CT□型弹簧操动机构分合闸线圈的设计

　　摘要：电磁铁是高压断路器操动机构中的重要元件之一，当电磁铁分合闸线圈中通过电流时，在电磁铁内产生磁通，动铁心受电磁力的作用动作，通过脱扣机构，使操动机构进行分合闸操作，从而带动整个断路器进行分合闸操作[1]。因此，分合闸线圈设计的是否合理直接影响着高压断路器操作的可靠性。笔者通过设计计算不同参数的分合闸线圈，通过了相关试验验证，并得到了广泛应用。
　　关键词：断路器，线圈，安匝数，操动机构
　　
　　1前言
　　LW35-126型自能式SF6断路器，采用自能式灭弧原理,三极共用一台弹簧机构驱动,结构小巧，安装方便,备受电力用户青睐，其操动机构用分、合闸电磁铁线圈完全相同，额定操作电流均为2.8A（DC220V）。
　　伴随着城乡电网改造正在全国范围内进行，由于部分电力用户，特别是一些旧变电站改造的用户，受变电站控制保护系统容量的限制[2]，要求分闸电磁铁线圈操作电流为2.5A（DC220V）以下，甚至为2.0A以下。同时，由于国内外一些用户需要分、合闸电磁铁操作电压为DC110和DC125V两种规范，为此笔者专门对LW35-126型自能式SF6断路器的CT□弹簧操动机构分合闸线圈进行了研究。
　　
　　2电磁铁结构[3]
　　电磁铁是高压断路器操动机构中的重要元件之一，电磁铁的结构多种多样，但在高压断路器操动机构中采用的绝大部分都是螺管式电磁铁。这种电磁铁的主要部件有：动铁心、静铁心、线圈等。当电磁铁线圈中通过电流时，在电磁铁内产生磁通，动铁心受电磁力的作用动作，通过脱扣机构，使操动机构进行分合闸操作，从而带动整个断路器进行分合闸操作。
　　按照电磁铁线圈的电源不同可分为交流电磁铁和直流电磁铁；按照电磁铁线圈有无骨架可分为有骨架电磁铁和无骨架电磁铁。目前高压断路器操动机构中直流电磁铁使用较多。本文就以直流电磁铁为例进行计算设计。
　　
　　3计算分析[4]
　　电磁铁产生的电磁力与线圈的磁势(即安匝数)有直接的关系，详见公式（1）。线圈电阻和线圈截面积计算公式见（2）和（3）：
　　F=IN=N(1)
　　R=ρN(2)
　　S=π(3)
　　式中:I—线圈电流[A];
　　N—线圈匝数;
　　U—线圈外加电压[V];
　　R—线圈电阻[Ω];
　　ρ—导线的电阻率[Ω•m];
　　L—线圈一匝的平均长度[m];
　　S—导线的截面积[mm]；
　　d—导线的直径[mm]。
　　我们常用的电磁铁线圈的骨架一般有矩形和圆柱形两种。当前我们应用的是矩形电磁铁线圈骨架。对于矩形柱体线圈的单匝长度计算见公式（4），式中字母意义见图1。
　　L=2（a+b）+π（4)
　　
　　图1矩形柱体线圈
　　由公式（1）（2）（3）可以得出公式（5）
　　F=IN=N==（5）
　　由于受电磁铁脱扣器结构的限制，在不改变电磁铁气隙长度和磁极面积的前提下，由式（5）可以看出，改变电磁铁线圈导线直径和线圈匝数可以改变电磁铁线圈的操作电流。
　　
　　4小电流（2A）电磁铁线圈参数计算
　　现有LW35-126型自能式SF6断路器所用的电磁铁线圈为矩形柱体线圈，其骨架具体尺寸是a=48mm，b=35mm，原电磁铁线圈导线为0.31mm，匝数为1800匝，操作电流为2.8A，其安匝数为5040（安匝）。
　　为了降低电磁铁线圈操作电流，我们初步把操作电流设定为2A，为了尽量保持电磁铁的动特性不变，先按电磁铁线圈安匝数不变进行计算，则电磁铁线圈匝数应为：
　　N==2520（匝）
　　若保持线圈骨架不变，要增加线圈匝数，则需减小导线直径，选取线径为0.29mm的聚酯漆包线。若线圈每层仍保持75匝，则线圈应有层数为：
　　C==33.6（层）
　　圆整后层数应为34层，则线圈匝数为：
　　N=34×75=2550（匝）
　　依据以上数据可得出：
　　=34×（d+0.035+0.04）=34×（0.29+0.075）=12.41（mm）（6）
　　注：0.035为聚酯漆包线的漆膜厚度；
　　0.04为电磁铁线圈导线间所垫的美浓纸厚度。
　　根据公式（4）计算得到L为0.204967m
　　对于铜导线，根据GB6109可查得，聚酯漆包线的电阻率ρ为：
　　ρ最小为0.01695Ω•mm/m
　　ρ最大为0.017241Ω•mm/m
　　取中间值：
　　ρ==0.017096Ω•mm/m
　　由式（5）可以计算出I为1.625A。
　　则改进后的电磁铁线圈安匝数为4144安匝。与原安匝数5040安匝,相比减小了将近900安匝。
　　
　　5小电流（2A）电磁铁线圈试验验证
　　根据计算结果，为此特投制表一中两种线圈进行试验验证。
　　表一小电流（2A）电磁铁线圈参数
　　编号 线径mm 匝数 安匝数 电阻Ω 电流A
　　1 0.29 2550 4144 138 1.6
　　2 0.29 2350 4230 122 1.8
　　对编号1的线圈其额定操作电压下（DC220V）分闸时间为30ms(技术要求规定的分闸时间为)，接近分闸时间的上限，分闸时间偏大。30%、65%、120%额定操作电压下（即66V，143V，264V）的机械操作均满足国家标准的规定[5]。
　　对编号2的线圈其额定操作电压下（DC220V）分闸时间为23ms接近分闸时间的下限，分闸时间偏小。65%、120%额定操作电压下的机械操作均满足国家标准的规定，30%额定操作电压下（66V）的机械操作不满足国家标准的规定。
　　为此笔者又对线圈进行改进，保持电磁铁线圈线径不变，把其匝数改为2250匝，层数为30层。
　　则计算出相应的参数为：是10.95mm，L是0.200383mm，R为114Ω，操作电流为1.9A。对改造后的线圈重新进行试验，在额定DC220V操作电压下，分闸时间为28ms，满足了技术条件的要求，分别在30%、65%、120%额定操作电压下（即66V，143V，264V）的机械操作均满足国家标准的规定。
　　从以上试验结果可以看出，改进后的线圈分闸时间在产品技术条件规定的范围之内，各项机械试验完全满足有关国家标准的要求，分闸电磁铁的操作电流降为1.9A，达到了降低电磁铁操作电流的目的。目前，该电磁铁已广泛运用到生产中，效果良好。
　　
　　6DC110V和DC125V电磁铁线圈参数计算
　　根据对应的推导方法，笔者又分别计算DC110V电磁铁线圈DC110V电磁铁线圈两种情况的各种参数。
　　由公式（5）可得出公式（7）。
　　（7）
　　为了保持电磁铁安匝数（IN=5040）不变。对于DC110V电磁铁线圈情况，将有关参数代入公式（7）可得到d为0.4504504mm，查有关材料标准，取电磁铁线圈导线直径为0.45。由于原导线直径为0.31，匝数为1800。故原线圈骨架缠绕0.45导线的应为1240匝。故取匝数为1200匝。每层60匝，共20层。从而可以算出L为198.78，电流为4.287A，电阻为25.65Ω。
　　对于DC125V电磁铁线圈计算相似于DC110V电磁铁线圈情况，可以计算d为0.4226，查有关材料标准，取电磁铁线圈导线直径为0.425。可以算出匝数为1312.9匝。故取匝数为1300匝。每层60匝，共22层。从而可以算出L为200.3327，电流为3.98A，电阻为31.4Ω。
　　笔者也为此投制以下两种线圈进行试验验证，参数见表二：
　　表二新设计DC110V和DC125V电磁铁线圈参数
　　编号 线径mm 匝数 安匝数 电阻Ω 电流A
　　1 0.45 1200 5144 25.7 4.287
　　2 0.425 1300 5174 31.4 3.98
　　通过对新设计的DC110V和DC125V电磁铁线圈进行试验，结果表明合分闸时间在产品技术条件规定的范围之内，各项机械试验完全满足有关国家标准的要求。
　　
　　7结论
　　笔者通过改造用于公司LW35-126型自能式SF6断路器上的操动机构分合闸线圈，使得线圈电流降到了2A以下；并设计了DC110V和DC125V两种操动电压下的线圈，均通过了试验验证，DC110V的电磁铁已经应用于出口到缅甸、尼泊尔等国家的产品当中，这验证了计算的正确性。
　　
　　参考文献：
　　[1]徐国政，张节容，钱家骊，黄瑜珑.高压断路器原理及应用[M].北京：清华大学出版社，2000.
　　[2]陈进,张良胜,朱燕.10kV断路器合闸线圈烧毁原因分析及改进措施[J].电工技术，2009.7.
　　[3]任耀先.电磁铁优化设计[M].北京：机械工业出版社，1990.
　　[4]蔡国廉.电磁铁[M].上海：上海科学技术出版社，1985.
　　[5]国家标准.GB1984交流高压断路器[S].北京：国家质量监督检验检疫总局，2003.