shí)，如圖3所示，電磁滑塊在此處所受電磁吸力為20 N。

圖3 脫扣裝置動(dòng)作氣隙示意圖

1.1 電磁鐵結(jié)構(gòu)因素KΦ和氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度Bδ的確定

美國學(xué)者Roters提出了一個(gè)在優(yōu)化條件下與磁感應(yīng)強(qiáng)度B有關(guān)的函數(shù)關(guān)系的因素[5]：結(jié)構(gòu)因素[6]，定義如式(1)所示:

(1)

式中Fc為初始位置電磁吸力。考慮到所設(shè)計(jì)電磁脫扣裝置漏磁等方面影響，在計(jì)算時(shí)，增加電磁吸力裕量30%，如式(2)所示。

Fc=F(1+30%)=26

(2)

將滑塊所受電磁吸力和最初有效行程δc=27 mm代入上式(1)，求得：

(3)

根據(jù)文獻(xiàn)[5-6]，查Bδ=f(KΦ)曲線圖可得到對應(yīng)KΦ下氣隙磁場強(qiáng)度Bδ為：

Bδ=7050Gs=0.70T

1.2 滑塊直徑dz的確定

根據(jù)麥克斯韋方程組，可推導(dǎo)出電磁吸力方程式[7]：

(4)

式中F為所受電磁吸力，即F=2.6 kg;Bδ—?dú)庀洞磐芏?/p>

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式(4)：

則滑塊有效直徑：

(5)

由于所設(shè)計(jì)電磁滑塊為環(huán)形中空結(jié)構(gòu)，為了保證滑塊端面有效面積不變，滑塊實(shí)際截面應(yīng)減去中心部分?？梢涝O(shè)計(jì)取電磁滑塊內(nèi)外徑如圖4所示。

dn=6.5 mm，dw=14.5 mm

(6)

1.3 計(jì)算所需勵(lì)磁磁勢

圖4 滑塊截面尺寸圖

通過所建立的磁勢方程式，可以求出在脫扣狀態(tài)時(shí)電磁脫扣裝置所需安匝數(shù)，即線圈的磁勢。根據(jù)安培定律，得出磁勢方程式：

IN=ΦδRδ+ΣHili

(7)

式中ΦδRδ為消耗在工作氣隙的磁勢；

Hili為消耗在非工作氣隙和各段導(dǎo)磁體上的磁勢總和。

通常，消耗在非工作氣隙的磁勢占總磁勢的5～15%；消耗在各段導(dǎo)磁體上的磁勢占總磁勢的10～25%。根據(jù)文獻(xiàn)[8]可得：

IN=1.25ΦδRδ

(8)

根據(jù)文獻(xiàn)[9-10]：

并代入式(8)中，化簡可得：

(9)

將所得Bδ、δ、和dz代入式(9)，即可得到相應(yīng)的磁勢為：

IN=3 712 A

(10)

因此，由式(10)計(jì)算結(jié)果可知，電磁線圈通以大于3 712 A的勵(lì)磁磁勢時(shí)，可在電磁滑塊上產(chǎn)生一個(gè)電磁吸力為26 N的電磁吸力，使得裝置脫扣，電壓互感器被切除，即電壓互感器得到保護(hù)。

2 脫扣裝置動(dòng)、靜態(tài)電磁仿真

2.1 仿真模型建立及網(wǎng)格劃分

通過在Maxwell中建立相應(yīng)尺寸模型如圖5所示，對所建立的仿真模型各零件進(jìn)行材料設(shè)置。外磁軛、下端磁軛、靜鐵芯、電磁滑塊設(shè)置為電工純鐵，分合閘拉桿、非導(dǎo)磁腔體、上端蓋設(shè)置材料為鋁，線圈材料設(shè)置為銅。作一個(gè)邊長為50 mm的正方形作為邊界，將其設(shè)置為空氣。網(wǎng)格劃分采用自由剖分式方法，對電磁脫扣機(jī)構(gòu)內(nèi)不同部件進(jìn)行不同細(xì)化網(wǎng)格控制，得到機(jī)構(gòu)網(wǎng)格剖分結(jié)果如圖6所示。

圖5 快速脫扣機(jī)構(gòu)仿真模型圖

圖6 電磁機(jī)構(gòu)網(wǎng)格剖分圖

2.2 靜態(tài)仿真結(jié)果分析

對機(jī)構(gòu)線圈施加不同安匝數(shù)磁勢激勵(lì)進(jìn)行2D靜態(tài)仿真，并記錄電磁滑塊在距靜鐵芯不同位置所受到的電磁力，及電磁機(jī)構(gòu)內(nèi)磁場密度B分布圖。如圖7所示為電磁滑塊在距靜鐵芯為11 mm處時(shí)所受到的電磁吸力約為48.65 N，滑塊在此位置時(shí)，機(jī)構(gòu)磁場密度分布如圖8所示。

圖7 電磁滑塊靜態(tài)電磁力

圖8 電磁滑塊距離靜鐵芯11 mm位置處時(shí)磁場分布

由圖8可以看到，電磁滑塊越靠近靜鐵芯，穿過電磁滑塊的磁力線即越密，說明其所受到的電磁吸力越大，因此滑塊在往下運(yùn)動(dòng)時(shí)，隨著電磁吸力的增大，更利于實(shí)現(xiàn)裝置的脫扣動(dòng)作。本文在做靜態(tài)仿真過程中，將電磁滑塊最初位置(距離靜鐵芯17 mm)沿著運(yùn)動(dòng)方向取幾個(gè)不同的位置點(diǎn)(距離靜鐵芯17 mm、16 mm、15 mm、14 mm、13 mm、12 mm)分別仿真在勵(lì)磁磁勢為3 000、4 000、5 000、6 000、7 000安匝磁勢下所受靜態(tài)電磁力大小，并記錄數(shù)據(jù)擬合曲線如圖9所示。

圖9 不同氣隙下電磁吸力與安匝數(shù)關(guān)系

從圖9可以看到，電磁滑塊受到的電磁吸力隨著勵(lì)磁磁勢安匝數(shù)的增大而不斷增大，在線圈通以相同磁勢安匝數(shù)時(shí)，電磁滑塊所受到的電磁吸力隨著氣隙的減小而不斷增大，這與實(shí)際運(yùn)動(dòng)電磁鐵相符合。

2.3 動(dòng)態(tài)電磁力仿真分析

通過觀察圖10中電磁滑塊運(yùn)動(dòng)過程中所受電磁力曲線可以知道，隨著電磁滑塊向下運(yùn)動(dòng)，其所受到的電磁吸力明顯增大，這與靜態(tài)仿真結(jié)果相吻合。為了得到一定電磁吸力作用下，改變線圈匝數(shù)條件下能實(shí)現(xiàn)脫扣動(dòng)作下的電流值和改變動(dòng)作電流值條件下所需線圈匝數(shù)關(guān)系，得到曲線如圖11所示。當(dāng)PT保護(hù)裝置脫扣所需電磁吸力一定時(shí)，則其在線圈中所建立的磁勢為一定值，因此，如果要提高保護(hù)裝置的動(dòng)作靈敏度，即降低保護(hù)裝置動(dòng)作電流，只需要將線圈匝數(shù)同比例增大，且較小的開斷電流對保護(hù)電壓互感器而言是極為有利的，但是動(dòng)作電流也不能太小，防止因增大線圈匝數(shù)而帶來的保護(hù)裝置體積變大的問題。

圖10 4 000安匝時(shí)滑塊所受動(dòng)態(tài)電磁力

圖11 線圈匝數(shù)與線圈電流關(guān)系曲線

3 結(jié)束語

本文通過利用有限元軟件Ansoft Maxwell 2D對PT保護(hù)裝置用快速電磁脫扣機(jī)構(gòu)中電磁滑塊所受電磁吸力進(jìn)行了靜態(tài)磁場分布、靜態(tài)電磁力和動(dòng)態(tài)電磁力仿真，得到了動(dòng)、靜態(tài)不同勵(lì)磁安匝數(shù)下電磁滑塊所受電磁吸力曲線，并將所得結(jié)果與線圈電磁力理論計(jì)算對比分析，所得結(jié)果誤差較小，因此，Ansoft Maxwell 2D軟件的仿真結(jié)果可以為PT新型保護(hù)裝置的研究提供一定的數(shù)據(jù)參考依據(jù)。

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A Research on the Simulation of Electromagnetic Tripping MechanismUsed for New-type PT Protection Devices Based on Ansoft Maxwell 2D

Zheng Xueqin, Wei Mingming, Yi Rongxian, Xu Guangling

(College of Electrical Engineering and Automation, Xiamen University of Technology, Xiamen Fujian 361024, China)

10.3969/j.issn.1000-3886.2017.03.014

TM712

A

1000-3886(2017)03-0042-03

定稿日期: 2016-09-27

福建省自然科學(xué)基金計(jì)劃項(xiàng)目(2015J01650)資助，廈門理工學(xué)院國家基金預(yù)研項(xiàng)目(XYK201403)資助

魏明明(1990-)，男，江西南昌人，研究生，研究方向：高電壓絕緣技術(shù)。 鄭雪欽(1975-),女，福建廈門人，副教授，博士，研究方向：電機(jī)控制及電力電子技術(shù)應(yīng)用、新能源控制技術(shù)。