10kV双分合闸线圈快速真空断路器研究

刘树枫 吴 钢 刘海波 王 浩 李聪革



10kV双分合闸线圈快速真空断路器研究

刘树枫1吴 钢1刘海波2王 浩1李聪革3

（1. 国网内蒙古东部电力有限公司赤峰供电公司，内蒙古 赤峰 024000；2. 国网内蒙古东部电力有限公司，呼和浩特 010020；3. 四方华能电网控制系统有限公司，北京 100085）

本文分析了真空断路器的研究现状，针对现有的单分合闸线圈的真空断路器，指出了其可靠性较低的特点和一种新型10kV双分合闸线圈快速真空断路器结构。该型断路器具有两个分合闸线圈，一起作用于断路器的金属圆盘，保证了开断的可靠性。接着并对断路器的金属圆盘所受的电磁斥力进行了数学分析。

快速真空断路器；分合闸线圈；可靠性

随着我国经济的高速增长，电力系统的规模变得越来越大，负荷日益增加。电力系统的安全和可靠运行离不开断路器。电网发生故障时，需要断路器迅速切断短路电流，防止时事故的进一步扩大。因此，断路器的性能优劣直接影响到电网的正常运行[1-5]。

传统的断路器一般采用弹簧或者电磁操作机构。弹簧机构可以通过小功率电动机完成储能，适宜于交流操作，但是设备的机械结构复杂，零件多，生产成本高，精度低，可靠性低。电磁式结构依靠电磁力进行分合闸，可靠性高。但需要大的电磁铁和大面积电缆，且合闸时间长[6-10]。

近年来，采用涡流电磁斥力的高速真空器备受学者关注。其结构简单，动作迅速，分合闸时间为传统的真空断路器的1/10。因此，其不仅速投切到线路中保证供电的可靠性和稳定性，还能实现选相操作，减小操作过电压和电磁涌流，更被运用于无扰动电源切换技术、故障限流中。在电力系统中有非常广泛的应用前景。

1 10kV快速真空断路器研究现状

1972年快速电磁斥力机构的概念被首次提出，通过对励磁线圈通入脉冲电流，使斥力铜盘在祸流效应的作用下感应出较大的斥力推力，进而推动断路器动触头的快速分合闸动作。1999年，这一机构才被日本三菱公司研发出来，并制作了第一台基于快速斥力机构的15kV真空断路器。如今基于快速斥力结构的真空断路器在很多国家得到了快速的发展，日本和德国用电磁涡流斥力原理设计研发出了一系列的快速断路器。

山东大学李庆民研制了一种快速高压快速转换开关，采用双向电磁推力进行进行操动，其合闸时间为2.3ms，分闸时间为0.8ms，满足了快速开关的要求[11]。华中科技大学曹子建等人利用有限元方法，建立了用于电磁斥力机构场路耦合瞬态动力学特性分析的二维有限元模型。对金属斥力铜盘、分合闸线圈结构、充电电容进行了仿真分析，得到了一般的设计原则，并研制出了10kV快速真空开关样机，实测其固有分闸时间为0.5ms，满行程时间为1.6ms[12]。

目前，基于快速斥力的真空断路器结构如图1所示，主要由真空灭弧室、连接杆、金属斥力盘、分合闸线圈和永磁铁组成。分合闸线圈作用于金属斥力盘产生推力。

图1 普通快速真空断路器

图1中的数字含义如下所述。

1—真空灭弧室：通过管内真空优良的绝缘性使电路切断电源后能迅速熄弧并抑制电流。

2—静触头：固定触头，和动触头配合连通或断开线路。

3—动触头：活动触头，连通或断开线路。

4—连接杆：整体连接杆，用来带动动触头动作。

5—固定板：用来固定分、合闸线圈。

6—分闸线圈：电容接入放电时，对金属斥力盘产生向下的斥力，断开线路。

7—金属斥力盘：当分合闸线圈放电时，受到向上或向下的电磁斥力。

8—合闸线圈：电容接入放电时，对金属斥力盘产生向上的斥力，接通线路。

9—动铁心：活动铁心，与磁铁一起起自保持作用。

10—磁铁：用来固定动铁心。

其工作原理是，铜盘通过连接杆作用于真空灭弧室的动触头，磁铁用来提供保持力，使得合闸时有接触压力，分闸时有保持力。分合闸时，通过电容放电使得线圈中产生脉冲电流，使金属斥力盘中感应出涡力而受到电磁斥力，从而推动连接杆进行分合闸操作。

2 新型10kV双分合闸线圈快速真空断路器

根据相关统计资料分析，断路器的操纵机构故障占全部断路器故障的70%左右[4,13]。断路器的操纵机构性能的好坏将会影响到整个电力系统分的安全和稳定。而上文的断路器仅有一套分合闸线圈，一旦其出现故障，将导致断路器不能够断开，将会造成严重的后果。为提高断路器的可靠性，本文了对上文断路器的结构进行了改进，如图2所示，图中各标号表示的意义与图1类似。

图2 新型双分合闸线圈快速真空断路器

在上文的真空断路器上，为了保证操纵机构的有效性，采用了两套独立的分合闸线圈，共同作用于金属斥力盘。每套分合闸线圈都有独立的放电电容，当其中一组分合闸线圈出现故障时，可以由另外一组分合闸线圈正常作用于金属斥力盘，保证动作的可靠性，从而避免不要的损失。

3 电磁斥力计算

根据文献[14]的电磁力计算方法，把金属斥力盘看成由各个圆环等效而成，两个分合闸线圈一起对金属盘作用，如图3所示，1和2为绕组1和绕组2线圈的闸数，0为金属盘的等效圆环数，得到斥力机构等效的电路方程。

图3 两个独立线圈一起作用于金属斥力盘

可整理为

=（2） 0 0

式中，为2+2维的电感系数矩阵。将式（2）改写成矩阵向量的形式为

联立上式，就可以时间和位移的双重迭代[15]求解通电线圈电流，铜盘涡流，铜盘位移和电磁推力的动态过程。

4 仿真计算

根据上述电磁斥力的计算方法，本文进行了算例仿真分析。给出一个双分合闸线圈断路器的合闸的动态计算结果。其中铜盘参数：内半径15mm，外半径55mm，厚度5mm，宽2mm（铜盘等效为0=20匝）；线圈1：半径50mm，厚度5mm，宽度2mm，匝数1=4匝，充电电压1=380V，放电电容1=50000mF；线圈2：半径50mm，厚度5mm，宽度2mm，匝数2=4匝，充电电压1=400V，放电电容1=70000mF；铜盘和线圈1的初始距离为3mm；线圈1和线圈2的距离为10mm；开关动触头行程10mm；铜盘和圆杆质量=2kg。

编制程序进行计算，下面给出了分合闸线圈1的电流1，分合闸线圈2的电流2，电磁斥力和开关行程随时间的变化的动态过程（0～5ms）。

图4 电流i1

图5 电流i2

图6 电磁斥力F

开关行程从零时刻开始，位移初始为0。当位移为0.01m时，说明断路器闭合，此时对应的时间为0.69ms。

图7 开关行程x

5 结论

本文分析了国内外真空断路器的研究现状，针对现有的分合闸断路器可靠性较低的特点，提出了含有两个独立的分合闸线圈的断路器结构。两个独立的分合闸线圈一起独立地作用于金属圆盘，保证了动作的可靠性。在此基础上，采用等效计算的方式，推导了金属圆盘的电磁斥力。最后选取参数，通过仿真计算得到断路器的合闸时间为0.69ms，满足了快速开断的要求。

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Study on 10kV quick vacuum circuit breaker of double opening and closing coil

Liu Shufeng1Wu Gang1Liu Haibo2Wang Hao1Li Congge3

(1. State Grid East Inner Mongolia Electric Power Company Limited, Chifeng 024000;2. State Grid Easten Inner Mongolia Power Company, Hohhot 010020;3. Sifang & Huaneng Power System Control Co., Ltd, Beijing 100085)

This paper analyzes the present research status of vacuum circuit breaker, and points out the low reliability of the existing vacuum circuit breaker with single opening and closing coil, and puts forward a new structure of fast vacuum circuit breaker with 10kV double opening and closing coil. This type of circuit breaker has two separate opening and closing coils, which acts on the metal disc of the circuit breaker, and ensures the reliability of the breaking. Then, the electromagnetic repulsion force of the metal disc of the circuit breaker is analyzed mathematically.

quick vacuum circuit breaker; opening and closing coil; reliability

2017-12-07

刘树枫（1970-），男，内蒙古赤峰市人，本科，高级工程师，主要从事科技管理工作。