27.5 kV新型分相式单稳态永磁机构

郭建炎，陈 雷，马有粮

(1.厦门理工学院光电与通信工程学院，福建 厦门 361024；2.厦门理工学院电气工程与自动化学院，福建 厦门 361024；3.施耐德电气(厦门)开关设备有限公司，福建 厦门 361006)



27.5 kV新型分相式单稳态永磁机构

郭建炎1，陈 雷2，马有粮3

(1.厦门理工学院光电与通信工程学院，福建 厦门 361024；2.厦门理工学院电气工程与自动化学院，福建 厦门 361024；3.施耐德电气(厦门)开关设备有限公司，福建 厦门 361006)

针对27.5 kV真空断路器永磁机构分合闸电流过大的问题，设计一种27.5 kV分相式单稳态永磁机构，新型永磁机构直接与灭弧室相连.利用有限元分析软件对新型单稳态永磁机构进行了静态和动态仿真分析.与传统三相一体式永磁机构相比，该机构可以实现分相操作和同步分合闸.利用Ansoft Maxwell软件对永磁机构进行仿真研究并进行样机试验，结果表明，新型机构可以有效分合闸，且有效减小了分合闸电流.

真空断路器；分相式；永磁机构；分合闸电流

从国内外真空断路器发生故障的数据中可以看出，由操动机构失效而引起的故障占了全部故障的70%左右，这说明操纵机构的性能是决定断路器能否正常工作的重要因素.断路器作为控制和保护电力系统的极为关键的电气设备，承担着控制线路通断的重要任务，它能否可靠稳定地工作都将对电力系统的供电质量、经济性、安全性有很大的影响[1-2].而作为中高压断路器的重要组成部分，操动机构性能的好坏直接影响到断路器的可靠性.永磁机构零件少、结构简单，比传统弹簧机构和电磁机构有明显优势.相比于双稳态永磁机构，单稳态永磁机构可以更好地满足断路器的分闸要求，体积更小，更适合户外断路器[3].

目前，永磁机构断路器作为一个永磁机构，通过连杆控制3个灭弧室触头进行分合闸动作，要求永磁机构提供的力较大，从而合闸电流较大可达到30 A左右[4-7].为了减小断路器体积以及分合闸电流，根据27.5 kV断路器的设计要求，本文设计了一种单相永磁保持力为2 000～2 200 N的分相式单稳态永磁机构，通过理论计算和仿真确定机构的特性参数并制作样机和试验.

1 新型永磁结构

本文针对27.5 kV断路器设计了一种新型分相式单稳态永磁机构，永磁机构的结构图如图1所示，主要包括上端盖、动铁心、下端盖、线圈、永磁体、磁轭等.机构合闸动作时，线圈电流和永磁体产生的电磁力作用于动铁心，实现机构合闸.机构分闸动作时，线圈中通过反向电流，减小永磁体吸力并在分闸弹簧作用下实现快速分闸.目前大多数的永磁机构是通过拐臂和连杆与灭弧室相连，结构较复杂，新型单稳态永磁机构通过绝缘拉杆直接与灭弧室相连，结构更加简单.与传统三相一体式永磁机构相比，分相式永磁机构可以实现分相操作和同步分合闸，分合闸电流更小.机构处于分闸位置时由分闸弹簧提供的预压力保持，合闸位置时由永磁体提供永磁吸力保持，新型永磁机构与灭弧室连接如图2所示.

2 静态特性仿真

2.1 磁场计算

永磁机构的性能可通过Ansoft Maxwell有限元分析软件仿真得到，根据麦克斯韦电磁场微分方程，用有限元离散的方式，将麦克斯韦电磁场方程转化为矩阵求解[8].建立永磁机构的仿真模型，定义分配材料，将永磁体设置为激励源，外层区域线段施加磁通平衡边界条件，参数值设为0，即边界无磁场通过，仿真得到机构处于合闸位置时的静态磁场和磁密分布图，如图3、图4所示.在永磁机构线圈不通电时，永磁体是机构的唯一磁源.从图3中可以看出，动铁心、磁轭、永磁体组成一条低磁阻抗回路，而动铁心下部气隙磁阻较大，因此磁力线主要分布于低磁阻回路上.由图4可以看出，整个工作磁路磁密的最大值为1.457 9 T，由于采用10号钢导磁材料最佳工作点在1.5～1.6 T，没有达到饱和，因此整个磁路的磁密分布良好.

2.2 永磁体吸力理论推导及计算

对要计算的动铁心表面上应力积分得到永磁机构永磁体对动铁心的作用力：

(1)

其中：F为电磁力；p为电磁应力；S为表面积.电磁应力使磁力线纵向扩张横向收缩，即得到电磁应力表达式：

(2)

其中：n为表面法线方向的单位矢量；B为该表面处磁感应强度矢量.通过有限元法计算出B的离散值，再通过积分迭加即可得到永磁体吸力值.把式(2)中的n和B表示为：

n=nxi+nyj，

(3)

B=Bxi+Byj，

(4)

将式(2)～式(4)代入式(1)中可得永磁体吸力为：

(5)

本文对单稳态永磁机构运动过程中不同位置动铁心所受到的永磁体吸力进行仿真，每隔0.5 mm进行一次仿真计算，得出动铁心所受的永磁体吸力与行程的关系，如图5所示.当动铁心位于合闸位置时所受到的永磁体吸力最大为2 020 N，随着动铁心向分闸方向运动，动铁心所受到永磁体吸力随着位移的增大而减小，当到达分闸位置时，动铁心所受的永磁体吸力最小.在整个行程中，动铁心所受的永磁体吸力始终指向合闸方向.单稳态永磁机构上端盖和下端盖采用不同的材料[9]，上端盖、磁轭、动铁心采用导磁较好的10号钢，下端盖采用导磁性能较差的铝材料.

3 动态特性仿真

与静态特性相比，动态特性描述了永磁机构实际工作状态下的各参数的变化过程，揭示了不同时刻各参数之间的关系.永磁机构的动态特性是由永磁体、线圈提供的电磁力和负载反力共同决定的，因此对永磁机构动态特性研究的重要性在于：1)可以计算机构以及触头的动作速度和动作时间；2)可以改变电磁与机械的配合，达到优化机构的目的，提高机构可靠性和电气寿命.

永磁机构的动态特性计算，励磁回路必须满足电压平衡方程，机械运动上要满足达朗贝尔运动方程，磁场要满足麦克斯韦方程，这几个方程相互关联，构成动态特性微分方程组：

(6)

其中：Uc为电容的初始电压；I为线圈中电流；R为线圈电阻；ψ为线圈的总磁链；t是时间；C是电容的电容量；m是整个系统运动部件的质量；x是动铁心的位移；FX是电磁吸力；Ff是系统所受的反力；v是动铁心的运动速度.

通过在Ansoft Maxwell 2D环境下设置永磁机构的动态仿真添加激励源，选择外层区域线段施加磁通平衡边界条件，设置运动方向、运动范围，在动铁心上添加反力，设置初始速度、动铁心质量等参数[10-11]，仿真得到合闸、分闸动铁心行程、线圈电流与时间的关系如图6所示.从图6中可以看出,动铁心在2 ms左右开始动作，这时对应的电流为5 A左右，说明在2 ms之前，线圈和永磁体产生的电磁吸力小于动铁心所受的反力，当2 ms后电磁吸力大于反力，动铁心才开始运动.在2～18 ms内电流逐渐增大，并在18 ms时达到最大值14.5 A.在18 ms后动铁心在线圈磁场和永磁体磁场共同作用下运动，在24 ms时完全闭合，合闸的平均速度为0.58 m/s.完全闭合后动铁心速度快速下降为0，由于此时驱动电路并没有切断，电容存在剩余电压，线圈中的电流又按新的指数上升，但是电流的方向没有变，动铁心仍然保持位置不变.在这整个过程中充电电容不断放电，电能转化为磁再转化为机械能使动铁心运动.

从图6中还可以看出机构分闸时间为16 ms，分闸平均速度为0.87 m/s.整个分合闸过程中合闸电流峰值为14.5 A，分闸电流峰值为-1.7 A，分合闸电流都满足小电流的要求，提高了设备安全性，符合最初的设计要求.

4 样机试验

为了验证仿真结果的正确性，将新型永磁机构样机装配于27.5 kV户外断路器上并进行了试验，样机如图7所示，试验结果如图8、图9所示.从图8样机合闸试验结果可以看出，合闸持续时间为23 ms，合闸电流峰值为13.1 A，平均合闸速度为0.6 m/s.从图9样机分闸试验结果可以看出，分闸持续时间为15 ms，分闸电流峰值-1.6 A，平均分闸速度为0.93 m/s.从仿真值和实验值对比结果来看相差很小，对比结果见表1，从表1中可以看出，永磁机构仿真值与试验值的误差在正常误差范围内，分合闸电流峰值仿真结果略高于试验结果，但分合闸平均速度试验值要优于仿真值，说明了仿真与试验很好的一致性.

表1 永磁机构仿真与试验对比

项目 仿真值试验值误差/%合闸电流峰值/A14.5013.1010.70分闸电流峰值/A-1.70-1.606.25平均合闸速度/(m·s-1)0.580.603.33平均分闸速度/(m·s-1)0.870.936.45

5 结论

利用有限元分析软件对新型单稳态永磁机构进行了2D建模并进行静态和动态仿真分析，并制作样机试验，对比仿真结果与试验结果得出以下结论：

1)仿真和试验结果表明永磁机构仿真结果较为准确，永磁机构的仿真分析可用于永磁机构的设计.

2)新型永磁机构满足低电压、小电流和节能减耗的要求.

3)所设计的新型单稳态永磁机构满足预先的静态永磁体保持力设计要求，也满足所配合的27.5 kV断路器的分合闸要求，可以为以后单稳态永磁机构设计提供参考.

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(责任编辑 李 宁 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

福建省自然科学基金项目(2016J01323)；福建省中青年教师教育科研项目(JA15383)

郭建炎(1982-)，男，副教授，博士，研究方向为电磁场分析与综合.E-mail:guojianyan@xmut.edu.cn

TM153

A

1673-4432(2016)05-0001-05