一种双稳态永磁机构真空断路器的研究与设计

2015-10-30陈子珍雷小强

制造业自动化 2015年11期

陈子珍，雷小强

（1.宁波职业技术学院，宁波 315800；2.施耐德电气（中国）有限公司，北京 100102）

0 引言

当前，真空断路器的使用相当普遍，特别是在12kV电压等级中占有绝对优势。多年来用于中压断路器操动机构主要有电磁式和弹簧式两种。这种传统的电磁操动机构要求合闸电源容量大，操作电流大，电源电压的波动直接影响合闸速度，目前中压断路器已很少使用。弹簧操动机构合闸特性不受电源影响，相当恒定，在一定程度上克服了电磁操动机构的缺点，得到了广泛的应用。然而弹簧操动机构由于机械零件数目多，长期运行存在机械零件磨损、锈蚀等，同时，制造厂在零件加工精度、表面处理、装配等工艺控制和质量控制等方面需投入大量的精力，对批量生产产品的一致性带来了很大的难题。永磁操动机构机械零部件少、操作简单，进一步提高了断路器的机械寿命和可靠性，能为真空断路器操动机构实现免维护提供了可能[1～3]。

1 双稳态永磁机构的结构及动作原理

图1为方形结构双稳态永磁机构的剖面简图。主要包括7个部件。

图1 双稳态方型永磁机构的剖面简图

图2 双稳态永磁机构动作过程

图2为一双稳态永磁机构操作过程原理图。动铁心在静铁心间有三个平衡状态。如图2(a)所示位置为动铁心位于静铁心的最上方，对应断路器的分闸状态。如图2(c)为动铁心位于静铁心的最下方，对应断路器的合闸状态[4]。第三个平衡状态是动铁心位于静铁心的中部，这时永磁体磁通通过上部和下部磁路空气隙的磁阻相同，动铁心的上端和下端受静铁心的吸力，大小相等，使动铁心处于平衡状态。这种状态是一种不稳定的平衡状态，只要上下气隙有微小的变化，这种平衡就会被破坏，过渡到第一种或第二种平衡状态。所以动铁心实际上只存在两种稳定平衡状态，即分闸状态和合闸状态。因此，图2所示的这种双线圈永磁机构又称作双稳态永磁机构。

当双线圈永磁机构处于分闸位置时，永磁体产生的磁力线分布如图2(b)中曲线I所示。当需要合闸时，在合闸线圈6中通以方向如图2(b)所示的直流电流，根据电磁感应原理[5]，通电后合闸线圈将产生电磁场，该电磁场磁通由两部分组成，磁力线方向如图2(b)中的曲线Ⅱ所示。一部分磁通通过上下磁极且绕过两个线圈形成回路，磁通方向与永磁体的磁通方向相反，使动铁心与上磁极间的吸力减小，另一部分磁通绕过合闸线圈通过下磁极形成回路，形成下磁极对动铁心的吸力。当电流增大到一定值时，由合闸线圈产生的电磁力足以克服永磁体产生的吸力和机械负载时，动铁心将开始向下运动。当动铁心向下运动时，动铁心上端与上磁极间就出现了空气气隙，上端的磁阻将迅速增大，下端磁阻减小，使得的静铁心上磁极对动铁心的吸力减小，而下磁极对动铁心的吸力增大，动铁心向下的合力迅速增大向下加速运动，使动铁心下端与静铁心下磁极接触，如图2(c)所示，完成合闸操作。这时，即使切断合闸线圈中的电流，动铁心可以通过永磁体被吸合在下磁极上，保持在合闸状态。分闸过程和合闸过程正好相反,如图2(d)所示。

2 双稳态永磁机构真空断路器模型设计

图3 12kV双稳态永磁机构真空断路器的设计模型

图3所示为12kV双稳态永磁机构真空断路器设计模型。操动机构与主回路部分前后布置，永磁操动机构布置在绝缘筒后框架内，通过直动式杠杆传动结构与真空灭弧室动触头端直接连接。断路器主回路部分垂直安装在断路器框架上，断路器框架由普通钢板焊接成型。当配装于固定柜时，无须底盘车和上下触臂；当配装于手车式开关设备时，可安装如图3所示的底盘车和上下触臂。

3 12kV双稳态永磁机构真空断路器设计计算模型[6]

图4 12kV真空断路器设计模型结构简图

图4给出了12kV真空断路器最初的设计模型结构简图，根据图4作出12kV真空断路器的力特性计算如图5所示。

图5 12kV真空断路器静态力保持示意图

图5中给出了设计的主力臂（166mm）、从力臂（95mm）尺寸，及灭弧室开距（12mm）和超程（4mm）的初设值。

图6 钕铁硼退磁曲线

4 12kV双稳态永磁机构真空断路器静态计算

4.1 永磁体工作点确定

钕铁硼永磁材料的最大特点是退磁曲线几乎是一条直线，且和回复线基本重合，这样永磁体的磁性能在运行过程中保持稳定[7]。退磁曲线如图6所示。当工作点A在回复线的中点时，四边形的面积最大，此时永磁体有最大的磁能积。以确定永磁体最佳工作点A（Hd，Bd）为依据选择永磁体的尺寸及外磁路的尺寸。根据选定的钕铁硼永磁材料退磁曲线，及工程实际，Bd约为0.8T，Hd约为258kA/m。

4.2 永磁体尺寸计算方法[5]

静态永磁体磁路分析如图7，在磁路分析过程中，由于永磁操动机构左右对称，以铁心中心线为对称轴，把磁路分为两半，故分析一半即可。

图7 永磁体磁路分析图

图7中，INm为永磁体磁势；Rm为永磁体磁阻；R1，R2为铁心上下端气隙磁阻。对于气隙磁阻用式(1)计算：

其中：δ为气隙长度；S为气隙截面面积；R为气隙磁阻。

从上面的磁路分析中，可得各部分的磁通量（忽略软磁体部分的磁阻）。

在永磁操动机构断路器中，工作气隙参数（Sg、Lg）的确定主要以合闸位置为主，当动铁心在合闸位置时，得到保持力Fb与动静铁心工作间隙面积的关系如下：

其中：Sg为动铁心在合闸保持位置时，动静铁心工作间隙的面积。

根据“磁路的第一基本方程”，在假定工作气隙截面Sg及永磁体截面Sm上磁通密度均匀分布的近似条件下，可以得到以下方程：

根据“磁路的第二基本方程”，在不考虑铁心和装配间隙的磁位降的情况下，可以得到以下方程：

其中：Kf为漏磁系数，Kr为磁阻系数，δ2为动铁心下端与静铁心间气隙长度，δm为永磁体与动铁心间气隙长度，Hg为动铁心在合闸保持位置时，动静铁心间隙的磁场强度，对应的磁感应强度为Bg。

Kr值变化较小，一般在1.05～1.45之间。Kf的值在不同磁路结构中，差别很大。机构设计中Kf的确定，有很大的经验性质，与操动机构的设计结构关系密切，根据本文设计的方型结构，动铁心在合闸保持位置的Kf取1.2。根据选用动铁心（低碳钢）的磁化曲线，按照工程设计经验，Bg可取1.4T。

于是在方程组(4)、(5)、(6)中，只有Sm、Lm和Sg为3个未知量。设计确定了各气隙长度δ1、δ2和δm后，通过磁路方程(2)、(3)可求得磁通φm1、φm2，代入式(4)后，联立方程组(5)、(6)即可得到永磁体工作面面积Sm和厚度Lm和Sg。

4.3 合闸线圈计算[5][8]

合闸等效磁路分析如图8(a)所示，依据叠加原理[7]，可将合闸磁路分成8(b)和8(c)两部分。在磁路分析过程中，由于永磁操动机构左右对称，以铁心中心线为对称轴，把磁路分为两半，故分析一半即可。

图8 合闸过程磁路分析示意图

图8中：IN2为合闸线圈安匝数，INm为永磁体磁势，Rm为永磁体磁阻，R1，R2为铁心上下端气隙磁阻。由图8可得合闸磁路的基本方程为：

图8中：IN2为合闸线圈安匝数，INm为永磁体磁势，Rm为永磁体磁阻（本文用永磁体和铁心间气隙磁阻来代替），R1，R2为铁心上下端气隙磁阻。

当铁心处于上部吸合位置，通过增加合闸线圈电流，使上部气隙磁通减小，铁心向上吸力F1减小；同时下部气隙磁通增加，铁心向下吸力F2增加。此时动铁心受到的合力Fr为：

其中Fc为额定开距下的触头反力的作用力，由灭弧室的性能决定。本文设计实例中的灭弧室规格，一般单相为200N，则Fc计算为：

而吸力（永磁体和合闸线圈产生）可以由下式求得。

这样即可求得始动安匝数INs。

要使铁心移动，并满足一定的速度要求，线圈安匝数必须大于始动安匝数，合闸线圈设计的安匝数为IN2，可设。

其中：k为经验放大系数，可取1.2～1.5之间。

其中：l为绕组平均扎长；ρ为绕组电阻率；U为直流电压；S内为绕组导线截面积。

绕组扎数N为：

其中：S为骨架截面积；N为绕组扎数；f为绕组填充系数，取75%。

4.4 分闸线圈计算[5] [8]

分闸等效磁路分析如图9(a)所示，IN1为分闸线圈安匝数。依据叠加原理[7]，可将分闸磁路分成9(b)和9(c)两部分。在磁路分析过程中，由于永磁操动机构左右对称，以铁心中心线为对称轴，把磁路分为两半，故分析一半即可。

图9 分闸过程磁路分析示意图

由图9可得分闸磁路的基本方程为：

如同合闸分析计算过程一样，可计算出绕组扎数和绕组导线截面积。

5 设计计算实例

5.1 永磁体尺寸及动铁心面积设计计算[9,10]

以设计额定电压为12kV，额定电流1250A，额定短路开断电流为31.5kA的真空断路器为例。

5.1.1 已知参量

根据图5所示的操动机构静态保持力的计算简图，可以计算出合闸位置的保持力Fbj。

根据灭弧室要求，合闸位置触头簧力为3200N（单相），考虑动铁心和动触头重量影响很小，拐臂旋转角度很小（约5°），因此合闸位置的保持力Fbj可简化为：

根据工程设计经验[11]，永磁体提供的保持力应选取在1.1Fbj～1.25Fbj之间。取设计保持力Fbs=1.2 Fbj=6583N。

对于分闸位置静态保持力，通过调节分闸位置的工作气隙，使静态保持力为1000±100N（工程经验数值）即可。

图10 机构设计模型剖视图

图10表示了机构模型剖视图永磁体及线圈的尺寸。将可以确定的已知参量归纳如表1所示。其中：δ1为动铁心上端与静铁心间气隙长度，数值取动铁心的行程28mm，δ2为动铁心下端与静铁心间气隙长度，工程经验取0.8mm。

表1 永磁体已知参量表

5.1.2 计算结果

表2 永磁体计算参量表

依据方程组(4)、(5)、(6)，运用叠代法进行计算，得到永磁体尺寸及动铁心的面积如表2所示。

上述Sm为永磁体的总面积，而单块永磁体的面积应为6688.3mm2。设计模型中，动铁心D1=50mm，由Sg计算值得到L1=124.4mm，设计时取L1=130mm。实际设计中，永磁铁设计面积可取130×52（6760mm2），Lm取4mm。

按照上述得到永磁体尺寸，实际装配完成后进行了合闸位置静态保持力的测试，实测的永磁体保持力Fbc为6187N，比设计保持力小6%。这与计算时有关工程经验值的选择有关，另外实际零件加工的误差和装配质量也是重要的影响因素之一。校核该力，为计算保持力Fbj的1.13倍。符合设计要求值的范围，可以按上述参数进行设计。

5.2 合分闸线圈设计计算[12]

5.2.1 已知参量

设计中将合分闸线圈外型骨架尺寸保持一致，以实际测到的静态保持力为已知参量，将合分闸线圈的已知参量归纳如表3所示。

表3 线圈已知参量表

5.1.2 计算结果

依据方程式(10)～式(12)，运用叠代法，得到合分闸线圈计算参量值如表4所示。

表4 合分闸线圈计算参量表

由计算的合闸线圈导线截面积2.32mm2可计算出合闸线圈导线的直径为1.72mm2，分闸线圈导线截面积2.19mm2可计算出分闸线圈导线的直径为1.67mm2。

6 结束语

当前12kV真空断路器经过多年的发展，特别是真空灭弧室制造工艺的提高，已基本解决了开断能力、电寿命及绝缘水平等问题，行业工作者已专注提高可靠性与机械稳定性方面的研究。本文提出设计的永磁机构，利用储能电容作为操作电源，不受外部电源影响，解决了电磁操作机构电源容量大、操作电流大及电源电压波动对合闸速度造成影响等问题。在机械结构方面，永磁机构机械零部件大大减少，结构简单，产品批量生产的一致性得到保障，二次控制回路使用电子控制器，相对弹簧操作机构，控制回路较为复杂，但在实际工程应用中，对电子控制器利用环氧树脂进行密封，使其耐受高低温、灰尘等恶劣环境的影响。在型式试验与大量的工程应用中，机械寿命与操作可靠性明显提高，达到用户对机构少维护甚至免维护的要求。但对于更高电压等级断路器，由于需要更大的操作功，暴露出其它操动机构的可靠性问题更加突出。如能将永磁机构用于更高电压等级的断路器，三相主回路分别使用三个独立的机构，运用电子控制操作技术[13]，将会进一步提高高压断路器的机械可靠性。同时，也将为实现断路器的同步操作技术提供可能[14]。

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