一種雙穩態永磁機構真空斷路器的研究與設計

陳子珍，雷小強

（1.寧波職業技術學院，寧波 315800；2.施耐德電氣（中國）有限公司，北京 100102）

0 引言

當前，真空斷路器的使用相當普遍，特別是在12kV電壓等級中占有絕對優勢。多年來用于中壓斷路器操動機構主要有電磁式和彈簧式兩種。這種傳統的電磁操動機構要求合閘電源容量大，操作電流大，電源電壓的波動直接影響合閘速度，目前中壓斷路器已很少使用。彈簧操動機構合閘特性不受電源影響，相當恒定，在一定程度上克服了電磁操動機構的缺點，得到了廣泛的應用。然而彈簧操動機構由于機械零件數目多，長期運行存在機械零件磨損、銹蝕等，同時，制造廠在零件加工精度、表面處理、裝配等工藝控制和質量控制等方面需投入大量的精力，對批量生產產品的一致性帶來了很大的難題。永磁操動機構機械零部件少、操作簡單，進一步提高了斷路器的機械壽命和可靠性，能為真空斷路器操動機構實現免維護提供了可能[1～3]。

1 雙穩態永磁機構的結構及動作原理

圖1為方形結構雙穩態永磁機構的剖面簡圖。主要包括7個部件。

圖1 雙穩態方型永磁機構的剖面簡圖

圖2 雙穩態永磁機構動作過程

圖2為一雙穩態永磁機構操作過程原理圖。動鐵心在靜鐵心間有三個平衡狀態。如圖2(a)所示位置為動鐵心位于靜鐵心的最上方，對應斷路器的分閘狀態。如圖2(c)為動鐵心位于靜鐵心的最下方，對應斷路器的合閘狀態[4]。第三個平衡狀態是動鐵心位于靜鐵心的中部，這時永磁體磁通通過上部和下部磁路空氣隙的磁阻相同，動鐵心的上端和下端受靜鐵心的吸力，大小相等，使動鐵心處于平衡狀態。這種狀態是一種不穩定的平衡狀態，只要上下氣隙有微小的變化，這種平衡就會被破壞，過渡到第一種或第二種平衡狀態。所以動鐵心實際上只存在兩種穩定平衡狀態，即分閘狀態和合閘狀態。因此，圖2所示的這種雙線圈永磁機構又稱作雙穩態永磁機構。

當雙線圈永磁機構處于分閘位置時，永磁體產生的磁力線分布如圖2(b)中曲線I所示。當需要合閘時，在合閘線圈6中通以方向如圖2(b)所示的直流電流，根據電磁感應原理[5]，通電后合閘線圈將產生電磁場，該電磁場磁通由兩部分組成，磁力線方向如圖2(b)中的曲線Ⅱ所示。一部分磁通通過上下磁極且繞過兩個線圈形成回路，磁通方向與永磁體的磁通方向相反，使動鐵心與上磁極間的吸力減小，另一部分磁通繞過合閘線圈通過下磁極形成回路，形成下磁極對動鐵心的吸力。當電流增大到一定值時，由合閘線圈產生的電磁力足以克服永磁體產生的吸力和機械負載時，動鐵心將開始向下運動。當動鐵心向下運動時，動鐵心上端與上磁極間就出現了空氣氣隙，上端的磁阻將迅速增大，下端磁阻減小，使得的靜鐵心上磁極對動鐵心的吸力減小，而下磁極對動鐵心的吸力增大，動鐵心向下的合力迅速增大向下加速運動，使動鐵心下端與靜鐵心下磁極接觸，如圖2(c)所示，完成合閘操作。這時，即使切斷合閘線圈中的電流，動鐵心可以通過永磁體被吸合在下磁極上，保持在合閘狀態。分閘過程和合閘過程正好相反,如圖2(d)所示。

2 雙穩態永磁機構真空斷路器模型設計

圖3 12kV雙穩態永磁機構真空斷路器的設計模型

圖3所示為12kV雙穩態永磁機構真空斷路器設計模型。操動機構與主回路部分前后布置，永磁操動機構布置在絕緣筒后框架內，通過直動式杠桿傳動結構與真空滅弧室動觸頭端直接連接。斷路器主回路部分垂直安裝在斷路器框架上，斷路器框架由普通鋼板焊接成型。當配裝于固定柜時，無須底盤車和上下觸臂；當配裝于手車式開關設備時，可安裝如圖3所示的底盤車和上下觸臂。

3 12kV雙穩態永磁機構真空斷路器設計計算模型[6]

圖4 12kV真空斷路器設計模型結構簡圖

圖4給出了12kV真空斷路器最初的設計模型結構簡圖，根據圖4作出12kV真空斷路器的力特性計算如圖5所示。

圖5 12kV真空斷路器靜態力保持示意圖

圖5中給出了設計的主力臂（166mm）、從力臂（95mm）尺寸，及滅弧室開距（12mm）和超程（4mm）的初設值。

圖6 釹鐵硼退磁曲線

4 12kV雙穩態永磁機構真空斷路器靜態計算

4.1 永磁體工作點確定

釹鐵硼永磁材料的最大特點是退磁曲線幾乎是一條直線，且和回復線基本重合，這樣永磁體的磁性能在運行過程中保持穩定[7]。退磁曲線如圖6所示。當工作點A在回復線的中點時，四邊形的面積最大，此時永磁體有最大的磁能積。以確定永磁體最佳工作點A（Hd，Bd）為依據選擇永磁體的尺寸及外磁路的尺寸。根據選定的釹鐵硼永磁材料退磁曲線，及工程實際，Bd約為0.8T，Hd約為258kA/m。

4.2 永磁體尺寸計算方法[5]

靜態永磁體磁路分析如圖7，在磁路分析過程中，由于永磁操動機構左右對稱，以鐵心中心線為對稱軸，把磁路分為兩半，故分析一半即可。

圖7 永磁體磁路分析圖

圖7中，INm為永磁體磁勢；Rm為永磁體磁阻；R1，R2為鐵心上下端氣隙磁阻。對于氣隙磁阻用式(1)計算：

其中：δ為氣隙長度；S為氣隙截面面積；R為氣隙磁阻。

從上面的磁路分析中，可得各部分的磁通量（忽略軟磁體部分的磁阻）。

在永磁操動機構斷路器中，工作氣隙參數（Sg、Lg）的確定主要以合閘位置為主，當動鐵心在合閘位置時，得到保持力Fb與動靜鐵心工作間隙面積的關系如下：

其中：Sg為動鐵心在合閘保持位置時，動靜鐵心工作間隙的面積。

根據“磁路的第一基本方程”，在假定工作氣隙截面Sg及永磁體截面Sm上磁通密度均勻分布的近似條件下，可以得到以下方程：

根據“磁路的第二基本方程”，在不考慮鐵心和裝配間隙的磁位降的情況下，可以得到以下方程：

其中：Kf為漏磁系數，Kr為磁阻系數，δ2為動鐵心下端與靜鐵心間氣隙長度，δm為永磁體與動鐵心間氣隙長度，Hg為動鐵心在合閘保持位置時，動靜鐵心間隙的磁場強度，對應的磁感應強度為Bg。

Kr值變化較小，一般在1.05～1.45之間。Kf的值在不同磁路結構中，差別很大。機構設計中Kf的確定，有很大的經驗性質，與操動機構的設計結構關系密切，根據本文設計的方型結構，動鐵心在合閘保持位置的Kf取1.2。根據選用動鐵心（低碳鋼）的磁化曲線，按照工程設計經驗，Bg可取1.4T。

于是在方程組(4)、(5)、(6)中，只有Sm、Lm和Sg為3個未知量。設計確定了各氣隙長度δ1、δ2和δm后，通過磁路方程(2)、(3)可求得磁通φm1、φm2，代入式(4)后，聯立方程組(5)、(6)即可得到永磁體工作面面積Sm和厚度Lm和Sg。

4.3 合閘線圈計算[5][8]

合閘等效磁路分析如圖8(a)所示，依據疊加原理[7]，可將合閘磁路分成8(b)和8(c)兩部分。在磁路分析過程中，由于永磁操動機構左右對稱，以鐵心中心線為對稱軸，把磁路分為兩半，故分析一半即可。

圖8 合閘過程磁路分析示意圖

圖8中：IN2為合閘線圈安匝數，INm為永磁體磁勢，Rm為永磁體磁阻，R1，R2為鐵心上下端氣隙磁阻。由圖8可得合閘磁路的基本方程為：

圖8中：IN2為合閘線圈安匝數，INm為永磁體磁勢，Rm為永磁體磁阻（本文用永磁體和鐵心間氣隙磁阻來代替），R1，R2為鐵心上下端氣隙磁阻。

當鐵心處于上部吸合位置，通過增加合閘線圈電流，使上部氣隙磁通減小，鐵心向上吸力F1減小；同時下部氣隙磁通增加，鐵心向下吸力F2增加。此時動鐵心受到的合力Fr為：

其中Fc為額定開距下的觸頭反力的作用力，由滅弧室的性能決定。本文設計實例中的滅弧室規格，一般單相為200N，則Fc計算為：

而吸力（永磁體和合閘線圈產生）可以由下式求得。

這樣即可求得始動安匝數INs。

要使鐵心移動，并滿足一定的速度要求，線圈安匝數必須大于始動安匝數，合閘線圈設計的安匝數為IN2，可設。

其中：k為經驗放大系數，可取1.2～1.5之間。

其中：l為繞組平均扎長；ρ為繞組電阻率；U為直流電壓；S內為繞組導線截面積。

繞組扎數N為：

其中：S為骨架截面積；N為繞組扎數；f為繞組填充系數，取75%。

4.4 分閘線圈計算[5] [8]

分閘等效磁路分析如圖9(a)所示，IN1為分閘線圈安匝數。依據疊加原理[7]，可將分閘磁路分成9(b)和9(c)兩部分。在磁路分析過程中，由于永磁操動機構左右對稱，以鐵心中心線為對稱軸，把磁路分為兩半，故分析一半即可。

圖9 分閘過程磁路分析示意圖

由圖9可得分閘磁路的基本方程為：

如同合閘分析計算過程一樣，可計算出繞組扎數和繞組導線截面積。

5 設計計算實例

5.1 永磁體尺寸及動鐵心面積設計計算[9,10]

以設計額定電壓為12kV，額定電流1250A，額定短路開斷電流為31.5kA的真空斷路器為例。

5.1.1 已知參量

根據圖5所示的操動機構靜態保持力的計算簡圖，可以計算出合閘位置的保持力Fbj。

根據滅弧室要求，合閘位置觸頭簧力為3200N（單相），考慮動鐵心和動觸頭重量影響很小，拐臂旋轉角度很小（約5°），因此合閘位置的保持力Fbj可簡化為：

根據工程設計經驗[11]，永磁體提供的保持力應選取在1.1Fbj～1.25Fbj之間。取設計保持力Fbs=1.2 Fbj=6583N。

對于分閘位置靜態保持力，通過調節分閘位置的工作氣隙，使靜態保持力為1000±100N（工程經驗數值）即可。

圖10 機構設計模型剖視圖

圖10表示了機構模型剖視圖永磁體及線圈的尺寸。將可以確定的已知參量歸納如表1所示。其中：δ1為動鐵心上端與靜鐵心間氣隙長度，數值取動鐵心的行程28mm，δ2為動鐵心下端與靜鐵心間氣隙長度，工程經驗取0.8mm。

表1 永磁體已知參量表

5.1.2 計算結果

表2 永磁體計算參量表

依據方程組(4)、(5)、(6)，運用疊代法進行計算，得到永磁體尺寸及動鐵心的面積如表2所示。

上述Sm為永磁體的總面積，而單塊永磁體的面積應為6688.3mm2。設計模型中，動鐵心D1=50mm，由Sg計算值得到L1=124.4mm，設計時取L1=130mm。實際設計中，永磁鐵設計面積可取130×52（6760mm2），Lm取4mm。

按照上述得到永磁體尺寸，實際裝配完成后進行了合閘位置靜態保持力的測試，實測的永磁體保持力Fbc為6187N，比設計保持力小6%。這與計算時有關工程經驗值的選擇有關，另外實際零件加工的誤差和裝配質量也是重要的影響因素之一。校核該力，為計算保持力Fbj的1.13倍。符合設計要求值的范圍，可以按上述參數進行設計。

5.2 合分閘線圈設計計算[12]

5.2.1 已知參量

設計中將合分閘線圈外型骨架尺寸保持一致，以實際測到的靜態保持力為已知參量，將合分閘線圈的已知參量歸納如表3所示。

表3 線圈已知參量表

5.1.2 計算結果

依據方程式(10)～式(12)，運用疊代法，得到合分閘線圈計算參量值如表4所示。

表4 合分閘線圈計算參量表

由計算的合閘線圈導線截面積2.32mm2可計算出合閘線圈導線的直徑為1.72mm2，分閘線圈導線截面積2.19mm2可計算出分閘線圈導線的直徑為1.67mm2。

6 結束語

當前12kV真空斷路器經過多年的發展，特別是真空滅弧室制造工藝的提高，已基本解決了開斷能力、電壽命及絕緣水平等問題，行業工作者已專注提高可靠性與機械穩定性方面的研究。本文提出設計的永磁機構，利用儲能電容作為操作電源，不受外部電源影響，解決了電磁操作機構電源容量大、操作電流大及電源電壓波動對合閘速度造成影響等問題。在機械結構方面，永磁機構機械零部件大大減少，結構簡單，產品批量生產的一致性得到保障，二次控制回路使用電子控制器，相對彈簧操作機構，控制回路較為復雜，但在實際工程應用中，對電子控制器利用環氧樹脂進行密封，使其耐受高低溫、灰塵等惡劣環境的影響。在型式試驗與大量的工程應用中，機械壽命與操作可靠性明顯提高，達到用戶對機構少維護甚至免維護的要求。但對于更高電壓等級斷路器，由于需要更大的操作功，暴露出其它操動機構的可靠性問題更加突出。如能將永磁機構用于更高電壓等級的斷路器，三相主回路分別使用三個獨立的機構，運用電子控制操作技術[13]，將會進一步提高高壓斷路器的機械可靠性。同時，也將為實現斷路器的同步操作技術提供可能[14]。

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