CT□型彈簧操動機構分合閘線圈的優化設計

王占國

（平高集團有限公司，河南 平頂山467001）

0 前言

LW35-126型自能式SF6斷路器是我公司為滿足市場需求而開發的新一代六氟化硫斷路器,該斷路器采用自能式滅弧室,三極共用一臺彈簧機構驅動,結構小巧,安裝方便,備受電力用戶青睞,已大批量投入生產,其操動機構用分、合閘電磁鐵線圈完全相同,額定操作電流均為2.8A（DC220V）。

目前，城鄉電網改造正在全國范圍內進行，由于部分電力用戶，特別是一些舊變電站改造的用戶，由于受變電站控制保護系統容量的限制,要求分閘電磁鐵線圈操作電流為2.5A（DC220V）以下,甚至為2.0A以下。同時，為了增強產品的競爭力，另外新增了分、合閘電磁鐵操作電壓為DC110和DC125V兩種規范，為了盡力滿足用戶需要,特進行本課題進行研究。

1 結構簡介

我們知道,電磁鐵是高壓斷路器操動機構中的重要元件之一,電磁鐵的結構多種多樣，但在高壓斷路器操動機構中采用的幾乎都是螺管式電磁鐵。這種電磁鐵的主要部件有：動鐵心、靜鐵心、線圈等。當電磁鐵線圈中通過電流時，在電磁鐵內產生磁通，動鐵心受電磁力的作用動作，通過脫扣機構，使操動機構進行分合閘操作，從而帶動整個斷路器進行分合閘操作。

按照電磁鐵線圈的電源不同可分為交流電磁鐵和直流電磁鐵；按照電磁鐵線圈有無骨架可分為有骨架電磁鐵和無骨架電磁鐵。目前高壓斷路器操動機構中使用的大部分為直流電磁鐵。

2 計算推導分析

電磁鐵產生的電磁力與線圈的的磁勢(即安匝數)有直接的關系:即:

我們常用的電磁鐵線圈的骨架一般有矩形和圓柱形兩種。

對于矩形柱體線圈：

L=2（a+b）+πb0（見圖1)

對于圓柱形線圈：

圖1

圖2

而LW35-126型自能式SF6斷路器所用的電磁鐵線圈為矩形柱體線圈，其骨架具體尺寸如下：

a=48mm

b=35mm

將（3）代入（2）得：

將（4）代入（1）得：

由于受電磁鐵脫扣器結構的限制，在不改變電磁鐵氣隙長度和磁極面積的前提下，由式（5）可以看出，改變電磁鐵線圈導線直徑和線圈匝數可以改變電磁鐵線圈的操作電流。

原電磁鐵線圈導線為0.31mm，匝數為1800匝，操作電流為2.8A，其安匝數為：

NI=1800×2.8=5040（安匝）

在生產過程中我們發現，有極個別分閘電磁鐵在進行出廠試驗時，30%額定操作電壓下能進行分閘操作（不符合有關國家標準規定），說明分閘線圈的磁勢（即安匝數）有點大，應適當減小線圈的磁勢（即安匝數）。

3 小電流（2A）電磁鐵線圈參數計算

為了降低電磁鐵線圈操作電流，我們初步把操作電流設定為2A，為了盡量保持電磁鐵的動特性不變，先按電磁鐵線圈安匝數不變進行計算，則電磁鐵線圈匝數應為：

若保持線圈骨架不變，要增加線圈匝數，則需減小導線直徑，選取線徑為0.29mm的聚酯漆包線。

若線圈每層仍保持75匝，則線圈應有層數為：

圓整后層數應為34層，則線圈匝數為：

N=34×75=2550（匝）

依據以上數據可得出：

注：0.035為聚酯漆包線的漆膜厚度；

0.04為電磁鐵線圈導線間所墊的美濃紙厚度。

L=2（a+b）+πb0=2×（48+35）+π×12.41=204.967（mm）=0.204967(m)對于銅導線，根據GB6109可查得，聚酯漆包線的電阻率ρ為：

ρ最小為0.01695Ω·mm2/m

ρ最大為0.017241Ω·mm2/m

取中間值：

則改進后的電磁鐵線圈安匝數為：

IN=1.625×2550=4144（安匝）

與原安匝數5040安匝,相比減小了900安匝。

為此投制以下兩種線圈進行試驗：

?

試驗結果如下：

對編號1的線圈其額定操作電壓下（DC220V）分閘時間為30ms(技術要求規定的分閘時間為28+-24)，接近分閘時間的上限，分閘時間偏大。30%、65%、120%額定操作電壓下（即66V，143V，264V）的機械操作均滿足國家標準的規定。

對編號2的線圈其額定操作電壓下（DC220V）分閘時間為23 ms接近分閘時間的下限，分閘時間偏小。65%、120%額定操作電壓下的機械操作均滿足國家標準的規定，30%額定操作電壓下（66V）的機械操作不滿足國家標準的規定。

這說明理論計算與試驗結果有一定的偏差。

改進措施：

現對線圈進行改進，保持電磁鐵線圈線徑不變，把其匝數改為2250匝，層數為30層。

則相應的參數為：

其電阻為：

其操作電流為：

對改造后的線圈重新進行試驗，試驗結果如下：

額定操作電壓下（DC220V），分閘時間為28ms，滿足了技術條件的要求，30%、65%、120%額定操作電壓下（即66V，143V，264V）的機械操作均滿足國家標準的規定。

試驗數據如下：

?

結論：

從以上試驗結果可以看出，改進后的線圈分閘時間在產品技術條件規定的范圍之內，各項機械試驗完全滿足有關國家標準的要求，分閘電磁鐵的操作電流降為1.9A，達到了降低電磁鐵操作電流的目的，研究試驗取得成功。

目前，該電磁鐵已運用到生產中，生產80多臺。

4 DC110V和DC125V電磁鐵線圈參數計算

DC110V電磁鐵線圈計算

為了保持電磁鐵安匝數（IN=5040）不變。

將有關參數代入上式得：

查有關材料標準，取電磁鐵線圈導線直徑為0.45。

由于原導線直徑為0.31，匝數為1800。

故原線圈骨架纏繞0.45導線的匝數應為：

故取匝數為1200匝。

每層60匝，共20層。

L=2×（48+35）+3.14×20（0.45+0.032+0.04）

=166+32.7816=198.78

由于原導線直徑為0.31，匝數為1800。

故原線圈骨架纏繞0.425導線的匝數應為：

故取匝數為1300匝。

為此投制以下兩種線圈進行試驗：

?

對上述線圈進行試驗。

5 結論

從試驗結果可以看出，改進后的線圈分閘時間在產品技術條件規定的范圍之內，各項機械試驗完全滿足有關國家標準的要求，試驗取得成功。

目前，DC110V的電磁鐵已運用到生產中，生產30多臺，并已出口到緬甸、尼泊爾等國家。DC125V電磁鐵由于當時是由銷售部門與廣東電力用戶商談的技術改造項目，由于改造合同沒有簽定，最終并沒有用到生產中。