劉樹楓 吳 鋼 劉海波 王 浩 李聰革

?

10kV雙分合閘線圈快速真空斷路器研究

劉樹楓1吳 鋼1劉海波2王 浩1李聰革3

（1. 國網內蒙古東部電力有限公司赤峰供電公司，內蒙古 赤峰 024000；2. 國網內蒙古東部電力有限公司，呼和浩特 010020；3. 四方華能電網控制系統(tǒng)有限公司，北京 100085）

本文分析了真空斷路器的研究現(xiàn)狀，針對現(xiàn)有的單分合閘線圈的真空斷路器，指出了其可靠性較低的特點和一種新型10kV雙分合閘線圈快速真空斷路器結構。該型斷路器具有兩個分合閘線圈，一起作用于斷路器的金屬圓盤，保證了開斷的可靠性。接著并對斷路器的金屬圓盤所受的電磁斥力進行了數(shù)學分析。

快速真空斷路器；分合閘線圈；可靠性

隨著我國經濟的高速增長，電力系統(tǒng)的規(guī)模變得越來越大，負荷日益增加。電力系統(tǒng)的安全和可靠運行離不開斷路器。電網發(fā)生故障時，需要斷路器迅速切斷短路電流，防止時事故的進一步擴大。因此，斷路器的性能優(yōu)劣直接影響到電網的正常運行[1-5]。

傳統(tǒng)的斷路器一般采用彈簧或者電磁操作機構。彈簧機構可以通過小功率電動機完成儲能，適宜于交流操作，但是設備的機械結構復雜，零件多，生產成本高，精度低，可靠性低。電磁式結構依靠電磁力進行分合閘，可靠性高。但需要大的電磁鐵和大面積電纜，且合閘時間長[6-10]。

近年來，采用渦流電磁斥力的高速真空器備受學者關注。其結構簡單，動作迅速，分合閘時間為傳統(tǒng)的真空斷路器的1/10。因此，其不僅速投切到線路中保證供電的可靠性和穩(wěn)定性，還能實現(xiàn)選相操作，減小操作過電壓和電磁涌流，更被運用于無擾動電源切換技術、故障限流中。在電力系統(tǒng)中有非常廣泛的應用前景。

1 10kV快速真空斷路器研究現(xiàn)狀

1972年快速電磁斥力機構的概念被首次提出，通過對勵磁線圈通入脈沖電流，使斥力銅盤在禍流效應的作用下感應出較大的斥力推力，進而推動斷路器動觸頭的快速分合閘動作。1999年，這一機構才被日本三菱公司研發(fā)出來，并制作了第一臺基于快速斥力機構的15kV真空斷路器。如今基于快速斥力結構的真空斷路器在很多國家得到了快速的發(fā)展，日本和德國用電磁渦流斥力原理設計研發(fā)出了一系列的快速斷路器。

山東大學李慶民研制了一種快速高壓快速轉換開關，采用雙向電磁推力進行進行操動，其合閘時間為2.3ms，分閘時間為0.8ms，滿足了快速開關的要求[11]。華中科技大學曹子建等人利用有限元方法，建立了用于電磁斥力機構場路耦合瞬態(tài)動力學特性分析的二維有限元模型。對金屬斥力銅盤、分合閘線圈結構、充電電容進行了仿真分析，得到了一般的設計原則，并研制出了10kV快速真空開關樣機，實測其固有分閘時間為0.5ms，滿行程時間為1.6ms[12]。

目前，基于快速斥力的真空斷路器結構如圖1所示，主要由真空滅弧室、連接桿、金屬斥力盤、分合閘線圈和永磁鐵組成。分合閘線圈作用于金屬斥力盤產生推力。

圖1 普通快速真空斷路器

圖1中的數(shù)字含義如下所述。

1—真空滅弧室：通過管內真空優(yōu)良的絕緣性使電路切斷電源后能迅速熄弧并抑制電流。

2—靜觸頭：固定觸頭，和動觸頭配合連通或斷開線路。

3—動觸頭：活動觸頭，連通或斷開線路。

4—連接桿：整體連接桿，用來帶動動觸頭動作。

5—固定板：用來固定分、合閘線圈。

6—分閘線圈：電容接入放電時，對金屬斥力盤產生向下的斥力，斷開線路。

7—金屬斥力盤：當分合閘線圈放電時，受到向上或向下的電磁斥力。

8—合閘線圈：電容接入放電時，對金屬斥力盤產生向上的斥力，接通線路。

9—動鐵心：活動鐵心，與磁鐵一起起自保持作用。

10—磁鐵：用來固定動鐵心。

其工作原理是，銅盤通過連接桿作用于真空滅弧室的動觸頭，磁鐵用來提供保持力，使得合閘時有接觸壓力，分閘時有保持力。分合閘時，通過電容放電使得線圈中產生脈沖電流，使金屬斥力盤中感應出渦力而受到電磁斥力，從而推動連接桿進行分合閘操作。

2 新型10kV雙分合閘線圈快速真空斷路器

根據相關統(tǒng)計資料分析，斷路器的操縱機構故障占全部斷路器故障的70%左右[4,13]。斷路器的操縱機構性能的好壞將會影響到整個電力系統(tǒng)分的安全和穩(wěn)定。而上文的斷路器僅有一套分合閘線圈，一旦其出現(xiàn)故障，將導致斷路器不能夠斷開，將會造成嚴重的后果。為提高斷路器的可靠性，本文了對上文斷路器的結構進行了改進，如圖2所示，圖中各標號表示的意義與圖1類似。

圖2 新型雙分合閘線圈快速真空斷路器

在上文的真空斷路器上，為了保證操縱機構的有效性，采用了兩套獨立的分合閘線圈，共同作用于金屬斥力盤。每套分合閘線圈都有獨立的放電電容，當其中一組分合閘線圈出現(xiàn)故障時，可以由另外一組分合閘線圈正常作用于金屬斥力盤，保證動作的可靠性，從而避免不要的損失。

3 電磁斥力計算

根據文獻[14]的電磁力計算方法，把金屬斥力盤看成由各個圓環(huán)等效而成，兩個分合閘線圈一起對金屬盤作用，如圖3所示，1和2為繞組1和繞組2線圈的閘數(shù)，0為金屬盤的等效圓環(huán)數(shù)，得到斥力機構等效的電路方程。

圖3 兩個獨立線圈一起作用于金屬斥力盤

可整理為

=（2） 0 0

式中，為2+2維的電感系數(shù)矩陣。將式（2）改寫成矩陣向量的形式為

聯(lián)立上式，就可以時間和位移的雙重迭代[15]求解通電線圈電流，銅盤渦流，銅盤位移和電磁推力的動態(tài)過程。

4 仿真計算

根據上述電磁斥力的計算方法，本文進行了算例仿真分析。給出一個雙分合閘線圈斷路器的合閘的動態(tài)計算結果。其中銅盤參數(shù)：內半徑15mm，外半徑55mm，厚度5mm，寬2mm（銅盤等效為0=20匝）；線圈1：半徑50mm，厚度5mm，寬度2mm，匝數(shù)1=4匝，充電電壓1=380V，放電電容1=50000mF；線圈2：半徑50mm，厚度5mm，寬度2mm，匝數(shù)2=4匝，充電電壓1=400V，放電電容1=70000mF；銅盤和線圈1的初始距離為3mm；線圈1和線圈2的距離為10mm；開關動觸頭行程10mm；銅盤和圓桿質量=2kg。

編制程序進行計算，下面給出了分合閘線圈1的電流1，分合閘線圈2的電流2，電磁斥力和開關行程隨時間的變化的動態(tài)過程（0～5ms）。

圖4 電流i1

圖5 電流i2

圖6 電磁斥力F

開關行程從零時刻開始，位移初始為0。當位移為0.01m時，說明斷路器閉合，此時對應的時間為0.69ms。

圖7 開關行程x

5 結論

本文分析了國內外真空斷路器的研究現(xiàn)狀，針對現(xiàn)有的分合閘斷路器可靠性較低的特點，提出了含有兩個獨立的分合閘線圈的斷路器結構。兩個獨立的分合閘線圈一起獨立地作用于金屬圓盤，保證了動作的可靠性。在此基礎上，采用等效計算的方式，推導了金屬圓盤的電磁斥力。最后選取參數(shù)，通過仿真計算得到斷路器的合閘時間為0.69ms，滿足了快速開斷的要求。

[1] 陳宇碩. 10kV高速組合式開關設計與優(yōu)化分析[D]. 大連: 大連理工大學, 2014.

[2] 董澤光. 12kV真空斷路器快速操動機構研究[D]. 沈陽: 沈陽工業(yè)大學, 2016.

[3] 張凱, 楊佩佩, 楊軍亭, 等. 一起斷路器機構故障引起的事故分析[J]. 電氣技術, 2016, 17(10): 142-145.

[4] 林莘. 現(xiàn)代高電壓電器技術[M]. 2版. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2011.

[5] 董恩源. 基于電子操動的快速直流斷路器的研究[D]. 大連: 大連理工大學, 2004.

[6] 馬少華, 徐建源, 王季梅. 永磁操動結構特性分析和配用高壓真空斷路器的可能性[J]. 高壓電器, 2000, 36(4): 19-23.

[7] 葉瑞, 段繼洲, 查笑春, 等. 一種斷路器液壓彈簧機構泄壓控制系統(tǒng)及方法[J]. 電氣技術, 2016, 17(12): 15-19.

[8] 付萬安, 宋寶韞. 高壓斷路器永磁機構的研究[J]. 中國電機工程學報, 2000, 20(8): 21-26.

[9] 鄒積巖, 王瑛, 董恩源. 電子操動的概念與實踐[J]. 高壓電器, 2000, 36(5): 29-31.

[10] 孟君. 快速斥力機構的設計與應用研究[D]. 濟南: 山東大學, 2010.

[11] 李慶民, 劉衛(wèi)東, 徐國政, 等. 高壓快速轉換開關的研制[J]. 高壓電器, 2003, 39(6): 6-7.

[12] 王子建, 何俊佳, 尹小根, 等. 基于電磁斥力機構的10kV快速真空開關[J]. 電工技術學報, 2009, 24(11): 68-75.

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

[14] 李慶民, 劉衛(wèi)東, 錢家驪. 電磁推力機構的一種分析方法[J]. 電工技術學報, 2004, 19(2): 20-24, 40.

[15] 婁杰, 李慶民, 孫慶森, 等. 快速電磁推力機構的動態(tài)特性仿真與優(yōu)化設計[J]. 中國電機工程學報, 2005, 25(16): 23-29.

Study on 10kV quick vacuum circuit breaker of double opening and closing coil

Liu Shufeng1Wu Gang1Liu Haibo2Wang Hao1Li Congge3

(1. State Grid East Inner Mongolia Electric Power Company Limited, Chifeng 024000;2. State Grid Easten Inner Mongolia Power Company, Hohhot 010020;3. Sifang & Huaneng Power System Control Co., Ltd, Beijing 100085)

This paper analyzes the present research status of vacuum circuit breaker, and points out the low reliability of the existing vacuum circuit breaker with single opening and closing coil, and puts forward a new structure of fast vacuum circuit breaker with 10kV double opening and closing coil. This type of circuit breaker has two separate opening and closing coils, which acts on the metal disc of the circuit breaker, and ensures the reliability of the breaking. Then, the electromagnetic repulsion force of the metal disc of the circuit breaker is analyzed mathematically.

quick vacuum circuit breaker; opening and closing coil; reliability

2017-12-07

劉樹楓（1970-），男，內蒙古赤峰市人，本科，高級工程師，主要從事科技管理工作。