陳子珍，雷小強(qiáng)

（1.寧波職業(yè)技術(shù)學(xué)院，寧波 315800；2.施耐德電氣（中國(guó)）有限公司，北京 100102）

0 引言

當(dāng)前，真空斷路器的使用相當(dāng)普遍，特別是在12kV電壓等級(jí)中占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。多年來用于中壓斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)主要有電磁式和彈簧式兩種。這種傳統(tǒng)的電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)要求合閘電源容量大，操作電流大，電源電壓的波動(dòng)直接影響合閘速度，目前中壓斷路器已很少使用。彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)合閘特性不受電源影響，相當(dāng)恒定，在一定程度上克服了電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的缺點(diǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用。然而彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)由于機(jī)械零件數(shù)目多，長(zhǎng)期運(yùn)行存在機(jī)械零件磨損、銹蝕等，同時(shí)，制造廠在零件加工精度、表面處理、裝配等工藝控制和質(zhì)量控制等方面需投入大量的精力，對(duì)批量生產(chǎn)產(chǎn)品的一致性帶來了很大的難題。永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)機(jī)械零部件少、操作簡(jiǎn)單，進(jìn)一步提高了斷路器的機(jī)械壽命和可靠性，能為真空斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)免維護(hù)提供了可能[1～3]。

1 雙穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)及動(dòng)作原理

圖1為方形結(jié)構(gòu)雙穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)的剖面簡(jiǎn)圖。主要包括7個(gè)部件。

圖1 雙穩(wěn)態(tài)方型永磁機(jī)構(gòu)的剖面簡(jiǎn)圖

圖2 雙穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)動(dòng)作過程

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

當(dāng)雙線圈永磁機(jī)構(gòu)處于分閘位置時(shí)，永磁體產(chǎn)生的磁力線分布如圖2(b)中曲線I所示。當(dāng)需要合閘時(shí)，在合閘線圈6中通以方向如圖2(b)所示的直流電流，根據(jù)電磁感應(yīng)原理[5]，通電后合閘線圈將產(chǎn)生電磁場(chǎng)，該電磁場(chǎng)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(gè)線圈形成回路，磁通方向與永磁體的磁通方向相反，使動(dòng)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(duì)動(dòng)鐵心的吸力。當(dāng)電流增大到一定值時(shí)，由合閘線圈產(chǎn)生的電磁力足以克服永磁體產(chǎn)生的吸力和機(jī)械負(fù)載時(shí)，動(dòng)鐵心將開始向下運(yùn)動(dòng)。當(dāng)動(dòng)鐵心向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，動(dòng)鐵心上端與上磁極間就出現(xiàn)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(duì)動(dòng)鐵心的吸力減小，而下磁極對(duì)動(dòng)鐵心的吸力增大，動(dòng)鐵心向下的合力迅速增大向下加速運(yùn)動(dòng)，使動(dòng)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(shí)，即使切斷合閘線圈中的電流，動(dòng)鐵心可以通過永磁體被吸合在下磁極上，保持在合閘狀態(tài)。分閘過程和合閘過程正好相反,如圖2(d)所示。

2 雙穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)真空斷路器模型設(shè)計(jì)

圖3 12kV雙穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)真空斷路器的設(shè)計(jì)模型

圖3所示為12kV雙穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)真空斷路器設(shè)計(jì)模型。操動(dòng)機(jī)構(gòu)與主回路部分前后布置，永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)布置在絕緣筒后框架內(nèi)，通過直動(dòng)式杠桿傳動(dòng)結(jié)構(gòu)與真空滅弧室動(dòng)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(dāng)配裝于固定柜時(shí)，無須底盤車和上下觸臂；當(dāng)配裝于手車式開關(guān)設(shè)備時(shí)，可安裝如圖3所示的底盤車和上下觸臂。

3 12kV雙穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)真空斷路器設(shè)計(jì)計(jì)算模型[6]

圖4 12kV真空斷路器設(shè)計(jì)模型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

圖4給出了12kV真空斷路器最初的設(shè)計(jì)模型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，根據(jù)圖4作出12kV真空斷路器的力特性計(jì)算如圖5所示。

圖5 12kV真空斷路器靜態(tài)力保持示意圖

圖5中給出了設(shè)計(jì)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(shè)值。

圖6 釹鐵硼退磁曲線

4 12kV雙穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)真空斷路器靜態(tài)計(jì)算

4.1 永磁體工作點(diǎn)確定

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

4.2 永磁體尺寸計(jì)算方法[5]

靜態(tài)永磁體磁路分析如圖7，在磁路分析過程中，由于永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)左右對(duì)稱，以鐵心中心線為對(duì)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(shì)；Rm為永磁體磁阻；R1，R2為鐵心上下端氣隙磁阻。對(duì)于氣隙磁阻用式(1)計(jì)算：

其中：δ為氣隙長(zhǎng)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(dòng)機(jī)構(gòu)斷路器中，工作氣隙參數(shù)（Sg、Lg）的確定主要以合閘位置為主，當(dāng)動(dòng)鐵心在合閘位置時(shí)，得到保持力Fb與動(dòng)靜鐵心工作間隙面積的關(guān)系如下：

其中：Sg為動(dòng)鐵心在合閘保持位置時(shí)，動(dòng)靜鐵心工作間隙的面積。

根據(jù)“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(jù)“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(shù)，Kr為磁阻系數(shù)，δ2為動(dòng)鐵心下端與靜鐵心間氣隙長(zhǎng)度，δm為永磁體與動(dòng)鐵心間氣隙長(zhǎng)度，Hg為動(dòng)鐵心在合閘保持位置時(shí)，動(dòng)靜鐵心間隙的磁場(chǎng)強(qiáng)度，對(duì)應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)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(jié)構(gòu)中，差別很大。機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中Kf的確定，有很大的經(jīng)驗(yàn)性質(zhì)，與操動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)關(guān)系密切，根據(jù)本文設(shè)計(jì)的方型結(jié)構(gòu)，動(dòng)鐵心在合閘保持位置的Kf取1.2。根據(jù)選用動(dòng)鐵心（低碳鋼）的磁化曲線，按照工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，Bg可取1.4T。

于是在方程組(4)、(5)、(6)中，只有Sm、Lm和Sg為3個(gè)未知量。設(shè)計(jì)確定了各氣隙長(zhǎng)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(lián)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(jì)算[5][8]

合閘等效磁路分析如圖8(a)所示，依據(jù)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(dòng)機(jī)構(gòu)左右對(duì)稱，以鐵心中心線為對(duì)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(shù)，INm為永磁體磁勢(shì)，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(shù)，INm為永磁體磁勢(shì)，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(dāng)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??；同時(shí)下部氣隙磁通增加，鐵心向下吸力F2增加。此時(shí)動(dòng)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(shè)計(jì)實(shí)例中的滅弧室規(guī)格，一般單相為200N，則Fc計(jì)算為：

而吸力（永磁體和合閘線圈產(chǎn)生）可以由下式求得。

這樣即可求得始動(dòng)安匝數(shù)INs。

要使鐵心移動(dòng)，并滿足一定的速度要求，線圈安匝數(shù)必須大于始動(dòng)安匝數(shù)，合閘線圈設(shè)計(jì)的安匝數(shù)為IN2，可設(shè)。

其中：k為經(jīng)驗(yàn)放大系數(shù)，可取1.2～1.5之間。

其中：l為繞組平均扎長(zhǎng)；ρ為繞組電阻率；U為直流電壓；S內(nèi)為繞組導(dǎo)線截面積。

繞組扎數(shù)N為：

其中：S為骨架截面積；N為繞組扎數(shù)；f為繞組填充系數(shù)，取75%。

4.4 分閘線圈計(jì)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(shù)。依據(jù)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(dòng)機(jī)構(gòu)左右對(duì)稱，以鐵心中心線為對(duì)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(jì)算過程一樣，可計(jì)算出繞組扎數(shù)和繞組導(dǎo)線截面積。

5 設(shè)計(jì)計(jì)算實(shí)例

5.1 永磁體尺寸及動(dòng)鐵心面積設(shè)計(jì)計(jì)算[9,10]

以設(shè)計(jì)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(jù)圖5所示的操動(dòng)機(jī)構(gòu)靜態(tài)保持力的計(jì)算簡(jiǎn)圖，可以計(jì)算出合閘位置的保持力Fbj。

根據(jù)滅弧室要求，合閘位置觸頭簧力為3200N（單相），考慮動(dòng)鐵心和動(dòng)觸頭重量影響很小，拐臂旋轉(zhuǎn)角度很?。s5°），因此合閘位置的保持力Fbj可簡(jiǎn)化為：

根據(jù)工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)[11]，永磁體提供的保持力應(yīng)選取在1.1Fbj～1.25Fbj之間。取設(shè)計(jì)保持力Fbs=1.2 Fbj=6583N。

對(duì)于分閘位置靜態(tài)保持力，通過調(diào)節(jié)分閘位置的工作氣隙，使靜態(tài)保持力為1000±100N（工程經(jīng)驗(yàn)數(shù)值）即可。

圖10 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)模型剖視圖

圖10表示了機(jī)構(gòu)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(dòng)鐵心上端與靜鐵心間氣隙長(zhǎng)度，數(shù)值取動(dòng)鐵心的行程28mm，δ2為動(dòng)鐵心下端與靜鐵心間氣隙長(zhǎng)度，工程經(jīng)驗(yàn)取0.8mm。

表1 永磁體已知參量表

5.1.2 計(jì)算結(jié)果

表2 永磁體計(jì)算參量表

依據(jù)方程組(4)、(5)、(6)，運(yùn)用疊代法進(jìn)行計(jì)算，得到永磁體尺寸及動(dòng)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(yīng)為6688.3mm2。設(shè)計(jì)模型中，動(dòng)鐵心D1=50mm，由Sg計(jì)算值得到L1=124.4mm，設(shè)計(jì)時(shí)取L1=130mm。實(shí)際設(shè)計(jì)中，永磁鐵設(shè)計(jì)面積可取130×52（6760mm2），Lm取4mm。

按照上述得到永磁體尺寸，實(shí)際裝配完成后進(jìn)行了合閘位置靜態(tài)保持力的測(cè)試，實(shí)測(cè)的永磁體保持力Fbc為6187N，比設(shè)計(jì)保持力小6%。這與計(jì)算時(shí)有關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)值的選擇有關(guān)，另外實(shí)際零件加工的誤差和裝配質(zhì)量也是重要的影響因素之一。校核該力，為計(jì)算保持力Fbj的1.13倍。符合設(shè)計(jì)要求值的范圍，可以按上述參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

5.2 合分閘線圈設(shè)計(jì)計(jì)算[12]

5.2.1 已知參量

設(shè)計(jì)中將合分閘線圈外型骨架尺寸保持一致，以實(shí)際測(cè)到的靜態(tài)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(jì)算結(jié)果

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

表4 合分閘線圈計(jì)算參量表

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

6 結(jié)束語

當(dāng)前12kV真空斷路器經(jīng)過多年的發(fā)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(yè)工作者已專注提高可靠性與機(jī)械穩(wěn)定性方面的研究。本文提出設(shè)計(jì)的永磁機(jī)構(gòu)，利用儲(chǔ)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(jī)構(gòu)電源容量大、操作電流大及電源電壓波動(dòng)對(duì)合閘速度造成影響等問題。在機(jī)械結(jié)構(gòu)方面，永磁機(jī)構(gòu)機(jī)械零部件大大減少，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，產(chǎn)品批量生產(chǎn)的一致性得到保障，二次控制回路使用電子控制器，相對(duì)彈簧操作機(jī)構(gòu)，控制回路較為復(fù)雜，但在實(shí)際工程應(yīng)用中，對(duì)電子控制器利用環(huán)氧樹脂進(jìn)行密封，使其耐受高低溫、灰塵等惡劣環(huán)境的影響。在型式試驗(yàn)與大量的工程應(yīng)用中，機(jī)械壽命與操作可靠性明顯提高，達(dá)到用戶對(duì)機(jī)構(gòu)少維護(hù)甚至免維護(hù)的要求。但對(duì)于更高電壓等級(jí)斷路器，由于需要更大的操作功，暴露出其它操動(dòng)機(jī)構(gòu)的可靠性問題更加突出。如能將永磁機(jī)構(gòu)用于更高電壓等級(jí)的斷路器，三相主回路分別使用三個(gè)獨(dú)立的機(jī)構(gòu)，運(yùn)用電子控制操作技術(shù)[13]，將會(huì)進(jìn)一步提高高壓斷路器的機(jī)械可靠性。同時(shí)，也將為實(shí)現(xiàn)斷路器的同步操作技術(shù)提供可能[14]。

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