1　引言 　　永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、零件數(shù)量少、可靠性高，非常適合于操動(dòng)真空斷路器。它于1998年投放市場(chǎng)，已引起國(guó)內(nèi)外普遍關(guān)注，并被成功地配用在中壓真空斷路器上，目前有12 kV、17．5 kV和24 kV額定電壓等級(jí)的產(chǎn)品。較高電壓等級(jí)的產(chǎn)品一直都在研究，但尚未見(jiàn)到有關(guān)其研究和應(yīng)用的報(bào)道［1，2］。高壓真空滅弧室有較長(zhǎng)的運(yùn)動(dòng)行程，并需要較高的分、合閘速度，例如72．5 kV高壓真空滅弧室需要的觸頭開(kāi)距在50 mm左右，需要的分、合閘速度分別是2．5 m／s和1．8 m／s，與12 kV中壓斷路器的真空滅弧室相比，開(kāi)距為其6倍左右，分、合閘速度為其2倍左右。由于氣隙磁阻與氣隙長(zhǎng)度成正比，故在較長(zhǎng)的開(kāi)距下，動(dòng)鐵芯通常不易獲得滿足高壓真空滅弧室開(kāi)斷要求的機(jī)械力，這給配用永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)帶來(lái)了相當(dāng)?shù)碾y度。 　　本文提出了一種72．5kV高壓真空斷路器永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的方案，在基本上不增加磁系統(tǒng)體積的前提下，通過(guò)在分閘線圈工作氣隙區(qū)域內(nèi)設(shè)置磁分路，使動(dòng)鐵芯在較長(zhǎng)的運(yùn)動(dòng)行程下獲得了足以能驅(qū)使其運(yùn)動(dòng)的機(jī)械力。通過(guò)仿真進(jìn)行了虛擬測(cè)試，結(jié)果表明其力輸出特性和速度特性均符合要求。 2　結(jié)構(gòu)與原理 　　永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的電磁系統(tǒng)主要由動(dòng)鐵芯、靜鐵芯、永久磁鐵、分閘線圈及合閘線圈所組成，永久磁鐵和分、合閘線圈分別環(huán)繞在動(dòng)鐵芯和橫軛及動(dòng)鐵芯和上、下側(cè)柱之間。當(dāng)動(dòng)鐵芯位于合閘位置或分閘位置時(shí)，永久磁鐵的磁場(chǎng)主要作用在動(dòng)鐵芯的閉合端，產(chǎn)生足以克服來(lái)自于真空滅弧室和機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的負(fù)載反力的電磁保持力，從而使觸頭保持分?jǐn)嗷蚪油?。?dāng)分閘線圈或合閘線圈通電受勵(lì)后，激磁線圈的外加磁場(chǎng)與永久磁鐵的磁場(chǎng)相抵消，電磁保持力隨激磁電流上升而下降，當(dāng)激磁電流達(dá)到觸動(dòng)值后，電磁保持力小于負(fù)載反力，動(dòng)鐵芯從一個(gè)終端位置運(yùn)動(dòng)到另一個(gè)終端位置上，帶動(dòng)觸頭動(dòng)作。激磁線圈外加磁場(chǎng)對(duì)動(dòng)鐵芯的作用強(qiáng)度與其所鏈磁路的氣隙長(zhǎng)度成反比，氣隙越長(zhǎng)，激磁線圈外加磁場(chǎng)對(duì)動(dòng)鐵芯的作用強(qiáng)度越弱。為使有較長(zhǎng)運(yùn)動(dòng)行程的電磁鐵能在運(yùn)動(dòng)初始階段從激磁線圈的外加磁場(chǎng)中獲得充足的動(dòng)能，本設(shè)計(jì)在分閘線圈的工作氣隙區(qū)域內(nèi)設(shè)置一由導(dǎo)磁材料構(gòu)成的磁分路，圖1所示為帶有磁分路的永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)電磁系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意 　　圖。引入磁分路后，進(jìn)入磁極端面的磁通被分為工作氣隙主磁通和工作氣隙邊緣磁通，動(dòng)鐵芯的電磁吸力特性趨于平坦［3］。這樣長(zhǎng)行程的電磁鐵同樣也能在分閘運(yùn)動(dòng)的初始階段從分閘線圈的外加激磁磁場(chǎng)中獲得足夠的能量而運(yùn)動(dòng)。但在運(yùn)動(dòng)的后半程及在分閘位置上，由于磁分路的存在，激磁線圈外加磁場(chǎng)和永久磁鐵的磁場(chǎng)對(duì)動(dòng)鐵芯的作用效果將大大降低，電磁保持力將會(huì)減少。

　　真空滅弧室及其機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的負(fù)載力主要包括：真空滅弧室的自閉力、觸頭彈簧壓力、合閘電動(dòng)力和零件重力及其運(yùn)動(dòng)的摩擦力，其中觸頭彈簧壓力和合閘電動(dòng)力只在超程階段才起作用，因此分閘位置上的負(fù)載反力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于合閘位置上的負(fù)載反力［4］。對(duì)于72．5 kV的真空斷路器，合閘位置上的負(fù)載反力大約是 4000N／相；而分閘位置上的負(fù)載反力只有200N／相左右。雖然在分閘位置上設(shè)置磁分路使永久磁鐵作用于動(dòng)鐵芯上的電磁保持力有較大幅度的降低，但仍足以保證觸頭可靠地分?jǐn)唷?　　在合閘位置上，需要永久磁鐵的磁場(chǎng)能提供足夠的電磁保持力以克服來(lái)自真空滅弧室的自閉力和機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的負(fù)載反力，因此不宜在此位置上設(shè)置磁分路。由于分閘工作氣隙的磁分路削弱了永久磁鐵在分閘位置上作用于動(dòng)鐵芯上的電磁保持力，故在合閘運(yùn)動(dòng)過(guò)程的初始階段，合閘線圈外加激磁磁場(chǎng)所要克服的負(fù)載力相對(duì)較小，盡管其所鏈磁路有較大的工作氣隙，但動(dòng)鐵芯仍能獲得所需的動(dòng)能。 3　磁場(chǎng)的計(jì)算模型和計(jì)算方程 　　永久磁鐵利用磁性材料的剩磁工作，計(jì)算時(shí)可以將其等效為一個(gè)套在磁導(dǎo)體上的具有恒定磁勢(shì)Ip的面電流線圈（匝數(shù)N＝1）。經(jīng)這樣處理后，永久磁場(chǎng)或磁路的計(jì)算問(wèn)題就被歸化為一般磁場(chǎng)或磁路的計(jì)算問(wèn)題，凡適用于直流電磁系統(tǒng)計(jì)算的各種方法均可應(yīng)用于永磁電磁系統(tǒng)的磁場(chǎng)或磁路計(jì)算。

　　本文采用有限元法對(duì)永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)電磁系統(tǒng)的靜磁場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算。因其磁場(chǎng)分布具有軸對(duì)稱性，故采用圓柱坐標(biāo)（r、θ、z），r坐標(biāo)為半徑方向，z坐標(biāo)為對(duì)稱軸，因其以θ＝0 平面為對(duì)稱面，故取1／2場(chǎng)域?yàn)橛?jì)算域。計(jì)算場(chǎng)域Ω如圖2所示（點(diǎn)劃線表示邊界），邊界面上的矢量磁位A＝0。 　　經(jīng)上述處理后，根據(jù)麥克斯韋爾方程組，可導(dǎo)出在圓柱坐標(biāo)系的r－z平面上待求矢量磁位A的數(shù)學(xué)模型 　　式中　μ為磁導(dǎo)率；J為電流密度。 　　與式（1）邊值問(wèn)題等價(jià)的能量泛函為 　　求解過(guò)程為將電磁場(chǎng)離散，將整個(gè)求解場(chǎng)域劃分成E個(gè)三角形單元和n個(gè)節(jié)點(diǎn)，這樣恒定磁場(chǎng)的矢量磁位A被離散成A1，A2，…，An等n個(gè)節(jié)點(diǎn)的矢量磁位；將各單元的能量泛函對(duì)每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的A求導(dǎo)，并令其和為0，得到n個(gè)線性方程；代入已知的邊界節(jié)點(diǎn)的A值，解線性方程組即可求得待求節(jié)點(diǎn)的A。因磁導(dǎo)率與矢量磁位有關(guān)，故須反復(fù)計(jì)算靜磁場(chǎng)并修正磁導(dǎo)率，迭代數(shù)次方可得到整個(gè)場(chǎng)域的矢量磁位A。 　　根據(jù)B=▽?A可求出圓柱坐標(biāo)系中三角形單元內(nèi)任一點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度B。 　　由麥克斯韋公式，可計(jì)算出磁場(chǎng)作用于動(dòng)鐵芯上的靜態(tài)吸力

　　式中　n為沿該表面法線方向的單位矢量；S為包圍動(dòng)鐵芯的封閉表面。 4　動(dòng)態(tài)過(guò)程方程式及其仿真 　　驅(qū)使動(dòng)鐵芯運(yùn)動(dòng)操作能量來(lái)自于電容器的電場(chǎng)儲(chǔ)能，電容器預(yù)先被充以一定的電壓，當(dāng)進(jìn)行操作時(shí)，它向激磁線圈釋放能量，這樣電場(chǎng)能量被轉(zhuǎn)換成磁場(chǎng)能量，磁場(chǎng)能量再被轉(zhuǎn)換為動(dòng)鐵芯運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能。電磁系統(tǒng)的通斷過(guò)程不是處于穩(wěn)態(tài)，而是處于動(dòng)態(tài)，只有計(jì)算動(dòng)態(tài)過(guò)程，方能合理確定電磁系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)和電容器的電氣參數(shù)，以保證永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)能可靠地工作。 　　4．1　動(dòng)態(tài)過(guò)程方程式 　　永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)有2個(gè)線圈，即合閘線圈和分閘線圈，這2個(gè)線圈不同時(shí)操作，它們各自構(gòu)成一個(gè)獨(dú)立的電磁系統(tǒng)。二者動(dòng)態(tài)過(guò)程方程式的表達(dá)形式雖相同，但具體參數(shù)有所不同。 　　4．1．1　激磁線圈回路的電路方程式 　　激磁線圈的能量由儲(chǔ)能電容器提供，并通過(guò)功率器件來(lái)控制其通斷。由于動(dòng)鐵芯位移會(huì)使永久磁鐵的磁場(chǎng)發(fā)生改變，故永久磁鐵的磁場(chǎng)與激磁線圈的磁場(chǎng)相耦合。如不考慮渦流，激磁線圈回路的等效電路如圖3所示。 　　若不計(jì)晶閘管的正向?qū)▔航担€圈回路的電路方程式為 　　式中　uC為電容器兩端的電壓；i為激磁線圈的電流；R為激磁線圈的電阻；Ψ為激磁線圈的磁鏈；L為激磁線圈的自感；M為永久磁鐵等效面電流線圈與激磁線圈間的互感；C為電容器的電容。 　　電路的初始條件為 　　式中　U0為電容器的預(yù)充電壓。 　　由式（4）和式（5）推導(dǎo)可得 　　4．1．2　動(dòng)鐵芯的運(yùn)動(dòng)方程式 　　動(dòng)鐵芯在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，運(yùn)動(dòng)部分的位移方程式為 　　式中　m（x）為動(dòng)鐵芯運(yùn)動(dòng)部分的歸化質(zhì)量；x為動(dòng)鐵芯的位移;Ff（x）、Ff為與運(yùn)動(dòng)部分的位移和速度有關(guān)的反力。 　　4．1．3　吸力方程式 　　假設(shè)磁系統(tǒng)是線性的，磁場(chǎng)能量為 　　4．2　動(dòng)態(tài)過(guò)程的仿真 　　上述方程組不能用嚴(yán)密的解析方法求解，本文應(yīng)用MATLAB語(yǔ)言的SIMULINK工具箱對(duì)動(dòng)態(tài) 　　過(guò)程方程組進(jìn)行了仿真，不僅可以獲得動(dòng)態(tài)過(guò)程的時(shí)域解，而且可以方便地修正儲(chǔ)能電容器和激磁線圈的電氣參數(shù)。圖4所示為動(dòng)態(tài)過(guò)程的仿真模型。 　　圖4中有2個(gè)子系統(tǒng)，即電磁吸力仿真模型子系統(tǒng)和激磁電流仿真模型子系統(tǒng)，它們分別是式（9）和式（6）在SIMULINK中的表示，如圖5和圖6所示。 　　仿真所需的電磁參數(shù)位移x的函數(shù)，仿真前可用有限元法或其它磁場(chǎng)或磁路計(jì)算方法求出。負(fù)載反力特性和歸算質(zhì)量也是位移x的函數(shù)，也在仿真前計(jì)算出來(lái)，這些函數(shù)在仿真模型中用各自的子函數(shù)表示。 　　當(dāng)t＝0時(shí)，動(dòng)鐵芯的位移為0；當(dāng)動(dòng)鐵芯位移到終端位置時(shí)，用STOP模塊結(jié)束仿真。由此可獲得動(dòng)鐵芯在整個(gè)運(yùn)動(dòng)行程中線圈的激磁電流、電容器的放電電壓、運(yùn)動(dòng)部分的位移和速度等隨時(shí)間或位移而變化的特性曲線。5　計(jì)算結(jié)果及其分析 　　圖7所示為激磁線圈未通電時(shí)計(jì)算所得的場(chǎng)域磁位分布圖。在圖7（a）所示的合閘位置上，磁力線幾乎全部穿過(guò)動(dòng)鐵芯的端面，產(chǎn)生相應(yīng)的電磁保持力；而在圖 7（b）所示的分閘位置上，由于設(shè)置了磁分路，一部分磁通從動(dòng)鐵芯的側(cè)面穿過(guò)，另一部分磁通穿過(guò)動(dòng)鐵芯的端面，故此位置上的電磁保持力較合閘位置上的電磁保持力小得多。 　　氣隙磁阻與氣隙長(zhǎng)度成正比，故永久磁鐵作用于動(dòng)鐵芯端面的電磁保持力隨氣隙增加而減小，表1為不同氣隙下永久磁鐵作用于動(dòng)鐵芯閉合端的電磁保持力的計(jì)算值。 　　由表1可見(jiàn)，在分閘或合閘的終端位置附近，電磁保持力變化很陡。在合閘位置附近，只要工作氣隙長(zhǎng)度不大于1．0 mm，就足以保證觸頭可靠閉合；在分閘位置附近，由于真空滅弧室及機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的負(fù)載反力僅為200N／相左右，盡管磁分路的作用使電磁保持力大大降低，但仍能保證觸頭可靠分?jǐn)唷? 　　圖8所示為激磁線圈通以恒定磁勢(shì)時(shí)磁位分布。在圖8（a）所示的合閘位置上，受分閘線圈外加磁場(chǎng)作用，動(dòng)鐵芯閉合端的磁場(chǎng)被削弱；在分閘線圈的工作氣隙區(qū)域附近，磁分路的設(shè)置使氣隙磁阻減少，漏磁也較無(wú)磁分路時(shí)少，磁通集中于動(dòng)鐵芯外端面及外側(cè)邊緣。在分閘線圈外加激磁磁勢(shì)作用下，使動(dòng)鐵芯保持合閘的電磁力被抵消，動(dòng)鐵芯趨于向分閘位置運(yùn)動(dòng)。在圖8（b）所示的分閘位置上，盡管合閘線圈有較長(zhǎng)的工作氣隙，其外加激磁磁勢(shì)作用于合閘線圈端的磁場(chǎng)較弱，但在分閘工作氣隙區(qū)域附近，由于設(shè)有磁分路，永久磁鐵和合閘線圈外加磁場(chǎng)有一部分作用于動(dòng)鐵芯的側(cè)邊緣區(qū)域，端面上通過(guò)的磁通相對(duì)較少，因而使動(dòng)鐵芯保持分閘的電磁力較小，動(dòng)鐵芯趨于向合閘位置運(yùn)動(dòng)。 　　應(yīng)用本文所建立的仿真模型對(duì)設(shè)計(jì)樣機(jī)進(jìn)行了仿真，并根據(jù)仿真結(jié)果評(píng)價(jià)其性能，以便對(duì)電磁參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)修正。圖9所示為仿真得到的動(dòng)態(tài)特性。 　　為使永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)能得到較大的輸出機(jī)械力而快速動(dòng)作，電磁系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)和電源參數(shù)都應(yīng)合理設(shè)計(jì)和正確選擇。為保證激磁電流能達(dá)到所需值，儲(chǔ)能電容器的預(yù)充電壓U0應(yīng)較高，電容C也應(yīng)較大；同時(shí)在線圈通電期間內(nèi)，為使激磁線圈的外加磁場(chǎng)能與永久磁鐵的磁場(chǎng)相抵消，應(yīng)減小放電回路的阻尼振蕩角頻率，這也要求電容C足夠大。分、合閘線圈各自配有一個(gè)預(yù)充電壓為100 V、電容值為0．1 F的儲(chǔ)能電容。 　　為保證斷路器能按要求完成一個(gè)完整的O－C－O操作，提供分閘能量的電容應(yīng)能連續(xù)二次放電。圖9所示的特性曲線1和3分別為分閘電容的預(yù)充電壓為 100V和90V時(shí)的動(dòng)態(tài)特性，通過(guò)比較圖9（b）、圖9（c）和圖9（d）可以看出，由于第二次放電時(shí)電容兩端的預(yù)充電壓已經(jīng)降低了一些，故動(dòng)鐵芯運(yùn)動(dòng)時(shí)間（主要是觸動(dòng)時(shí)間）略有增加，但分閘線圈的激磁電流值和動(dòng)鐵芯的分閘速度值幾乎沒(méi)有變化，足以保證可靠分閘；比較圖9（e）的曲線1和曲線3可以看出，即使電容器的預(yù)充電壓不同，但只要能維持放電，動(dòng)鐵芯的速度位移特性幾乎是相同的。 　　根據(jù)圖9（e）的行程速度特性曲線可見(jiàn)，由于在分閘線圈的工作氣隙附近設(shè)置了磁分路，動(dòng)鐵芯在分閘運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的電磁吸力特性較平坦，這使動(dòng)鐵芯的分閘速度上升速率先陡后緩，有利于保證觸頭按最佳分閘位移特性曲線運(yùn)動(dòng)；合閘線圈的工作氣隙附近未設(shè)置磁分路，動(dòng)鐵芯在合閘運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的電磁吸力特性較陡，合閘末速度較高，有助于減小合前預(yù)擊穿。 　　在相同的窗口面積及填充系數(shù)下，線徑越細(xì)，線圈匝數(shù)越多，線圈的電感和線圈回路的電阻越大，線圈中的電流和磁通增加得越慢，銜鐵運(yùn)動(dòng)時(shí)間越長(zhǎng)。若線圈中的電流不能達(dá)到觸動(dòng)電流，則銜鐵拒動(dòng)；反之亦然。所以減少線圈匝數(shù)有助于提高分、合閘速度。 6　結(jié)論 　　本文提出了一種配用于72．5 kV高壓真空滅弧室的永磁機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案，通過(guò)在分閘線圈工作氣隙區(qū)域內(nèi)設(shè)置磁分路，使銜鐵在較長(zhǎng)的運(yùn)動(dòng)行程下也獲得充足的動(dòng)能。仿真和計(jì)算結(jié)果表明，用這種方法設(shè)計(jì)的永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)能滿足72．5 kV真空滅弧室的開(kāi)斷要求。 參考文獻(xiàn)： 　?。?］　 Dullni E．A vacuu m circuit－breaker with permanent magneticactuator for frequent operations［C］．IEEE18th Int．Sy mp．on 　DEIV，Eindhoven，1998：688－691． 　?。?］　李建基（LiJianji）．配永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的真空斷路器（Vacuu mcircuit－breaker with permanent magnetic actuator）［J］．高壓開(kāi)關(guān)行業(yè)通訊（Trade Journal of HVSwit chgear），1999，（10）：28－31． 　?。?］　馬少華，等（Ma Shaohua，et al）．永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)應(yīng)用于高壓真空斷路器上的可能性（Characteristic analysis＆feasibility of thebi－stable magnetic actuator fitted on high voltage vacuu mcircuitbreaker）［J］．高壓電器（High Voltage Apparatus），2000，（4）：19－23． 　?。?］　苑舜（Yuan Shun）．真空斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化（Design　 and optimization of mechanical drive of vacuu mcircuit breaker）［M］．北京：中國(guó)電力出版社（Beijing：China Electric Power Press）,1998.