团论文网
团论文网
-
摘要：分析了ZW32-12型柱上真空断路器及永磁机构的基本结构以及主要设计参数，重点研究柱上真空断路器机械特性参数的选择及对策，研究永磁机构的设计难点。针对部分在网运行永磁机构柱上真空断路器发生“偷跳”造成缺相运行的缺陷，认为大部分原因是断路器每相剩余保持力裕度不大，即设计的永磁机构合闸保持力不够大而造成的。考虑到钕铁硼材料受环境温度影响会使户外柱上断路器的机械特性产生变化，优化工厂内测试的柱上真空断路器主要参数设计，预留适当裕度以应对户外柱上断路器的运行使用环境需求，结合工作经验提出强调零件设计图纸质量的重要性，研究从设计源头上解决问题，确保永磁机构合闸保持力，确保柱上真空断路器良好的机械特性参数，提高永磁机构柱上真空断路器的运行可靠性。
关键词：柱上断路器；永磁机构；偷跳；合闸保持力；机械特性
0引言
ZW32-12型户外柱上高压交流真空断路器为额定电压12 kV，三相交流50 Hz的户外高压开关设备，主要用于开断、关合电力系统的负载电流及短路电流。技术性能指标符合GB/T 11022—2020《高压交流开关设备和控制设备标准的共用技术要求》、GB/T 1984—2014《高压交流断路器》[1]、DL/T 402—2016《高压交流断路器》[2]和DL/T 593—2016《高压开关设备和控制设备标准的共用技术要求》[3]等标准的要求。ZW32柱上断路器是现阶段国家电网、南方电网架空线路配电自动化主流产品，而永磁机构柱上断路器具有操作机构零件数量少、机械寿命长、快速开断短路电流等优点，是实现配电自动化5级极差配合的理想设备，所以研究并提高该类产品的可靠性具有重要意义。国内外对永磁机构真空断路器有大量的研究。游一民[4]解决复杂传动方式永磁机构动特性的计算问题，基于永磁机构动特性的计算，对永磁机构的设计参数和结构进行了优化。袁涛[5]以ZW32-12型户外交流高压真空断路器为原型，设计了一款三相独立运动的单线圈单稳态永磁机构。如杨茜等[6-8]研究提出永磁体的磁通量和永磁机构的静态吸合力与温度为负相关。如王仁丽等[9-10]研究得到该结构参数下单稳态永磁机构真空断路器合闸时间与影响因素之间的经验公式。上述这些研究具有参考意义，但是没有提到关于永磁机构合闸保持力的充分论述。本文分析柱上断路器机械特性的各个主要参数，分析了断路器触头剩余保持力的重要性，给出了永磁机构零部件的设计。
1 ZW32-12型柱上真空断路器
1.1结构组成
ZW32-12型柱上断路器本体采用三相支柱式结构（图1~2），由真空灭弧室、极柱导电回路、绝缘系统、操作机构、密封件、电流电压组合式互感器及机箱组成[11-12]。极柱（图3）导电回路由进出线导电杆、动/静端支座、导电夹、软连接及灭弧室连接而成。现阶段电网产品根据操作机构主要分为弹簧机构和永磁机构，本文研究的是永磁操作机构柱上断路器，它具备电动分合闸功能和手动分闸功能（配置手分机构）。手分机构如图4所示，手分轴两端设置轴承，操作起来转动灵活，也不会对永磁机构产生拉扯阻力；中间位置设置有支架支撑，防止手分轴操作变形；手分拐臂设置在靠近B相位置，相比设置在机箱两端，其手分轴的扭转变形量小，能够保证断路器手动分闸的同期性较小（单永磁机构加弹簧手合机构不在本文研究范围）。
1.2主要参数
永磁机构可以分为双稳态和单稳态两种机构形式[13]，本文研究的是单稳态，是分闸簧内置型三相直动式结构（每相独立机构），设计每相剩余保持力（剩余保持力=永磁机构合闸保持力-断路器触头压力）大于600 N，防止断路器由于合闸保持力不够造成“偷跳”（断路器本身存在问题：剩余保持力不够是导致偷跳的一个原因。如果断路器存在制造缺陷或长期使用后的机械故障，可能会导致在没有外部触发因素的情况下发生跳闸），保证断路器的动热稳定性能（热稳定25 kA，动稳定63 kA）。单稳态永磁机构三维模型剖面图如图5所示。
单稳态永磁机构与双稳态永磁机构相比，它只有1个分闸线圈，分合闸通过改变输入电流方向来控制，且分闸弹簧内置在动铁心与内磁轭之间。底板采用隔磁材料铝或者铜，一般情况下考虑经济性采用硬铝2A11或者2A12。定位销起到防止动铁心扭转的作用。由于永磁机构通过拉杆与绝缘拉杆、真空灭弧室竖向垂直连接，所以动铁心与内磁轭、固定法兰之间的垂直距离就是断路器的总行程，即开距和超行程之和。
ZW32-12永磁机构柱上断路器主要参数如表1所示，单稳态永磁机构断路器的整体机械特性参数如表2所示。
ZW32-12永磁机构柱上断路器机械特性参数反映出一台断路器的技术水平，各个参数详细论述如下。
（1）开距的设计
断路器分、合闸时真空灭弧室动、静触头之间的距离；开距是真空灭弧室非常重要的机械参数，断路器的开距设计要满足真空灭弧室的要求范围内，开距太小，动、静触头间电场强度加大，致使场致发射引起击穿概率增大，从而影响真空灭弧室的正常开断性能；而开距太大，虽然耐压水平能提高，但真空灭弧室波纹管的寿命会降低，也影响真空灭弧室的开断性能。设计原则是在满足绝缘要求的情况下尽量开距选小一点。ZW32-12永磁机构柱上断路器的触头开距设置（8.5±1）mm。
（2）超行程的设计
断路器合闸时真空灭弧室动、静触头从刚合到合闸时动触头的行程[15]。超行程的设计可以起到以下3个作用：（1）保证真空灭弧室动、静触头有足够的接触力，即触头最终压力。（2）合闸时起到缓冲作用，降低合闸弹跳。（3）由于触头弹簧的反作用力，可以为分闸提供初始动能。若超行程太小，会造成真空灭弧室动、静触头在长时间工作后的电和机械磨损后，触头压力不够使得断路器稳定性下降。若超行程太大，真空灭弧室寿命会降低，机械特性难以长期保持稳定。超行程的设定原则是取开距的20%～35%，ZW32-12永磁机构柱上断路器的超程设置适当比弹簧机构小0.5~1 mm，所以可设定为（2.5±0.5）mm。
（3）触头压力的设计
与真空灭弧室动导杆连接的绝缘拉杆内置的或者外置的弹簧在分闸时会给触头一个初压力，断路器合闸后，绝缘拉杆内置的或者外置的弹簧压缩产生的压力为终压力，即断路器的触头压力。初压力和合闸弹跳时间t相关，它与动、静触头接触电阻大小、稳定电流大小等有直接关系。ZW32-12永磁机构柱上断路器的真空灭弧室可以选择TD23-12/1250-25ACW1（外包硅胶），其触头初压力为（1 400±200）N，触头终压力为（2 000±200）N。为断路器提供触头压力的绝缘拉杆组件的设计制造相当重要，首先保证其电气绝缘性能达到表1的要求，其次，保证组件整体刚度和垂直度，结构上，弹簧可以分为内置型和外置型，内置压簧或者碟簧的力值要求精准、线性好，材料选择50CrVA性能相当的弹簧钢。根据经验，弹簧2端的磨平要保证平面度，外径与动铁心、内径与动铁心的间隙控制在0.5 mm左右，这样就保证弹簧运动过程的导向性，防止弹簧发生弯曲折断。
（4）合闸弹跳时间
断路器在合闸的过程中，动、静触头从开始接触到最后断路器动作完成之间的时间。ZW32-12永磁机构柱上断路器的合闸弹跳时间≤1.8 ms，为提高产品质量，工厂内控标准为≤1.5 ms，因为弹跳时间太长容易引起触头的电腐蚀，降低极柱使用寿命。
（5）断路器分闸速度
分闸速度是指断路器在分闸过程中动、触头的运动速度，其大小随时间不断变化[16]。分闸速度可以分为刚分速度、最大分闸速度和平均分闸速度。刚分速度是指分闸命令发出后，真空灭弧室内动触头刚刚离开静触头时的瞬时速度，刚分速度不能太低，一般都在1.1 m/s以上，否则可能导致断路器分闸失败或电弧重燃，即断路器开断失败。最大分闸速度是指断路器在分闸过程中动触头达到的最大速度，最大分闸速度太大会对断路器机构件产生冲击，影响整体稳定性和零部件寿命。平均分闸速度则是指动触头刚分后到分闸完成时的平均速度。ZW32-12永磁机构柱上断路器的平均合闸速度设定为（0.8±0.3）m/s。
（6）断路器合闸速度
合闸速度是指断路器在合闸动作过程中动触头的速度。合闸速度相对分闸速度不是太重要。ZW3 2-12永磁机构柱上断路器的平均合闸速度为（1.4±0.3）m/s。
（7）断路器合闸时间
ZW32-12永磁机构柱上断路器的合闸时间较弹簧机构断路器小很多，通常不大于45 ms，大部分实测为30 ms左右。
（8）断路器分闸时间
ZW32-12永磁机构柱上断路器的合闸时间较弹簧机构断路器更短，通常不大于15 ms，本体固有分闸时间不大于5 ms，这就是永磁机构断路器的快速开断性能的主要指标。
（9）自闭力
自闭力是指真空灭弧室为真空状态时，由于气密性靠波纹管保持，其内外的气压差会对真空灭弧室内部产生闭合力，自闭力由波纹管的尺寸决定。TD23-12/1250-25ACW1的自闭力为（80±50）N。
（10）触头反力
是指断路器在分闸状态下波纹管拉伸后产生的反力大小，其值一般为触头最终压力的8%～10%。TD23-12/1250-25ACW1的额定开距下触头反力为（120±50）N。
综上所述，真空灭弧室的初压力、终压力、开距以及超行程是4个至关重要的机械参数，它们是设计时的重要输入。
由于ZW32-12永磁机构柱上断路器是三相直动式结构，每相有一个永磁机构输出动力，对于永磁机构合闸保持力FC的计算如下：
FC=（F1-F2+mg）+600=（2 000-80+35）+600=2 485 N式中：600 N为设计的剩余保持力，即代表安全系数；m为机构所有的运动部件质量，3.5 kg；F1为额定触头压力，2 000 N；F2为触头自闭力，80 N。
经计算，确定每一个永磁机构的合闸保持力为大于或等于2 485 N。
2参数设计分析
2.1永磁机构动铁心
动铁心材料的采用电工纯铁DT4，动铁心截面积的计算可通过麦克斯韦电磁方程计算，如下：
式中：B 1为工作气隙磁通密度，T；S为动铁心表面导磁面积，m²;μ0为真空导磁率，H/m。
其中，B 1大小影响永磁机构的特性，B 1过小，磁路截面积动铁心截面积增加，材料使用增多。配套分合闸线圈骨架半径也加大，导致励磁电感和线圈总阻值加大，引起线圈电流上升变缓慢且电流峰值减小，线圈匝数增加，永磁机构合闸保持力也变大，断路器合闸会更可靠，但是材料成本增加，所以，有时候质量和经济性是相反的。
由导磁面积计算出动铁心的转动半径R，由转动半径就可以确定动铁心和内磁轭的外形尺寸。
2.2永磁机构永磁体
永磁体的主要磁性能指标是：剩磁Jr或Br、矫顽力HcB、内禀矫顽力HcJ、最大磁能积BHmax。永磁材料的其他磁性能指标还有：居里温度Tc、可工作温度Tw、剩磁温度系数αBr、内禀矫顽力的温度系数βHcJ等。除磁性能外，永磁体的物理性能还包括密度、热导率、电导率等；机械性能则包括维氏硬度、杨氏模量、抗拉强度、抗压强度、冲击韧性等。另外，永磁材料的性能指标中还有重要的一项：表面状态及其耐腐蚀性能，产品会磨销角加工，再表面处理方式电镀锌镍合金。在机构中，永久磁铁的位置设定对动铁心在合闸位置时的保持力有着重要影响，这通常需要根据永磁机构的内部结构和设计经验来确定。永磁体作为永磁机构的关键零件，其性能和机构设计直接关系到机构在合闸位置的稳定性和可靠性[17]。
ZW32-12永磁机构柱上断路器选择钕铁硼N45H永磁体，它的退磁曲线呈现直线特征，退磁曲线与恢复线基本一致，有助于保持永磁机构在运行过程中的磁性能稳定，钕铁硼N45H在矫顽力和最大磁能积比普通永磁材料有明显提高。
在首先考虑材料性能的基础上，ZW32-12永磁机构柱上断路器永磁体选用了N45H型烧结钕铁硼，检测性能如图6所示，矫顽力Hcb达到13.493 kOe，内禀矫顽力HcJ为17.105 kOe，剩余磁感应强度Br为13.624 kGs，最大磁能积BHmax达到45.912 MGO。在永磁操动机构的设计中，确定永磁体的工作点是很重要，它不仅影响柱上真空断路器的分合闸位置稳定性，还对其他机构部件参数的设计有影响。
在设计过程中，希望永磁体能达到最大磁能积，但同时也需要控制永磁材料产生的磁密不过高。因此，结合以往的设计经验，设定永磁体的工作磁密By为剩余磁密Br的75%作为计算，则永磁体的截面积满足如下关系：
式中：Sy为永磁体的截面积，m 2；Φ1为工作气隙的磁通，Wb；By为工作气隙的磁通密度，kGs。
为了方便制造、装配，永磁体裁断为10个弧形小块。根据永磁体的截面积可以推导出永磁体的高度的关系式。
式中：H为永磁体的工作点处的磁场强度。
经过计算，永磁体高度为20 mm，厚度为6 mm，内径27 mm，外径为33 mm。
2.3永磁机构分合闸线圈
经计算，设计选择标准线径0.59 mm，匝数850匝的线圈，阻值约13.7Ω。同样的线圈骨架尺寸绕满，匝数越多，线径越小，电阻越大，机构合闸越可靠，但是，永磁机构分闸时间会变大。线圈骨架选择阻燃的PA66，漆包线选择至少B级，工作温度130℃以上的，有条件可以选择更高一级耐温180℃的。
经过以上计算和估算（内磁轭、固定法兰、弹簧等零件尺寸设计按照经验值测算，本文不详述），可以得出永磁机构各个零部件的尺寸，最后，确定永磁机构各零部件材料如表3所示：选择高性能的稀土永磁材料钕铁硼N45H以上牌号。高性能的永磁体是保证机构合闸保持力的关键因素。动铁心、内磁轭。外磁轭这些磁路材料选择电工纯铁DT4，或者低碳钢Q235B（B表示带冲击性能验证）。拉杆选择304不锈钢。底座选择隔磁材料2A11。
3永磁机构的磁场仿真分析
3.1建立有限元模型
利用COMSOL Multiphysics 6.0仿真软件[18]对永磁机构进行仿真，对于永磁机构的磁场仿真来说，在合闸状态下内部线圈是不通电的，所以此次分析最主要的是针对永磁体产生的磁场对动、静铁心和內磁轭的作用。为减少模型计算量，将不影响磁场和动铁心受力的零件模型进行简化，同时对关键零件的孔位进行简化。值得注意的是，本次仿真省略去弹簧影响。简化后的模型如图7所示。
3.2材料属性设置
依据零件材料对永磁机构模型设置材料属性，详见表3。
3.3网格划分
对永磁机构模型采用自由四面体网格划分方法，经优化调整后得到了符合计算要求、质量较好的网格。分析模型的网格数量为146.2万，平均网格质量0.66，网格剖分情况如图8所示。
3.4求解参数设置
该永磁机构共10片弧形永磁铁，在软件中将其每片单独定义为磁铁，并设置10片永磁铁具有相同的南北极，空气域六面为磁绝缘边界。
求解方程：
经仿真计算，得到有限元模型的磁通密度模如图9所示。
根据仿真计算，当永磁机构处于合闸状态，在线圈内无电流通过的稳态下，动铁心和静铁心、内磁轭之间吸合面位置具有较大的磁通，磁通密度集中，磁场方向为轴向。同时，动铁心与内磁轭吸合面附近的磁通密度明显大于动铁心与静铁心吸合面附近的磁通密度。
在不改变分闸弹簧性能的情况下，经优化整体配合面平面度后，永磁机构的合闸保持力可以500 N以上。设计图纸必须标注加工制造工艺要求内磁轭必须与固定法兰一起磨削高度一致。永磁机构三维模型剖面如图10所示。
4结束语
本文通过对南方电网、国家电网在线运行的大量配网自动化成套设备ZW32-12永磁机构柱上断路器设计过程的详述，特别介绍了断路器机械特性的各个主要参数的设计过程，强调断路器触头剩余保持力的重要性，防止永磁机构柱上真空断路器“偷跳”，再重点介绍永磁机构零部件的设计研究，强调永磁机构零部件材质选择以及设计图纸质量的重要性。永磁机构是断路器的能量源，它的合闸保持力对于断路器的性能起关键作用。除了永磁机构断路器本体外，柱上真空断路器成套设备配套了馈线自动化保护终端FTU[19-20]，永磁机构的驱动模块一般情况下内置于FTU箱体内。驱动模块电容容量选择，输出电流脉宽设定，保证输出电流足够大，合闸峰值电流越大，脉宽足够才能够保证永磁机构的合闸可靠。
随着配网自动化技术的快速发展，未来产品朝标准化、数字化、绿色低碳化、本质安全化发展[21]，永磁机构断路器本体的可靠性是本质安全化的基础，上述这些对于提高永磁机构柱上真空断路器的合闸可靠性以及同等电压等级（12 kV）户内真空断路器设计有参考意义。
参考文献：
[1]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.高压交流断路器:GB 1984-2014[S].北京:中国标准出版社,2014.
[2]国家能源局.高压交流断路器:GB 1984-2014[S].北京:中国标准出版社,2014.
[3]国家能源局.高压开关设备和控制设备标准的共用技术要求:DL/T 593-2006[S].北京:中国标准出版社,2006.
[4]游一民.真空断路器永磁机构的优化设计与电容器组同步关合策略的研究[D].西安:西安交通大学,2003.
[5]袁涛,印成.新型12 kV真空断路器单稳态永磁机构的设计[J].电工技术,2023(17):157-160.
[6]杨茜,张英,叶祖标.永磁机构真空断路器的机械特性受温度影响的研究[J].高压电器,2013,49(7):46-52.
[7]冯英,辛超,叶祖标,等.高可靠性永磁机构真空断路器研究[J].高压电器,2015,51(12):109-113+119.
[8]胡秋兰.12 kV真空断路器永磁机构的设计与控制[D].青岛:山东科技大学,2018.
[9]王仁丽,晁雪薇,田宇,等.永磁机构真空断路器合闸特性受温度影响的研究[J].高压电器,2017,53(1):71-76.
[10]李傲雪,于潇,侯春光.基于永磁机构真空断路器操作时间的影响因素研究[C]//沈阳市科学技术协会.第十四届沈阳科学学术年会论文集(理工农医),沈阳:沈阳市科学技术协会,2017:612-616.
[11]杨明.126 kV真空断路器新型永磁操动机构研究[D].南京:东南大学,2017.
[12]马云涌,王伟.中压真空断路器永磁操动机构的研究[J].电气时代,2003(5):106.
[13]张杰,姜亚军,郭大庆.12 kV真空断路器双线圈单稳态永磁机构的设计[J].高压电器,2010,46(9):34-38.
[14]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.高压开关设备和控制设备标准的共用技术要求:DL/T 593-2006[S].北京:中国标准出版社,2006.
[15]唐专敏,高兴宇,苏毅,等.高压断路器操动机构机械特性实验研究[J].装备制造技术,2023(5):84-88.
[16]汤庚.真空断路器永磁操动机构调速控制系统的研究[D].沈阳:沈阳工业大学,2014.
[17]高鹏.真空断路器的可靠性研究[D].大连:大连理工大学,2013.
[18]夏克鹏.开关电器中永磁操动机构设计与仿真分析[D].沈阳:沈阳工业大学,2010.
[19]国家能源局.配电自动化远方终端:DL/T 721—2013[S].北京:中国标准出版社,2013.
[20]中国南方电网有限责任公司.10 kV柱上真空断路器自动化成套设备技术规范书[Z].2023V1版.广州:中国南方电网有限责任公司,2023.
[21]中国南方电网有限责任公司.10 kV安全可控柱上真空断路器自动化成套设备技术规范书[Z].2023V1版.广州:中国南方电网有限责任公司,2023.后台-系统设置-扩展变量-手机广告位-内容正文底部 -
本文标签：
ZW32-12型永磁机构真空断路器设计与仿真论文
人参与 2025-01-23 15:59:20 分类 : 理学 点这评论 作者：团论文网 来源：https://www.tuanlunwen.com/
-
站内搜索
-
随机文章
-
标签列表
-
-
最近发表
-
-
热门文章 | 最新文章 | 随机文章
-
-
最新留言
-
首页 论文知识 教育论文 毕业论文 教学论文 经济学 管理学 职称论文 法学 理学 医学 社会学 物理学 文献 工程论文 学位论文 研究论文
Powered 团论文网 版权所有 备案号：鄂ICP备2022005557号统计代码
全站搜索