基于Ansoft Maxwell 2D的PT新型保護裝置用電磁脫扣機構的仿真研究

鄭雪欽，魏明明，易榮先，徐廣令

(廈門理工學院 電氣工程與自動化學院，福建 廈門 361024)

基于Ansoft Maxwell 2D的PT新型保護裝置用電磁脫扣機構的仿真研究

鄭雪欽，魏明明*，易榮先，徐廣令

(廈門理工學院 電氣工程與自動化學院，福建 廈門 361024)

基于Ansoft Maxwell 2D的仿真環(huán)境，對設計電壓互感器新型保護裝置用快速電磁脫扣機構建立仿真模型，并對此環(huán)境下的電磁脫扣機構進行了不同故障電流、勵磁線圈匝數(shù)下的靜態(tài)、動態(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新型保護裝置設計和優(yōu)化提供了依據(jù)，同時將仿真結果對比電磁吸力理論計算分析，驗證了仿真結果的正確性。

Ansoft Maxwell 2D；電壓互感器；快速電磁機構；電磁力；PT保護；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)中重要的保護測量設備，其安全穩(wěn)定運行為系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行提供了保障[1]。電壓互感器一次側新型保護裝置參考模型如圖1所示，主要由真空滅弧室、快速電磁脫扣機構和保護對象電壓互感器構成?？焖匐姶琶摽蹤C構如圖2所示，勵磁線圈串聯(lián)在電壓互感器一次回路中，當PT一次側出現(xiàn)電流過大時，電磁線圈在機構內產生磁通，電磁滑塊在磁通作用下受到電磁吸力向下壓縮彈簧運動，脫扣小球因受到電磁滑塊預壓力減小而釋放分閘拉桿，完成分閘操作。

通過對保護裝置進行ADAMS動力學仿真[2]分析得到對于不同預壓彈簧力，裝置完成脫扣所需的電磁吸力不同，其關系曲線可以看到當預壓緊力取100 N時，需要30 N的電磁吸力才能使機構完成脫扣動作。本文在ADAMS仿真的基礎上利用有限元[3-4]電磁仿真軟件Ansoft Maxwell 2D對保護裝置用快速電磁脫扣機構進行動、靜態(tài)電磁吸力仿真，得到電磁吸力與勵磁安匝數(shù)關系曲線并對比理論計算結果。

圖1 PT一次側新型保護裝置

圖2 快速電磁脫扣機構

1 電磁線圈參數(shù)的理論計算

線圈中有激磁電流，才能建立一定的磁勢，產生磁通和吸力。 電磁鐵計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構參數(shù)和物理參數(shù)之間的基本關系。

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

圖3 脫扣裝置動作氣隙示意圖

1.1 電磁鐵結構因素KΦ和氣隙磁感應強度Bδ的確定

美國學者Roters提出了一個在優(yōu)化條件下與磁感應強度B有關的函數(shù)關系的因素[5]：結構因素[6]，定義如式(1)所示:

(1)

式中Fc為初始位置電磁吸力?？紤]到所設計電磁脫扣裝置漏磁等方面影響，在計算時，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[5-6]，查Bδ=f(KΦ)曲線圖可得到對應KΦ下氣隙磁場強度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—氣隙磁通密度

將相關數(shù)據(jù)代入式(4)：

則滑塊有效直徑：

(5)

由于所設計電磁滑塊為環(huán)形中空結構，為了保證滑塊端面有效面積不變，滑塊實際截面應減去中心部分?？梢涝O計取電磁滑塊內外徑如圖4所示。

dn=6.5 mm，dw=14.5 mm

(6)

1.3 計算所需勵磁磁勢

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%；消耗在各段導磁體上的磁勢占總磁勢的10～25%。根據(jù)文獻[8]可得：

IN=1.25ΦδRδ

(8)

根據(jù)文獻[9-10]：

并代入式(8)中，化簡可得：

(9)

將所得Bδ、δ、和dz代入式(9)，即可得到相應的磁勢為：

IN=3 712 A

(10)

因此，由式(10)計算結果可知，電磁線圈通以大于3 712 A的勵磁磁勢時，可在電磁滑塊上產生一個電磁吸力為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。

2 脫扣裝置動、靜態(tài)電磁仿真

2.1 仿真模型建立及網格劃分

通過在Maxwell中建立相應尺寸模型如圖5所示，對所建立的仿真模型各零件進行材料設置。外磁軛、下端磁軛、靜鐵芯、電磁滑塊設置為電工純鐵，分合閘拉桿、非導磁腔體、上端蓋設置材料為鋁，線圈材料設置為銅。作一個邊長為50 mm的正方形作為邊界，將其設置為空氣。網格劃分采用自由剖分式方法，對電磁脫扣機構內不同部件進行不同細化網格控制，得到機構網格剖分結果如圖6所示。

圖5 快速脫扣機構仿真模型圖

圖6 電磁機構網格剖分圖

2.2 靜態(tài)仿真結果分析

對機構線圈施加不同安匝數(shù)磁勢激勵進行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，及電磁機構內磁場密度B分布圖。如圖7所示為電磁滑塊在距靜鐵芯為11 mm處時所受到的電磁吸力約為48.65 N，滑塊在此位置時，機構磁場密度分布如圖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，因此滑塊在往下運動時，隨著電磁吸力的增大，更利于實現(xiàn)裝置的脫扣動作。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)沿著運動方向取幾個不同的位置點(距離靜鐵芯17 mm、16 mm、15 mm、14 mm、13 mm、12 mm)分別仿真在勵磁磁勢為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)關系

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

2.3 動態(tài)電磁力仿真分析

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

圖10 4 000安匝時滑塊所受動態(tài)電磁力

圖11 線圈匝數(shù)與線圈電流關系曲線

3 結束語

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

[1] 李強.中性點不接地系統(tǒng)電磁式電壓互感器問題綜述[J].華東電力,2011,9(12): 149-153.

[2] FANG S H，LIN H Y，HO S L.Magnetic field analysis and dynamic characteristic prediction of AC permanent-magnet contactor[J], IEEE Transactions on Magnetics，2009，45(7): 2990-2995．

[3] HUA X G, CHEN Z Q. Full-order and multimode flutter analysis using ANSYS, Finite Elements in Analysis and Design, 2008,9(44):537-551．

[4] 謝丹，梅順齊.基于 ANSYS 軟件的磁力驅動機構的磁場分析[D].武漢：武漢科技大學，2009.

[5] VAUGHA N ND'CAMBLE J B.The molding and simulation of a proportional solenoid valve[J].Journal of Dynamic Systems Measurement, and Control,Transactions of the ASME, 1996,118(1):120-125.

[6] 張冠生,陸儉國.電磁鐵與自動電磁元件 [M].北京:機械工業(yè)出版社,1982.

[7] 金為豐,李金偉,楊元泉.防爆型比例電磁鐵的設計[J].礦山機械,1996,24(4):17-20.

[8] 馬飛.本質安全型電磁鐵的關鍵性能分析 [D].太原:太原理工大學,2012.

[9] 張宜華,屈盛官,宋現(xiàn)鋒,等.渦輪增壓器用電液比例閥電磁鐵的 研究[J].機械設計與制造,2010,58(8):91-93.

[10] 婁杰,李慶民,孫慶森,等. 快速電磁推力機構的動態(tài)特性仿真與優(yōu)化設計.中國電機工程學報,2005,25(16)：23-29.

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

福建省自然科學基金計劃項目(2015J01650)資助，廈門理工學院國家基金預研項目(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。 鄭雪欽(1975-),女，福建廈門人，副教授，博士，研究方向：電機控制及電力電子技術應用、新能源控制技術。