快速真空开关的仿真与试验研究

周 柳

[上海电器科学研究所(集团)有限公司, 上海 200063]

0 引 言

直流系统短路电流上升率高,巨大的短路电流将会对系统中的用电设备带来强烈的电-热-磁冲击,所以要求直流断路器尽快完成分断[1]。快速真空开关作为直流断路器快速建立绝缘间隙的前提和保证,其高速分断特性直接决定了直流断路器的分断时间,一般采用具有快速响应和运动速度的电磁斥力机构作为操动机构。

国内外研究发现,电压和电流等级的提高导致快速真空开关可动部件质量增大,短路电流上升率决定了分闸速度要求更快,但更大的可动部件质量和分闸速度同时会带来机构的结构强度问题。根据一般经验,传统快速真空开关斥力峰值为50 kN的情况下,斥力盘部分最大应力可达256 MPa,绝缘拉杆最大应力可达244 MPa,上述参数均接近材料屈服极限。根据疲劳寿命理论,材料所受应力越接近材料屈服极限,材料疲劳寿命越短,因此传统电磁斥力机构的使用寿命一般都不长[2]。

为了协调快速真空开关运动速度和使用寿命之间的矛盾,采用电磁斥力机构与永磁操动机构相结合的操动方式:在短路快速分闸时采用电磁斥力机构方式,在额定分/合闸时采用永磁操动机构方式。

1 基本结构及原理

1.1 快速真空开关

快速真空开关结构示意图如图1所示。采用直动式结构,从上到下主要由真空灭弧室、上下出线端子、绝缘拉杆、电磁斥力机构、永磁操动机构和缓冲器等组成。

1.2 快速斥力机构

基于涡流感应原理[3],快速真空开关采用电磁斥力机构实现快速分闸,主要包括斥力线圈、斥力盘和传动连杆等。其中,动触头、绝缘拉杆、斥力盘以及传动杆等是运动部分。电磁斥力机构的设计关键:在满足分闸速度和机械强度的要求下,尽可能减轻运动部分的质量。为了尽可能减小快速真空开关的可动部件质量,真空灭弧室的动杆与下出线端子之间采用表带触指的滑动接触方式,相对传统采用软连接加导电夹的方式能够减小运动部件质量;斥力盘与永磁操动机构的动铁心之间采用分体式联合驱动方案,即斥力盘高速动作时先压缩弹簧,动触头刚分后一段时间,再推开永磁铁的动铁心,目的是减载提速,减小动触头的刚分时间。电磁斥力机构+永磁机构结构示意图如图2所示。

1.3 永磁操动机构

快速真空开关采用双稳态永磁操动机构实现正常分/合闸,并提供合/分闸位置的保持力[4]。正常分闸时,分闸线圈通过电流,建立起与合闸保持相反的磁场,此时下极板吸力大于上极板的吸力,动铁心开始向下运动,机构实现分闸,并提供较大的分闸保持力;合闸亦然。永磁操动机构相较于其他斥力机构分/合闸保持方案,可以提供较大的合/分闸保持力,同时可以通过永磁操动机构自有的合/分闸线圈实现合/分闸功能。一般,永磁机构的动作寿命可达上万次,可以充分适应频繁分/合闸工况的直流断路器机械操作需求。

2 仿真分析

2.1 快速斥力机构仿真

电磁斥力机构分闸运动过程较为复杂,涉及到瞬态时变电磁场、牛顿定律,还包括外部励磁电路。因此,利用Maxwell二维瞬态场对电磁斥力机构的动力学特性进行耦合求解[5]。

电磁斥力机构仿真模型及驱动电路如图3所示。

图3中,C为预充电的脉冲电容,VT1为晶闸管,R1和L1为线路中电阻和电感,Winding1为斥力线圈。VT1导通后,来自C的脉冲电流被注入到斥力线圈中,并通过二极管VD1续流。由图3(a)可见,考虑集肤效应和邻近效应后,电流密度会更集中于导电体的边缘。

考虑到部分参数(斥力盘和斥力线圈尺寸,斥力线圈材料,斥力盘和线圈间距等)对于机构运动特性的影响在多个文献中已经论证,另外样机可通过调节驱动电路来实现不同的运动特性,因此在基本参数的影响方面,主要针对电磁斥力机构驱动电路的电容容量与充电电压的影响进行分析。

电磁斥力机构中斥力盘电磁斥力与位移受电容容值的影响如图4所示。

从图4可见,当电容容值增大时,电磁斥力与位移随之显著增大。这是由于电路放电时间常数和电容储能能量与电容容值成正比,当电容容值增大时,线圈电流峰值时间变长而峰值增大,从而产生同样趋势的电磁斥力与位移,尽管电磁力峰值时间增大,但峰值增加以及持续时间变长起主要效果,容值增加会使得电容体积大大增加,不符合小型化的目标。

电磁斥力机构中斥力盘的电磁斥力与位移受电容充电电压的影响如图5所示。

由图5可见,当电容充电电压增大时,电磁斥力与位移随之显著增大。这是由于电容储能能量与电容充电电压成正比,电容充电电压增大能够明显提高线圈电流,从而产生同样趋势的电磁斥力与位移,在满足速度设计前提下,充电电压尽量小。充电电压很高时,会带来电容以及充放电回路绝缘问题,导致整体体积增大。

增大储能电容容量和增大电容充电电压,均可显著增加机构的电磁力与位移。这2个参数的影响均为单调变化,因此可以根据机构运动速度的目标进行选择。

2.2 永磁操动机构仿真

双稳态永磁机构较为成熟,永磁机构驱动电路与出力特性曲线如图6所示。其合/分闸驱动电路示意图与电磁斥力机构类似。快速真空开关的合闸位置需要克服大电流产生的电动斥力。该快速真空开关的永磁机构大约提供5.7 kN的合闸保持力,分闸位置提供约4.5 kN的分闸保持力,同时永磁机构死点位置大约在7.5 mm的位置。无论是额定分闸还是快速分闸情况下,当动铁心越过死点后,永磁机构即可提供反向保持力。

不同位置磁感应强度与磁力线分布如图7所示。

当动铁心处于合闸位置时,动铁心上端气隙小、磁阻小,永磁体产生的磁通大部分通过上端磁路,将动铁心牢牢保持在合闸位置;分闸亦然。合/分闸位置的磁感应强度与磁力线近似具有对称性。

3 试验分析

快速真空开关采用电磁斥力机构快速分闸,通过驱动电路给电磁斥力机构的斥力线圈放电,用罗氏线圈测量线圈电流,用直线位移传感器测量可动部件的位移[6]。

实际测得电磁斥力机构刚分时间如图8所示。斥力线圈电流上升起始时刻约410 μs后,动/静触头开始分离(电压变位信号发生阶跃变化),即电磁斥力机构分闸刚分时间为410 μs,达到5 mm开距的时间约为1.53 ms,平均运动速度(不考虑固有分闸时间)均约为4.46 m/s,能满足设计要求;但是当快速真空的电磁斥力机构快速分闸后,出现了反弹到合闸位置的现象。电磁斥力机构的分闸特性曲线如图9所示。前半部分满足电磁斥力快速分闸要求,后半部分经过约25 ms的时间反弹到合闸位置并保持在合闸状态。

电磁斥力机构快速分闸后反弹到合闸位置的原因主要有以下几个方面:

(1) 电磁斥力机构的电磁力太大,导致可动部件(包括动铁心)的运动速度太快,与限位装置碰撞后导致反弹力远大于永磁分闸保持力,从而出现反弹到合闸位置现象。

(2) 缓冲器的缓冲距离较小,导致可动部件缓冲到位后与限位装置碰撞导致反弹力远大于永磁分闸保持力,从而出现反弹到合闸位置现象。

(3) 电磁斥力机构快分时,带动永磁机构的动铁心快速动作,动铁心切割永磁磁力线。随着磁场的变化在动铁心产生涡流[7],涡流产生的磁场会削弱永磁铁的磁场,对永磁机构的特性产生较大的影响,导致分闸到位时,永磁铁分闸保持力克服不了反弹力,从而出现反弹到合闸位置现象。

原因(1)、(2)是相辅相成的关系,由于电磁斥力不能太小,否则会影响快速分闸的运动特性。对该样机的充电电压以及缓冲器进行了多次调节后,仍然有反弹到合闸位置现象出现,因此着重从涡流影响方面来分析反弹原因。

对永磁机构进行瞬态电磁场仿真,给动铁心施加一定速度后,使其从合闸位置运动到分闸位置。永磁机构分闸位置的涡流影响如图10所示。

由图10(a)分析可知,电磁斥力机构带动永磁机构的动铁心快速向下运动到分闸位置时,在动铁心以及静铁心等铁磁材料的表面产生了涡流;合闸线圈的存在,动铁心在运动时会在线圈两端感生出反电动势,该反电动势通过驱动电路的续流二极管形成环流。图9中电流曲线即为实际测得的永磁合闸线圈电流。根据楞次定律,在铁磁材料产生的涡流与永磁合闸线圈感应的环流共同作用下产生的磁场会削弱永磁铁在分闸位置的磁场。由图10(b)可见,在分闸位置只有小部分磁力线通过,永磁机构分闸保持力较小,克服不了反弹力,从而导致快速分闸反弹后向上运动,并在永磁合闸保持力作用下保持在合闸位置。

4 改进方案与结果

根据分析结果,为解决电磁斥力机构快速分闸后反弹到合闸位置的现象,同时考虑加工成本,原则上针对铁磁材料可采用硅钢片的叠片方式降低涡流影响[8]。由于动/静铁心需采用圆柱形结构,硅钢片加工成本以及工艺较高,因此保留原结构铁磁材料的涡流影响,并提出相应改进措施。

(1) 方案一:改变永磁机构合/分闸驱动电路,优化后永磁机构驱动电路如图11所示。由图11可知,将晶闸管VT1放置在续流二极管VD1与线圈Winding1之间,永磁机构驱动电路中晶闸管不导通,使得合闸线圈不能通过续流回路形成通路,即消除合闸线圈环流对分闸特性影响。

(2) 方案二:电磁斥力机构快速分闸时,斥力线圈与永磁分闸线圈同时上电,永磁分闸线圈能够抵消动铁心涡流及永磁合闸线圈环流产生的磁场。

(3) 方案三:方案一与方案二同时作用,即斥力线圈与永磁分闸线圈同时驱动,消除永磁合闸线圈环流对分闸特性影响。

样机在充电电压700 V下进行电磁斥力机构快速分闸试验,不同方案的位移曲线对比如图12所示。由图12可见,3种方案前半部分位移基本重合,且都没有出现快速分闸后反弹到合闸位置的现象。方案一中分闸到位后出现反弹现象,反弹距离约为开距的40%,这是由于原铁磁材料涡流影响,导致分闸位置的永磁保持力相对较小,反弹一段距离后在永磁分闸保持力作用下又回到分闸位置,并最终保持在分闸位置;方案二中永磁分闸线圈电流产生的磁场抵消了铁磁材料涡流和合闸线圈环流产生的磁场,增加了分闸位置的保持力,并最终保持在分闸位置;方案三由于没有永磁合闸线圈环流的影响,永磁分闸线圈电流只需抵消铁磁材料涡流的影响,在永磁分闸线圈与永磁铁共同产生的电磁力作用下,迅速到达分闸位置并保持。

从3个方案的分析来看,方案三能够产生较理想的结果,因此采用方案三对样机进行了不同电压下的验证。不同充电电压下的试验结果如表1所示。

表1 不同充电电压试验结果

由表1可知,电磁斥力机构固有分闸时间随着电容充电电压增加而降低,这是由于充电电压增加使得线圈放电电流增大,从而产生更大且增加更快的电磁力,使得机构动作响应更快,达到5 mm开距的时间在1.5～1.7 ms,平均运动速度(不考虑固有分闸时间)均在4.0～4.5 m/s。因此,在实际快速真空开关的应用中,电磁斥力机构能够根据系统不同电流上升率选取不同的充电电压,来均衡快速动作和机械寿命。采用方案三,充电电压750 V下实测电磁斥力机构特性曲线如图13所示。

5 结 语

为了协调快速真空开关运动速度和使用寿命之间的矛盾,采用电磁斥力机构和永磁操动机构相结合的操动方式,电磁斥力机构能够根据系统不同电流上升率选取不同的充电电压,来均衡快速动作和机械寿命。

针对电磁斥力机构驱动动触头快速分闸后反弹到合闸位置现象,分析了铁磁材料涡流及合闸线圈环流产生的磁场会削弱永磁铁的磁场,从而对电磁斥力机构的运动特性产生较大的影响,并提出了3种改进措施:

(1) 改变合/分闸驱动电路,消除合闸线圈环流对分闸影响。

(2) 电磁斥力机构快速分闸时,斥力线圈与永磁分闸线圈同时上电,永磁分闸线圈能够抵消动铁心涡流及合闸线圈环流产生的磁场。

(3) 上述(1)、(2)措施同时作用,即斥力线圈与永磁分闸线圈同时上电,并消除合闸线圈环流对分闸影响。

通过试验验证了上述措施的有效性以及工程实际应用的可行性,同时,措施(3)能够产生更理想的结果。