- 頭條福州大學科研人員提出高壓直流繼電器磁吹系統的設計方法2022-08-14 作者：蘇偉龍、許志紅 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語針對此問題，福州大學電氣工程與自動化學院、福建省新能源發電與電能變換重點實驗室的研究人員蘇偉龍、許志紅，在2022年第6期《電工技術學報》上撰文，以450V/200A高壓直流繼電器的磁吹系統為研究對象，建立磁吹系統三維有限元模型，重點分析永磁體尺寸對其外部磁場的影響，并建立相關數學模型；分析永磁體外部磁場分布的特點，得出外部磁場分布均勻度與永磁體尺寸的關系。結合高壓直流繼電器的開斷電弧特性，考慮電弧的受力情況及電弧的停滯時間，對永磁體的尺寸、充磁方向及安裝位置進行設計，為提升高壓直流繼電器觸頭開斷性能奠定理論基礎。
高壓直流（High Voltage Direct Current, HVDC）繼電器是新能源產業中的重要控制元件，對新能源汽車、充電樁等運行過程中的穩定性起著重要作用。在研究高壓直流繼電器的進程中，目前在理論方面不夠深入，雖然某些制造開關電器的廠家以仿制的形式得到了部分產品，但未將理論及技術融于產品開發中，造成國內產品的性能和可靠性指標與國外相比均有一定差距。其中，滅弧系統的合理設計是提升繼電器產品性能的關鍵。
繼電器滅弧系統結構緊湊，難以通過添加產氣材料和滅弧柵片來提高觸頭的分斷能力。對于直流繼電器來說，開斷電弧不能像交流系統通過電弧自然過零熄滅，電弧熄滅困難，對觸頭燒蝕嚴重，大大降低產品的電壽命和可靠性，采用外加磁場進行吹弧是目前提高觸頭分斷能力的有效方法之一。
外加磁場可使電弧快速運動到觸頭邊緣，拉長電弧，減少電弧的燃弧時間。而實際永磁體的外部磁感應強度分布是不均勻的，磁場方向隨永磁體安裝位置的不同而變化，這又恰恰對電弧的運動特性產生極大的影響。
吹弧磁場的大小以及方向決定著電弧的運動速度和運動方向。磁場過小會使電弧停滯時間過長、觸頭燒蝕嚴重，大大降低開關的電壽命。磁場的方向決定了電弧的運動軌跡，方向不當會使電弧的運動軌跡過長或運動方向錯誤造成電弧燒蝕觸頭系統其他零部件。若對永磁體的尺寸和安裝位置進行合理設計便能有效改善這些問題。
針對此問題，福州大學電氣工程與自動化學院、福建省新能源發電與電能變換重點實驗室的研究人員蘇偉龍、許志紅，在2022年第6期《電工技術學報》上撰文，以450V/200A高壓直流繼電器的磁吹系統為研究對象，建立磁吹系統三維有限元模型，重點分析永磁體尺寸對其外部磁場的影響，并建立相關數學模型；分析永磁體外部磁場分布的特點，得出外部磁場分布均勻度與永磁體尺寸的關系。結合高壓直流繼電器的開斷電弧特性，考慮電弧的受力情況及電弧的停滯時間，對永磁體的尺寸、充磁方向及安裝位置進行設計，為提升高壓直流繼電器觸頭開斷性能奠定理論基礎。
圖1 三種磁吹系統仿真
圖2 滅弧室簡化模型
科研人員總結本課題的研究成果如下：
1）建立永磁體尺寸對底面磁通量影響的數學模型，該模型可確定任意底面的永磁體其外部磁通量達到飽和時永磁體的高度，提高永磁體的利用率。
2）探究永磁體外部磁感應強度分布的特征，得出永磁體外部磁感應強度分布隨著與永磁體底面距離d的增大可分為四個階段：第一階段，永磁體周邊的磁感應強度大于中心部位的磁感應強度；第二階段，永磁體磁感應強度分布較為均勻；第三階段，中間磁感應強度大于周邊磁感應強度；第四階段，中心磁感應強度繼續減小，永磁體外部磁感應強度再次趨向均勻分布。
3）分析永磁體尺寸對外部磁感應強度分布的影響，得出隨著永磁體高度的增加，均勻度的最大值出現的位置越早，且隨著永磁體的高度增加，均勻度隨d改變的變化速率越快。
4）建立開斷電弧三維模型，分析了外加磁場的磁吹方向對電弧運動的影響，得出通過改變永磁體的安裝位置和充磁方向可以實現單方向吹弧，從而實現觸頭無極性連接方式。分析了吹弧磁感應強度的增大可以加快電弧熄滅，并提出一種能夠提高吹弧磁感應強度的方法。
本文編自2022年第6期《電工技術學報》，論文標題為“高壓直流繼電器磁吹系統的建模與設計”。論文第一作者為蘇偉龍，1994年生，碩士，研究方向為電器及其智能化技術。通訊作者為許志紅，1963年生，教授，博士生導師，研究方向為電器及其智能化技術。本課題得到了福建省2018科技創新領軍人才資助項目的支持。
