快速真空斷路器電磁斥力機構(gòu)研究

南方電網(wǎng)迪慶供電局 白 雪

前言

電磁斥力機構(gòu)概念在1972年由加拿大 S.Basu和K.D.Srivastava等首次提出，其 工作主要原理為：利用外部電路電容器放電至驅(qū)動線圈，從而使其產(chǎn)生脈沖在附近形成交變磁場，受渦流效應(yīng)在相應(yīng)銅盤中產(chǎn)生感應(yīng)渦流，線圈電流與渦流產(chǎn)生的磁場在相互作用下形成電磁斥力，從而帶動滅弧室動觸頭運動，實現(xiàn)分合閘的開關(guān)[1]。

上世紀九十年代電磁斥力機構(gòu)才被真正應(yīng)用于開關(guān)領(lǐng)域。1993年日本富士電機公司在斥力機構(gòu)的基礎(chǔ)上研制了始動時間不超過1ms的機械開關(guān)。1998年德國在其基礎(chǔ)上進行了進一步的研究，制造出一種可在1250V電壓下分斷275A故障電流的混合式直流斷路器。一年后日本三菱公司首次在真空斷路器中引入進快速斥力機構(gòu)，并制造出一臺始動時間低于1ms、20ms內(nèi)完成故障電流分斷的15kV真空斷路器。

近年來，我國涉及相關(guān)領(lǐng)域的眾多名校均對基于電磁斥力機構(gòu)的快速真空開關(guān)進行了研究，以清華大學(xué)、華中科技大學(xué)以及山東大學(xué)為領(lǐng)頭的高校不僅取得眾多理論成果，且制造出快速機械開關(guān)樣機。

1 斷路器電磁斥力機構(gòu)基本原理

從結(jié)構(gòu)形式上來看，電磁斥力機構(gòu)主要分線圈-金屬盤型與雙線圈型（圖1）。加拿大S.Basu和K.D.Srivastava等提出的線圈-金屬盤型電磁斥力機構(gòu)工作原理為：金屬盤中通過電磁感應(yīng)從而產(chǎn)生渦流，線圈電流與渦流產(chǎn)生磁場從而形成電磁斥力。日本三菱公司提出的雙線圈型電磁斥力機構(gòu)是基于線圈-金屬盤型電磁斥力機構(gòu)的發(fā)展，將金屬盤用可動線圈盤替代，兩個線圈盤用軟連接相連，工作時在其之間流過反向電流從而產(chǎn)生電磁斥力。通過對比分析，在驅(qū)動效率方面雙線圈型電磁斥力機構(gòu)明顯更高，然而受其結(jié)構(gòu)及接線方面較復(fù)雜限制，在實際應(yīng)用上并未被廣泛使用[2]。

圖1兩種形式的電磁斥力機構(gòu)

盡管電磁斥力機構(gòu)結(jié)構(gòu)相對較簡單，但其具體工作過程涉及眾多方面，在對其動作過程進行分析時，需結(jié)合電磁感應(yīng)、渦流場、電路放電及機械運動耦合等，目前難點在于分析的準確性。結(jié)合電磁斥力的計算方法，按照斥力機構(gòu)各參數(shù)對機構(gòu)效率及出力特性的影響，目前主要分為“等效電路的方法”和“場的方法”兩種。前者是將斥力盤等效為單匝或多匝線圈，運用電路以及運動方程計算電磁斥力；后者是利用商業(yè)有限元分析軟件，從而進行仿真模型的建立，通過有限元法求解操動機構(gòu)的動態(tài)過程。

2 斷路器電磁斥力機構(gòu)研究現(xiàn)狀

R.J.Rajotte和M.G.Drouet等加拿大著名學(xué)者通過對一種斥力盤尺寸遠大于放電線圈結(jié)構(gòu)的電磁斥力機構(gòu)進行研究，結(jié)合磁場和等效放電電路兩方面進行電磁斥力計算公式推導(dǎo)并通過試驗進行了驗證，公式計算結(jié)果與試驗結(jié)果之間存在的誤差在正常范圍內(nèi)[3]。

Wei Li和Young Woo Jeong等韓國學(xué)者在利用等效電路法對電磁斥力機構(gòu)進行分析時，將斥力盤進行分割成許多環(huán)形線圈且要求與斥力線圈同軸，斥力盤沿軸向或徑向進行自適應(yīng)分割，提出一種自適應(yīng)等效電路方法，將其與運動方程聯(lián)立后采用龍格-庫塔法求解，從而在很大程度上提高了求解精度[4]。

以婁杰為首的山東大學(xué)研究學(xué)者將斥力盤等效為與斥力線圈平行排列的同軸環(huán)形線圈，得到等效的單匝平行同軸雙線圈模型，從而推導(dǎo)出電磁斥力的基本分析公式[5]。將斥力盤等效為相互獨立的同軸圓形線圈，結(jié)合電壓平衡、麥克斯韋與達朗貝爾運動方程推導(dǎo)出電磁學(xué)和動力學(xué)基本方程。因模型中電磁力、電流、位移等相互耦合，因此提出基于時間和位移雙層循環(huán)的離散迭代算法，并將其與有限元仿真計算結(jié)果對比，對其算法的有效性進行驗證。這一分析方法雖將渦流在斥力盤徑向的分布情況考慮在內(nèi)，但忽略了在軸向的趨膚效應(yīng)，除此之外，運算過程較復(fù)雜且存在不收斂的情況。

海軍工程大學(xué)的武瑾等通過簡化斥力盤等效模型，提出斥力盤等效線圈串聯(lián)的假設(shè)，將斥力機構(gòu)等效為兩個圓盤狀線圈的相互作用[6]。假設(shè)在電磁斥力作用時間內(nèi)，當機構(gòu)均速低于3m/s、互感M不隨位移改變、隨時間變化率dM/dt近似常數(shù)，推導(dǎo)出電磁斥力以及放電電流等動態(tài)特性的表達式，從而獲取機構(gòu)中線圈電感、斥力峰值等變量值，以此將機構(gòu)參數(shù)與驅(qū)動特性二者間的關(guān)系進行直觀的反映。與婁杰等提出的離散迭代算法相反，此方法忽略了渦流在斥力盤徑向的分布，但因假設(shè)斥力作用期間互感M隨時間的變化率dM/dt近似常數(shù)，在計算方面做了很大程度上的簡化，但正是這一原因?qū)е掠嬎憔容^低。

相比于將斥力盤等效為與斥力線圈平行排列的同軸環(huán)形線圈或兩個線圈串聯(lián)的假設(shè)，賀開華工程師將其等效為一匝線圈，從而進行電磁斥力機構(gòu)數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建，并采用Runge-Kutta法在MAPLE軟件中求解，與此同時，通過仿真軟件Ansya Maxwell對此模型進行了驗證。

不同于上述研究方法，華中科技大學(xué)王子建等人直接利用Ansya Maxwell仿真軟件進行快速電磁斥力機構(gòu)仿真模型的建設(shè)，對機構(gòu)動作過程中的各個參量進行仿真分析，一方面能夠獲得機構(gòu)各部分的結(jié)構(gòu)尺寸，另一方面還能了解電磁斥力大小受外部電路各參數(shù)的影響[7]。

為優(yōu)化電磁斥力機構(gòu)性能，主要采用有限元分析軟件Ansya Maxwell建立用于分析動力學(xué)特性的有限元模型，通過仿真直觀的分析動作過程中磁場分布、電磁斥力以及隨時間變化位移及速度的變化情況等。除此之外，還能通過調(diào)整模型的部分參數(shù)，從而達到優(yōu)化其動態(tài)過程的效果。

一般來說，在進行模型參數(shù)的調(diào)整過程中，對其相應(yīng)帶來的操動機構(gòu)自身運動質(zhì)量改變通常選擇忽略不計，并且通常情況下操動機構(gòu)效率優(yōu)化為其單一優(yōu)化對象。然而在實際工程應(yīng)用中，需要優(yōu)化的對象不止一個，并且優(yōu)化對象間可能存在不共存的互斥關(guān)系，因此在選擇優(yōu)化對象和目標時應(yīng)進行全面綜合的考量，尋求折中平衡，從而更好的達到優(yōu)化的效果。如今這方面的研究仍是難點，有待進一步的發(fā)展。