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短路电流条件下智能电表用磁保持继电器触点排斥机制仿真研究

博凯、周雪、翟国富、叶雪蓉、李雯雯、袁瑞明

DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.171860

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项目背景

智能电表作为智能电网的重要终端，不仅具有传统电能表计量用电量的基本功能，而且对信息存储、数据传输、通信控制、防窃电等提出了新的要求。 智能电表代表着智能化、灵活化、绿色节能、高效可靠是智能电网终端的重要发展方向。 磁保持继电器是智能电表的关键核心部件之一，其主要功能是开关和计量。 随着智能电网的快速发展和电网升级改造的不断深入，短路电流引起的继电器触点断开，继而引起电流表爆炸和电气火灾的情况时有发生时有发生，给电网设备安全带来严重隐患，甚至造成不必要的生命财产损失。 因此，分析计算短路电流下的霍尔姆力和安培力，进而优化设计继电器触点系统，对于提高智能电表用磁保持继电器抗短路电流斥力的能力具有重要意义。 .

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论文解决的问题及意义

本文首先通过理论计算分析了不同短路电流、不同接触力、不同布氏硬度系数下触点间的霍尔姆力。 得到作用在动触点上的安培力，结合试验测量得到的触点间接触力和推杆力数据，分析继电器触点在承载短路电流阶段的受力，这很好地解释了磁保持继电器。 短路电流条件下磁头排斥的物理机制。 此外，本文还计算了在动触头（包括动簧片和分流器）侧导电杆长度不同的情况下，动触头上的安培力。 根据分析结果，提出了现有智能电表磁保持继电器优化设计的理论依据。

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论文主要内容

本论文的研究对象是某型智能电表的继电器。 实物照片如图1所示，动触点下方的动导电杆为3层铆接叠片结构。 从上到下分别是大分流器、小分流器和动簧片。 与动触头相连的导电杆整体呈“V”形结构，导电回路电流形成磁场，导电杆引出部分产生的安培力与动触头的电流方向相反活动部分用于抵抗触点之间的霍尔姆力。 受力分析如图2。

图1 智能电表用磁保持继电器

图2 动触点受力分析示意图

论文主要从以下三个方面进行分析和探讨：

(1)霍尔姆力的理论计算

在接触压力一定的情况下，触头间的Holm随着触头材料硬度的增加而增大，触头材料的布氏硬度系数从110 N/mm2下降到70 N/mm2，Holm力减少约 7.7%。 ;;在触头材料不变的情况下，触头间的接触力由1N增加到10N，霍尔姆力下降37.6%。 因此，增加触头间的接触力，降低触头硬度，可以降低触头间的Holm。 这可以从根本上提高继电器在短路电流条件下抵抗触点排斥的能力。

(a) 不同触点间不同接触力和不同材料硬度下的霍尔姆力（电流为5kA）

(b) 不同触点间不同接触力下的Holm力（布氏硬度为80 N/mm2）

图3 不同条件下霍尔姆力的计算值

(2) 电磁场模拟与安培力计算

增加动触头（包括动簧片和大小分流器）一侧的导电杆L的长度，可以增加作用在动触头上的安培力，增加动触头L长度的方案为10mm可满足20kA/20μs的短路电流（如雷电冲击条件等）短时耐受要求； 动导电杆的弯曲位置对动触头所受的安培力影响不大。 但研究表明，动簧片长度的增加会给吸力反作用力的配合带来一定的困难，这个问题有待进一步研究。

图4 不同电流下动触点的安培力

(3) 接触排斥过程模拟

在短路电流条件下，智能电表用磁保持继电器触点打开的过程主要分为四个阶段：首先是动、静触点处于闭合状态，然后是底部的干簧管动触头在霍尔姆力的作用下逐渐弯曲变形。 直到动静触头分离并产生电弧，最后动触头在电弧和其他力的共同作用下被完全排斥。

图5 接触排斥过程总位移仿真结果（电流为5kA）

图6 动触点排斥过程物理机理分析示意图

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综上所述

本文以某型智能电表的磁保持继电器触点系统为研究对象，分析了磁保持继电器动触点在排斥过程中的受力情况。 计算不同电流、不同触点间接触力、不同布氏硬度系数下的霍尔姆力。 建立继电器触头系统的三维电磁场数值仿真模型，通过等效力臂的方法计算不同短路电流条件下动触头所受的安培力，并对动触头侧面的不同导电杆进行分析动触点（包括动簧片、大小分流器））动触点在安培力作用下的长度。 同时用力计测量触点间的接触力等力数据。 根据理论分析和实验测量的结果，很好地解释了磁保持继电器在短路电流条件下动触头排斥的物理机理。 结果表明，适当增加触头间的接触力和移动导电杆的长度，可以在一定程度上有效抑制接触斥力。 该研究可为电磁继电器相关产品的研发提供一定的参考。

引用信息

博凯，周雪，翟国富，等。 短路电流下智能电表磁保持继电器触点排斥机理仿真研究[J]． 电机工程学报, 2018, 38(17): 5238-5245.

博凯，周雪，翟国富，等。 智能电能表磁保持继电器短路电流作用下触点排斥机理仿真[J]. 中国电机工程学报, 2018, 38(17): 5238-5245.

关于作者

哈尔滨工业大学电子电气可靠性研究所成立于2001年1月电表倒转器原理，是国内唯一的军用电器和航天电器专业研究所。 依托哈尔滨工业大学电气与电气专业（国家重点学科），从事电子元器件与系统可靠性基础理论、仿真分析、实验与测试研究20余年。 项目组始终以国家需求为导向，立足航天和军用电器，产、学、研有机结合，已完成或在研科研项目60余项。 其中国家自然科学基金项目14项，国家863项目1项，国防科工委项目11项，总装备部项目9项，导弹工程项目3项第二炮兵装备部延寿工程（含重大专项1项）。 除了上述纵向课题，项目组还通过横向课题合作，积极在全行业推广应用技术。 承担航天军工电器制造企业横向项目15个，民品企业横向项目8个。 合作厂家有航天165厂、国营891厂、国营792厂、桂航3412厂、厦门宏发、科通电子继电器总厂等。获国家科技进步二等奖1项，国防科技进步一等奖1项，省科技进步二等奖1项，三等奖2项，市级科技进步奖3项，出版专着2部，发表学术论文300余篇，其中超过被SCI、EI收录200余项，申请或授权发明专利70余项。

翟国富，男，1964年2月出生，博士后，教授，博士生导师，哈尔滨工业大学电子电气可靠性研究所所长。 社会兼职：总装备部***预研专家组专家，火箭军导弹延寿***专业组组长，中国电工电气产品可靠性研究会副理事长学会、中国电工学会电气产品可靠性专业委员会副主任委员、中国有无继电器标准化委员会委员、国家科技工业局宇高工程联合专家组专家国防和总装备部，国防科技工业局军用电子元器件专家组专家，质量与可靠性专家组可靠性专业组专家，中国协会质量与可靠性专业委员会委员宇航学士，中国电工学会电弧与电接触专委会委员，美国IEEE会员，日本IEICE会员，《机电元件》副主编，《中国电工学会》编委电工学报，可靠性工程，电气设备与能效管理技术，节能技术。 主要科研成果： 近年来，作为负责人完成或在研科研项目60余项，其中：国家自然科学基金项目4项，国家863项目2项，6总装备部预研项目2项，武器装备创新项目2项，专项2项，国防科技局国防基础科研项目2项，重点预研基金项目1项，航天科学与技术3项技术创新基金项目、铁道部科技研发项目2项等。获国家科技进步二等奖1项、国防科技进步一等奖1项、二等奖1项、2项获省科技进步三等奖、市科技进步奖3项，出版专着3部，发表学术论文300余篇，其中SCI、EI收录论文200余篇，授权发明专利50余项。

博凯（1988），男，博士研究生，研究方向为电弧放电等离子体物理与电接触理论、高可靠性电气设计理论与技术等，已发表SCI收录论文4篇电表倒转器原理，EI收录论文5篇，bbokai@qq .com。

周雪（1982），男，博士，副教授，硕士生导师，分别于2005年和2011年获哈尔滨工业大学本科和博士学位，并赴美国加州大学伯克利分校做访问学者从2014.10到2014.10。 多年从事开关电弧理论与实验技术研究。 作为项目负责人完成科研项目10项，其中国家自然科学基金项目1项，国防基础研究项目1项，航天创新基金项目2项。 共发表论文20篇，其中SCI检索12篇，EI检索10篇，授权专利3项。