配電網(wǎng)真空斷路器小型化電機操動機構(gòu)的設計與分析

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)設備，在實際運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)定運行。

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

型操動機構(gòu)，僅利用1臺特種電機直接驅(qū)動斷路器觸頭運動，具有機械結(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，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)斷路器的負載反力和分合閘速度要求，設計一種永磁無刷直流電機操動機構(gòu)，分析了不同繞組線徑和匝數(shù)下的電機性能，從提高電機功率密度、機械特性以及伺服性能等方面完成電機的整體設計，滿足小型化要求。采用數(shù)值仿真計算方法對新型小型化電機操動機構(gòu)和傳統(tǒng)電機操動機構(gòu)的電磁、機械、力學特性進行對比分析，結(jié)果表明，新型電機操動機構(gòu)具有較好的操動性能。

1 電機操動機構(gòu)概述

應用于高壓配電網(wǎng)真空斷路器的電機操動機構(gòu)基本原理如圖1所示，主要包括電機本體、多組傳動機構(gòu)和控制裝置。控制裝置發(fā)出指令驅(qū)動電機旋轉(zhuǎn)，電機旋轉(zhuǎn)帶動傳動主軸轉(zhuǎn)動，在主軸拐臂、絕緣拉桿和三角拐臂的聯(lián)合作用下推動動觸頭做直線運動，實現(xiàn)斷路器的分合閘操作[8]。

圖1 真空斷路器的電機操動機構(gòu)原理

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

圖2 驅(qū)動電機主軸側(cè)動態(tài)負載反力

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，傳動連桿長93 mm。通過電機操動機構(gòu)與斷路器動力學分析，計算得到電機主軸旋轉(zhuǎn)角度與傳動機構(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，電機主軸旋轉(zhuǎn)75°(開距為0°～38.3°，超程為38.3°～75°)。

(a)運動原理圖

(b)角位移與直線位移關(guān)系圖3 動觸頭行程與電機轉(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)動電機設計

2.1 設計方法研究

由40.5 kV真空斷路器電機操動機構(gòu)的機械特性可知：驅(qū)動電機運行時間極短，轉(zhuǎn)動角度有限，只工作在起動階段，所以不能采用常規(guī)電機的設計方法。本文基于斷路器的負載反力和操作速度要求、從電機輸出力矩角度、采用目標值方法，設計1臺有限轉(zhuǎn)角永磁無刷直流電機作為該斷路器電機操動機構(gòu)的驅(qū)動電機。其設計思路如圖4所示。

圖4 驅(qū)動電機的設計思路

采用參數(shù)協(xié)同對比方法對驅(qū)動電機設計方案進行評定，當驅(qū)動電機體積減小20%以上，且動作特性滿足高壓配電網(wǎng)斷路器操作性能要求，則判定設計方案合理。

2.2 驅(qū)動電機結(jié)構(gòu)設計

以永磁無刷直流電機為基礎機型進行二次設計與開發(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。電機繞組采用星形連接方式，在繞制導線時進行整距配置，反電動勢呈梯形波形式，具有更好的機械特性。采用霍爾傳感器實時檢測驅(qū)動電機轉(zhuǎn)子位置，按照預設邏輯圖譜，控制電子器件依次導通，儲能電容釋放電能，形成磁勢交聯(lián)作用，驅(qū)動電機轉(zhuǎn)子運動。驅(qū)動電機基本結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 有限轉(zhuǎn)角永磁無刷直流電機結(jié)構(gòu)

2.3 驅(qū)動電機主要參數(shù)

a.驅(qū)動電機的主要尺寸

高壓配電網(wǎng)真空斷路器運動時間為毫秒級，驅(qū)動電機設計過程中應忽略次要因素，將設計重點集中在高功率密度、高輸出轉(zhuǎn)矩、高動作時間穩(wěn)定性等方面，實現(xiàn)體積小、功率密度高，轉(zhuǎn)速高，速度可調(diào)范圍廣等設計目標。

驅(qū)動電機的主要尺寸是指電樞直徑Di1和電樞長度lef，其數(shù)學關(guān)系為[10-11]

(1)

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

表2 驅(qū)動電機主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

b.定子槽數(shù)、繞組相數(shù)的選取

當驅(qū)動電機電樞繞組由2套獨立的繞組線圈并聯(lián)組成，則由于驅(qū)動電機僅工作在起動狀態(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、起動轉(zhuǎn)矩大、動態(tài)特性好等特點。本文設計的驅(qū)動電機定子槽數(shù)為36，繞組相數(shù)為3。

c.氣隙長度的選擇

驅(qū)動電機氣隙的設計直接影響輸出轉(zhuǎn)矩、動態(tài)響應特性、動作時間穩(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)動電機電樞反應呈正比關(guān)系，綜合考慮上述因素，本文設計的驅(qū)動電機氣隙為1 mm。

d.極對數(shù)和極弧系數(shù)的選擇

驅(qū)動電機轉(zhuǎn)子極數(shù)與電機鐵芯磁場交變頻率呈正比，增加極數(shù)會造成鐵耗成比例增加，且對電子開關(guān)設備影響較大。本文設計的驅(qū)動電機轉(zhuǎn)子極數(shù)為2。

對于永磁電機，極弧系數(shù)越大，氣隙內(nèi)空載平均磁密越大，電機出力越大，轉(zhuǎn)矩脈動越小；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。綜合考慮了電機結(jié)構(gòu)、機械特性等方面因素，本設計取極弧系數(shù)為0.9。

e.永磁體厚度的計算

永磁體厚度hM的計算參考式(2)和式(3)，式中，BM為考慮了氣隙磁場邊緣效應的永磁體磁密，1.052為經(jīng)驗參數(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，計算可得hM=8.65 mm≈9 mm。在此基礎上，為進一步降低電機電樞反應對氣隙磁場的畸變作用，設計永磁厚度為10 mm。

(2)

BM=1.052·Bδ

(3)

2.4 繞組線徑與匝數(shù)分析設計

槽滿率一定時(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)系是影響電機動態(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種電機方案進行仿真，結(jié)果如圖6所示。

(a)驅(qū)動電機角位移曲線

(b)驅(qū)動電機輸出轉(zhuǎn)矩曲線圖6 電機角位移和輸出轉(zhuǎn)矩仿真結(jié)果

由表2和圖1可以看出：電機完成斷路器合閘操作轉(zhuǎn)動75°，方案1的繞組線徑為1.35 mm、匝數(shù)為24，該電機方案運動行程歷時最短為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，電機輸出功率最大、功率密度最高。方案2與方案3電機樣機出力較小、運行速度較低。因此確定方案1作為驅(qū)動電機繞組線徑和匝數(shù)設計方案，完成電機整體設計，其主要參數(shù)見表4。

表3 不同繞組線徑和匝數(shù)方案的電機及仿真結(jié)果

表4 新型驅(qū)動電機的主要參數(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)動電機與已有驅(qū)動電機的動態(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)動電機運動行程歷時最短，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)動電機角位移曲線

(b)驅(qū)動電機輸出轉(zhuǎn)矩曲線圖7 2臺驅(qū)動電機動態(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)動電機動態(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)的樣機進行分析，結(jié)果表明：繞組線徑為1.35 mm、匝數(shù)為24的樣機運動行程歷時最短為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操動機構(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.新型電機操動機構(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。