赵智忠， 关孟鑫， 陈海， 刘阳

(1．河北工业大学省部共建电工装备可靠性与智能化国家重点实验室， 天津 300401； 2．河北省电磁场与电器可靠性重点实验室， 天津 300401； 3. 河北省现代电工装备可靠性与智能化国际联合研究中心， 天津 300401)

随着张北±500 kV柔性直流输电示范工程的建成投运以及大规模分布式清洁能源的并网发电推动了中国直流输电网络的进一步发展。对于高压直流输电网络，其固有特点为故障电流的上升速度极快且峰值高，因此高压直流断路器必须具有刚分速度大，分断时间短和分断容量大的优点[1-5]。电磁斥力机构作为高压直流断路器实现快速分断的关键操动机构之一，已成为中外的研究热点[6-10]。

电磁斥力机构主要分为两类[11-14]：双线圈式和线盘式。对于两种斥力机构，现有文献研究表明：机构2 ms内行程一般均小于15 mm。文献[15]对电磁斥力机构的模型进行了简化，研制了40.5 kV开关样机验证，实现了2 ms内13 mm行程，并得出参数匹配规律。但其未对双线圈式斥力机构进行研究。文献[16]采用有限元方法分析了双线圈模型的不同参数对开关运动特性的影响规律，结果显示2 ms内可完成3 mm行程。文献[17]设计出小型客车用500 V/350 A等级下的电磁斥力机构，实现了 2 ms内10 mm行程。文献[18] 针对低压领域，设计了双线圈涡流斥力机构并提出一种基于粒子群多参数综合优化算法的电器快速动作机构优化设计方案，最终实现1.6 ms内10 mm行程。文献[19] 提出一种定量化设计电磁斥力机构的方法，最终实现2 ms内12 mm行程，但未对机构的运动特性进行研究分析。文献[20] 运用场路耦合方法建立电磁斥力机构模型，并采用神经网络算法进行优化设计，最终实现2 ms内11.5 mm行程。但其运动特性还有进一步优化空间。文献[21]在40.5 kV机械开关样机中开展结构参数优化运动特性对比试验，实现2 ms内13.5 mm行程。但其缺少电路参数的研究分析。

至于三线圈模型，是在双线圈模型上改进而来。文献[22]在双线圈模型基础上进行改进，建立了三线圈电磁斥力机构的有限元模型，采用粒子群优化算法对快速机械开关的线圈型电磁斥力机构进行优化设计，最终实现2 ms内13.6 mm行程。不仅提高了斥力机构的运动速度，同时实现双向电磁斥力驱动。

文献[23]引入鲸鱼算法对断路器触头的数学模型进行优化，实现了断路器小型化的目标，但没有对断路器分合闸性能进行优化改进。文献[24]提出一种固态断路器拓扑结构，其在经济性方面有所改善，但未对斥力机构的可靠性和运动特性进行分析。文献[25]分析了混合式断路器在地震情况下的机械强度和动力学特性，验证了其满足抗震要求，但没有验证斥力机构的开断性能是否满足要求。

因此，为进一步研究断路器的开断性能、改善机构的运动特性、缩短机构的行程时间、提高刚分速度，进一步提高电磁斥力机构所适应的电压等级，现提出一种增强型三线圈电磁斥力机构模型，在三线圈模型的基础上进一步改进：研究在分闸过程中如何合理利用合闸线圈。在分闸过程中，控制合闸线圈通电，并使电流方向与运动线圈电流方向相同，以此增加电磁吸力作为驱动力，进一步提高斥力机构的斥力峰值，达到缩短行程时间的目的。利用有限元分析软件建立二维对称模型，仿真计算不同线圈结构参数、驱动电路参数和合闸线圈介入时刻对电磁斥力机构的运动特性影响，得出各参数的影响规律。

1 增强型三线圈电磁斥力机构工作原理

图1所示为增强型三线圈电磁斥力机构结构示意图。主要由动静触头、真空灭弧室、机械连杆、分闸线圈、运动线圈、合闸线圈、缓冲保持装置等组成。其中分闸线圈绕制方向为逆时针，运动线圈绕制方向为顺时针，合闸线圈绕制方向为顺时针，即运动线圈与分闸线圈绕制方向相反，与合闸线圈绕制方向相同。表1所示为斥力机构的相关参数。其中，3个线圈的结构参数与驱动电路参数均相同。图2所示为分闸线圈的驱动电路。

图1 三线圈电磁斥力机构结构示意图Fig.1 Structural diagram of three coil electromagnetic repulsion mechanism

表1 斥力机构相关参数Table 1 Relevant parameters of repulsion mechanism

C1为驱动电容；D1为续流二极管；SW1为压控开关；R1为线路等 效电阻；L1为线路等效电感；Lwing_opening为分闸线圈图2 分闸线圈驱动电路Fig.2 Opening coil driving circuit

其中D1作用为延长电容的放电时间，以此来提高机构运动速度。合闸线圈与运动线圈的驱动电路与其类似，仅仅替换绕组。

增强型三线圈电磁斥力机构的工作原理为：当分闸时，SW1、SW2、SW3同时打开，三线圈的驱动电路同时放电。分闸线圈与运动线圈通入的电流方向相反，根据楞次定律与电磁感应定律可知，运动线圈会受到方向垂直向下的电磁斥力。同理，合闸线圈与运动线圈通入的电流方向相同，则运动线圈受到方向垂直向下的电磁吸力。运动线圈运动从而带动连杆以及动触头运动达到分闸的效果。对比现有双线圈电磁斥力机构模型，运动线圈叠加了一个电磁吸力的作用，从而提高了刚分速度。

2 增强型三线圈的仿真模型与数学分析

2.1 仿真模型

本文提出的增强型三线圈电磁斥力机构，具有轴对称的特点，据此在ANSYS中建立二维瞬态场轴对称模型，并分析了不同参数对斥力机构的运动特性影响。表2为仿真模型相关参数，图3为仿真模型图。

图3 二维仿真模型Fig.3 Two dimensional simulation model

表2 材料物性参数Table 2 Material physical parameters

2.2 数学分析

斥力机构的运动过程涉及运动学方程、瞬态电磁场方程以及线圈外部驱动电路方程进行耦合求解，为分析其运动特性，逐一列写分析相关方程。

2.2.1 电磁场数学模型

电磁斥力机构满足麦克斯韦电磁方程组，其中相关的方程[26]为

(1)

媒质的本构关系式为

(2)

2.2.2 运动学数学模型

在ANSYS有限元分析软件中，利用虚功法计算电磁力相比直接用洛伦磁力代替电磁力更为精准。电磁斥力机构满足运动学的相关方程为[6]。

(3)

式(3)中：G为机构运动部分的重力；Fa为空气阻力；a为机构的运动加速度；V为运动线圈体积；m为机构运动部分质量；w为线圈总储能电容的能量；s为机构位移；c空气阻力系数；ρ为空气密度；s0为运动线圈迎风面积；v0为机构运动速度；F1为分闸线圈对运动线圈的电磁斥力；F2为合闸线圈对运动线圈的电磁吸力。

2.2.3 电路数学模型

三线圈电磁斥力机构等效电路模型如图4所示。

图4 三线圈斥力机构等效电路模型Fig.4 Equivalent circuit model of three coil repulsion mechanism

当预充电电容放电后，3个线圈之间相互耦合，以此产生电磁力驱动斥力机构运动。

根据等效电路模型列出相关方程[22]为

(4)

式(4)中：ia为分闸线圈电流；ib为运动线圈电流；ic为合闸线圈电流；L1为分闸线圈电路中的杂散电感；L2为运动线圈电路中的杂散电感；L3为合闸线圈电路中的杂散电感；Ra为分闸线圈的电阻；Rb为运动线圈的电阻；Rc为合闸线圈的电阻；uc1为电容C1的电压；uc2为电容C2的电压；uc3为电容C3的电压；La为分闸线圈的自感；Lb为运动线圈的自感；Lc为合闸线圈的自感；M1为分闸线圈与运动线圈的互感；M2为合闸线圈与运动线圈的互感；M3为分闸线圈与和合闸线圈的互感；F为运动线圈所受电磁力。

3 不同参数对斥力机构运动特性的影响

利用ANSYS软件，针对三线圈电磁斥力机构的电参数、结构参数和分闸电流投入时间，进行了仿真试验，分析了不同参数对斥力机构运动特性的影响。同时，对比分析增强型三线圈电磁斥力机构和双线圈电磁斥力机构的运动性能，其结果显示同等条件下，三线圈运动特性更优并且刚分速度更高，可在2 ms内完成25 mm行程。

3.1 驱动电路电容的容值对运动特性的影响

3.1.1 运动线圈电容的容值对运动特性的影响

分析图5和图6可知：增大运动线圈容值，能够提升斥力机构平均运动速度，缩短总行程时间，斥力峰值与电流峰值也随之增加，斥力机构的运动性能得到提升，但对于双线圈来讲性能提升存在极值，选取8 mF或者7 mF更具有经济性。

图5 取不同运动线圈电容容值时三线圈模型的各参数曲线Fig.5 Parameter curves of three coil model when taking different capacitance values of moving coils

图6 取不同运动线圈电容容值时双线圈模型的各参数曲线Fig.6 Parameter curves of double coil model when taking different capacitance values of moving coils

对比分析两种模型，电容容值每增加1 mF，三线圈模型的速度增加幅度和行程时间缩短幅度均高于双线圈模型。对于三线圈模型，运动线圈的上方与分闸线圈电磁耦合产生电磁斥力，下方与合闸线圈电磁耦合产生电磁吸力，电磁场能量得到更充分的利用，而双线圈模型中仅有运动线圈与分闸线圈耦合。因此对于三线圈模型，改变其电容容值对运动性能提升效果相比双线圈更为显著，运动线圈电容能量的利用效率也高。

3.1.2 分闸线圈电容的容值对运动特性的影响

分析图7和图8可知：增大分闸线圈电容容值，可以增大线圈电流峰值从而增大电磁斥力峰值与作用时间，缩短总行程时间，提升斥力机构的运动性能。对比两种模型，增强型三线圈电磁斥力机构的运动性能更佳，且改变分闸线圈电容容值对两种模型的性能提升均存在极值，综合考虑经济性，一般应选择8 mF或者7 mF。

同时，在同参数同模型条件下，提升运动线圈容值比提升分闸线圈容值对斥力机构的性能提升更佳，其行程时间可缩短2%～5%。

3.1.3 合闸线圈电容的容值对运动特性的影响

由于双线圈模型中仅有一个固定线圈和一个运动线圈，因此双线圈模型没有此“合闸线圈”，所以仅分析三线圈模型。

分析表3和图9可知：增加合闸线圈电容不能提升机构的运动性能，缩短行程时间，但却由于涡流效应影响运动线圈中的电流方向，从而产生反向斥力，进而达到一定的缓冲效果。因此，对于选择改变电容容值来提高斥力机构的运动性能，改变运动线圈电容容值是最佳选择，且存在极值，可根据经济性原则选择合适容值。

表3 取不同合闸线圈电容容值时三线圈模型的 各参数结果Table 3 Parameter results of three coil model when taking different capacitance values of closing coils

3.2 驱动电路电容电压对运动特性的影响

3.2.1 运动线圈电容的电压对运动特性的影响

分析图10和图11可知：增大运动线圈的电容电压Uc，运动线圈中的电流峰值也随之提升，可以有效提高斥力机构的速度峰值和斥力峰值，缩短总行程时间，进而提升机构运动性能，优化机构的运动特性，提升机构的刚分速度。

图7 取不同分闸线圈电容容值时三线圈模型的各参数曲线Fig.7 Parameter curves of three coil model when taking different capacitance values of opening coils

图8 取不同分闸线圈电容容值时双线圈模型的各参数曲线Fig.8 Parameter curves of double coil model when taking different capacitance values of opening coils

图9 取不同合闸线圈电容容值时三线圈模型的 各参数曲线Fig.9 Parameter curves of three coil model when taking different capacitance values of closing coils

随着电容电压提高，电容体积会逐渐增大。电流峰值提升也会增大线圈的发热量，对线圈通流能力提出更高要求。综合考虑电容体积、经济性原则以及线圈通流能力，在工程中应选择合适的电容电压以满足要求。

对比分析两种模型，在相同电容电压参数条件下，三线圈模型的总行程时间比双线圈模型的总行程时间缩短5%～10%。

3.2.2 分闸线圈电容的电压对运动特性的影响

分析图12、图13及表4可知：增大分闸线圈的电容电压，可以有效提高斥力机构的运动性能，缩短行程时间。对比两种模型，同电压参数下，三线圈模型的行程时间缩短5%～8%。同模型同参数条件下，改变运动线圈电容电压比改变分闸线圈电容电压行程时间缩短约5%。

图10 取不同运动线圈电容电压时三线圈模型 各参数曲线Fig.10 Parameter curves of three coil model when taking different voltage values of moving coils

3.2.3 合闸线圈电容的电压对运动特性的影响

对于双线圈模型，不存在合闸线圈，因此仅仅讨论三线圈模型。分析表5和图14可知：增大合闸线圈电容电压几乎不影响行程时间和运动特性，且由于涡流效应产生一定的缓冲效果。因此，选择改变运动线圈的电压是改变驱动电路电容电压的最佳选择。同时，三线圈模型相比双线圈模型的机构运动性能提升效果更为显著。

图11 取不同运动线圈电容电压时双线圈模型 各参数曲线Fig.11 Parameter curves of double coil model when taking different voltage values of moving coils

图12 取不同分闸线圈电容电压时三线圈模型各参数曲线Fig.12 Parameter curves of three coil model when taking different voltage values of opening coils

表4 取不同分闸线圈电容电压时两种模型各参数结果Table 4 Parameter results of the two models when taking different voltage values of opening coils

图13 取不同分闸线圈电容电压时双线圈模型 各参数曲线Fig.13 Parameter curves of double coil model when taking different voltage values of opening coils

表5 取不同合闸线圈电容电压时三线圈模型各参数结果Table 5 Parameter results of three coil model when taking different voltage values of closing coils

3.3 合闸线圈不同放电时刻对运动特性的影响

分析表6和图15可知：为延长运动线圈电流放电时间，防止运动线圈电流过早由于涡流效应影响而反向，运动线圈电容选取10 mF。对于三线圈模型，延后合闸线圈的放电时刻，会增加行程时间，减小末端速度，不利于改善机构的运动性能，因此选择合闸线圈从初始0时刻放电效果最佳。

图14 取不同合闸电容电压时三线圈模型各参数曲线Fig.14 Parameter curves of three coil model when taking different voltage values of closing coils

表6 合闸线圈不同放电时刻下三线圈模型各参数结果Table 6 Parameter results of three coil model under different discharge times of closing coil

3.4 线圈结构参数对运动特性的影响

3.4.1 线圈匝数对运动特性的影响

分析表7、图16和图17可知：增加匝数可以提高机构运动速度，缩短行程时间，改善运动性能，但同时考虑质量的增加会产生减速效果，匝数为29～31时，二者存在较好的平衡。因此，在工程应用中应选择合适的匝数，使得斥力机构达到良好的运动性能。

图15 合闸线圈不同放电时刻下三线圈模型各参数曲线Fig.15 Parameter curves of three coil model under different discharge times of closing coil

表7 取不同线圈匝数时两种模型的各参数结果Table 7 Parameter results of the two models with different coil turns

图16 取不同线圈匝数时双线圈模型的参数曲线Fig.16 Parameter curves of double coil model with different coil turns

图17 取不同线圈匝数时三线圈模型的各参数曲线Fig.17 Parameter curves of three coil model with different coil turns

3.4.2 线圈截面宽度对运动特性的影响

分析表8、图18和图19可知：增加线宽可以增加电流峰值和通流能力，从而使得机构获得更好的运动性能，同时需要考虑质量的增加所引起的负面效果，考虑应力与机械强度问题，质量不可过小或过大。因此，在工程应用中需要考虑选择合适的线宽。同时，三线圈模型相比双线圈模型机构运动性能更优。

表8 取不同线圈截面宽度时两种模型的各参数结果Table 8 Parameter results of the two models with different coil section widths

图18 取不同线圈截面宽度时双线圈模型的 参数曲线Fig.18 Parameter curves of double coil model with different coil section widths

3.4.3 线圈截面高度对运动特性的影响

分析表9、图20和图21可知：增加线高可以减小线圈的电阻从而增加通流能力，继而增大电流峰值。但同时会减弱两线圈之间的电磁耦合，斥力峰值逐渐减小，线高过高也会造成电流过大引起绝缘问题。为使得机构获得最佳的运动性能，在应用实践中应选择适当线高，从而使得机构获得最佳运动性能。同时，三线圈模型相比双线圈模型机构运动性能更佳。

图19 取不同线圈截面宽度时三线圈模型的各参数曲线Fig.19 Parameter curves of three coil model with different coil section widths

表9 取不同线圈截面高度时两种模型的各参数结果Table 9 Parameter results of the two models with different coil section heights

3.4.4 线圈截面间隙对运动特性的影响

分析表10和图22可知：减小线圈间隙可以缩短行程时间改善机构的运动特性，但由于制造工艺限制以及考虑每匝线圈之间绝缘问题，间隙不可过小，实际工程应用应综合考虑，从而达到最佳的效果。

图20 取不同线圈截面高度时三线圈模型的 各参数曲线Fig.20 Parameter curves of three coil model with different coil section heights

表10 取不同线圈间隙时两种模型的各参数结果Table 10 Parameter results of the two models with different coil clearances

图21 取不同线圈截面高度时双线圈模型的 各参数曲线Fig.21 Parameter curves of double coil model with different coil section heights

4 结论

(1) 增加驱动电路的电容容值和电压，可以缩短总行程时间，提升斥力机构运动的刚分速度，3个线圈中选择增加运动线圈容值和电压效果最佳，可以最大化利用电容的能量。同时，考虑经济性原则、电容体积、线圈通流能力和绝缘问题，不可以无限增大容值，应选择合适的电容容值和电压。

(2)延缓合闸线圈介入时刻，会削弱斥力机构的运动性能，延长总行程时间。因此，合闸线圈选择从0时刻开始放电为最佳。

图22 取不同线圈间隙时不同线圈模型的参数曲线Fig.22 Parameter curves of different coil model with different coil clearances

(3)改变线圈匝数和宽度时，机构的总行程时间存在最小值，减小线圈截面高度和间隙，耦合效果增加，运动特性更优。考虑线圈的绝缘问题和斥力机构的结构强度，以及间隙过小会导致电阻过大，发热严重，应用中应结合实际选择合适的结构参数。

(4)三线圈模型对比双线圈模型，在同等参数下具有更高的刚分速度和更优的运动特性。在对三线圈电磁斥力机构进行参数设计时，应综合考虑机构的机械强度、线圈通流能力以及经济性，从而实现最优设计。

(5)未来应考虑在此模型基础上进行温度、应力和结构强度耦合分析，提升模型的准确性和精确性，同时结合缓冲装置研制样机进行试验验证。