CT□型彈簧操動機構(gòu)分合閘線圈的優(yōu)化設(shè)計

王占國

（平高集團有限公司，河南 平頂山467001）

0 前言

LW35-126型自能式SF6斷路器是我公司為滿足市場需求而開發(fā)的新一代六氟化硫斷路器,該斷路器采用自能式滅弧室,三極共用一臺彈簧機構(gòu)驅(qū)動,結(jié)構(gòu)小巧,安裝方便,備受電力用戶青睞,已大批量投入生產(chǎn),其操動機構(gòu)用分、合閘電磁鐵線圈完全相同,額定操作電流均為2.8A（DC220V）。

目前，城鄉(xiāng)電網(wǎng)改造正在全國范圍內(nèi)進行，由于部分電力用戶，特別是一些舊變電站改造的用戶，由于受變電站控制保護系統(tǒng)容量的限制,要求分閘電磁鐵線圈操作電流為2.5A（DC220V）以下,甚至為2.0A以下。同時，為了增強產(chǎn)品的競爭力，另外新增了分、合閘電磁鐵操作電壓為DC110和DC125V兩種規(guī)范，為了盡力滿足用戶需要,特進行本課題進行研究。

1 結(jié)構(gòu)簡介

我們知道,電磁鐵是高壓斷路器操動機構(gòu)中的重要元件之一,電磁鐵的結(jié)構(gòu)多種多樣，但在高壓斷路器操動機構(gòu)中采用的幾乎都是螺管式電磁鐵。這種電磁鐵的主要部件有：動鐵心、靜鐵心、線圈等。當(dāng)電磁鐵線圈中通過電流時，在電磁鐵內(nèi)產(chǎn)生磁通，動鐵心受電磁力的作用動作，通過脫扣機構(gòu)，使操動機構(gòu)進行分合閘操作，從而帶動整個斷路器進行分合閘操作。

按照電磁鐵線圈的電源不同可分為交流電磁鐵和直流電磁鐵；按照電磁鐵線圈有無骨架可分為有骨架電磁鐵和無骨架電磁鐵。目前高壓斷路器操動機構(gòu)中使用的大部分為直流電磁鐵。

2 計算推導(dǎo)分析

電磁鐵產(chǎn)生的電磁力與線圈的的磁勢(即安匝數(shù))有直接的關(guān)系:即:

我們常用的電磁鐵線圈的骨架一般有矩形和圓柱形兩種。

對于矩形柱體線圈：

L=2（a+b）+πb0（見圖1)

對于圓柱形線圈：

圖1

圖2

而LW35-126型自能式SF6斷路器所用的電磁鐵線圈為矩形柱體線圈，其骨架具體尺寸如下：

a=48mm

b=35mm

將（3）代入（2）得：

將（4）代入（1）得：

由于受電磁鐵脫扣器結(jié)構(gòu)的限制，在不改變電磁鐵氣隙長度和磁極面積的前提下，由式（5）可以看出，改變電磁鐵線圈導(dǎo)線直徑和線圈匝數(shù)可以改變電磁鐵線圈的操作電流。

原電磁鐵線圈導(dǎo)線為0.31mm，匝數(shù)為1800匝，操作電流為2.8A，其安匝數(shù)為：

NI=1800×2.8=5040（安匝）

在生產(chǎn)過程中我們發(fā)現(xiàn)，有極個別分閘電磁鐵在進行出廠試驗時，30%額定操作電壓下能進行分閘操作（不符合有關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定），說明分閘線圈的磁勢（即安匝數(shù)）有點大，應(yīng)適當(dāng)減小線圈的磁勢（即安匝數(shù)）。

3 小電流（2A）電磁鐵線圈參數(shù)計算

為了降低電磁鐵線圈操作電流，我們初步把操作電流設(shè)定為2A，為了盡量保持電磁鐵的動特性不變，先按電磁鐵線圈安匝數(shù)不變進行計算，則電磁鐵線圈匝數(shù)應(yīng)為：

若保持線圈骨架不變，要增加線圈匝數(shù)，則需減小導(dǎo)線直徑，選取線徑為0.29mm的聚酯漆包線。

若線圈每層仍保持75匝，則線圈應(yīng)有層數(shù)為：

圓整后層數(shù)應(yīng)為34層，則線圈匝數(shù)為：

N=34×75=2550（匝）

依據(jù)以上數(shù)據(jù)可得出：

注：0.035為聚酯漆包線的漆膜厚度；

0.04為電磁鐵線圈導(dǎo)線間所墊的美濃紙厚度。

L=2（a+b）+πb0=2×（48+35）+π×12.41=204.967（mm）=0.204967(m)對于銅導(dǎo)線，根據(jù)GB6109可查得，聚酯漆包線的電阻率ρ為：

ρ最小為0.01695Ω·mm2/m

ρ最大為0.017241Ω·mm2/m

取中間值：

則改進后的電磁鐵線圈安匝數(shù)為：

IN=1.625×2550=4144（安匝）

與原安匝數(shù)5040安匝,相比減小了900安匝。

為此投制以下兩種線圈進行試驗：

?

試驗結(jié)果如下：

對編號1的線圈其額定操作電壓下（DC220V）分閘時間為30ms(技術(shù)要求規(guī)定的分閘時間為28+-24)，接近分閘時間的上限，分閘時間偏大。30%、65%、120%額定操作電壓下（即66V，143V，264V）的機械操作均滿足國家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

對編號2的線圈其額定操作電壓下（DC220V）分閘時間為23 ms接近分閘時間的下限，分閘時間偏小。65%、120%額定操作電壓下的機械操作均滿足國家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，30%額定操作電壓下（66V）的機械操作不滿足國家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

這說明理論計算與試驗結(jié)果有一定的偏差。

改進措施：

現(xiàn)對線圈進行改進，保持電磁鐵線圈線徑不變，把其匝數(shù)改為2250匝，層數(shù)為30層。

則相應(yīng)的參數(shù)為：

其電阻為：

其操作電流為：

對改造后的線圈重新進行試驗，試驗結(jié)果如下：

額定操作電壓下（DC220V），分閘時間為28ms，滿足了技術(shù)條件的要求，30%、65%、120%額定操作電壓下（即66V，143V，264V）的機械操作均滿足國家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

試驗數(shù)據(jù)如下：

?

結(jié)論：

從以上試驗結(jié)果可以看出，改進后的線圈分閘時間在產(chǎn)品技術(shù)條件規(guī)定的范圍之內(nèi)，各項機械試驗完全滿足有關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)的要求，分閘電磁鐵的操作電流降為1.9A，達到了降低電磁鐵操作電流的目的，研究試驗取得成功。

目前，該電磁鐵已運用到生產(chǎn)中，生產(chǎn)80多臺。

4 DC110V和DC125V電磁鐵線圈參數(shù)計算

DC110V電磁鐵線圈計算

為了保持電磁鐵安匝數(shù)（IN=5040）不變。

將有關(guān)參數(shù)代入上式得：

查有關(guān)材料標(biāo)準(zhǔn)，取電磁鐵線圈導(dǎo)線直徑為0.45。

由于原導(dǎo)線直徑為0.31，匝數(shù)為1800。

故原線圈骨架纏繞0.45導(dǎo)線的匝數(shù)應(yīng)為：

故取匝數(shù)為1200匝。

每層60匝，共20層。

L=2×（48+35）+3.14×20（0.45+0.032+0.04）

=166+32.7816=198.78

由于原導(dǎo)線直徑為0.31，匝數(shù)為1800。

故原線圈骨架纏繞0.425導(dǎo)線的匝數(shù)應(yīng)為：

故取匝數(shù)為1300匝。

為此投制以下兩種線圈進行試驗：

?

對上述線圈進行試驗。

5 結(jié)論

從試驗結(jié)果可以看出，改進后的線圈分閘時間在產(chǎn)品技術(shù)條件規(guī)定的范圍之內(nèi)，各項機械試驗完全滿足有關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)的要求，試驗取得成功。

目前，DC110V的電磁鐵已運用到生產(chǎn)中，生產(chǎn)30多臺，并已出口到緬甸、尼泊爾等國家。DC125V電磁鐵由于當(dāng)時是由銷售部門與廣東電力用戶商談的技術(shù)改造項目，由于改造合同沒有簽定，最終并沒有用到生產(chǎn)中。