快速真空斷路器電磁斥力機構研究

南方電網迪慶供電局 白 雪

前言

電磁斥力機構概念在1972年由加拿大 S.Basu和K.D.Srivastava等首次提出，其 工作主要原理為：利用外部電路電容器放電至驅動線圈，從而使其產生脈沖在附近形成交變磁場，受渦流效應在相應銅盤中產生感應渦流，線圈電流與渦流產生的磁場在相互作用下形成電磁斥力，從而帶動滅弧室動觸頭運動，實現分合閘的開關[1]。

上世紀九十年代電磁斥力機構才被真正應用于開關領域。1993年日本富士電機公司在斥力機構的基礎上研制了始動時間不超過1ms的機械開關。1998年德國在其基礎上進行了進一步的研究，制造出一種可在1250V電壓下分斷275A故障電流的混合式直流斷路器。一年后日本三菱公司首次在真空斷路器中引入進快速斥力機構，并制造出一臺始動時間低于1ms、20ms內完成故障電流分斷的15kV真空斷路器。

近年來，我國涉及相關領域的眾多名校均對基于電磁斥力機構的快速真空開關進行了研究，以清華大學、華中科技大學以及山東大學為領頭的高校不僅取得眾多理論成果，且制造出快速機械開關樣機。

1 斷路器電磁斥力機構基本原理

從結構形式上來看，電磁斥力機構主要分線圈-金屬盤型與雙線圈型（圖1）。加拿大S.Basu和K.D.Srivastava等提出的線圈-金屬盤型電磁斥力機構工作原理為：金屬盤中通過電磁感應從而產生渦流，線圈電流與渦流產生磁場從而形成電磁斥力。日本三菱公司提出的雙線圈型電磁斥力機構是基于線圈-金屬盤型電磁斥力機構的發展，將金屬盤用可動線圈盤替代，兩個線圈盤用軟連接相連，工作時在其之間流過反向電流從而產生電磁斥力。通過對比分析，在驅動效率方面雙線圈型電磁斥力機構明顯更高，然而受其結構及接線方面較復雜限制，在實際應用上并未被廣泛使用[2]。

圖1兩種形式的電磁斥力機構

盡管電磁斥力機構結構相對較簡單，但其具體工作過程涉及眾多方面，在對其動作過程進行分析時，需結合電磁感應、渦流場、電路放電及機械運動耦合等，目前難點在于分析的準確性。結合電磁斥力的計算方法，按照斥力機構各參數對機構效率及出力特性的影響，目前主要分為“等效電路的方法”和“場的方法”兩種。前者是將斥力盤等效為單匝或多匝線圈，運用電路以及運動方程計算電磁斥力；后者是利用商業有限元分析軟件，從而進行仿真模型的建立，通過有限元法求解操動機構的動態過程。

2 斷路器電磁斥力機構研究現狀

R.J.Rajotte和M.G.Drouet等加拿大著名學者通過對一種斥力盤尺寸遠大于放電線圈結構的電磁斥力機構進行研究，結合磁場和等效放電電路兩方面進行電磁斥力計算公式推導并通過試驗進行了驗證，公式計算結果與試驗結果之間存在的誤差在正常范圍內[3]。

Wei Li和Young Woo Jeong等韓國學者在利用等效電路法對電磁斥力機構進行分析時，將斥力盤進行分割成許多環形線圈且要求與斥力線圈同軸，斥力盤沿軸向或徑向進行自適應分割，提出一種自適應等效電路方法，將其與運動方程聯立后采用龍格-庫塔法求解，從而在很大程度上提高了求解精度[4]。

以婁杰為首的山東大學研究學者將斥力盤等效為與斥力線圈平行排列的同軸環形線圈，得到等效的單匝平行同軸雙線圈模型，從而推導出電磁斥力的基本分析公式[5]。將斥力盤等效為相互獨立的同軸圓形線圈，結合電壓平衡、麥克斯韋與達朗貝爾運動方程推導出電磁學和動力學基本方程。因模型中電磁力、電流、位移等相互耦合，因此提出基于時間和位移雙層循環的離散迭代算法，并將其與有限元仿真計算結果對比，對其算法的有效性進行驗證。這一分析方法雖將渦流在斥力盤徑向的分布情況考慮在內，但忽略了在軸向的趨膚效應，除此之外，運算過程較復雜且存在不收斂的情況。

海軍工程大學的武瑾等通過簡化斥力盤等效模型，提出斥力盤等效線圈串聯的假設，將斥力機構等效為兩個圓盤狀線圈的相互作用[6]。假設在電磁斥力作用時間內，當機構均速低于3m/s、互感M不隨位移改變、隨時間變化率dM/dt近似常數，推導出電磁斥力以及放電電流等動態特性的表達式，從而獲取機構中線圈電感、斥力峰值等變量值，以此將機構參數與驅動特性二者間的關系進行直觀的反映。與婁杰等提出的離散迭代算法相反，此方法忽略了渦流在斥力盤徑向的分布，但因假設斥力作用期間互感M隨時間的變化率dM/dt近似常數，在計算方面做了很大程度上的簡化，但正是這一原因導致計算精度較低。

相比于將斥力盤等效為與斥力線圈平行排列的同軸環形線圈或兩個線圈串聯的假設，賀開華工程師將其等效為一匝線圈，從而進行電磁斥力機構數學模型的構建，并采用Runge-Kutta法在MAPLE軟件中求解，與此同時，通過仿真軟件Ansya Maxwell對此模型進行了驗證。

不同于上述研究方法，華中科技大學王子建等人直接利用Ansya Maxwell仿真軟件進行快速電磁斥力機構仿真模型的建設，對機構動作過程中的各個參量進行仿真分析，一方面能夠獲得機構各部分的結構尺寸，另一方面還能了解電磁斥力大小受外部電路各參數的影響[7]。

為優化電磁斥力機構性能，主要采用有限元分析軟件Ansya Maxwell建立用于分析動力學特性的有限元模型，通過仿真直觀的分析動作過程中磁場分布、電磁斥力以及隨時間變化位移及速度的變化情況等。除此之外，還能通過調整模型的部分參數，從而達到優化其動態過程的效果。

一般來說，在進行模型參數的調整過程中，對其相應帶來的操動機構自身運動質量改變通常選擇忽略不計，并且通常情況下操動機構效率優化為其單一優化對象。然而在實際工程應用中，需要優化的對象不止一個，并且優化對象間可能存在不共存的互斥關系，因此在選擇優化對象和目標時應進行全面綜合的考量，尋求折中平衡，從而更好的達到優化的效果。如今這方面的研究仍是難點，有待進一步的發展。