摘 要：傳統(tǒng)的干式真空有載分接開關(guān)采用彈簧操作機構(gòu)，然而這種機構(gòu)結(jié)構(gòu)復雜、制造工藝煩瑣，導致其可靠性較難保證。相比之下，永磁機構(gòu)部件少、工作時僅單軸運動，因而具有較高的可靠性。采用雙穩(wěn)態(tài)永磁機構(gòu)可有效減小開關(guān)體積，提升開關(guān)運行可靠性。鑒于此，依據(jù)開關(guān)所選真空滅孤室主要參數(shù)和分合結(jié)構(gòu)，對雙穩(wěn)態(tài)永磁機構(gòu)的各組成部分進行了參數(shù)設(shè)計和控制電路的選擇，采用電磁分析軟件對永磁操動機構(gòu)的二維模型進行靜態(tài)分析和動態(tài)分析，并通過實物負載試驗證實了參數(shù)設(shè)計的合理性。

關(guān)鍵詞：有載調(diào)壓開關(guān)；永磁機構(gòu)；真空滅弧室；電磁分析

中圖分類號：TM403.4" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2025）01-0001-07

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.01.001

0" " 引言

隨著國網(wǎng)對電壓治理要求的不斷提升，干式真空有載調(diào)壓變壓器因其防火、防爆、自動調(diào)壓的優(yōu)勢得到了廣泛使用，而傳統(tǒng)干式真空有載調(diào)壓開關(guān)切換采用彈簧操作機構(gòu)，機構(gòu)運作中均有磨損情況，在長期運作中難以保證狀態(tài)穩(wěn)定。永磁機構(gòu)作為新型驅(qū)動機構(gòu)，采用永久磁鐵進行終端位置的保持，動作元件和零部件數(shù)目明顯減少，因而可靠性大大提高[1]。新型干式真空有載分接開關(guān)通過采用雙穩(wěn)態(tài)永磁機構(gòu)實現(xiàn)快速切換，并有效減小開關(guān)體積，提升了運行可靠性。

雙穩(wěn)態(tài)永磁機構(gòu)是指開關(guān)無論在分閘位置還是合閘位置，其保持力都由永久磁鐵提供[2]。分合閘操作分別通過分合閘線圈來實現(xiàn)。

1" " 雙穩(wěn)態(tài)永磁機構(gòu)工作原理

如圖1（a）所示，在合閘位置時動鐵芯僅受到永磁鐵產(chǎn)生的磁場作用，讓其牢牢保持在機構(gòu)的上部。在執(zhí)行分閘操作時，如圖1（b）所示，外部的激勵電路會給下部的分閘線圈通以如圖所示的電流，隨著分閘電流的逐步增大，動鐵芯便開始動作，一旦動鐵芯中心越過了永磁體的中心，動鐵芯就會受到永磁體對其向下的磁力，進而繼續(xù)加速直到分閘動作完成，最終保持下分閘位置。圖1（c）為分閘位置原理圖。而對于雙穩(wěn)態(tài)永磁機構(gòu)來說，合閘操作和分閘操作類似，即給合閘線圈通電，如圖1（d）所示，便可完成合閘操作[3]。

2" " 雙穩(wěn)態(tài)永磁機構(gòu)設(shè)計計算

2.1" " 設(shè)計預處理

本文設(shè)計的永磁機構(gòu)是為分接開關(guān)真空滅弧室服務(wù)，需根據(jù)分接開關(guān)真空滅弧室的技術(shù)參數(shù)和對永磁機構(gòu)的要求展開設(shè)計。分接開關(guān)真空滅弧室的技術(shù)參數(shù)如表1所示。

2.2" " 動鐵芯和操動桿設(shè)計

2.2.1" " 分合閘永磁保持力F

F=niP（1+k）+G-Q=363 N，根據(jù)方案取值500 N

式中：n為相數(shù)，三相取值3；i為傳動比，杠桿式傳動機構(gòu)取值一般為0.6～0.8，本設(shè)計直動式取1；P為觸頭終壓力，取120 N；k為安全系數(shù)，取值范圍0.2～0.3，本設(shè)計取0.3；G為傳動系統(tǒng)總重量，系統(tǒng)采取水平布局，取0 N；Q為觸頭自閉力，取35×3=105 N。

2.2.2" " 動鐵芯行程L

L=i（L0+L1）=3 mm

式中：i為傳動比，取1；L0為觸頭開距，取2 mm；L1為觸頭超程，取1 mm。

2.2.3" nbsp; 動鐵芯磁表面積Sm

Sm==490.6 mm2

式中：μ0為真空磁導率，取4π×10-7 H/m；B為動鐵芯磁通密度，本設(shè)計取硅鋼材料磁化曲線拐點值1.6 T。

2.2.4" " 動鐵芯半徑R1

R1==13.5 mm

式中：R2為操動桿半徑，取5 mm。

2.2.5" " 動鐵芯氣隙磁通Φp

Φp=B1S1=BSm=7.8×10-4 Wb

式中：B1為動靜鐵芯之間的氣隙磁密，等于動鐵芯磁通密度B，取1.6 T；S1為動靜鐵芯之間的氣隙截面積，等于動鐵芯磁表面積Sm，為490.6 mm2。

2.3" " 靜鐵芯參數(shù)設(shè)計

2.3.1" " 靜鐵芯端蓋厚度h1

h1==5.8 mm，取值6 mm

式中：R1為動鐵芯半徑，取13.5 mm。

2.3.2" " 磁軛截面積S2

S2=π（R42-R32）=S1=490.6 mm2

式中：R4為磁軛外半徑；R3為磁軛內(nèi)半徑。

2.4" " 永磁體參數(shù)設(shè)計

永磁體選用的是釹鐵硼材料，這里選擇的永磁體為N42M型釹鐵硼，其剩余磁感應強度Br=1.301 T，矯頑力HC=996 kA/m，最大磁能積328.2 kJ/m3。

由于最大磁能積的工作磁密很難達到很高的數(shù)值，因此本設(shè)計采用永磁體的工作磁密B2=75%Br=

0.976 T[4]，即工作點（250 kA/m，0.976 T）。

2.4.1" " 永磁體截面積S3

S3==799.2 mm2，取值800 mm2

式中：B2為永磁體的工作磁密，取值0.976 T。

2.4.2" " 永磁體高度hy

hy==8.78 mm，取值9 mm

式中：R3為永磁體內(nèi)徑，一般取永磁體內(nèi)徑比動鐵芯外徑多1 mm氣隙，取值14.5 mm。

2.4.3" " 磁路消耗的總磁勢IN

磁路消耗的磁動勢主要包括兩個方面：1）氣隙消耗的磁動勢；2）動鐵芯與磁軛等部件消耗的磁動勢[1]。與氣隙消耗的磁動勢相關(guān)的兩個量是磁通密度B和氣隙長度δ。動鐵芯與靜鐵芯之間的工作氣隙δ1=0.1 mm，兩個非工作氣隙，靜鐵芯與導磁體之間的非工作氣隙δ2=0.2 mm，永磁體與動鐵芯之間的非工作氣隙δ3=1 mm。設(shè)非工作氣隙磁通密度B3=1.2 T。氣隙消耗的磁動勢IN1為：

IN1=[B1δ1+B3（δ2+δ3）]=1 273 AT

由于動鐵芯與磁軛的尺寸未知，不能確定動鐵芯與磁軛等部件消耗的磁動勢，根據(jù)經(jīng)驗和仿真計算，氣隙消耗的磁動勢比動鐵芯與磁軛等部件消耗的磁動勢大得多，設(shè)動鐵芯與磁軛等部件消耗的磁動勢IN2約為527 AT，則氣隙和磁軛等部件消耗的總磁動勢IN為：

IN=IN1+IN2=1 800 AT

2.4.4" " 永磁體厚度LY

LY==7.2 mm，取值7 mm

式中：HY為永磁體工作點磁場強度，取250 kA/m。

所以，最終得到永磁體的內(nèi)徑為14.5×2=29 mm，外徑為43 mm，高度為9 mm。

2.5" " 分合閘線圈參數(shù)設(shè)計

線圈的激磁方式采用串激。線圈的結(jié)構(gòu)形式采用骨架方式，由漆包線繞制而成，外層澆注環(huán)氧樹脂。線圈供電方式采用充電電容放電方式，供電電壓為DC220 V。

2.5.1" " 合閘線圈參數(shù)設(shè)計

1）合閘過程初始階段線圈提供的電磁吸力F合：

F合=F-Q-F反=215 N

式中：F為永磁保持力，取500 N；Q為觸頭自閉力，取35×3=105 N；F反為觸頭反力，取60×3=180 N。

2）合閘線圈在主氣隙中的磁感應強度B合：

B合==1.05 T

式中：μ0為真空磁導率，取4π×10-7 H/m；F合為合閘線圈初始階段提供的電磁吸力，取215 N；S1為主氣隙截面積，取490.6 mm2。

3）合閘線圈在氣隙中產(chǎn)生的磁勢IN合1：

IN合1=[1.05×（3+0.1）+1.2×（1+0.2）]=3 736 AT，

取值3 750 AT

式中：μ0為真空磁導率，取4π×10-7 H/m。

4）合閘線圈在磁路中產(chǎn)生的總磁勢IN合：

IN合=IN合1+IN合2=4 500 AT

式中：IN合2為合閘線圈在動靜鐵芯中產(chǎn)生的磁勢降，一般為氣隙磁勢降的0.2～0.55倍，本設(shè)計取0.2，故取值為750 AT。

5）合閘線圈匝數(shù)N合：

N合==300匝

式中：I合為合閘電流，一般取值為5～20 A，本設(shè)計取15 A。

6）合閘線圈平均直徑DA合：

合閘線圈根據(jù)動鐵芯及永磁體的尺寸，初步設(shè)定其內(nèi)半徑為13.5+1=14.5 mm，線圈厚度取7 mm，線圈外半徑為21.5 mm。因此，合閘線圈的內(nèi)直徑為29 mm，外直徑為43 mm，平均直徑DA合=36 mm。

7）合閘線圈線徑d合：

d合==0.718 mm

式中：ρ為銅的電阻率，20 ℃時為1.75×10-8 Ω·m，一般線圈在40～60 ℃時其銅導線的電阻率為0.020 29 Ω·mm2/m；U為電源供電電壓，為DC220 V。

計算得到線徑為0.718 mm。根據(jù)GB 6109.1—1990中對低壓斷路器操動機構(gòu)線圈的規(guī)定，選取線徑為0.670 mm，按照二級厚漆膜處理后，線圈的漆包線直徑為0.720 mm。

8）合閘線圈尺寸：

根據(jù)前面計算，合閘線圈匝數(shù)N合=300匝，線圈幅向排布匝數(shù)為線圈厚度/線徑=7/0.720≈9.7匝，近似為10匝，軸向匝數(shù)為300/10=30匝，因此線圈高度為21 mm，高度與厚度的比為3.0，符合線圈的比值系數(shù)。

2.5.2" " 分閘線圈參數(shù)設(shè)計

1）分閘過程初始階段線圈提供的電磁吸力F分：

F分=F=500 N

式中：F為永磁保持力，取500 N。

2）合閘線圈在主氣隙中的磁感應強度B分：

B分==1.6 T

式中：μ0為真空磁導率，取4π×10-7 H/m；F分為分閘線圈初始階段提供的電磁吸力，取500 N；S1為主氣隙截面積，取490.6 mm2。

3）分閘線圈在氣隙中產(chǎn)生的磁勢IN分1：

IN分1=[1.6×（3+0.1）+1.2×（1+0.2）]=5 093 AT，

取值5 200 AT

式中：μ0為真空磁導率，取4π×10-7 H/m。

4）分閘線圈在磁路中產(chǎn)生的總磁勢IN分：

IN分=IN分1+IN分2=6 240 AT

式中：IN分2為分閘線圈在動靜鐵芯中產(chǎn)生的磁勢降，一般為氣隙磁勢降的0.2～0.55倍，本設(shè)計取0.2，故取值為1 040 AT。

5）分閘線圈匝數(shù)N分：

N分==139匝，取值140匝

式中：I分為分閘電流，一般取值為15～80 A，本設(shè)計取45 A。

6）分閘線圈平均直徑DA分：

分閘線圈根據(jù)動鐵芯及永磁體的尺寸，初步設(shè)定其內(nèi)半徑為13.5+1=14.5 mm，線圈厚度取7 mm，線圈外半徑為21.5 mm。因此，分閘線圈的內(nèi)直徑為29 mm，外直徑為43 mm，平均直徑DA分=36 mm。

7）分閘線圈線徑d分：

d分==0.845 mm

式中：ρ為銅的電阻率，20 ℃時為1.75×10-8 Ω·m；U為電源供電電壓，為DC220 V。

計算得到線徑為0.845 mm。選取線徑為0.92 mm，按照二級厚漆膜處理后，線圈的漆包線直徑為0.96 mm。

8）分閘線圈尺寸：

根據(jù)前面計算，分閘線圈匝數(shù)N分=140匝，線圈幅向排布匝數(shù)為線圈厚度/線徑=7/0.96≈7.3匝，近似為7匝，軸向匝數(shù)為140/7=20匝，因此線圈高度為21 mm，高度與厚度的比為3.0，符合線圈的比值系數(shù)。

2.6" " 其他部件設(shè)計

考慮到實際工程中，每個部件都預留一點氣隙，同時線圈骨架也有一定的厚度，線圈澆注環(huán)氧樹脂也有厚度，最終確定：

1）分合閘線圈的尺寸為內(nèi)半徑14 mm，外半徑22 mm，高度22 mm。

2）動鐵芯外半徑為13.5 mm，導桿半徑為5 mm。

3）永磁體內(nèi)半徑為14.5 mm，外半徑為21.5 mm，高度為9 mm。

4）因此，動鐵芯高度為22+22+9-3.2=49.8 mm。

5）端蓋厚度為6 mm。

6）磁軛內(nèi)半徑R3為線圈外半徑=22 mm，磁軛外半徑R4==25.3 mm，取值25.5 mm，磁軛厚度為3.5 mm。磁軛高度=22+22+9=53 mm。

7）蓋板外半徑為25.5 mm。

3" " 驅(qū)動電路及充電儲能電容選擇

3.1" " 驅(qū)動電路的選擇

目前，永磁機構(gòu)常見的驅(qū)動電路有兩種：全橋型和直驅(qū)開關(guān)型[5]。結(jié)合項目的實際控制需求，由于項目需要控制多個永磁機構(gòu)，并且永磁機構(gòu)之間有復雜的時序控制邏輯，故本開關(guān)采用直驅(qū)開關(guān)型驅(qū)動電路。

常見的直驅(qū)開關(guān)型永磁機構(gòu)分合閘線圈驅(qū)動電路如圖2所示。

圖2中，C為充電儲能電容，R0為充電電阻，U為DC220 V模塊電源，其功率由電容C的充電電流和充電時間決定，L和R為分合閘線圈等效電感和電阻。V0、V1是絕緣柵極晶體管，V0控制充電回路投入，控制電源模塊U通過充電電阻R0給C充電；V1控制儲能電容C給分合閘線圈供電，以驅(qū)動分合閘動作。D1、D2是續(xù)流二極管，D1保護V1不被反向擊穿，D2在V1關(guān)斷后給線圈續(xù)流。

3.2" " 充電儲能電容最小電容量的獲取

永磁機構(gòu)的激磁電路可等效為RLC串聯(lián)電路，根據(jù)RLC等效電路知識可知電路可能出現(xiàn)阻尼放電和振蕩放電，若僅考慮激磁時間長短對永磁機構(gòu)的影響而不考慮其他因素，電容放電電流與時間的關(guān)系如圖3所示。

若激磁時間較長，此時振蕩放電的激磁電流方向會出現(xiàn)反向的情況。如圖3（b）所示，放電電流反向后，激磁線圈中的磁場方向與永磁體的磁場方向相同，此時不但不能使動鐵芯運動，反而會使其所受到的保持力增大，這在永磁機構(gòu)中是不允許出現(xiàn)的。因此永磁機構(gòu)的激磁放電電流只能是阻尼放電的情形，因為阻尼放電過程中不會出現(xiàn)電流反向的問題，如圖3（a）所示，這是正確的激磁放電方式。

同時，永磁機構(gòu)動作的必要條件是使得動鐵芯的合力大于等于永磁機構(gòu)固有的阻力，動鐵芯便開始運動。將動鐵芯剛好運動時的激磁電流記作臨界動作電流，激磁電流一旦達到該臨界電流時，動鐵芯便可以動作。由RLC等效電路分析可知，在振蕩放電過程中激勵電流等于臨界動作電流時，激磁回路所需的儲能電容容量最小，因此以此條件作為計算最小儲能電容的條件。

永磁機構(gòu)的激勵電路等效RLC串聯(lián)電路，可得振蕩放電電流需滿足：

i

=e-δtsin（ωt），

ω=

，

δ=

，

Clt;

式中：i為電容的放電電流；U0為電容的初始兩端電壓；ω為電容放電回路的震蕩角頻率；L為勵磁線圈的等效電感；δ為電容放電回路的阻尼系數(shù)；t為電容放電時間；C為儲能放電電容；R為放電回路的等效電阻。

并且在振蕩放電過程中最大激勵電流恰好等于永磁機構(gòu)動作的臨界動作電流，從而求得最小電容參考值為1 078.76 μF，取1 100 μF。

4" " 永磁機構(gòu)仿真分析

4.1" " 仿真模型的建立

根據(jù)本文第2章節(jié)永磁機構(gòu)結(jié)構(gòu)計算參數(shù)，使用仿真軟件進行永磁機構(gòu)的電磁暫態(tài)及運動仿真。

取1倍、2倍、3倍的最小電容參考值（1 100 μF）分別進行帶結(jié)構(gòu)負載仿真分析。

導入分合閘激磁線圈外部驅(qū)動電路，外部驅(qū)動電路的激勵連接如圖4所示，根據(jù)分合閘工況，斷開或閉合電路中的開關(guān)。

4.2" " 仿真分析結(jié)果

1）合閘過程中的磁密矢量分布如圖5所示。

2）合閘過程中合閘線圈電流曲線如圖6所示。

3）合閘過程中動鐵芯合閘位移曲線如圖7所示。

4）合閘過程中動鐵芯合閘速度曲線如圖8所示。

5）分閘過程中分閘線圈電流曲線如圖9所示。

6）分閘過程中動鐵芯分閘位移曲線如圖10所示。

7）分閘過程中動鐵芯分閘速度曲線如圖11所示。

4.3" " 仿真分析結(jié)論

由仿真結(jié)果可以看出，電容容量越大，線圈電流也越大，動鐵芯的速度也會變大。但是分、合閘電流過大，容易燒壞線圈，如果速度太快，還容易產(chǎn)生過大的碰撞力，使真空滅弧室損壞。

通過仿真結(jié)果和設(shè)計裕度，最終確認電容容量為2 200 μF。在2 200 μF電容量情況下，其合閘過程中電流峰值為24.2 A，響應時間為1.4 ms，動作時間為6.0 ms，平均速度為0.5 m/s；其分閘過程中電流峰值為74.7 A，響應時間為0.6 ms，動作時間為5.0 ms，平均速度為0.6 m/s。

根據(jù)仿真分析結(jié)果，設(shè)計的雙穩(wěn)態(tài)永磁操動機構(gòu)滿足有載分接開關(guān)真空滅弧室的驅(qū)動要求，也滿足其快速響應和小型化的要求。

5" " 試驗結(jié)果及分析

5.1" " 試驗平臺搭建

試驗采用加入保護后的全橋型永磁機構(gòu)驅(qū)動電路驅(qū)動，使用不同大小的電容器以及不同的電容充電時間來控制電容值。驅(qū)動電路如圖12所示。

圖12中C為充電儲能電容，S1～S4為輕觸開關(guān)，C1～C4為保護電容，L1、L2和R1、R2為分合閘等效電感和電阻，Ru為壓敏電阻，D1、D2和Ro1、Ro2為保護電路的二極管及電阻。

采用220 V交流電壓為充電電容C充電，通過并聯(lián)不同數(shù)量的電容器以及不同的電容充電時間來控制充電電容C的電容量。圖13為檢測不同電容量驅(qū)動永磁機構(gòu)切換時間的試驗平臺。

參照電容量計算基本公式：

C=Q/U

式中：C為電容的電容量；Q為電容所儲存的電荷量；U為電容的兩端電壓。

可以通過檢測電容兩端電壓的方式計算電容電荷量，在控制電容充電時間后采用微放電的方式對電容量進行微調(diào)，使用示波器對兩端到位信號進行采集。

5.2" " 試驗方法

取仿真計算的0.5倍、1倍、2倍、3倍、略大于3倍最小電容進行驅(qū)動，共五組進行試驗，對每組試驗進行七次分、合操作檢測，取平均值作為動鐵芯運動耗時，平均電容電壓計算電容量大小。表2為不同電容量采集運動耗時的試驗結(jié)果。

5.3" " 試驗結(jié)論

試驗結(jié)果與仿真運動情況基本一致，選取電容量在小于最小電容量時無法運動，僅有輕微聲響。電容量選取越大線圈電動力越強，動鐵芯運動耗時越短。電容量選取過大時，雖然運動耗時會進一步縮短，但是在動鐵芯達到穩(wěn)態(tài)位置后會在一段時間內(nèi)產(chǎn)生震蕩現(xiàn)象。

6" " 結(jié)束語

本文介紹了一種干式有載調(diào)壓開關(guān)用雙穩(wěn)態(tài)永磁機構(gòu)的設(shè)計方法，并通過分步計算形成具體的設(shè)計參數(shù)。利用電磁分析軟件對永磁機構(gòu)的三維和二維模型進行靜態(tài)分析和動態(tài)分析，從理論上驗證了設(shè)計的合理性。并根據(jù)使用環(huán)境特點，結(jié)合仿真驗證結(jié)果，明確了驅(qū)動電路和充電儲能電容容量的選擇。最后制作樣機并進行測試試驗，驗證結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致。本文為干式有載調(diào)壓開關(guān)用雙穩(wěn)態(tài)永磁機構(gòu)的設(shè)計提供了方法參考，其他相似結(jié)構(gòu)用永磁機構(gòu)設(shè)計也可以進行參照。

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收稿日期：2024-08-05

作者簡介：張興旺（1981—），男，江蘇徐州人，工程師，主要從事變壓器研究與設(shè)計工作。