快速真空開關(guān)的仿真與試驗研究

周 柳

[上海電器科學(xué)研究所(集團)有限公司, 上海 200063]

0 引 言

直流系統(tǒng)短路電流上升率高,巨大的短路電流將會對系統(tǒng)中的用電設(shè)備帶來強烈的電-熱-磁沖擊,所以要求直流斷路器盡快完成分?jǐn)郲1]?？焖僬婵臻_關(guān)作為直流斷路器快速建立絕緣間隙的前提和保證,其高速分?jǐn)嗵匦灾苯記Q定了直流斷路器的分?jǐn)鄷r間,一般采用具有快速響應(yīng)和運動速度的電磁斥力機構(gòu)作為操動機構(gòu)。

國內(nèi)外研究發(fā)現(xiàn),電壓和電流等級的提高導(dǎo)致快速真空開關(guān)可動部件質(zhì)量增大,短路電流上升率決定了分閘速度要求更快,但更大的可動部件質(zhì)量和分閘速度同時會帶來機構(gòu)的結(jié)構(gòu)強度問題。根據(jù)一般經(jīng)驗,傳統(tǒng)快速真空開關(guān)斥力峰值為50 kN的情況下,斥力盤部分最大應(yīng)力可達(dá)256 MPa,絕緣拉桿最大應(yīng)力可達(dá)244 MPa,上述參數(shù)均接近材料屈服極限。根據(jù)疲勞壽命理論,材料所受應(yīng)力越接近材料屈服極限,材料疲勞壽命越短,因此傳統(tǒng)電磁斥力機構(gòu)的使用壽命一般都不長[2]。

為了協(xié)調(diào)快速真空開關(guān)運動速度和使用壽命之間的矛盾,采用電磁斥力機構(gòu)與永磁操動機構(gòu)相結(jié)合的操動方式:在短路快速分閘時采用電磁斥力機構(gòu)方式,在額定分/合閘時采用永磁操動機構(gòu)方式。

1 基本結(jié)構(gòu)及原理

1.1 快速真空開關(guān)

快速真空開關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。采用直動式結(jié)構(gòu),從上到下主要由真空滅弧室、上下出線端子、絕緣拉桿、電磁斥力機構(gòu)、永磁操動機構(gòu)和緩沖器等組成。

1.2 快速斥力機構(gòu)

基于渦流感應(yīng)原理[3],快速真空開關(guān)采用電磁斥力機構(gòu)實現(xiàn)快速分閘,主要包括斥力線圈、斥力盤和傳動連桿等。其中,動觸頭、絕緣拉桿、斥力盤以及傳動桿等是運動部分。電磁斥力機構(gòu)的設(shè)計關(guān)鍵:在滿足分閘速度和機械強度的要求下,盡可能減輕運動部分的質(zhì)量。為了盡可能減小快速真空開關(guān)的可動部件質(zhì)量,真空滅弧室的動桿與下出線端子之間采用表帶觸指的滑動接觸方式,相對傳統(tǒng)采用軟連接加導(dǎo)電夾的方式能夠減小運動部件質(zhì)量;斥力盤與永磁操動機構(gòu)的動鐵心之間采用分體式聯(lián)合驅(qū)動方案,即斥力盤高速動作時先壓縮彈簧,動觸頭剛分后一段時間,再推開永磁鐵的動鐵心,目的是減載提速,減小動觸頭的剛分時間。電磁斥力機構(gòu)+永磁機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

1.3 永磁操動機構(gòu)

快速真空開關(guān)采用雙穩(wěn)態(tài)永磁操動機構(gòu)實現(xiàn)正常分/合閘,并提供合/分閘位置的保持力[4]。正常分閘時,分閘線圈通過電流,建立起與合閘保持相反的磁場,此時下極板吸力大于上極板的吸力,動鐵心開始向下運動,機構(gòu)實現(xiàn)分閘,并提供較大的分閘保持力;合閘亦然。永磁操動機構(gòu)相較于其他斥力機構(gòu)分/合閘保持方案,可以提供較大的合/分閘保持力,同時可以通過永磁操動機構(gòu)自有的合/分閘線圈實現(xiàn)合/分閘功能。一般,永磁機構(gòu)的動作壽命可達(dá)上萬次,可以充分適應(yīng)頻繁分/合閘工況的直流斷路器機械操作需求。

2 仿真分析

2.1 快速斥力機構(gòu)仿真

電磁斥力機構(gòu)分閘運動過程較為復(fù)雜,涉及到瞬態(tài)時變電磁場、牛頓定律,還包括外部勵磁電路。因此,利用Maxwell二維瞬態(tài)場對電磁斥力機構(gòu)的動力學(xué)特性進行耦合求解[5]。

電磁斥力機構(gòu)仿真模型及驅(qū)動電路如圖3所示。

圖3中,C為預(yù)充電的脈沖電容,VT1為晶閘管,R1和L1為線路中電阻和電感,Winding1為斥力線圈。VT1導(dǎo)通后,來自C的脈沖電流被注入到斥力線圈中,并通過二極管VD1續(xù)流。由圖3(a)可見,考慮集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)后,電流密度會更集中于導(dǎo)電體的邊緣。

考慮到部分參數(shù)(斥力盤和斥力線圈尺寸,斥力線圈材料,斥力盤和線圈間距等)對于機構(gòu)運動特性的影響在多個文獻中已經(jīng)論證,另外樣機可通過調(diào)節(jié)驅(qū)動電路來實現(xiàn)不同的運動特性,因此在基本參數(shù)的影響方面,主要針對電磁斥力機構(gòu)驅(qū)動電路的電容容量與充電電壓的影響進行分析。

電磁斥力機構(gòu)中斥力盤電磁斥力與位移受電容容值的影響如圖4所示。

從圖4可見,當(dāng)電容容值增大時,電磁斥力與位移隨之顯著增大。這是由于電路放電時間常數(shù)和電容儲能能量與電容容值成正比,當(dāng)電容容值增大時,線圈電流峰值時間變長而峰值增大,從而產(chǎn)生同樣趨勢的電磁斥力與位移,盡管電磁力峰值時間增大,但峰值增加以及持續(xù)時間變長起主要效果,容值增加會使得電容體積大大增加,不符合小型化的目標(biāo)。

電磁斥力機構(gòu)中斥力盤的電磁斥力與位移受電容充電電壓的影響如圖5所示。

由圖5可見,當(dāng)電容充電電壓增大時,電磁斥力與位移隨之顯著增大。這是由于電容儲能能量與電容充電電壓成正比,電容充電電壓增大能夠明顯提高線圈電流,從而產(chǎn)生同樣趨勢的電磁斥力與位移,在滿足速度設(shè)計前提下,充電電壓盡量小。充電電壓很高時,會帶來電容以及充放電回路絕緣問題,導(dǎo)致整體體積增大。

增大儲能電容容量和增大電容充電電壓,均可顯著增加機構(gòu)的電磁力與位移。這2個參數(shù)的影響均為單調(diào)變化,因此可以根據(jù)機構(gòu)運動速度的目標(biāo)進行選擇。

2.2 永磁操動機構(gòu)仿真

雙穩(wěn)態(tài)永磁機構(gòu)較為成熟,永磁機構(gòu)驅(qū)動電路與出力特性曲線如圖6所示。其合/分閘驅(qū)動電路示意圖與電磁斥力機構(gòu)類似?？焖僬婵臻_關(guān)的合閘位置需要克服大電流產(chǎn)生的電動斥力。該快速真空開關(guān)的永磁機構(gòu)大約提供5.7 kN的合閘保持力,分閘位置提供約4.5 kN的分閘保持力,同時永磁機構(gòu)死點位置大約在7.5 mm的位置。無論是額定分閘還是快速分閘情況下,當(dāng)動鐵心越過死點后,永磁機構(gòu)即可提供反向保持力。

不同位置磁感應(yīng)強度與磁力線分布如圖7所示。

當(dāng)動鐵心處于合閘位置時,動鐵心上端氣隙小、磁阻小,永磁體產(chǎn)生的磁通大部分通過上端磁路,將動鐵心牢牢保持在合閘位置;分閘亦然。合/分閘位置的磁感應(yīng)強度與磁力線近似具有對稱性。

3 試驗分析

快速真空開關(guān)采用電磁斥力機構(gòu)快速分閘,通過驅(qū)動電路給電磁斥力機構(gòu)的斥力線圈放電,用羅氏線圈測量線圈電流,用直線位移傳感器測量可動部件的位移[6]。

實際測得電磁斥力機構(gòu)剛分時間如圖8所示。斥力線圈電流上升起始時刻約410 μs后,動/靜觸頭開始分離(電壓變位信號發(fā)生階躍變化),即電磁斥力機構(gòu)分閘剛分時間為410 μs,達(dá)到5 mm開距的時間約為1.53 ms,平均運動速度(不考慮固有分閘時間)均約為4.46 m/s,能滿足設(shè)計要求;但是當(dāng)快速真空的電磁斥力機構(gòu)快速分閘后,出現(xiàn)了反彈到合閘位置的現(xiàn)象。電磁斥力機構(gòu)的分閘特性曲線如圖9所示。前半部分滿足電磁斥力快速分閘要求,后半部分經(jīng)過約25 ms的時間反彈到合閘位置并保持在合閘狀態(tài)。

電磁斥力機構(gòu)快速分閘后反彈到合閘位置的原因主要有以下幾個方面:

(1) 電磁斥力機構(gòu)的電磁力太大,導(dǎo)致可動部件(包括動鐵心)的運動速度太快,與限位裝置碰撞后導(dǎo)致反彈力遠(yuǎn)大于永磁分閘保持力,從而出現(xiàn)反彈到合閘位置現(xiàn)象。

(2) 緩沖器的緩沖距離較小,導(dǎo)致可動部件緩沖到位后與限位裝置碰撞導(dǎo)致反彈力遠(yuǎn)大于永磁分閘保持力,從而出現(xiàn)反彈到合閘位置現(xiàn)象。

(3) 電磁斥力機構(gòu)快分時,帶動永磁機構(gòu)的動鐵心快速動作,動鐵心切割永磁磁力線。隨著磁場的變化在動鐵心產(chǎn)生渦流[7],渦流產(chǎn)生的磁場會削弱永磁鐵的磁場,對永磁機構(gòu)的特性產(chǎn)生較大的影響,導(dǎo)致分閘到位時,永磁鐵分閘保持力克服不了反彈力,從而出現(xiàn)反彈到合閘位置現(xiàn)象。

原因(1)、(2)是相輔相成的關(guān)系,由于電磁斥力不能太小,否則會影響快速分閘的運動特性。對該樣機的充電電壓以及緩沖器進行了多次調(diào)節(jié)后,仍然有反彈到合閘位置現(xiàn)象出現(xiàn),因此著重從渦流影響方面來分析反彈原因。

對永磁機構(gòu)進行瞬態(tài)電磁場仿真,給動鐵心施加一定速度后,使其從合閘位置運動到分閘位置。永磁機構(gòu)分閘位置的渦流影響如圖10所示。

由圖10(a)分析可知,電磁斥力機構(gòu)帶動永磁機構(gòu)的動鐵心快速向下運動到分閘位置時,在動鐵心以及靜鐵心等鐵磁材料的表面產(chǎn)生了渦流;合閘線圈的存在,動鐵心在運動時會在線圈兩端感生出反電動勢,該反電動勢通過驅(qū)動電路的續(xù)流二極管形成環(huán)流。圖9中電流曲線即為實際測得的永磁合閘線圈電流。根據(jù)楞次定律,在鐵磁材料產(chǎn)生的渦流與永磁合閘線圈感應(yīng)的環(huán)流共同作用下產(chǎn)生的磁場會削弱永磁鐵在分閘位置的磁場。由圖10(b)可見,在分閘位置只有小部分磁力線通過,永磁機構(gòu)分閘保持力較小,克服不了反彈力,從而導(dǎo)致快速分閘反彈后向上運動,并在永磁合閘保持力作用下保持在合閘位置。

4 改進方案與結(jié)果

根據(jù)分析結(jié)果,為解決電磁斥力機構(gòu)快速分閘后反彈到合閘位置的現(xiàn)象,同時考慮加工成本,原則上針對鐵磁材料可采用硅鋼片的疊片方式降低渦流影響[8]。由于動/靜鐵心需采用圓柱形結(jié)構(gòu),硅鋼片加工成本以及工藝較高,因此保留原結(jié)構(gòu)鐵磁材料的渦流影響,并提出相應(yīng)改進措施。

(1) 方案一:改變永磁機構(gòu)合/分閘驅(qū)動電路,優(yōu)化后永磁機構(gòu)驅(qū)動電路如圖11所示。由圖11可知,將晶閘管VT1放置在續(xù)流二極管VD1與線圈Winding1之間,永磁機構(gòu)驅(qū)動電路中晶閘管不導(dǎo)通,使得合閘線圈不能通過續(xù)流回路形成通路,即消除合閘線圈環(huán)流對分閘特性影響。

(2) 方案二:電磁斥力機構(gòu)快速分閘時,斥力線圈與永磁分閘線圈同時上電,永磁分閘線圈能夠抵消動鐵心渦流及永磁合閘線圈環(huán)流產(chǎn)生的磁場。

(3) 方案三:方案一與方案二同時作用,即斥力線圈與永磁分閘線圈同時驅(qū)動,消除永磁合閘線圈環(huán)流對分閘特性影響。

樣機在充電電壓700 V下進行電磁斥力機構(gòu)快速分閘試驗,不同方案的位移曲線對比如圖12所示。由圖12可見,3種方案前半部分位移基本重合,且都沒有出現(xiàn)快速分閘后反彈到合閘位置的現(xiàn)象。方案一中分閘到位后出現(xiàn)反彈現(xiàn)象,反彈距離約為開距的40%,這是由于原鐵磁材料渦流影響,導(dǎo)致分閘位置的永磁保持力相對較小,反彈一段距離后在永磁分閘保持力作用下又回到分閘位置,并最終保持在分閘位置;方案二中永磁分閘線圈電流產(chǎn)生的磁場抵消了鐵磁材料渦流和合閘線圈環(huán)流產(chǎn)生的磁場,增加了分閘位置的保持力,并最終保持在分閘位置;方案三由于沒有永磁合閘線圈環(huán)流的影響,永磁分閘線圈電流只需抵消鐵磁材料渦流的影響,在永磁分閘線圈與永磁鐵共同產(chǎn)生的電磁力作用下,迅速到達(dá)分閘位置并保持。

從3個方案的分析來看,方案三能夠產(chǎn)生較理想的結(jié)果,因此采用方案三對樣機進行了不同電壓下的驗證。不同充電電壓下的試驗結(jié)果如表1所示。

表1 不同充電電壓試驗結(jié)果

由表1可知,電磁斥力機構(gòu)固有分閘時間隨著電容充電電壓增加而降低,這是由于充電電壓增加使得線圈放電電流增大,從而產(chǎn)生更大且增加更快的電磁力,使得機構(gòu)動作響應(yīng)更快,達(dá)到5 mm開距的時間在1.5～1.7 ms,平均運動速度(不考慮固有分閘時間)均在4.0～4.5 m/s。因此,在實際快速真空開關(guān)的應(yīng)用中,電磁斥力機構(gòu)能夠根據(jù)系統(tǒng)不同電流上升率選取不同的充電電壓,來均衡快速動作和機械壽命。采用方案三,充電電壓750 V下實測電磁斥力機構(gòu)特性曲線如圖13所示。

5 結(jié) 語

為了協(xié)調(diào)快速真空開關(guān)運動速度和使用壽命之間的矛盾,采用電磁斥力機構(gòu)和永磁操動機構(gòu)相結(jié)合的操動方式,電磁斥力機構(gòu)能夠根據(jù)系統(tǒng)不同電流上升率選取不同的充電電壓,來均衡快速動作和機械壽命。

針對電磁斥力機構(gòu)驅(qū)動動觸頭快速分閘后反彈到合閘位置現(xiàn)象,分析了鐵磁材料渦流及合閘線圈環(huán)流產(chǎn)生的磁場會削弱永磁鐵的磁場,從而對電磁斥力機構(gòu)的運動特性產(chǎn)生較大的影響,并提出了3種改進措施:

(1) 改變合/分閘驅(qū)動電路,消除合閘線圈環(huán)流對分閘影響。

(2) 電磁斥力機構(gòu)快速分閘時,斥力線圈與永磁分閘線圈同時上電,永磁分閘線圈能夠抵消動鐵心渦流及合閘線圈環(huán)流產(chǎn)生的磁場。

(3) 上述(1)、(2)措施同時作用,即斥力線圈與永磁分閘線圈同時上電,并消除合閘線圈環(huán)流對分閘影響。

通過試驗驗證了上述措施的有效性以及工程實際應(yīng)用的可行性,同時,措施(3)能夠產(chǎn)生更理想的結(jié)果。