高壓直流(High Voltage Direct Current, HVDC)繼電器是新能源產(chǎn)業(yè)中的重要控制元件,對新能源汽車、充電樁等運(yùn)行過程中的穩(wěn)定性起著重要作用。在研究高壓直流繼電器的進(jìn)程中,目前在理論方面不夠深入,雖然某些制造開關(guān)電器的廠家以仿制的形式得到了部分產(chǎn)品,但未將理論及技術(shù)融于產(chǎn)品開發(fā)中,造成國內(nèi)產(chǎn)品的性能和可靠性指標(biāo)與國外相比均有一定差距。其中,滅弧系統(tǒng)的合理設(shè)計是提升繼電器產(chǎn)品性能的關(guān)鍵。
繼電器滅弧系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊,難以通過添加產(chǎn)氣材料和滅弧柵片來提高觸頭的分?jǐn)嗄芰Ατ谥绷骼^電器來說,開斷電弧不能像交流系統(tǒng)通過電弧自然過零熄滅,電弧熄滅困難,對觸頭燒蝕嚴(yán)重,大大降低產(chǎn)品的電壽命和可靠性,采用外加磁場進(jìn)行吹弧是目前提高觸頭分?jǐn)嗄芰Φ挠行Х椒ㄖ弧?/p>
外加磁場可使電弧快速運(yùn)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(yīng)強(qiáng)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(yùn)動特性產(chǎn)生極大的影響。
吹弧磁場的大小以及方向決定著電弧的運(yùn)動速度和運(yùn)動方向。磁場過小會使電弧停滯時間過長、觸頭燒蝕嚴(yán)重,大大降低開關(guān)的電壽命。磁場的方向決定了電弧的運(yùn)動軌跡,方向不當(dāng)會使電弧的運(yùn)動軌跡過長或運(yùn)動方向錯誤造成電弧燒蝕觸頭系統(tǒng)其他零部件。若對永磁體的尺寸和安裝位置進(jìn)行合理設(shè)計便能有效改善這些問題。
針對此問題,福州大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院、福建省新能源發(fā)電與電能變換重點(diǎn)實驗室的研究人員蘇偉龍、許志紅,在2022年第6期《電工技術(shù)學(xué)報》上撰文,以450V/200A高壓直流繼電器的磁吹系統(tǒng)為研究對象,建立磁吹系統(tǒng)三維有限元模型,重點(diǎn)分析永磁體尺寸對其外部磁場的影響,并建立相關(guān)數(shù)學(xué)模型;分析永磁體外部磁場分布的特點(diǎn),得出外部磁場分布均勻度與永磁體尺寸的關(guān)系。結(jié)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(jìn)行設(shè)計,為提升高壓直流繼電器觸頭開斷性能奠定理論基礎(chǔ)。
圖1 三種磁吹系統(tǒng)仿真
圖2 滅弧室簡化模型
科研人員總結(jié)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(shù)學(xué)模型,該模型可確定任意底面的永磁體其外部磁通量達(dá)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(yīng)強(qiáng)度分布的特征,得出永磁體外部磁感應(yīng)強(qiáng)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(yīng)強(qiáng)度大于中心部位的磁感應(yīng)強(qiáng)度;第二階段,永磁體磁感應(yīng)強(qiáng)度分布較為均勻;第三階段,中間磁感應(yīng)強(qiáng)度大于周邊磁感應(yīng)強(qiáng)度;第四階段,中心磁感應(yīng)強(qiáng)度繼續(xù)減小,永磁體外部磁感應(yīng)強(qiáng)度再次趨向均勻分布。
3)分析永磁體尺寸對外部磁感應(yīng)強(qiáng)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(xiàn)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?qū)﹄娀∵\(yùn)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(xiàn)單方向吹弧,從而實現(xiàn)觸頭無極性連接方式。分析了吹弧磁感應(yīng)強(qiáng)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(yīng)強(qiáng)度的方法。
本文編自2022年第6期《電工技術(shù)學(xué)報》,論文標(biāo)題為“高壓直流繼電器磁吹系統(tǒng)的建模與設(shè)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(shù)。通訊作者為許志紅,1963年生,教授,博士生導(dǎo)師,研究方向為電器及其智能化技術(shù)。本課題得到了福建省2018科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才資助項目的支持。