史可鑒，代子闊，張新宇，田 野

(1.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 110006；2.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司，遼寧 沈陽 110006)

40.5 kV斷路器作為高壓配電網(wǎng)中重要開關(guān)設(shè)備，在實(shí)際運(yùn)行中起到開斷故障電流、縮小停電范圍等作用，直接影響配電網(wǎng)安全、可靠、穩(wěn)定運(yùn)行。

操動(dòng)機(jī)構(gòu)斷路器分合閘操作動(dòng)能的主要來源對操作速度、動(dòng)作時(shí)間穩(wěn)定性、合閘彈跳程度均有較大影響。目前，彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)、液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)已廣泛應(yīng)用于高壓配電網(wǎng)，但在實(shí)際工況中仍存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、動(dòng)作時(shí)間穩(wěn)定性差、操作過程難以控制和調(diào)節(jié)等問題[1-4]。電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)作為高壓斷路器的新

型操動(dòng)機(jī)構(gòu)，僅利用1臺(tái)特種電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)斷路器觸頭運(yùn)動(dòng)，具有機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)速方式靈活、控制性能優(yōu)良、體積小等優(yōu)點(diǎn)，是提高斷路器可靠性的有效途徑，也是斷路器智能化操作的發(fā)展方向[5-7]。

本文以真空斷路器為研究對象，根據(jù)斷路器的負(fù)載反力和分合閘速度要求，設(shè)計(jì)一種永磁無刷直流電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)，分析了不同繞組線徑和匝數(shù)下的電機(jī)性能，從提高電機(jī)功率密度、機(jī)械特性以及伺服性能等方面完成電機(jī)的整體設(shè)計(jì)，滿足小型化要求。采用數(shù)值仿真計(jì)算方法對新型小型化電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)和傳統(tǒng)電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)的電磁、機(jī)械、力學(xué)特性進(jìn)行對比分析，結(jié)果表明，新型電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)具有較好的操動(dòng)性能。

1 電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)概述

應(yīng)用于高壓配電網(wǎng)真空斷路器的電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)基本原理如圖1所示，主要包括電機(jī)本體、多組傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制裝置。控制裝置發(fā)出指令驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)傳動(dòng)主軸轉(zhuǎn)動(dòng)，在主軸拐臂、絕緣拉桿和三角拐臂的聯(lián)合作用下推動(dòng)動(dòng)觸頭做直線運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)斷路器的分合閘操作[8]。

圖1 真空斷路器的電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)原理

真空斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)的負(fù)載反力主要包括觸頭彈簧力、滅弧室自閉力和運(yùn)動(dòng)部件自身重力，將上述各個(gè)反力經(jīng)過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)歸算到驅(qū)動(dòng)電機(jī)主軸側(cè)，即可得到操動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)負(fù)載反力[9]，見圖2。從圖2中可以看出，在斷路器剛合、剛分時(shí)刻驅(qū)動(dòng)電機(jī)主軸側(cè)負(fù)載反力發(fā)生躍變，負(fù)載轉(zhuǎn)矩最大值約為310 N·m，這是由于觸頭彈簧存在預(yù)壓力，在剛合時(shí)刻動(dòng)靜觸頭接觸，預(yù)壓力瞬間加載到電機(jī)主軸上引起的。

圖2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)主軸側(cè)動(dòng)態(tài)負(fù)載反力

40.5 kV真空斷路器主要技術(shù)參數(shù)如表1所示，開距為25 mm，接觸行程為5 mm，絕緣拉桿行程為30 mm，傳動(dòng)連桿長93 mm。通過電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)與斷路器動(dòng)力學(xué)分析，計(jì)算得到電機(jī)主軸旋轉(zhuǎn)角度與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)橫向位移之間的特征關(guān)聯(lián)，如圖3所示，可以看出，在合閘操作過程中，絕緣拉桿橫向位移30 mm，電機(jī)主軸旋轉(zhuǎn)75°(開距為0°～38.3°，超程為38.3°～75°)。

(a)運(yùn)動(dòng)原理圖

(b)角位移與直線位移關(guān)系圖3 動(dòng)觸頭行程與電機(jī)轉(zhuǎn)角的關(guān)系

表1 40.5 kV真空斷路器的主要技術(shù)參數(shù)

2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)方法研究

由40.5 kV真空斷路器電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)的機(jī)械特性可知：驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行時(shí)間極短，轉(zhuǎn)動(dòng)角度有限，只工作在起動(dòng)階段，所以不能采用常規(guī)電機(jī)的設(shè)計(jì)方法。本文基于斷路器的負(fù)載反力和操作速度要求、從電機(jī)輸出力矩角度、采用目標(biāo)值方法，設(shè)計(jì)1臺(tái)有限轉(zhuǎn)角永磁無刷直流電機(jī)作為該斷路器電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。其設(shè)計(jì)思路如圖4所示。

圖4 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的設(shè)計(jì)思路

采用參數(shù)協(xié)同對比方法對驅(qū)動(dòng)電機(jī)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評定，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)體積減小20%以上，且動(dòng)作特性滿足高壓配電網(wǎng)斷路器操作性能要求，則判定設(shè)計(jì)方案合理。

2.2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

以永磁無刷直流電機(jī)為基礎(chǔ)機(jī)型進(jìn)行二次設(shè)計(jì)與開發(fā)，采用瓦形徑向充磁結(jié)構(gòu)的釹鐵硼(NdFe35)永磁材料，氣隙磁場畸變程度較小。電機(jī)繞組采用星形連接方式，在繞制導(dǎo)線時(shí)進(jìn)行整距配置，反電動(dòng)勢呈梯形波形式，具有更好的機(jī)械特性。采用霍爾傳感器實(shí)時(shí)檢測驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置，按照預(yù)設(shè)邏輯圖譜，控制電子器件依次導(dǎo)通，儲(chǔ)能電容釋放電能，形成磁勢交聯(lián)作用，驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)電機(jī)基本結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 有限轉(zhuǎn)角永磁無刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)

2.3 驅(qū)動(dòng)電機(jī)主要參數(shù)

a.驅(qū)動(dòng)電機(jī)的主要尺寸

高壓配電網(wǎng)真空斷路器運(yùn)動(dòng)時(shí)間為毫秒級(jí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)設(shè)計(jì)過程中應(yīng)忽略次要因素，將設(shè)計(jì)重點(diǎn)集中在高功率密度、高輸出轉(zhuǎn)矩、高動(dòng)作時(shí)間穩(wěn)定性等方面，實(shí)現(xiàn)體積小、功率密度高，轉(zhuǎn)速高，速度可調(diào)范圍廣等設(shè)計(jì)目標(biāo)。

驅(qū)動(dòng)電機(jī)的主要尺寸是指電樞直徑Di1和電樞長度lef，其數(shù)學(xué)關(guān)系為[10-11]

(1)

40.5 kV真空斷路器的分合閘操作時(shí)間為數(shù)十毫秒，驅(qū)動(dòng)電機(jī)僅運(yùn)行在起動(dòng)與制動(dòng)階段，電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)忽略溫升問題，因此可取較高的電磁負(fù)荷，本設(shè)計(jì)電負(fù)荷A取120 A/mm，磁負(fù)荷Bδ取0.9 T；最大計(jì)算電磁轉(zhuǎn)矩Temax取平均負(fù)載反力的3倍，即264 N·m，長徑比lef/Di1為2，計(jì)算可得到電機(jī)定子的內(nèi)徑和長度。得到新型驅(qū)動(dòng)電機(jī)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)如表2所示，與課題組前期研制的電機(jī)對比可以看出，新型電機(jī)體積比已有電機(jī)體積減小了23%。

表2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

b.定子槽數(shù)、繞組相數(shù)的選取

當(dāng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)電樞繞組由2套獨(dú)立的繞組線圈并聯(lián)組成，則由于驅(qū)動(dòng)電機(jī)僅工作在起動(dòng)狀態(tài)，在相同的工作電壓下，采用星型并聯(lián)式繞組結(jié)構(gòu)，具有諧波損耗小、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、動(dòng)態(tài)特性好等特點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)定子槽數(shù)為36，繞組相數(shù)為3。

c.氣隙長度的選擇

驅(qū)動(dòng)電機(jī)氣隙的設(shè)計(jì)直接影響輸出轉(zhuǎn)矩、動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性、動(dòng)作時(shí)間穩(wěn)定性等關(guān)鍵性能。氣隙長度與氣隙內(nèi)磁通密度呈反比關(guān)系，與驅(qū)動(dòng)電機(jī)電樞反應(yīng)呈正比關(guān)系，綜合考慮上述因素，本文設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)氣隙為1 mm。

d.極對數(shù)和極弧系數(shù)的選擇

驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子極數(shù)與電機(jī)鐵芯磁場交變頻率呈正比，增加極數(shù)會(huì)造成鐵耗成比例增加，且對電子開關(guān)設(shè)備影響較大。本文設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子極數(shù)為2。

對于永磁電機(jī)，極弧系數(shù)越大，氣隙內(nèi)空載平均磁密越大，電機(jī)出力越大，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)越小；但極弧系數(shù)越大，繞組利用率越低，材料利用率下降，制作成本增加。綜合考慮了電機(jī)結(jié)構(gòu)、機(jī)械特性等方面因素，本設(shè)計(jì)取極弧系數(shù)為0.9。

e.永磁體厚度的計(jì)算

永磁體厚度hM的計(jì)算參考式(2)和式(3)，式中，BM為考慮了氣隙磁場邊緣效應(yīng)的永磁體磁密，1.052為經(jīng)驗(yàn)參數(shù)；Br為所用永磁體的剩磁密度，本文選擇的永磁體為釹鐵硼NdFe35，剩磁密度為1.23 T，計(jì)算可得hM=8.65 mm≈9 mm。在此基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步降低電機(jī)電樞反應(yīng)對氣隙磁場的畸變作用，設(shè)計(jì)永磁厚度為10 mm。

(2)

BM=1.052·Bδ

(3)

2.4 繞組線徑與匝數(shù)分析設(shè)計(jì)

槽滿率一定時(shí)(通常為75%)，繞組線徑大小與匝數(shù)成反比，線徑越大單位長度繞組電阻越小，匝數(shù)越大繞組自感越大。因此，繞組線徑和匝數(shù)的配合關(guān)系是影響電機(jī)動(dòng)態(tài)特性的關(guān)鍵因素之一。在其他參數(shù)確定情況下，以200 V操作電壓下斷路器合閘過程為例，分別對表2中3種電機(jī)方案進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖6所示。

(a)驅(qū)動(dòng)電機(jī)角位移曲線

(b)驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩曲線圖6 電機(jī)角位移和輸出轉(zhuǎn)矩仿真結(jié)果

由表2和圖1可以看出：電機(jī)完成斷路器合閘操作轉(zhuǎn)動(dòng)75°，方案1的繞組線徑為1.35 mm、匝數(shù)為24，該電機(jī)方案運(yùn)動(dòng)行程歷時(shí)最短為45 ms，平均速度最大為272 r/min，電磁轉(zhuǎn)矩峰值在500～550 N·m范圍內(nèi)，平均輸出轉(zhuǎn)矩最高，電機(jī)輸出功率最大、功率密度最高。方案2與方案3電機(jī)樣機(jī)出力較小、運(yùn)行速度較低。因此確定方案1作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)繞組線徑和匝數(shù)設(shè)計(jì)方案，完成電機(jī)整體設(shè)計(jì)，其主要參數(shù)見表4。

表3 不同繞組線徑和匝數(shù)方案的電機(jī)及仿真結(jié)果

表4 新型驅(qū)動(dòng)電機(jī)的主要參數(shù)

以200 V操作電壓下，40.5 kV真空斷路器的合閘過程為例：新型驅(qū)動(dòng)電機(jī)與已有驅(qū)動(dòng)電機(jī)的動(dòng)態(tài)行程和輸出轉(zhuǎn)矩仿真結(jié)果對比如圖7所示，可以看出，新型驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)動(dòng)行程歷時(shí)最短，斷路器平均分閘速度為1.1 m/s，滿足40.5 kV真空斷路器的主要技術(shù)參數(shù)，且輸出轉(zhuǎn)矩、平均轉(zhuǎn)速分別提高了53.4 N·m和38 r/min。

(a)驅(qū)動(dòng)電機(jī)角位移曲線

(b)驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩曲線圖7 2臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)動(dòng)態(tài)特性對比

3 結(jié)論

a.繞組線徑和匝數(shù)配合關(guān)系是影響驅(qū)動(dòng)電機(jī)動(dòng)態(tài)特性的重要因素，斷路器合閘過程分別對3種不同繞組線徑和匝數(shù)的樣機(jī)進(jìn)行分析，結(jié)果表明：繞組線徑為1.35 mm、匝數(shù)為24的樣機(jī)運(yùn)動(dòng)行程歷時(shí)最短為45 ms，平均速度較大，電磁轉(zhuǎn)矩峰值在500～550 N·m范圍內(nèi)，平均輸出轉(zhuǎn)矩較高。

b.高壓配電網(wǎng)真空斷路器新型電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)的分合閘速度分別為1.8 m/s、1.1 m/s，滿足操作特性要求。

c.新型電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)輸出轉(zhuǎn)矩、平均轉(zhuǎn)速分別提高了53.4 N·m和38 r/min，具有體積小、出力大、速度可調(diào)范圍廣等特性。