CT型弹簧操动机构分合闸线圈的优化设计

0 前言

LW35-126型自能式SF6断路器是我公司为满足市场需求而开发的新一代六氟化硫断路器，该断路器采用自能式灭弧室，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，已大批量投入生产，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）。

目前，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，由于受变电站控制保护系统容量的限制，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，为了增强产品的竞争力，另外新增了分、合闸电磁铁操作电压为DC110和DC125V两种规范，为了尽力满足用户需要，特进行本课题进行研究。

1 结构简介

我们知道，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几乎都是螺管式电磁铁。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使用的大部分为直流电磁铁。

2 计算推导分析

电磁铁产生的电磁力与线圈的的磁势（即安匝数）有直接的关系：

即：

F=IN=■N（1）

而线圈电阻

R=ρ■N（2）

S=■πd2（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[mm2];

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。

对于矩形柱体线圈：

L=2（a+b）+πb0（见图1）

对于圆柱形线圈：

L=πD0=■（见图2）

图1 图2

而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，其骨架具体尺寸如下：

a=48mm

b=35mm

将（3）代入（2）得：

R=ρ■N=■（4）

将（4）代入（1）得：

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。

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：

NI=1800×2.8=5040（安匝）

在生产过程中我们发现，有极个别分闸电磁铁在进行出厂试验时，30%额定操作电压下能进行分闸操作（不符合有关国家标准规定），说明分闸线圈的磁势（即安匝数）有点大，应适当减小线圈的磁势（即安匝数）。

3 小电流（2A）电磁铁线圈参数计算

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：

b0=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。

L=2（a+b）+πb0=2×（48+35）+π×12.41=204.967（mm）=0.204967（m）

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・mm2/m

ρ最大为0.017241Ω・mm2/m

取中间值：

ρ=■=0.017096Ω・mm2/m

由式（5）可得出：

I=■（7）

将d、ρ、L、N代入（7）式可得：

I=■=■=1.625（A）

则改进后的电磁铁线圈安匝数为：

IN=1.625×2550=4144（安匝）

与原安匝数5040安匝，相比减小了900安匝。

为此投制以下两种线圈进行试验：

试验结果如下：

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28■■），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。

对编号2的线圈其额定操作电压下（DC220V）分闸时间为23 ms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。

这说明理论计算与试验结果有一定的偏差。

改进措施：

现对线圈进行改进，保持电磁铁线圈线径不变，把其匝数改为2250匝，层数为30层。

则相应的参数为：

b0=30×（d+0.035+0.04）=30×（0.29+0.075）=10.95（mm）

L=2（a+b）+πb0=2×（48+35）+π×10.95=200.383（mm）=0.200383（m）

其电阻为：

R=ρ■N=■=■=114（Ω）

其操作电流为：

I=■=■=1.9（A）

对改造后的线圈重新进行试验，试验结果如下：

额定操作电压下（DC220V），分闸时间为28ms，满足了技术条件的要求，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。

试验数据如下：

结论：

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，研究试验取得成功。

目前，该电磁铁已运用到生产中，生产80多台。

4 DC110V和DC125V电磁铁线圈参数计算

DC110V电磁铁线圈计算

由F=IN=■N=■=■可得

d=■

为了保持电磁铁安匝数（IN=5040）不变。

将有关参数代入上式得：

d=■=0.4504504

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导线的匝数应为：

■×1800=1240

故取匝数为1200匝。

每层60匝，共20层。

L=2×（48+35）+3.14×20（0.45+0.032+0.04）

=166+32.7816=198.78

I=■=■=4.287（A）

电阻为：

R=ρ■N=■=■=25.65Ω

DC125V电磁铁线圈计算

d=■=■=0.4226

查有关材料标准，取电磁铁线圈导线直径为0.425。

由于原导线直径为0.31，匝数为1800。

故原线圈骨架缠绕0.425导线的匝数应为：

■×1800=1312.9

故取匝数为1300匝。

每层60匝，共22层。

L=2×（48+35）+3.14×22（0.425+0.032+0.04）

=166+34.33276=200.3327

I=■=■=3.98（A）

电阻为：

R=ρ■N=■=■=31.4Ω

为此投制以下两种线圈进行试验：

对上述线圈进行试验。

5 结论

从试验结果可以看出，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，试验取得成功。

目前，DC110V的电磁铁已运用到生产中，生产30多台，并已出口到缅甸、尼泊尔等国家。DC125V电磁铁由于当时是由销售部门与广东电力用户商谈的技术改造项目，由于改造合同没有签定，最终并没有用到生产中。