10kV相控真空断路器的永磁机构仿真与设计

10kV相控真空断路器的永磁机构仿真与设计

何周

广州市世科高新技术有限公司广州510540

摘要：建立了10kV相控真空断路器永磁机构的模型，分析了动铁心的触动阶段和运动阶段的状态方程，仿真计算永磁机构在分闸、合闸位置时的保持力及配该永磁机构断路器分、合闸动态特性。通过仿真计算并优化设计了10kV相控真空断路器永磁机构的主要参数，样机测试结果表明设计的永磁机构能很好的满足选相断路器的要求，选相分合闸精度优于±1ms。

关键词：真空断路器，永磁机构，仿真计算，选相控制

1永磁机构模型与动态特性分析

图1为永磁机构的基本模型图（轴对称），永磁机构主要由铁轭、永磁体、动铁心组成。其中铁轭是主磁通通路，其结构对磁场的影响造成电磁力和线圈磁链的影响；永磁体提供永恒的磁场，为分合闸保持提供能量；动铁心受磁场作用，作为机构的输出模块，驱动开关动作。线圈通过电容放电，为分合闸提供能量。永磁机构属于一个典型的电磁机构，并且由于耦合了电容作为电源提供电流。

2永磁机构仿真计算及分析

根据10kV相控真空断路器的机械特性的参数要求及真空灭弧室参数选择，通过对方程组（2）的求解及技术参数的仿真设置即可获得永磁机构的动态特性，仿真计算具体流程如图2。永磁机构的主要技术参数包括外形尺寸、材料、线圈线径、闸数以及电容电压和容量。

2.1永磁机构静态特性保持力仿真分析

在不给线圈通电的情况下，仿真计算永磁机构在分闸、合闸位置时的保持力，确定是否满足断路器的参数要求。通过仿真计算的永磁机构的分闸保持力Fz=-667N(机构自身提供)+240N(真空泡自闭力)=-427N<0N，满足要求，永磁机构能可靠保持在分闸位置。计算的合闸保持力Fz=3259N(机构自身提供)+140N(真空泡自闭力)>3100N，满足要求，永磁机构能可靠保持在合闸位置。

2.2永磁机构动态特性运动仿真分析

永磁机构动态特需线圈中通电流驱动动铁芯的运行，构建激励线圈的激励电路模型来仿真机构的动态特性。

计算出合闸位移、速度，合闸过程中的电容电压及电流。由仿真计算结果得出永磁机构在对电容放电不进行调制控制的情况下，机构的合闸速度约2m/s>0.7m/s，为对永磁机构进行PWM调速提供了一定的裕度。单次合闸操作电容电压最大下降30V,可以实现为下次的分闸操作提供能量保证。

由仿真计算结果得出永磁机构在对电容放电不进行调制控制的情况下，机构的分闸速度约约2.6m/s>1.1m/s，为对永磁机构进行PWM调速提供了一定的裕度。单次分闸操作电容电压最大下降25V，可以实现为下次的合闸操作提供能量保证。

310kV真空断路器永磁机构设计及样机测试

通过对永磁机构合闸、分闸过程的出力及位移、速度的仿真计算及优化后确定10kV相控真空断路器永磁机构的主要参数，见表1所示。

通过对10kv永磁机构相控断路器样机的研制及主要参数的测试，结果表明设计的永磁机构能很好的满足相控断路器的要求，选相分合闸精度优于±1ms。

4结语

通过建立起10kV相控真空断路器永磁机构的模型，对永磁机构合闸、分闸过程的出力、位移、速度的仿真计算及优化后确定10kV相控真空断路器永磁机构的主要参数，通过样机的研制及测试，结果表明设计的永磁机构能很好的满足选相断路器的要求，选相分合闸精度优于±1ms。10kV真空永磁机构相控断路器具备对机构进行全程调速功能，实现选相分合闸功能。本文的下一步研究重点是10kV相控断路器的在各种负载工况下的应用研究。

参考文献

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