摘要：环保气体环网柜现已成为众多企业的研发重点，纵观市场现有技术及产品，针对其存在的不足笔者提出了“一种永磁式智能型环保气体环网柜”的设计方案。采用永磁操作机构设计，使用SolidWorks建立三维模型，将产品模型导入Maxwell建立有限元分析模型，进行静态和动态特性分析，计算得到永磁操作机构磁场分部、合闸保持力、合分闸速度及电流等关键参数。智能控制采用选首合相控制关合技术，使环网柜开关首合相电压过零点合闸，限制合闸涌流。最后，实际样机特性测试，测试结果与设计仿真结果方向性一致。
关键词：永磁操作机构；选首合相关合；环网柜；特性分析
引言
环网柜是高压输配电中应用相当广泛的输配电设备之一，近年来，市场对配网设备诸如环网柜等产品的环保型、智能型要求不断提高。现有SF6气体环网柜因存在环境污染问题，终将被环保型环网柜取代；而被市场给予厚望的固体绝缘环网柜在有些区域，如华东、华南地区，因温湿度较大，其环氧树脂绝缘箱体内部极易发生凝露，产生积水，导致绝缘故障，危害极大。因此，行业内积极探索采用真空开断技术和使用环保气体绝缘的环网柜，而且国内已现有诸如苏州朗格、北京思威驰、许继电气等企业研发出环保气体的环网柜。纵观其现有的产品，环网柜开关操作机构均为弹簧操作机构。弹簧操作机构因其零部件多，对开关可靠性影响较大。据国内外统计，开关设备60%以上的故障都是源于传统弹簧操作机构的机械故障[1]。据此，笔者采用结构简单、可靠性高的永磁机构匹配环保气体环网柜开断操作，使环保气体环网柜产品向长寿命、免维护等更高要求的发展成为可能。同时，该环网柜除了可配有DTU装置外，智能控制方面还采用选首合相控制关合技术，使环网柜开关首合相电压过零点合闸，限制合闸涌流，减小对电网的冲击。
1.永磁操作机构模型建立分析
本文的研究对象是12kV永磁式智能环保气体环网柜，在三维实体造型软件SolidWorks中建立环网柜永磁操作机构模型。该永磁操作机构为单稳态永磁操作机构，分闸弹簧外置于永磁操作机构外部，传动部分采用驱动轴旋转、三相联动的方式。其要求的机械特性见表1。合闸位置时由于气隙较小，磁力线经过内磁轭、动铁芯、下磁轭、外磁轭形成主回路，仅有较小的漏磁，永磁体的磁积能利用较高，有利于产生较大的电磁吸力。可直接知晓永磁操作机构理论设计的合闸保持力6366N，此力必须大于运动反力 ，否则永磁操作机构无法保持在合闸状态。
表1 12kV永磁式智能环保气体环网柜机械性参数
1.2永磁开关柜操作机构的运动分析
永磁开关柜的永磁机构中装有合分闸线圈，由充电电容放电励磁。合闸时，线圈通电，永磁机构的动铁芯在电磁力、永磁体吸力共同作用下驱动主轴旋转，完成永磁真空断路器合闸操作，同时为分闸弹簧储能。合闸到位后，永磁体产生永磁保持力将永磁真空断路器保持在合闸状态。分闸时，线圈通过反向电流，产生的磁场与永磁体磁场反向抵消，动铁芯受分闸弹簧力和触头压力驱动，完成永磁真空断路器分闸操作。
1.3运动反力和传动比的归算
铁芯受到的运动反力Ff，在开距阶段为触头自闭力、运动部分（含动触头）的重力、分闸弹簧力，在超程阶段为触头自闭力、运动部分（不含动触头）的重力、分闸弹簧力、触头弹簧力，因此运动反力Ff和运动部分质量m的关系在计算时分为2个阶段来表达。驱动轴上设计有永磁机构输入拐臂与三相驱动输出拐臂，两者力臂长度比为1.69：1，即铁芯运动速度除以1.69就等于三相触头的运动速度。
2永磁操作机构动态特性仿真与分析
永磁操作机构的动态特性是指线圈操作电流不为零，即在永磁操作机构执行开关状态转换的过程中，与永磁体共同形成的力学特性、运动特性和电压电流变化特性间的相互关系，是永磁操作机构机械系统、电磁系统，特别是电源与控制系统的设计基础和性能评判依据。动态特性是时变的、机电磁三场耦合的，而且是在包含永磁场作用条件下的动态特性。
在仿真前将仿真模型的求解类型更改为瞬态求解模式，并设置一个Band运动域将动铁芯运动的范围包围起来，完成动铁芯运动参数的设置。另外，对于永磁操作机构的动态特性分析，还需为合分闸线圈设置线圈匝数，选择电流方向，添加外部电路。外部电路在Ansoft自带电路编辑软件Maxwell Circuit Editor中搭建仿真电路，对电容的容量和电压、线圈的阻值和电感以及线圈的通电时间进行设置。设置全部完成后，运行分析自检，无误后即可进行动态特性仿真分析。
样机实测合分闸速度均比仿真值小，合分闸电流峰值均比仿真值大。由于仿真时未将各传动件之间的摩擦及动能损耗考虑在内，所以造成这样的偏差。综合考虑产品设计及实际样机之间必然存在的方向性误差，该设计结果是正确的。
3.结语
（1）本文结合有限元软件Maxwell对永磁式智能型环保气体环网柜的永磁操作机构设计进行了仿真，获得了该样机设计的静态和动态特性，实际样机测试结果与设计仿真结果方向性一致，同时也验证了仿真分析方法的正确性。
（2）运用仿真分析，得到了永磁式环保气体环网柜在分合闸过程中的机械特性，可为改进优化产品性能参数提供方法，能有效地提高产品性能和缩短新产品设计周期。
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论文作者:黄敏龙
论文发表刊物:《电力设备》2018年第34期
论文发表时间:2019/5/17
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