快速真空断路器电磁斥力机构研究

南方电网迪庆供电局 白 雪

前言

电磁斥力机构概念在1972年由加拿大 S.Basu和K.D.Srivastava等首次提出，其 工作主要原理为：利用外部电路电容器放电至驱动线圈，从而使其产生脉冲在附近形成交变磁场，受涡流效应在相应铜盘中产生感应涡流，线圈电流与涡流产生的磁场在相互作用下形成电磁斥力，从而带动灭弧室动触头运动，实现分合闸的开关[1]。

上世纪九十年代电磁斥力机构才被真正应用于开关领域。1993年日本富士电机公司在斥力机构的基础上研制了始动时间不超过1ms的机械开关。1998年德国在其基础上进行了进一步的研究，制造出一种可在1250V电压下分断275A故障电流的混合式直流断路器。一年后日本三菱公司首次在真空断路器中引入进快速斥力机构，并制造出一台始动时间低于1ms、20ms内完成故障电流分断的15kV真空断路器。

近年来，我国涉及相关领域的众多名校均对基于电磁斥力机构的快速真空开关进行了研究，以清华大学、华中科技大学以及山东大学为领头的高校不仅取得众多理论成果，且制造出快速机械开关样机。

1 断路器电磁斥力机构基本原理

从结构形式上来看，电磁斥力机构主要分线圈-金属盘型与双线圈型（图1）。加拿大S.Basu和K.D.Srivastava等提出的线圈-金属盘型电磁斥力机构工作原理为：金属盘中通过电磁感应从而产生涡流，线圈电流与涡流产生磁场从而形成电磁斥力。日本三菱公司提出的双线圈型电磁斥力机构是基于线圈-金属盘型电磁斥力机构的发展，将金属盘用可动线圈盘替代，两个线圈盘用软连接相连，工作时在其之间流过反向电流从而产生电磁斥力。通过对比分析，在驱动效率方面双线圈型电磁斥力机构明显更高，然而受其结构及接线方面较复杂限制，在实际应用上并未被广泛使用[2]。

图1两种形式的电磁斥力机构

尽管电磁斥力机构结构相对较简单，但其具体工作过程涉及众多方面，在对其动作过程进行分析时，需结合电磁感应、涡流场、电路放电及机械运动耦合等，目前难点在于分析的准确性。结合电磁斥力的计算方法，按照斥力机构各参数对机构效率及出力特性的影响，目前主要分为“等效电路的方法”和“场的方法”两种。前者是将斥力盘等效为单匝或多匝线圈，运用电路以及运动方程计算电磁斥力；后者是利用商业有限元分析软件，从而进行仿真模型的建立，通过有限元法求解操动机构的动态过程。

2 断路器电磁斥力机构研究现状

R.J.Rajotte和M.G.Drouet等加拿大著名学者通过对一种斥力盘尺寸远大于放电线圈结构的电磁斥力机构进行研究，结合磁场和等效放电电路两方面进行电磁斥力计算公式推导并通过试验进行了验证，公式计算结果与试验结果之间存在的误差在正常范围内[3]。

Wei Li和Young Woo Jeong等韩国学者在利用等效电路法对电磁斥力机构进行分析时，将斥力盘进行分割成许多环形线圈且要求与斥力线圈同轴，斥力盘沿轴向或径向进行自适应分割，提出一种自适应等效电路方法，将其与运动方程联立后采用龙格-库塔法求解，从而在很大程度上提高了求解精度[4]。

以娄杰为首的山东大学研究学者将斥力盘等效为与斥力线圈平行排列的同轴环形线圈，得到等效的单匝平行同轴双线圈模型，从而推导出电磁斥力的基本分析公式[5]。将斥力盘等效为相互独立的同轴圆形线圈，结合电压平衡、麦克斯韦与达朗贝尔运动方程推导出电磁学和动力学基本方程。因模型中电磁力、电流、位移等相互耦合，因此提出基于时间和位移双层循环的离散迭代算法，并将其与有限元仿真计算结果对比，对其算法的有效性进行验证。这一分析方法虽将涡流在斥力盘径向的分布情况考虑在内，但忽略了在轴向的趋肤效应，除此之外，运算过程较复杂且存在不收敛的情况。

海军工程大学的武瑾等通过简化斥力盘等效模型，提出斥力盘等效线圈串联的假设，将斥力机构等效为两个圆盘状线圈的相互作用[6]。假设在电磁斥力作用时间内，当机构均速低于3m/s、互感M不随位移改变、随时间变化率dM/dt近似常数，推导出电磁斥力以及放电电流等动态特性的表达式，从而获取机构中线圈电感、斥力峰值等变量值，以此将机构参数与驱动特性二者间的关系进行直观的反映。与娄杰等提出的离散迭代算法相反，此方法忽略了涡流在斥力盘径向的分布，但因假设斥力作用期间互感M随时间的变化率dM/dt近似常数，在计算方面做了很大程度上的简化，但正是这一原因导致计算精度较低。

相比于将斥力盘等效为与斥力线圈平行排列的同轴环形线圈或两个线圈串联的假设，贺开华工程师将其等效为一匝线圈，从而进行电磁斥力机构数学模型的构建，并采用Runge-Kutta法在MAPLE软件中求解，与此同时，通过仿真软件Ansya Maxwell对此模型进行了验证。

不同于上述研究方法，华中科技大学王子建等人直接利用Ansya Maxwell仿真软件进行快速电磁斥力机构仿真模型的建设，对机构动作过程中的各个参量进行仿真分析，一方面能够获得机构各部分的结构尺寸，另一方面还能了解电磁斥力大小受外部电路各参数的影响[7]。

为优化电磁斥力机构性能，主要采用有限元分析软件Ansya Maxwell建立用于分析动力学特性的有限元模型，通过仿真直观的分析动作过程中磁场分布、电磁斥力以及随时间变化位移及速度的变化情况等。除此之外，还能通过调整模型的部分参数，从而达到优化其动态过程的效果。

一般来说，在进行模型参数的调整过程中，对其相应带来的操动机构自身运动质量改变通常选择忽略不计，并且通常情况下操动机构效率优化为其单一优化对象。然而在实际工程应用中，需要优化的对象不止一个，并且优化对象间可能存在不共存的互斥关系，因此在选择优化对象和目标时应进行全面综合的考量，寻求折中平衡，从而更好的达到优化的效果。如今这方面的研究仍是难点，有待进一步的发展。