2009年11 月 第24卷第11期
电 工 技 术 学 报
TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY
Vol.24 No. 11
Nov. 2009
基于电磁斥力机构的10kV 快速真空开关
王子建1 何俊佳1 尹小根1 陆佳政2 惠 东3 张汉明1
（1. 华中科技大学电气与电子工程学院 武汉 430074
2. 湖南省电力试验研究院 长沙 410007 3. 中国电力科学研究院 北京 100085）
摘要 在合理简化的基础上，利用有限元方法建立了电磁斥力机构场路耦合瞬态动力学特性分析的二维有限元模型。为了验证仿真模型的正确性，建立了简化的实验验证模型，并在不同储能电压下对验证模型的放电电流以及满行程时间进行了实际测量，测量结果验证了仿真模型的正确性。在此基础上，就金属盘、分闸线圈的结构参数以及储能电容的容量对电磁斥力的影响进行了仿真分析，得出了一般性的设计指导原则。另外，为了进一步提高快速开关的分闸速度，提出了在线圈周围加装导磁材料以及利用脉冲成形网络作为其放电回路的方法，利用仿真模型对其效果进行了仿真分析。最后利用12kV-40kA-2500A 真空开关管、双向电磁斥力机构以及可倒翻碟簧双稳机构研制了10kV 快速真空开关样机，实测其固有分闸时间为0.5ms ，满行程时间为1.6ms 。
关键词：电磁斥力机构 快速开关 动态特性 有限元法 脉冲成形网络 中图分类号：TM561
10kV High Speed Vacuum Switch With Electromagnetic
Repulsion Mechanism
Wang Zijian1 He Junjia 1 Yin Xiaogen 1 Lu Jiazheng 2 Hui Dong 3 Zhang Hanming 1
（1. Huazhong University of Science and Technology Wuhan 430074 China 2. Hunan Electric Power Test and Research Institute Changsha 410007 China
3. China Electric Power Research Institute Beijing 100085 China）
Abstract A two dimensional(2D)finite element model is applied to analyze the dynamic characteristics of the electromagnetic repulsion mechanism. In order to verify the validity of the simulation results, a simplified electromagnetic repulsion mechanism is established. The discharge current and the contact time between metal tie rod and cushioning device are measured. A good agreement between the measurements and the simulation results is obtained. Detailed investigations are performed by simulation regarding the impacts of various structure parameters and capacity of energy storage capacitor on the dynamic characteristics of the electromagnetic repulsion mechanism. Two methods are put forward for increasing the opening velocity of the switch. Based on the simulation results, a 10kV-40kA-2500A high speed switch prototype with an electromagnetic repulsion mechanism and a disk spring mechanism is developed. It can open within 0.5 ms from the trip signal, and the travel time is 1.6ms.
Keywords ：Electromagnetic repulsion mechanism, high speed switch, dynamic characteristics, FEM, PFN
简单、分合闸速度快[3]，且与大功率电力电子器件相比，其通态损耗较小，故在电力系统故障限流[4-11]、电能质量控制[12-13]、直流断路器[14-15]以及相控开关[16]等诸多领域具有广阔的应用前景。
电磁斥力机构是一种利用涡流原理制作的新型
1 引言
基于电磁斥力机构的快速真空开关[1-2]，其结构
收稿日期 2008-04-16 改稿日期 2008-12-28
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王子建等 基于电磁斥力机构的10kV 快速真空开关 69
快速操动机构，它的运动过程涉及到电路、电磁感应、电磁力以及机械运动等多个相互作用的动态过程，因此需要联合电路方程、空间磁场与涡流方程以及机械运动方程来求解其动态过程。为了计算该机构所提供的电磁斥力，文献[17]提出了一种近似的数值计算方法，该方法假设金属盘的直径远大于线圈的直径，金属盘遮蔽了线圈所产生的全部磁通，即不考虑运动过程中线圈与金属盘之间的互感以及暂态电磁场中磁通的变化，该方法计算误差较大，无法满足实际需求。文献[18]从两个同轴放置的单匝圆环的电感计算公式出发，绕过空间磁场的计算，提出了一种基于等效电路的动态特性仿真方法。文献[19]在文献[18]的基础上，具体给出了一种基于时间和位移双层循环的离散迭代算法，并利用该算法详细研究了不同结构参数对电磁斥力机构动态特性的影响。
本文利用有限元方法，建立了用于电磁斥力机构场路耦合瞬态动力学特性分析的二维有限元模型，并利用简化的实验验证模型验证了仿真模型的正确性。在此基础上，就金属盘、分闸线圈的结构参数以及储能电容的容量对电磁斥力的影响进行了仿真分析，得出了一般性的设计指导原则。为了进一步提高快速开关的分闸速度，提出了在线圈周围加装导磁材料以及利用脉冲成形网络作为其放电回路的方法，并利用仿真模型对其效果进行了仿真分析。最后利用12kV-40kA-2500A 真空开关管、双向电磁斥力机构以及可倒翻碟簧双稳机构研制了10kV 快速真空开关样机。
另外开关在分断之后，动触头与静触头之间需要保持一定的开距，为此在操动机构中使用了具有非线性负荷特性的碟形弹簧。如图2所示为碟形弹簧负荷形变曲线示意图，由于该弹簧具有与永磁机构相似的双稳特性，因此在开关的结构设计上省去了复杂的锁闩机构。
图1 基于电磁斥力机构的快速真空开关结构示意图 Fig.1 Schematic diagram of the high speed vacuum switch with electromagnetic repulsion mechanism
2 电磁斥力机构
2.1 工作原理
电磁斥力机构的研究已有三十余年的历史[2]，其结构形式主要有以下几种：①盘式线圈及金属盘；②盘式线圈及金属盘外加磁性元件；③双盘式线圈；④圆筒式线圈及金属圆筒。本文主要研究第一种结构形式的电磁斥力机构，如图1所示为基于该操动机构的快速真空开关的结构示意图，其工作原理为：通过预充电的电容器组向分闸或合闸线圈放电，以产生一个持续时间为几毫秒的脉冲电流，在该脉冲电流的作用下，金属盘（铜盘或铝盘）中感应出涡流并产生电磁斥力，从而带动连杆运动，实现开关的快速开断或关合。由于正常工作时，动触头与静触头之间会因流有电流而产生电磁斥力，因此在闭合状态下，开关触头之间需要保持一定的接触压力，
图2 碟形弹簧负荷形变曲线示意图
1—合闸位置 2—过渡位置 3—分闸位置
Fig.2 Load deformation diagram of the disk spring
图3所示为储能电容充放电回路的等效电路图，图中，T 1为调压器；T 2为升压变压器；R 4为充电电阻；VD 1为整流二极管；C 为储能电容；R 1和L 1分别为储能电容的等效内阻及内部引线的电感；VD 2为续流二极管，VT 为晶闸管；L 2和R 2分别为分闸或合闸线圈的电感及等效电阻；L 3和R 3分别为引线的电感及电阻。储能电容C （多为电解电容）在充电完成之后，便可以通过晶闸管VT 向分闸或合闸线圈放电，从而实现开关的开断与关合。另外，在储能电容两端并联了续流二极管VD 2，其目的是为了保护电解电容，防止电容器因反向充电而发生爆炸，同时还可以提高放电功率的利用效率[20]。
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3 仿真建模及实验验证
3.1 基本假设
根据验证模型的实际情况，在不影响计算精度的前提下，提出以下假设：
图3 储能电容充放电回路
Fig.3 Charge and discharge circuit of the energy storage
capacitor
（1）忽略分闸线圈周围的螺帽以及弹簧等金属部件对线圈磁力线分布的影响。
（2）忽略环氧挡板在验证模型动作过程中所发生的形变。
（3）忽略弹簧的形变速度对其负荷形变曲线的影响。 3.2 有限元模型
如图5所示为电磁斥力机构的二维轴对称几何模型及网格划分，划分单元的个数为33 248。各部分材料属性见表2。如图3所示，电解电容的等效电路为电容、等效内阻以及内部引线电感的串联，所以电解电容的阻抗对于测试信号的频率具有很强的依赖性。如图6a 所示，本文利用数字电桥，在不同测试频率下对电容等效阻抗的幅值进行测量，并对测量结果进行曲线拟合，从而得到等效电路中各元件的参数。最终得到电容以及引线的等效电路参数见表3。
2.2 验证模型
如图4所示为电磁斥力机构的验证模型，该模型主要由分闸线圈、金属铝盘、螺旋弹簧、金属连杆以及缓冲装置五部分组成，在初始位置弹簧已经具有一定的压缩量，因此金属盘与分闸线圈之间具有一定的初始压力，当分闸线圈中流有脉冲电流时，金属盘因感应涡流而产生电磁斥力，在电磁斥力的作用下，金属盘与金属连杆一起向下运动，并最终依靠弹簧的弹力恢复至初始状态。当电磁斥力足够大且维持时间足够长时，金属连杆会与缓冲装置发生碰撞，并依靠缓冲装置进行缓冲，从示波器中便可以读出连杆运动至缓冲装置所需要的时间。验证模型的参数见表1，其储能电容充放电回路与图3相同。
图4 验证模型示意图
Fig.4 Schematic diagram of the verification model
表1 验证模型参数
Tab.1 Parameters of the verification model
部 件
项 目 线圈材料 线圈外半径R /mm 线圈内半径R 0/mm 线圈绕线厚度t 0/mm
线圈匝数 线圈厚度h /mm 金属盘及连杆材料
参数 紫铜 70 35 0.8
28 20 铝合金
d /mm 项 目 金属盘厚度t /mm 金属盘半径r /mm 线圈与金属盘间隙s /mm弹簧原始长度l 0/mm 弹簧初始压缩量c /mm可动部分质量m /g 连杆与缓冲装置间距
8 参数
线圈
10
金属盘及连杆
701 686 950
LY12铝合金
1.000021
紫铜
图5 电磁斥力机构的几何模型及网格划分 Fig.5 Geometric model and mesh of the electromagnetic
repulsion mechanism 表2 材料属性 Tab.2 Material properties
材 料
相对磁导率µr 0.999991
电导率γ/(S/m)5.8000×1072.2727×107
表3 电容及引线的等效电路参数
Tab.3 Equivalent parameters of the capacitor and lead wire
项 目 电容器容量C /µF 电容器内阻R 1/mΩ电容器电感L 1/µH
参数 4293.8 17.779 0.425 15
项 目 引线电感L 3/µH 引线电阻R 3/mΩ
参数 2.71762 12.68
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利用WDW —100型微机控制电子万能试验机对弹簧的负荷形变曲线进行了实际测量，当形变速度为5mm/min时，测得的结果如图6b 所示。
（e ）满行程时间 （f ）电磁斥力峰值及满行程速度
图7 仿真及实验结果
（a ）电容等效阻抗幅值 （b ）弹簧负荷形变曲线
Fig.7 Simulation and experimental results
4 仿真分析
4.1 金属盘半径、材料以及厚度的影响
利用以上仿真模型，对金属盘半径、材料以及厚度对电磁斥力的影响进行了仿真分析，仿真结果如图8a ～图8c 所示。从图8a ～图8c 中可以看出：
（1）当金属盘半径大于线圈半径5mm 时，电磁斥力峰值增加了1.83%；而当金属盘半径小于线圈半径5mm 时，电磁斥力峰值则减少了6.52%，由此可见，在金属盘半径与线圈半径相等的基础上，继续增大金属盘半径并不能在很大程度上提高电磁斥力的峰值，而减小金属盘半径，则会导致电磁斥力峰值的迅速降低，因此在设计电磁斥力机构时，考虑到可动部分的质量不能太大，应尽量保持金属盘半径与线圈半径相等。
（2）当金属盘材料由铝合金改为铜之后，电磁斥力的峰值增加了27.02%，由此可见，金属盘材料电阻率的减小对于电磁斥力峰值的提高影响显著，因此应该选用电阻率较低的非导磁材料，并综合考虑由此造成的可动部分质量的变化。
（3）当金属盘厚度减小为5mm 时，电磁斥力峰值减小了2.99%，而当金属盘厚度增大为15mm
图6 电路及机械参数
Fig.6 Circuit and mechanical parameters
3.3 仿真结果及实验验证
设定储能电容的初始电压为580V ，仿真时间为3ms ，得到仿真结果如图7a ～图7c 所示。为了验证仿真模型的正确性，在不同储能电压下对验证模型的放电电流以及满行程时间进行了测量，在每种储能电压下，重复3次实验，结果如图7d 、图7e 所示。由图7e 可以看出，在较低的储能电压下，仿真与实验结果相差较大，且实验结果分散性较大，而在较高的储能电压下，二者较为吻合。最后对不同储能电压下的仿真结果进行整理，结果如图7f 所示。
（a ）放电电流 （b ）电磁斥力及弹簧阻力
时，电磁斥力峰值仅增大了0.09%，由此可见，随着金属盘厚度的增加，电磁斥力也随之增大，但当金属盘厚度超过一定值时，再增大金属盘厚度，对电磁斥力的影响微乎其微，因此在设计时主要考虑满足金属盘的机械强度就可以了。
4.2 线圈厚度、材料以及线圈与金属盘间距的影响
由图8d ～图8f 可以看出：①线圈厚度对电磁斥力的影响并不是单调增加的，而是存在极值点，这主要是由于当线圈厚度较小时，其电阻较大，放
（c ）位移及速度 （d ）放电电流峰值
电电流较小，当线圈高度较大时，局部磁场较弱的缘故。②当线圈材料由铜改为铝时，电磁斥力的峰
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值减小了10.33%，由此可见，线圈材料电阻率的减小对于电磁斥力峰值的提高影响显著，因此应该选用电阻率较低的材料绕制线圈，并尽量减小放电回路中的电阻；③当线圈与金属盘之间的间距增大为2mm 时，电磁斥力的峰值减小了9.84%，当该间距进一步增大为3mm 时，电磁斥力的峰值则减小了18.46%。另外还可以看出，在间距变大之后，系统的电感增大，而电磁斥力的峰值时刻也随之后移。综上所述，线圈与金属盘之间的间距对于电磁斥力的影响较为显著，随着间距的增大，电磁斥力会迅速减小，因此在不利用其他机构的前提下，电磁斥力机构只适用于短程操动。 4.3 储能电容容量的影响
在电容储能一定的情况下，改变电容器的容量，得到不同电容容量情况下电磁斥力及速度的变化曲线如图8g 、图8h 所示。由仿真结果可以看出，当电容容量较小时，电磁斥力的峰值较大，但电磁斥力的维持时间和开关的加速时间较短，开关的分闸速度不高，且大部分时间处于减速阶段；当电容容量较大时，电磁斥力的维持时间和开关的加速时间延长，但电磁斥力的上升速度太慢，也不利于提高分闸速度，因此在电磁斥力机构的设计中，选择合适的电容容量及线圈电感至关重要。在分闸线圈确定的情况下，如何选择合适的电容容量还需要根据具体问题具体分析，没有明确的规律可循。
图8 仿真结果 Fig.8 Simulation results
（e ）线圈材料的影响 （f ）线圈与金属盘间距的影响
（g ）电容容量对电磁斥力的影响 （h ）电容容量对速度的影响
5 改进措施
为了提高快速开关的分合闸速度，本文提出了以下两种改进措施，并利用仿真模型对其效果进行了仿真分析。
5.1 改善磁路加装导磁材料
图9所示为加装导磁材料前后的有限元模型，所加的导磁材料为铁，相对磁导率为4000，电导率为1.3×107S/m。在储能电压为580V 的情况下，对其动力学特性进行了仿真，并与改进前的计算结果进行了比较，结果如图10所示。从图中可以看出，在加装了导磁材料之后，放电电流的峰值减小了15.89%，而电磁斥力的峰值则增大了11.55%，开关的分闸速度也得到了相应的提高。总的来说，在加装了导磁材料之后，线圈的电感、线圈周围的磁场以及电磁斥力的峰值都有所增大，且电磁斥力的作用时间也略微有所延长，因此加装导磁材料可以用来提高电磁斥力机构的能量转换效率和分合闸速度。根据以上分析，加装导磁材料可以提高电磁斥力的峰值，从而达到提高分合闸速度的目的，但受电磁斥力机构机械强度的限制，电磁斥力的峰值是
（a ）金属盘半径的影响 （b ）金属盘材料的影响
（c ）金属盘厚度的影响 （d ）线圈厚度的影响
不可以无限制增大的，因此要进一步提高分合闸速度，还需要其他的改进措施。
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在充电完成之后，通过控制放电开关VT 1、VT 2的导通时序，便可以在分闸或合闸线圈中叠加出所需要的脉冲电流波形，由于各模块之间要按一定的时间间隔进行放电，因此要求放电开关VT 1、VT 2的导通时延及其分散性不能太大，根据以上分析，
放电开关VT 1、VT 2可以选择晶闸管或触发真空开关。
图9 加装导磁材料前后的仿真模型 Fig.9 Simulation model before and after adding
ferromagnetic material
图11 两模块PFN 等效电路 Fig.11 Equivalent circuit of the PFN
consists of 2 modules
在不改变放电回路参数的情况下，设定充电电压为580V ，放电开关VT 1、VT 2的放电时间间隔为450µs ，通过仿真得到各曲线如图12所示。从图中可以看出，在利用PFN 合成电流之后，放电电流的峰值增大了23.37%，而电磁斥力则在维持峰值不变
（a ）放电电流
（b
）电磁斥力
的情况下，持续时间延长了
0.3ms 。综上所述，应用PFN 作为放电电路可以在维持电磁斥力峰值不变的情况下，延长其作用时间，因此可以用来提高开关的分合闸速度，缩短其满行程时间。
（c ）位移 （d ）速度
（a ）放电电流
（b ）电磁斥力
图10 加装导磁材料前后的仿真结果 Fig.10 Simulation results before and after adding
ferromagnetic material
5.2 PFN 技术的应用
脉冲成形网络(Pulse Forming Network, PFN)技术被广泛应用于现代科学技术的诸多领域，如可控热核聚变、电磁发射技术等[21]。其原理是通过控制PFN 中各个模块的放电时序，从而叠加出所需要的脉冲电流波形。如图11所示分别为两模块PFN 电路的等效电路图，其中，C 1、C 2为储能电容；R 1、R 2和L 1、L 2分别为储能电容的等效内阻及内部引线的电感；VD 1、VD 2为续流二极管，VT 1、VT 2为放电开关，L 5和R 5分别为分闸或合闸线圈的电感及等效电阻；L 3、L 4和R 3、R 4分别为引线的电感及电阻。储能电容C 1、C 2
（c ）位移 （d ）速度
图12 PFN放电回路的仿真结果
Fig.12 Simulation results of PFN discharge circuit
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6 10kV 快速真空开关样机的研制
在以上仿真模型以及仿真结果的基础上，利用12kV-40kA-2500A 的真空开关管、双向电磁斥力机构以及可倒翻碟簧双稳机构研制了10kV 快速真空开关的样机，其结构如图13所示。如图14a 所示为该样机所配套使用的可倒翻碟簧的实测负荷形变曲线，从图中可以看出，本文所研制的碟形弹簧在合闸位置能够提供4500N 的额定触头压力，在开关运动11mm 到达分闸位置之后，能够提供2300N 的分闸保持力，因此可以满足快速开关的要求。在样机完成之后，采用单电容以及两模块PFN 电路作为其放电回路，在不同的储能电压下对其固有分闸时间以及满行程时间进行测量，得到结果如图14b 、图14c 所示。从图中可以看出，在单电容放电回路充电1300V 的情况下，快速开关的固有分闸时间为0.5ms ，满行程时间为1.96ms ，在两模块PFN 放电回路充电1300V 的情况下，其固有分闸时间没有变化，仍为0.5ms ，而满行程时间则缩短为1.6ms 。在实验中，PFN 放电回路中的放电开关采用触发真空开关，并利用延时电路对其触发时序进行控制，从而叠加出所需要的电流波形，如图14d 所示为充电电压为1300V 时单电容以及PFN 放电回路的放电电流。在快速真空开关动作50次之后，利用真空度测试仪测量开关管的真空度，测量3次，结果取平均值，得到开关管的真空度为2×104Pa ，仍然满足国家相关标准的要求。
（c ）满行程时间 （d ）1300V 时放电电流
（a ）碟簧负荷形变曲线 （b ）固有分闸时间
图14 快速开关样机实验结果
Fig.14 Experimental results of the high speed switch
prototype
容量，但增大电容容量的方法会导致电磁斥力的上升沿变缓，不利于缩短固有分闸时间。
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7 结论
在电磁斥力机构中，要提高电磁斥力的峰值可以通过以下三种方法来实现：①提高储能电容电压；②合理选择结构参数，提高能量转换效率；③加装导磁材料；而要延长电磁斥力的作用时间则主要有 以下两种方法：①利用PFN 放电电路；②增大电容
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作者简介
王子建 男，1981年生，博士研究生，研究方向为智能化高压电器及高电压新技术。
何俊佳 男，1968年生，教授，博士生导师，研究方向为电弧电接触、高电压与绝缘技术、脉冲功率技术。
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（1. 华中科技大学电气与电子工程学院 武汉 430074
2. 湖南省电力试验研究院 长沙 410007 3. 中国电力科学研究院 北京 100085）
摘要 在合理简化的基础上，利用有限元方法建立了电磁斥力机构场路耦合瞬态动力学特性分析的二维有限元模型。为了验证仿真模型的正确性，建立了简化的实验验证模型，并在不同储能电压下对验证模型的放电电流以及满行程时间进行了实际测量，测量结果验证了仿真模型的正确性。在此基础上，就金属盘、分闸线圈的结构参数以及储能电容的容量对电磁斥力的影响进行了仿真分析，得出了一般性的设计指导原则。另外，为了进一步提高快速开关的分闸速度，提出了在线圈周围加装导磁材料以及利用脉冲成形网络作为其放电回路的方法，利用仿真模型对其效果进行了仿真分析。最后利用12kV-40kA-2500A 真空开关管、双向电磁斥力机构以及可倒翻碟簧双稳机构研制了10kV 快速真空开关样机，实测其固有分闸时间为0.5ms ，满行程时间为1.6ms 。
关键词：电磁斥力机构 快速开关 动态特性 有限元法 脉冲成形网络 中图分类号：TM561
10kV High Speed Vacuum Switch With Electromagnetic
Repulsion Mechanism
Wang Zijian1 He Junjia 1 Yin Xiaogen 1 Lu Jiazheng 2 Hui Dong 3 Zhang Hanming 1
（1. Huazhong University of Science and Technology Wuhan 430074 China 2. Hunan Electric Power Test and Research Institute Changsha 410007 China
3. China Electric Power Research Institute Beijing 100085 China）
Abstract A two dimensional(2D)finite element model is applied to analyze the dynamic characteristics of the electromagnetic repulsion mechanism. In order to verify the validity of the simulation results, a simplified electromagnetic repulsion mechanism is established. The discharge current and the contact time between metal tie rod and cushioning device are measured. A good agreement between the measurements and the simulation results is obtained. Detailed investigations are performed by simulation regarding the impacts of various structure parameters and capacity of energy storage capacitor on the dynamic characteristics of the electromagnetic repulsion mechanism. Two methods are put forward for increasing the opening velocity of the switch. Based on the simulation results, a 10kV-40kA-2500A high speed switch prototype with an electromagnetic repulsion mechanism and a disk spring mechanism is developed. It can open within 0.5 ms from the trip signal, and the travel time is 1.6ms.
Keywords ：Electromagnetic repulsion mechanism, high speed switch, dynamic characteristics, FEM, PFN
简单、分合闸速度快[3]，且与大功率电力电子器件相比，其通态损耗较小，故在电力系统故障限流[4-11]、电能质量控制[12-13]、直流断路器[14-15]以及相控开关[16]等诸多领域具有广阔的应用前景。
电磁斥力机构是一种利用涡流原理制作的新型
1 引言
基于电磁斥力机构的快速真空开关[1-2]，其结构
收稿日期 2008-04-16 改稿日期 2008-12-28
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王子建等 基于电磁斥力机构的10kV 快速真空开关 69
快速操动机构，它的运动过程涉及到电路、电磁感应、电磁力以及机械运动等多个相互作用的动态过程，因此需要联合电路方程、空间磁场与涡流方程以及机械运动方程来求解其动态过程。为了计算该机构所提供的电磁斥力，文献[17]提出了一种近似的数值计算方法，该方法假设金属盘的直径远大于线圈的直径，金属盘遮蔽了线圈所产生的全部磁通，即不考虑运动过程中线圈与金属盘之间的互感以及暂态电磁场中磁通的变化，该方法计算误差较大，无法满足实际需求。文献[18]从两个同轴放置的单匝圆环的电感计算公式出发，绕过空间磁场的计算，提出了一种基于等效电路的动态特性仿真方法。文献[19]在文献[18]的基础上，具体给出了一种基于时间和位移双层循环的离散迭代算法，并利用该算法详细研究了不同结构参数对电磁斥力机构动态特性的影响。
本文利用有限元方法，建立了用于电磁斥力机构场路耦合瞬态动力学特性分析的二维有限元模型，并利用简化的实验验证模型验证了仿真模型的正确性。在此基础上，就金属盘、分闸线圈的结构参数以及储能电容的容量对电磁斥力的影响进行了仿真分析，得出了一般性的设计指导原则。为了进一步提高快速开关的分闸速度，提出了在线圈周围加装导磁材料以及利用脉冲成形网络作为其放电回路的方法，并利用仿真模型对其效果进行了仿真分析。最后利用12kV-40kA-2500A 真空开关管、双向电磁斥力机构以及可倒翻碟簧双稳机构研制了10kV 快速真空开关样机。
另外开关在分断之后，动触头与静触头之间需要保持一定的开距，为此在操动机构中使用了具有非线性负荷特性的碟形弹簧。如图2所示为碟形弹簧负荷形变曲线示意图，由于该弹簧具有与永磁机构相似的双稳特性，因此在开关的结构设计上省去了复杂的锁闩机构。
图1 基于电磁斥力机构的快速真空开关结构示意图 Fig.1 Schematic diagram of the high speed vacuum switch with electromagnetic repulsion mechanism
2 电磁斥力机构
2.1 工作原理
电磁斥力机构的研究已有三十余年的历史[2]，其结构形式主要有以下几种：①盘式线圈及金属盘；②盘式线圈及金属盘外加磁性元件；③双盘式线圈；④圆筒式线圈及金属圆筒。本文主要研究第一种结构形式的电磁斥力机构，如图1所示为基于该操动机构的快速真空开关的结构示意图，其工作原理为：通过预充电的电容器组向分闸或合闸线圈放电，以产生一个持续时间为几毫秒的脉冲电流，在该脉冲电流的作用下，金属盘（铜盘或铝盘）中感应出涡流并产生电磁斥力，从而带动连杆运动，实现开关的快速开断或关合。由于正常工作时，动触头与静触头之间会因流有电流而产生电磁斥力，因此在闭合状态下，开关触头之间需要保持一定的接触压力，
图2 碟形弹簧负荷形变曲线示意图
1—合闸位置 2—过渡位置 3—分闸位置
Fig.2 Load deformation diagram of the disk spring
图3所示为储能电容充放电回路的等效电路图，图中，T 1为调压器；T 2为升压变压器；R 4为充电电阻；VD 1为整流二极管；C 为储能电容；R 1和L 1分别为储能电容的等效内阻及内部引线的电感；VD 2为续流二极管，VT 为晶闸管；L 2和R 2分别为分闸或合闸线圈的电感及等效电阻；L 3和R 3分别为引线的电感及电阻。储能电容C （多为电解电容）在充电完成之后，便可以通过晶闸管VT 向分闸或合闸线圈放电，从而实现开关的开断与关合。另外，在储能电容两端并联了续流二极管VD 2，其目的是为了保护电解电容，防止电容器因反向充电而发生爆炸，同时还可以提高放电功率的利用效率[20]。
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3 仿真建模及实验验证
3.1 基本假设
根据验证模型的实际情况，在不影响计算精度的前提下，提出以下假设：
图3 储能电容充放电回路
Fig.3 Charge and discharge circuit of the energy storage
capacitor
（1）忽略分闸线圈周围的螺帽以及弹簧等金属部件对线圈磁力线分布的影响。
（2）忽略环氧挡板在验证模型动作过程中所发生的形变。
（3）忽略弹簧的形变速度对其负荷形变曲线的影响。 3.2 有限元模型
如图5所示为电磁斥力机构的二维轴对称几何模型及网格划分，划分单元的个数为33 248。各部分材料属性见表2。如图3所示，电解电容的等效电路为电容、等效内阻以及内部引线电感的串联，所以电解电容的阻抗对于测试信号的频率具有很强的依赖性。如图6a 所示，本文利用数字电桥，在不同测试频率下对电容等效阻抗的幅值进行测量，并对测量结果进行曲线拟合，从而得到等效电路中各元件的参数。最终得到电容以及引线的等效电路参数见表3。
2.2 验证模型
如图4所示为电磁斥力机构的验证模型，该模型主要由分闸线圈、金属铝盘、螺旋弹簧、金属连杆以及缓冲装置五部分组成，在初始位置弹簧已经具有一定的压缩量，因此金属盘与分闸线圈之间具有一定的初始压力，当分闸线圈中流有脉冲电流时，金属盘因感应涡流而产生电磁斥力，在电磁斥力的作用下，金属盘与金属连杆一起向下运动，并最终依靠弹簧的弹力恢复至初始状态。当电磁斥力足够大且维持时间足够长时，金属连杆会与缓冲装置发生碰撞，并依靠缓冲装置进行缓冲，从示波器中便可以读出连杆运动至缓冲装置所需要的时间。验证模型的参数见表1，其储能电容充放电回路与图3相同。
图4 验证模型示意图
Fig.4 Schematic diagram of the verification model
表1 验证模型参数
Tab.1 Parameters of the verification model
部 件
项 目 线圈材料 线圈外半径R /mm 线圈内半径R 0/mm 线圈绕线厚度t 0/mm
线圈匝数 线圈厚度h /mm 金属盘及连杆材料
参数 紫铜 70 35 0.8
28 20 铝合金
d /mm 项 目 金属盘厚度t /mm 金属盘半径r /mm 线圈与金属盘间隙s /mm弹簧原始长度l 0/mm 弹簧初始压缩量c /mm可动部分质量m /g 连杆与缓冲装置间距
8 参数
线圈
10
金属盘及连杆
701 686 950
LY12铝合金
1.000021
紫铜
图5 电磁斥力机构的几何模型及网格划分 Fig.5 Geometric model and mesh of the electromagnetic
repulsion mechanism 表2 材料属性 Tab.2 Material properties
材 料
相对磁导率µr 0.999991
电导率γ/(S/m)5.8000×1072.2727×107
表3 电容及引线的等效电路参数
Tab.3 Equivalent parameters of the capacitor and lead wire
项 目 电容器容量C /µF 电容器内阻R 1/mΩ电容器电感L 1/µH
参数 4293.8 17.779 0.425 15
项 目 引线电感L 3/µH 引线电阻R 3/mΩ
参数 2.71762 12.68
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利用WDW —100型微机控制电子万能试验机对弹簧的负荷形变曲线进行了实际测量，当形变速度为5mm/min时，测得的结果如图6b 所示。
（e ）满行程时间 （f ）电磁斥力峰值及满行程速度
图7 仿真及实验结果
（a ）电容等效阻抗幅值 （b ）弹簧负荷形变曲线
Fig.7 Simulation and experimental results
4 仿真分析
4.1 金属盘半径、材料以及厚度的影响
利用以上仿真模型，对金属盘半径、材料以及厚度对电磁斥力的影响进行了仿真分析，仿真结果如图8a ～图8c 所示。从图8a ～图8c 中可以看出：
（1）当金属盘半径大于线圈半径5mm 时，电磁斥力峰值增加了1.83%；而当金属盘半径小于线圈半径5mm 时，电磁斥力峰值则减少了6.52%，由此可见，在金属盘半径与线圈半径相等的基础上，继续增大金属盘半径并不能在很大程度上提高电磁斥力的峰值，而减小金属盘半径，则会导致电磁斥力峰值的迅速降低，因此在设计电磁斥力机构时，考虑到可动部分的质量不能太大，应尽量保持金属盘半径与线圈半径相等。
（2）当金属盘材料由铝合金改为铜之后，电磁斥力的峰值增加了27.02%，由此可见，金属盘材料电阻率的减小对于电磁斥力峰值的提高影响显著，因此应该选用电阻率较低的非导磁材料，并综合考虑由此造成的可动部分质量的变化。
（3）当金属盘厚度减小为5mm 时，电磁斥力峰值减小了2.99%，而当金属盘厚度增大为15mm
图6 电路及机械参数
Fig.6 Circuit and mechanical parameters
3.3 仿真结果及实验验证
设定储能电容的初始电压为580V ，仿真时间为3ms ，得到仿真结果如图7a ～图7c 所示。为了验证仿真模型的正确性，在不同储能电压下对验证模型的放电电流以及满行程时间进行了测量，在每种储能电压下，重复3次实验，结果如图7d 、图7e 所示。由图7e 可以看出，在较低的储能电压下，仿真与实验结果相差较大，且实验结果分散性较大，而在较高的储能电压下，二者较为吻合。最后对不同储能电压下的仿真结果进行整理，结果如图7f 所示。
（a ）放电电流 （b ）电磁斥力及弹簧阻力
时，电磁斥力峰值仅增大了0.09%，由此可见，随着金属盘厚度的增加，电磁斥力也随之增大，但当金属盘厚度超过一定值时，再增大金属盘厚度，对电磁斥力的影响微乎其微，因此在设计时主要考虑满足金属盘的机械强度就可以了。
4.2 线圈厚度、材料以及线圈与金属盘间距的影响
由图8d ～图8f 可以看出：①线圈厚度对电磁斥力的影响并不是单调增加的，而是存在极值点，这主要是由于当线圈厚度较小时，其电阻较大，放
（c ）位移及速度 （d ）放电电流峰值
电电流较小，当线圈高度较大时，局部磁场较弱的缘故。②当线圈材料由铜改为铝时，电磁斥力的峰
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值减小了10.33%，由此可见，线圈材料电阻率的减小对于电磁斥力峰值的提高影响显著，因此应该选用电阻率较低的材料绕制线圈，并尽量减小放电回路中的电阻；③当线圈与金属盘之间的间距增大为2mm 时，电磁斥力的峰值减小了9.84%，当该间距进一步增大为3mm 时，电磁斥力的峰值则减小了18.46%。另外还可以看出，在间距变大之后，系统的电感增大，而电磁斥力的峰值时刻也随之后移。综上所述，线圈与金属盘之间的间距对于电磁斥力的影响较为显著，随着间距的增大，电磁斥力会迅速减小，因此在不利用其他机构的前提下，电磁斥力机构只适用于短程操动。 4.3 储能电容容量的影响
在电容储能一定的情况下，改变电容器的容量，得到不同电容容量情况下电磁斥力及速度的变化曲线如图8g 、图8h 所示。由仿真结果可以看出，当电容容量较小时，电磁斥力的峰值较大，但电磁斥力的维持时间和开关的加速时间较短，开关的分闸速度不高，且大部分时间处于减速阶段；当电容容量较大时，电磁斥力的维持时间和开关的加速时间延长，但电磁斥力的上升速度太慢，也不利于提高分闸速度，因此在电磁斥力机构的设计中，选择合适的电容容量及线圈电感至关重要。在分闸线圈确定的情况下，如何选择合适的电容容量还需要根据具体问题具体分析，没有明确的规律可循。
图8 仿真结果 Fig.8 Simulation results
（e ）线圈材料的影响 （f ）线圈与金属盘间距的影响
（g ）电容容量对电磁斥力的影响 （h ）电容容量对速度的影响
5 改进措施
为了提高快速开关的分合闸速度，本文提出了以下两种改进措施，并利用仿真模型对其效果进行了仿真分析。
5.1 改善磁路加装导磁材料
图9所示为加装导磁材料前后的有限元模型，所加的导磁材料为铁，相对磁导率为4000，电导率为1.3×107S/m。在储能电压为580V 的情况下，对其动力学特性进行了仿真，并与改进前的计算结果进行了比较，结果如图10所示。从图中可以看出，在加装了导磁材料之后，放电电流的峰值减小了15.89%，而电磁斥力的峰值则增大了11.55%，开关的分闸速度也得到了相应的提高。总的来说，在加装了导磁材料之后，线圈的电感、线圈周围的磁场以及电磁斥力的峰值都有所增大，且电磁斥力的作用时间也略微有所延长，因此加装导磁材料可以用来提高电磁斥力机构的能量转换效率和分合闸速度。根据以上分析，加装导磁材料可以提高电磁斥力的峰值，从而达到提高分合闸速度的目的，但受电磁斥力机构机械强度的限制，电磁斥力的峰值是
（a ）金属盘半径的影响 （b ）金属盘材料的影响
（c ）金属盘厚度的影响 （d ）线圈厚度的影响
不可以无限制增大的，因此要进一步提高分合闸速度，还需要其他的改进措施。
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在充电完成之后，通过控制放电开关VT 1、VT 2的导通时序，便可以在分闸或合闸线圈中叠加出所需要的脉冲电流波形，由于各模块之间要按一定的时间间隔进行放电，因此要求放电开关VT 1、VT 2的导通时延及其分散性不能太大，根据以上分析，
放电开关VT 1、VT 2可以选择晶闸管或触发真空开关。
图9 加装导磁材料前后的仿真模型 Fig.9 Simulation model before and after adding
ferromagnetic material
图11 两模块PFN 等效电路 Fig.11 Equivalent circuit of the PFN
consists of 2 modules
在不改变放电回路参数的情况下，设定充电电压为580V ，放电开关VT 1、VT 2的放电时间间隔为450µs ，通过仿真得到各曲线如图12所示。从图中可以看出，在利用PFN 合成电流之后，放电电流的峰值增大了23.37%，而电磁斥力则在维持峰值不变
（a ）放电电流
（b
）电磁斥力
的情况下，持续时间延长了
0.3ms 。综上所述，应用PFN 作为放电电路可以在维持电磁斥力峰值不变的情况下，延长其作用时间，因此可以用来提高开关的分合闸速度，缩短其满行程时间。
（c ）位移 （d ）速度
（a ）放电电流
（b ）电磁斥力
图10 加装导磁材料前后的仿真结果 Fig.10 Simulation results before and after adding
ferromagnetic material
5.2 PFN 技术的应用
脉冲成形网络(Pulse Forming Network, PFN)技术被广泛应用于现代科学技术的诸多领域，如可控热核聚变、电磁发射技术等[21]。其原理是通过控制PFN 中各个模块的放电时序，从而叠加出所需要的脉冲电流波形。如图11所示分别为两模块PFN 电路的等效电路图，其中，C 1、C 2为储能电容；R 1、R 2和L 1、L 2分别为储能电容的等效内阻及内部引线的电感；VD 1、VD 2为续流二极管，VT 1、VT 2为放电开关，L 5和R 5分别为分闸或合闸线圈的电感及等效电阻；L 3、L 4和R 3、R 4分别为引线的电感及电阻。储能电容C 1、C 2
（c ）位移 （d ）速度
图12 PFN放电回路的仿真结果
Fig.12 Simulation results of PFN discharge circuit
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6 10kV 快速真空开关样机的研制
在以上仿真模型以及仿真结果的基础上，利用12kV-40kA-2500A 的真空开关管、双向电磁斥力机构以及可倒翻碟簧双稳机构研制了10kV 快速真空开关的样机，其结构如图13所示。如图14a 所示为该样机所配套使用的可倒翻碟簧的实测负荷形变曲线，从图中可以看出，本文所研制的碟形弹簧在合闸位置能够提供4500N 的额定触头压力，在开关运动11mm 到达分闸位置之后，能够提供2300N 的分闸保持力，因此可以满足快速开关的要求。在样机完成之后，采用单电容以及两模块PFN 电路作为其放电回路，在不同的储能电压下对其固有分闸时间以及满行程时间进行测量，得到结果如图14b 、图14c 所示。从图中可以看出，在单电容放电回路充电1300V 的情况下，快速开关的固有分闸时间为0.5ms ，满行程时间为1.96ms ，在两模块PFN 放电回路充电1300V 的情况下，其固有分闸时间没有变化，仍为0.5ms ，而满行程时间则缩短为1.6ms 。在实验中，PFN 放电回路中的放电开关采用触发真空开关，并利用延时电路对其触发时序进行控制，从而叠加出所需要的电流波形，如图14d 所示为充电电压为1300V 时单电容以及PFN 放电回路的放电电流。在快速真空开关动作50次之后，利用真空度测试仪测量开关管的真空度，测量3次，结果取平均值，得到开关管的真空度为2×104Pa ，仍然满足国家相关标准的要求。
（c ）满行程时间 （d ）1300V 时放电电流
（a ）碟簧负荷形变曲线 （b ）固有分闸时间
图14 快速开关样机实验结果
Fig.14 Experimental results of the high speed switch
prototype
容量，但增大电容容量的方法会导致电磁斥力的上升沿变缓，不利于缩短固有分闸时间。
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7 结论
在电磁斥力机构中，要提高电磁斥力的峰值可以通过以下三种方法来实现：①提高储能电容电压；②合理选择结构参数，提高能量转换效率；③加装导磁材料；而要延长电磁斥力的作用时间则主要有 以下两种方法：①利用PFN 放电电路；②增大电容
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作者简介
王子建 男，1981年生，博士研究生，研究方向为智能化高压电器及高电压新技术。
何俊佳 男，1968年生，教授，博士生导师，研究方向为电弧电接触、高电压与绝缘技术、脉冲功率技术。
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