27.5 kV新型分相式單穩(wěn)態(tài)永磁機構

郭建炎，陳 雷，馬有糧

(1.廈門理工學院光電與通信工程學院，福建 廈門 361024；2.廈門理工學院電氣工程與自動化學院，福建 廈門 361024；3.施耐德電氣(廈門)開關設備有限公司，福建 廈門 361006)

?

27.5 kV新型分相式單穩(wěn)態(tài)永磁機構

郭建炎1，陳 雷2，馬有糧3

(1.廈門理工學院光電與通信工程學院，福建 廈門 361024；2.廈門理工學院電氣工程與自動化學院，福建 廈門 361024；3.施耐德電氣(廈門)開關設備有限公司，福建 廈門 361006)

針對27.5 kV真空斷路器永磁機構分合閘電流過大的問題，設計一種27.5 kV分相式單穩(wěn)態(tài)永磁機構，新型永磁機構直接與滅弧室相連.利用有限元分析軟件對新型單穩(wěn)態(tài)永磁機構進行了靜態(tài)和動態(tài)仿真分析.與傳統(tǒng)三相一體式永磁機構相比，該機構可以實現(xiàn)分相操作和同步分合閘.利用Ansoft Maxwell軟件對永磁機構進行仿真研究并進行樣機試驗，結果表明，新型機構可以有效分合閘，且有效減小了分合閘電流.

真空斷路器；分相式；永磁機構；分合閘電流

從國內外真空斷路器發(fā)生故障的數(shù)據(jù)中可以看出，由操動機構失效而引起的故障占了全部故障的70%左右，這說明操縱機構的性能是決定斷路器能否正常工作的重要因素.斷路器作為控制和保護電力系統(tǒng)的極為關鍵的電氣設備，承擔著控制線路通斷的重要任務，它能否可靠穩(wěn)定地工作都將對電力系統(tǒng)的供電質量、經(jīng)濟性、安全性有很大的影響[1-2].而作為中高壓斷路器的重要組成部分，操動機構性能的好壞直接影響到斷路器的可靠性.永磁機構零件少、結構簡單，比傳統(tǒng)彈簧機構和電磁機構有明顯優(yōu)勢.相比于雙穩(wěn)態(tài)永磁機構，單穩(wěn)態(tài)永磁機構可以更好地滿足斷路器的分閘要求，體積更小，更適合戶外斷路器[3].

目前，永磁機構斷路器作為一個永磁機構，通過連桿控制3個滅弧室觸頭進行分合閘動作，要求永磁機構提供的力較大，從而合閘電流較大可達到30 A左右[4-7].為了減小斷路器體積以及分合閘電流，根據(jù)27.5 kV斷路器的設計要求，本文設計了一種單相永磁保持力為2 000～2 200 N的分相式單穩(wěn)態(tài)永磁機構，通過理論計算和仿真確定機構的特性參數(shù)并制作樣機和試驗.

1 新型永磁結構

本文針對27.5 kV斷路器設計了一種新型分相式單穩(wěn)態(tài)永磁機構，永磁機構的結構圖如圖1所示，主要包括上端蓋、動鐵心、下端蓋、線圈、永磁體、磁軛等.機構合閘動作時，線圈電流和永磁體產(chǎn)生的電磁力作用于動鐵心，實現(xiàn)機構合閘.機構分閘動作時，線圈中通過反向電流，減小永磁體吸力并在分閘彈簧作用下實現(xiàn)快速分閘.目前大多數(shù)的永磁機構是通過拐臂和連桿與滅弧室相連，結構較復雜，新型單穩(wěn)態(tài)永磁機構通過絕緣拉桿直接與滅弧室相連，結構更加簡單.與傳統(tǒng)三相一體式永磁機構相比，分相式永磁機構可以實現(xiàn)分相操作和同步分合閘，分合閘電流更小.機構處于分閘位置時由分閘彈簧提供的預壓力保持，合閘位置時由永磁體提供永磁吸力保持，新型永磁機構與滅弧室連接如圖2所示.

2 靜態(tài)特性仿真

2.1 磁場計算

永磁機構的性能可通過Ansoft Maxwell有限元分析軟件仿真得到，根據(jù)麥克斯韋電磁場微分方程，用有限元離散的方式，將麥克斯韋電磁場方程轉化為矩陣求解[8].建立永磁機構的仿真模型，定義分配材料，將永磁體設置為激勵源，外層區(qū)域線段施加磁通平衡邊界條件，參數(shù)值設為0，即邊界無磁場通過，仿真得到機構處于合閘位置時的靜態(tài)磁場和磁密分布圖，如圖3、圖4所示.在永磁機構線圈不通電時，永磁體是機構的唯一磁源.從圖3中可以看出，動鐵心、磁軛、永磁體組成一條低磁阻抗回路，而動鐵心下部氣隙磁阻較大，因此磁力線主要分布于低磁阻回路上.由圖4可以看出，整個工作磁路磁密的最大值為1.457 9 T，由于采用10號鋼導磁材料最佳工作點在1.5～1.6 T，沒有達到飽和，因此整個磁路的磁密分布良好.

2.2 永磁體吸力理論推導及計算

對要計算的動鐵心表面上應力積分得到永磁機構永磁體對動鐵心的作用力：

(1)

其中：F為電磁力；p為電磁應力；S為表面積.電磁應力使磁力線縱向擴張橫向收縮，即得到電磁應力表達式：

(2)

其中：n為表面法線方向的單位矢量；B為該表面處磁感應強度矢量.通過有限元法計算出B的離散值，再通過積分迭加即可得到永磁體吸力值.把式(2)中的n和B表示為：

n=nxi+nyj，

(3)

B=Bxi+Byj，

(4)

將式(2)～式(4)代入式(1)中可得永磁體吸力為：

(5)

本文對單穩(wěn)態(tài)永磁機構運動過程中不同位置動鐵心所受到的永磁體吸力進行仿真，每隔0.5 mm進行一次仿真計算，得出動鐵心所受的永磁體吸力與行程的關系，如圖5所示.當動鐵心位于合閘位置時所受到的永磁體吸力最大為2 020 N，隨著動鐵心向分閘方向運動，動鐵心所受到永磁體吸力隨著位移的增大而減小，當?shù)竭_分閘位置時，動鐵心所受的永磁體吸力最小.在整個行程中，動鐵心所受的永磁體吸力始終指向合閘方向.單穩(wěn)態(tài)永磁機構上端蓋和下端蓋采用不同的材料[9]，上端蓋、磁軛、動鐵心采用導磁較好的10號鋼，下端蓋采用導磁性能較差的鋁材料.

3 動態(tài)特性仿真

與靜態(tài)特性相比，動態(tài)特性描述了永磁機構實際工作狀態(tài)下的各參數(shù)的變化過程，揭示了不同時刻各參數(shù)之間的關系.永磁機構的動態(tài)特性是由永磁體、線圈提供的電磁力和負載反力共同決定的，因此對永磁機構動態(tài)特性研究的重要性在于：1)可以計算機構以及觸頭的動作速度和動作時間；2)可以改變電磁與機械的配合，達到優(yōu)化機構的目的，提高機構可靠性和電氣壽命.

永磁機構的動態(tài)特性計算，勵磁回路必須滿足電壓平衡方程，機械運動上要滿足達朗貝爾運動方程，磁場要滿足麥克斯韋方程，這幾個方程相互關聯(lián)，構成動態(tài)特性微分方程組：

(6)

其中：Uc為電容的初始電壓；I為線圈中電流；R為線圈電阻；ψ為線圈的總磁鏈；t是時間；C是電容的電容量；m是整個系統(tǒng)運動部件的質量；x是動鐵心的位移；FX是電磁吸力；Ff是系統(tǒng)所受的反力；v是動鐵心的運動速度.

通過在Ansoft Maxwell 2D環(huán)境下設置永磁機構的動態(tài)仿真添加激勵源，選擇外層區(qū)域線段施加磁通平衡邊界條件，設置運動方向、運動范圍，在動鐵心上添加反力，設置初始速度、動鐵心質量等參數(shù)[10-11]，仿真得到合閘、分閘動鐵心行程、線圈電流與時間的關系如圖6所示.從圖6中可以看出,動鐵心在2 ms左右開始動作，這時對應的電流為5 A左右，說明在2 ms之前，線圈和永磁體產(chǎn)生的電磁吸力小于動鐵心所受的反力，當2 ms后電磁吸力大于反力，動鐵心才開始運動.在2～18 ms內電流逐漸增大，并在18 ms時達到最大值14.5 A.在18 ms后動鐵心在線圈磁場和永磁體磁場共同作用下運動，在24 ms時完全閉合，合閘的平均速度為0.58 m/s.完全閉合后動鐵心速度快速下降為0，由于此時驅動電路并沒有切斷，電容存在剩余電壓，線圈中的電流又按新的指數(shù)上升，但是電流的方向沒有變，動鐵心仍然保持位置不變.在這整個過程中充電電容不斷放電，電能轉化為磁再轉化為機械能使動鐵心運動.

從圖6中還可以看出機構分閘時間為16 ms，分閘平均速度為0.87 m/s.整個分合閘過程中合閘電流峰值為14.5 A，分閘電流峰值為-1.7 A，分合閘電流都滿足小電流的要求，提高了設備安全性，符合最初的設計要求.

4 樣機試驗

為了驗證仿真結果的正確性，將新型永磁機構樣機裝配于27.5 kV戶外斷路器上并進行了試驗，樣機如圖7所示，試驗結果如圖8、圖9所示.從圖8樣機合閘試驗結果可以看出，合閘持續(xù)時間為23 ms，合閘電流峰值為13.1 A，平均合閘速度為0.6 m/s.從圖9樣機分閘試驗結果可以看出，分閘持續(xù)時間為15 ms，分閘電流峰值-1.6 A，平均分閘速度為0.93 m/s.從仿真值和實驗值對比結果來看相差很小，對比結果見表1，從表1中可以看出，永磁機構仿真值與試驗值的誤差在正常誤差范圍內，分合閘電流峰值仿真結果略高于試驗結果，但分合閘平均速度試驗值要優(yōu)于仿真值，說明了仿真與試驗很好的一致性.

表1 永磁機構仿真與試驗對比

項目 仿真值試驗值誤差/%合閘電流峰值/A14.5013.1010.70分閘電流峰值/A-1.70-1.606.25平均合閘速度/(m·s-1)0.580.603.33平均分閘速度/(m·s-1)0.870.936.45

5 結論

利用有限元分析軟件對新型單穩(wěn)態(tài)永磁機構進行了2D建模并進行靜態(tài)和動態(tài)仿真分析，并制作樣機試驗，對比仿真結果與試驗結果得出以下結論：

1)仿真和試驗結果表明永磁機構仿真結果較為準確，永磁機構的仿真分析可用于永磁機構的設計.

2)新型永磁機構滿足低電壓、小電流和節(jié)能減耗的要求.

3)所設計的新型單穩(wěn)態(tài)永磁機構滿足預先的靜態(tài)永磁體保持力設計要求，也滿足所配合的27.5 kV斷路器的分合閘要求，可以為以后單穩(wěn)態(tài)永磁機構設計提供參考.

[1]劉陽.單穩(wěn)態(tài)永磁機構可靠性研究[D].大連:大連理工大學,2015:4-5.

[2]林莘.現(xiàn)代高壓技術[M].北京：機械工業(yè)出版社,2011:7-10.

[3]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.

[4]周麗麗,方春恩,李偉，等.真空斷路器永磁操動機構動態(tài)特性仿真及實驗[J].低壓電器,2008(1):63-66.

[5]林莘,張浩,那娜.真空斷路器永磁機構計算與分析[J].沈陽工業(yè)大學學報(自然科學版),2005,27(3):266-269.

[6]付萬安,宋寶韞.高壓斷路器永磁操動機構的研究[J].中國電機工程學報,2002,20(8):21-26.

[7]高會軍,林莘,蔡志遠.永磁操動機構磁場計算及動特性計算 [J].沈陽工業(yè)大學學報(自然科學版),2000,22(6):490- 493.

[8]劉焱.真空斷路器永磁操動機構性能分析與優(yōu)化設計[D].北京：北京交通大學,2013:22-24.

[9]林莘.永磁機構與真空斷路器[M].北京:機械工業(yè)出版社,2002:74-78.

[10]吳世寶,王博.基于有限元法的單穩(wěn)態(tài)永磁機構動態(tài)特性研究[J].電工電氣,2012,2(2):7-10.

[11]袁海軍.基于Ansoft Maxwell仿真的電磁閥關閉過程動態(tài)特性研究[J].機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新,2011,24(5):82-84.

(責任編輯 李 寧 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

福建省自然科學基金項目(2016J01323)；福建省中青年教師教育科研項目(JA15383)

郭建炎(1982-)，男，副教授，博士，研究方向為電磁場分析與綜合.E-mail:guojianyan@xmut.edu.cn

TM153

A

1673-4432(2016)05-0001-05