郭建炎，陳 雷，馬有糧

(1.廈門理工學院光電與通信工程學院，福建 廈門 361024；2.廈門理工學院電氣工程與自動化學院，福建 廈門 361024；3.施耐德電氣(廈門)開關(guān)設備有限公司，福建 廈門 361006)

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27.5 kV新型分相式單穩(wěn)態(tài)永磁機構(gòu)

郭建炎1，陳 雷2，馬有糧3

(1.廈門理工學院光電與通信工程學院，福建 廈門 361024；2.廈門理工學院電氣工程與自動化學院，福建 廈門 361024；3.施耐德電氣(廈門)開關(guān)設備有限公司，福建 廈門 361006)

針對27.5 kV真空斷路器永磁機構(gòu)分合閘電流過大的問題，設計一種27.5 kV分相式單穩(wěn)態(tài)永磁機構(gòu)，新型永磁機構(gòu)直接與滅弧室相連.利用有限元分析軟件對新型單穩(wěn)態(tài)永磁機構(gòu)進行了靜態(tài)和動態(tài)仿真分析.與傳統(tǒng)三相一體式永磁機構(gòu)相比，該機構(gòu)可以實現(xiàn)分相操作和同步分合閘.利用Ansoft Maxwell軟件對永磁機構(gòu)進行仿真研究并進行樣機試驗，結(jié)果表明，新型機構(gòu)可以有效分合閘，且有效減小了分合閘電流.

真空斷路器；分相式；永磁機構(gòu)；分合閘電流

從國內(nèi)外真空斷路器發(fā)生故障的數(shù)據(jù)中可以看出，由操動機構(gòu)失效而引起的故障占了全部故障的70%左右，這說明操縱機構(gòu)的性能是決定斷路器能否正常工作的重要因素.斷路器作為控制和保護電力系統(tǒng)的極為關(guān)鍵的電氣設備，承擔著控制線路通斷的重要任務，它能否可靠穩(wěn)定地工作都將對電力系統(tǒng)的供電質(zhì)量、經(jīng)濟性、安全性有很大的影響[1-2].而作為中高壓斷路器的重要組成部分，操動機構(gòu)性能的好壞直接影響到斷路器的可靠性.永磁機構(gòu)零件少、結(jié)構(gòu)簡單，比傳統(tǒng)彈簧機構(gòu)和電磁機構(gòu)有明顯優(yōu)勢.相比于雙穩(wěn)態(tài)永磁機構(gòu)，單穩(wěn)態(tài)永磁機構(gòu)可以更好地滿足斷路器的分閘要求，體積更小，更適合戶外斷路器[3].

目前，永磁機構(gòu)斷路器作為一個永磁機構(gòu)，通過連桿控制3個滅弧室觸頭進行分合閘動作，要求永磁機構(gòu)提供的力較大，從而合閘電流較大可達到30 A左右[4-7].為了減小斷路器體積以及分合閘電流，根據(jù)27.5 kV斷路器的設計要求，本文設計了一種單相永磁保持力為2 000～2 200 N的分相式單穩(wěn)態(tài)永磁機構(gòu)，通過理論計算和仿真確定機構(gòu)的特性參數(shù)并制作樣機和試驗.

1 新型永磁結(jié)構(gòu)

本文針對27.5 kV斷路器設計了一種新型分相式單穩(wěn)態(tài)永磁機構(gòu)，永磁機構(gòu)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，主要包括上端蓋、動鐵心、下端蓋、線圈、永磁體、磁軛等.機構(gòu)合閘動作時，線圈電流和永磁體產(chǎn)生的電磁力作用于動鐵心，實現(xiàn)機構(gòu)合閘.機構(gòu)分閘動作時，線圈中通過反向電流，減小永磁體吸力并在分閘彈簧作用下實現(xiàn)快速分閘.目前大多數(shù)的永磁機構(gòu)是通過拐臂和連桿與滅弧室相連，結(jié)構(gòu)較復雜，新型單穩(wěn)態(tài)永磁機構(gòu)通過絕緣拉桿直接與滅弧室相連，結(jié)構(gòu)更加簡單.與傳統(tǒng)三相一體式永磁機構(gòu)相比，分相式永磁機構(gòu)可以實現(xiàn)分相操作和同步分合閘，分合閘電流更小.機構(gòu)處于分閘位置時由分閘彈簧提供的預壓力保持，合閘位置時由永磁體提供永磁吸力保持，新型永磁機構(gòu)與滅弧室連接如圖2所示.

2 靜態(tài)特性仿真

2.1 磁場計算

永磁機構(gòu)的性能可通過Ansoft Maxwell有限元分析軟件仿真得到，根據(jù)麥克斯韋電磁場微分方程，用有限元離散的方式，將麥克斯韋電磁場方程轉(zhuǎn)化為矩陣求解[8].建立永磁機構(gòu)的仿真模型，定義分配材料，將永磁體設置為激勵源，外層區(qū)域線段施加磁通平衡邊界條件，參數(shù)值設為0，即邊界無磁場通過，仿真得到機構(gòu)處于合閘位置時的靜態(tài)磁場和磁密分布圖，如圖3、圖4所示.在永磁機構(gòu)線圈不通電時，永磁體是機構(gòu)的唯一磁源.從圖3中可以看出，動鐵心、磁軛、永磁體組成一條低磁阻抗回路，而動鐵心下部氣隙磁阻較大，因此磁力線主要分布于低磁阻回路上.由圖4可以看出，整個工作磁路磁密的最大值為1.457 9 T，由于采用10號鋼導磁材料最佳工作點在1.5～1.6 T，沒有達到飽和，因此整個磁路的磁密分布良好.

2.2 永磁體吸力理論推導及計算

對要計算的動鐵心表面上應力積分得到永磁機構(gòu)永磁體對動鐵心的作用力：

(1)

其中：F為電磁力；p為電磁應力；S為表面積.電磁應力使磁力線縱向擴張橫向收縮，即得到電磁應力表達式：

(2)

其中：n為表面法線方向的單位矢量；B為該表面處磁感應強度矢量.通過有限元法計算出B的離散值，再通過積分迭加即可得到永磁體吸力值.把式(2)中的n和B表示為：

n=nxi+nyj，

(3)

B=Bxi+Byj，

(4)

將式(2)～式(4)代入式(1)中可得永磁體吸力為：

(5)

本文對單穩(wěn)態(tài)永磁機構(gòu)運動過程中不同位置動鐵心所受到的永磁體吸力進行仿真，每隔0.5 mm進行一次仿真計算，得出動鐵心所受的永磁體吸力與行程的關(guān)系，如圖5所示.當動鐵心位于合閘位置時所受到的永磁體吸力最大為2 020 N，隨著動鐵心向分閘方向運動，動鐵心所受到永磁體吸力隨著位移的增大而減小，當?shù)竭_分閘位置時，動鐵心所受的永磁體吸力最小.在整個行程中，動鐵心所受的永磁體吸力始終指向合閘方向.單穩(wěn)態(tài)永磁機構(gòu)上端蓋和下端蓋采用不同的材料[9]，上端蓋、磁軛、動鐵心采用導磁較好的10號鋼，下端蓋采用導磁性能較差的鋁材料.

3 動態(tài)特性仿真

與靜態(tài)特性相比，動態(tài)特性描述了永磁機構(gòu)實際工作狀態(tài)下的各參數(shù)的變化過程，揭示了不同時刻各參數(shù)之間的關(guān)系.永磁機構(gòu)的動態(tài)特性是由永磁體、線圈提供的電磁力和負載反力共同決定的，因此對永磁機構(gòu)動態(tài)特性研究的重要性在于：1)可以計算機構(gòu)以及觸頭的動作速度和動作時間；2)可以改變電磁與機械的配合，達到優(yōu)化機構(gòu)的目的，提高機構(gòu)可靠性和電氣壽命.

永磁機構(gòu)的動態(tài)特性計算，勵磁回路必須滿足電壓平衡方程，機械運動上要滿足達朗貝爾運動方程，磁場要滿足麥克斯韋方程，這幾個方程相互關(guān)聯(lián)，構(gòu)成動態(tài)特性微分方程組：

(6)

其中：Uc為電容的初始電壓；I為線圈中電流；R為線圈電阻；ψ為線圈的總磁鏈；t是時間；C是電容的電容量；m是整個系統(tǒng)運動部件的質(zhì)量；x是動鐵心的位移；FX是電磁吸力；Ff是系統(tǒng)所受的反力；v是動鐵心的運動速度.

通過在Ansoft Maxwell 2D環(huán)境下設置永磁機構(gòu)的動態(tài)仿真添加激勵源，選擇外層區(qū)域線段施加磁通平衡邊界條件，設置運動方向、運動范圍，在動鐵心上添加反力，設置初始速度、動鐵心質(zhì)量等參數(shù)[10-11]，仿真得到合閘、分閘動鐵心行程、線圈電流與時間的關(guān)系如圖6所示.從圖6中可以看出,動鐵心在2 ms左右開始動作，這時對應的電流為5 A左右，說明在2 ms之前，線圈和永磁體產(chǎn)生的電磁吸力小于動鐵心所受的反力，當2 ms后電磁吸力大于反力，動鐵心才開始運動.在2～18 ms內(nèi)電流逐漸增大，并在18 ms時達到最大值14.5 A.在18 ms后動鐵心在線圈磁場和永磁體磁場共同作用下運動，在24 ms時完全閉合，合閘的平均速度為0.58 m/s.完全閉合后動鐵心速度快速下降為0，由于此時驅(qū)動電路并沒有切斷，電容存在剩余電壓，線圈中的電流又按新的指數(shù)上升，但是電流的方向沒有變，動鐵心仍然保持位置不變.在這整個過程中充電電容不斷放電，電能轉(zhuǎn)化為磁再轉(zhuǎn)化為機械能使動鐵心運動.

從圖6中還可以看出機構(gòu)分閘時間為16 ms，分閘平均速度為0.87 m/s.整個分合閘過程中合閘電流峰值為14.5 A，分閘電流峰值為-1.7 A，分合閘電流都滿足小電流的要求，提高了設備安全性，符合最初的設計要求.

4 樣機試驗

為了驗證仿真結(jié)果的正確性，將新型永磁機構(gòu)樣機裝配于27.5 kV戶外斷路器上并進行了試驗，樣機如圖7所示，試驗結(jié)果如圖8、圖9所示.從圖8樣機合閘試驗結(jié)果可以看出，合閘持續(xù)時間為23 ms，合閘電流峰值為13.1 A，平均合閘速度為0.6 m/s.從圖9樣機分閘試驗結(jié)果可以看出，分閘持續(xù)時間為15 ms，分閘電流峰值-1.6 A，平均分閘速度為0.93 m/s.從仿真值和實驗值對比結(jié)果來看相差很小，對比結(jié)果見表1，從表1中可以看出，永磁機構(gòu)仿真值與試驗值的誤差在正常誤差范圍內(nèi)，分合閘電流峰值仿真結(jié)果略高于試驗結(jié)果，但分合閘平均速度試驗值要優(yōu)于仿真值，說明了仿真與試驗很好的一致性.

表1 永磁機構(gòu)仿真與試驗對比

項目 仿真值試驗值誤差/%合閘電流峰值/A14.5013.1010.70分閘電流峰值/A-1.70-1.606.25平均合閘速度/(m·s-1)0.580.603.33平均分閘速度/(m·s-1)0.870.936.45

5 結(jié)論

利用有限元分析軟件對新型單穩(wěn)態(tài)永磁機構(gòu)進行了2D建模并進行靜態(tài)和動態(tài)仿真分析，并制作樣機試驗，對比仿真結(jié)果與試驗結(jié)果得出以下結(jié)論：

1)仿真和試驗結(jié)果表明永磁機構(gòu)仿真結(jié)果較為準確，永磁機構(gòu)的仿真分析可用于永磁機構(gòu)的設計.

2)新型永磁機構(gòu)滿足低電壓、小電流和節(jié)能減耗的要求.

3)所設計的新型單穩(wěn)態(tài)永磁機構(gòu)滿足預先的靜態(tài)永磁體保持力設計要求，也滿足所配合的27.5 kV斷路器的分合閘要求，可以為以后單穩(wěn)態(tài)永磁機構(gòu)設計提供參考.

[1]劉陽.單穩(wěn)態(tài)永磁機構(gòu)可靠性研究[D].大連:大連理工大學,2015:4-5.

[2]林莘.現(xiàn)代高壓技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社,2011:7-10.

[3]游一民,鄭軍,羅文科.永磁機構(gòu)及其發(fā)展動態(tài)[J].高壓電器,2001,37(1):44- 47.

[4]周麗麗,方春恩,李偉，等.真空斷路器永磁操動機構(gòu)動態(tài)特性仿真及實驗[J].低壓電器,2008(1):63-66.

[5]林莘,張浩,那娜.真空斷路器永磁機構(gòu)計算與分析[J].沈陽工業(yè)大學學報(自然科學版),2005,27(3):266-269.

[6]付萬安,宋寶韞.高壓斷路器永磁操動機構(gòu)的研究[J].中國電機工程學報,2002,20(8):21-26.

[7]高會軍,林莘,蔡志遠.永磁操動機構(gòu)磁場計算及動特性計算 [J].沈陽工業(yè)大學學報(自然科學版),2000,22(6):490- 493.

[8]劉焱.真空斷路器永磁操動機構(gòu)性能分析與優(yōu)化設計[D].北京：北京交通大學,2013:22-24.

[9]林莘.永磁機構(gòu)與真空斷路器[M].北京:機械工業(yè)出版社,2002:74-78.

[10]吳世寶,王博.基于有限元法的單穩(wěn)態(tài)永磁機構(gòu)動態(tài)特性研究[J].電工電氣,2012,2(2):7-10.

[11]袁海軍.基于Ansoft Maxwell仿真的電磁閥關(guān)閉過程動態(tài)特性研究[J].機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新,2011,24(5):82-84.

(責任編輯 李 寧 雨 松)

Designing a New 27.5 kV Monostable Permanent-Split Magnetic Mechanism

GUO Jianyan1,CHEN Lei2,MA Youliang3

(1.School of Optoelectronic & Communication Engineering,Xiamen University of Technology,Xiamen 361024,China;2.School of Electrical Engineering & Automation,Xiamen University of Technology,Xiamen 361024,China;3.Schneider Electric Switchgear(Xiamen)，Xiamen 361006,China)

A new 27.5 kV split-phase monostable permanent magnetic mechanism with a directly connected arcing chamber was designed to solve the problem of excessive switching current for permanent magnetic mechanism of a 27.5 kV vacuum circuit breaker.Finite element analysis software was used to simulate the static and dynamic characteristic of a new type of monostable permanent-split magnetic actuator.Compared with the traditional one-piece,the three-phase permanent magnet mechanism could realize split-phase operation and synchronous closing.Ansoft Maxwell software simulation and prototype test showed that the new mechanism could perform effective switching,and effectively reduce the switching current.

vacuum circuit breaker;split-phase；permanent magnetic actuator；coil current

2016-06-12

2016-08-10

福建省自然科學基金項目(2016J01323)；福建省中青年教師教育科研項目(JA15383)

郭建炎(1982-)，男，副教授，博士，研究方向為電磁場分析與綜合.E-mail:guojianyan@xmut.edu.cn

TM153

A

1673-4432(2016)05-0001-05