直流隔离开关触头系统的电动稳定设计

直流隔离开关触头系统的电动稳定设计

张帆

广州白云电器设备股份有限公司 510460

摘要：阐述了直流隔离开关触头系统电动稳定性的计算原理，介绍在DC1500V电压等级下触头系统设计的计算方法，将计算结果与试验结果进行比对，验证了计算公式的可行性，可以为工程师设计直流触头系统提供参考。

关键词：触头系统；电动稳定性；DC1500V

引言

   近几年随着国内风力发电、光伏发电、地铁及轻轨市场发展迅速，对于直流供电系统（如新能源发电系统、轨道交通供电系统、船舶供电系统等）中各类电器元器件的要求也越来越高。用户为了降低投资成本和线路损耗，明确要求直流配电系统的工作电压提升至DC1500V，这对低压电器的设计带来很大的挑战。

   （机械式）开关在正常的电路条件下（包括过载工作条件）能接通、承载和分断电流，也能在规定的非正常条件下（例如短路条件下）承载电流一定时间的一种机械开关电器。其可以接通短路电流，但不能分断短路电流 。所以隔离开关应能满足供电电路发生短路故障时的动、热稳定性要求，而其触头系统的电动稳定性是决定额定短时耐受电流的关键因素。

目前各类资料中对于交流系统的电动稳定性仿真模型和计算方法比较多而且都通过了型式试验的结果验证，但对于直流系统中的电动稳定性设计资料比较缺乏。本文以某项目研制直流隔离开关其额定工作电压DC1500V ，Icw=100kA/0.25s为背景，主要阐述在直流系统中触头系统的设计经验及试验结果。

因为本项目设计要求工作电压高，额定短时耐受电流参数高达100kA，所以直流隔离开关采用万能式断路器（ACB）的结构进行设计。

万能式断路器的动触头系统由多片触头片并行组成，根据试验结果可以发现：动触头片并联支路数对于各个动触头片所受的电动斥力影响较大。随着动触头并联支路数量的增加，各动触头片受力明显减少  。所以在触头系统设计中选择了16片触头，尽量减小单片动触头片受到的电动斥力。

电动稳定性是指断路器或隔离开关能承受短路电流所带来的电动力作用而不会破坏或者产生永久变形的能力。对触头系统而言，就是触头系统在承载短路电流时不应熔焊或者变形，更不应被斥开。在万能式断路器触头系统中，每个动触头片都装配有2个压簧，使触头在合闸时既保持良好接触又产生一定的触头压力，其弹簧力（Ft）是一个关键的设计参数，压力太大会对机构造成很大的负担，影响断路器或隔离开关的机械寿命；压力太小又会增大接触电阻和触头温升，严重时会被电动力斥开。因此设计时必须十分严谨的计算触头弹簧力（Ft）数值。

对于低压电器作用在触头系统上的短路电流电动力主要包括洛伦兹力和霍姆力。目前行业内常见的计算方法，采用仿真计算洛伦兹力，然后用霍姆力公式计算霍姆力，这种方法计算量较大且复杂。为此我们在设计时选用的是使平板触头保持良好接触而不发生熔焊的触头压力一种简单的经验公式   。              

  Fs=8×10  I               （1）

式中  Fs        触头压力（N）；

       I          流过触头的电流(A)；

     对单个触头系统进行简化，触头系统电动力示意图如图1所示，有静导电杆a、接线排b、触头c、软连接d和动导电杆e组成  。

            图1 触头系统电动力示意图

   通过分析示意图，发现触头合闸时存在补偿力，考虑补偿力的影响则有公式：

      Fk=k×Fs               （2）

式中  Fk单个触头片的实际压力（N）；

      K         补偿力系数；

      根据经验k，取0.88。

   触头系统在Icw测试时要满足电动稳定性的要求是：2×Ft＞k×Fs

  由于设计是16片动触头片并联组成，不考虑电流在触片上的分布不均，预期短路电流平均值DC100kA(实际峰值短路电流为DC142kA)，每片触片上流过的电流为142kA/16。代入公式（1），得出Fk=96.221 N；再代入公式（2），Fk=84.68 N 。

 考虑弹簧加工工艺的误差，需要留有约10%余量，最终触头弹簧设计见图2，触头弹簧力Ft=48N 。

      图2 触头弹簧设计图

  其后在某试验站对样机进行额定短时耐受电流试验（DC1500V，Icw=100kA/0.25s），试验顺利通过。试验后的触头系统状态如图3所示，触头系统没有熔焊，仅在触点处有轻微的烧蚀现象。试验结果验证了本计算方法的可行性。

    图3 试验后触头系统状态

     低压电器运行时存在着电、磁、光、热、机械等能量的转换，这些能量转换大多是暂态过程，许多参数变化又是非线性的，它使低压电器的理论分析变得极为复杂。因此，目前产品设计除部分借助理论分析和计算推导外，还必须依赖成熟的经验数据并通过试验予以验证。本文阐述的设计经验和计算方法简单清晰，可以为广大的研发设计人员提供有益的参考价值。

参考文献

 [1] 低压开关设备和控制设备 第1部分：总则 ：GB/T 14048.1-2012。

 [2] 尹天文 何瑞华 低压电器技术手册

 [3] 张广智 尹家灿 赵鹏 王婉璐. 万能式断路器触头系统电动稳定性的仿真计算[J].电器与能效管理技术，2020No.4