摘要：電磁鐵是高壓斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)中的重要元件之一，當(dāng)電磁鐵分合閘線圈中通過(guò)電流時(shí)，在電磁鐵內(nèi)產(chǎn)生磁通，動(dòng)鐵心受電磁力的作用動(dòng)作，通過(guò)脫扣機(jī)構(gòu)，使操動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行分合閘操作，從而帶動(dòng)整個(gè)斷路器進(jìn)行分合閘操作[1]。因此，分合閘線圈設(shè)計(jì)的是否合理直接影響著高壓斷路器操作的可靠性。筆者通過(guò)設(shè)計(jì)計(jì)算不同參數(shù)的分合閘線圈，通過(guò)了相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證，并得到了廣泛應(yīng)用。
　　關(guān)鍵詞：斷路器，線圈，安匝數(shù)，操動(dòng)機(jī)構(gòu)
　　
　　1前言
　　LW35-126型自能式SF6斷路器，采用自能式滅弧原理,三極共用一臺(tái)彈簧機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng),結(jié)構(gòu)小巧，安裝方便,備受電力用戶(hù)青睞，其操動(dòng)機(jī)構(gòu)用分、合閘電磁鐵線圈完全相同，額定操作電流均為2.8A（DC220V）。
　　伴隨著城鄉(xiāng)電網(wǎng)改造正在全國(guó)范圍內(nèi)進(jìn)行，由于部分電力用戶(hù)，特別是一些舊變電站改造的用戶(hù)，受變電站控制保護(hù)系統(tǒng)容量的限制[2]，要求分閘電磁鐵線圈操作電流為2.5A（DC220V）以下，甚至為2.0A以下。同時(shí)，由于國(guó)內(nèi)外一些用戶(hù)需要分、合閘電磁鐵操作電壓為DC110和DC125V兩種規(guī)范，為此筆者專(zhuān)門(mén)對(duì)LW35-126型自能式SF6斷路器的CT□彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)分合閘線圈進(jìn)行了研究。
　　
　　2電磁鐵結(jié)構(gòu)[3]
　　電磁鐵是高壓斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)中的重要元件之一，電磁鐵的結(jié)構(gòu)多種多樣，但在高壓斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)中采用的絕大部分都是螺管式電磁鐵。這種電磁鐵的主要部件有：動(dòng)鐵心、靜鐵心、線圈等。當(dāng)電磁鐵線圈中通過(guò)電流時(shí)，在電磁鐵內(nèi)產(chǎn)生磁通，動(dòng)鐵心受電磁力的作用動(dòng)作，通過(guò)脫扣機(jī)構(gòu)，使操動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行分合閘操作，從而帶動(dòng)整個(gè)斷路器進(jìn)行分合閘操作。
　　按照電磁鐵線圈的電源不同可分為交流電磁鐵和直流電磁鐵；按照電磁鐵線圈有無(wú)骨架可分為有骨架電磁鐵和無(wú)骨架電磁鐵。目前高壓斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)中直流電磁鐵使用較多。本文就以直流電磁鐵為例進(jìn)行計(jì)算設(shè)計(jì)。
　　
　　3計(jì)算分析[4]
　　電磁鐵產(chǎn)生的電磁力與線圈的磁勢(shì)(即安匝數(shù))有直接的關(guān)系，詳見(jiàn)公式（1）。線圈電阻和線圈截面積計(jì)算公式見(jiàn)（2）和（3）：
　　F=IN=N(1)
　　R=ρN(2)
　　S=π(3)
　　式中:I—線圈電流[A];
　　N—線圈匝數(shù);
　　U—線圈外加電壓[V];
　　R—線圈電阻[Ω];
　　ρ—導(dǎo)線的電阻率[Ω•m];
　　L—線圈一匝的平均長(zhǎng)度[m];
　　S—導(dǎo)線的截面積[mm]；
　　d—導(dǎo)線的直徑[mm]。
　　我們常用的電磁鐵線圈的骨架一般有矩形和圓柱形兩種。當(dāng)前我們應(yīng)用的是矩形電磁鐵線圈骨架。對(duì)于矩形柱體線圈的單匝長(zhǎng)度計(jì)算見(jiàn)公式（4），式中字母意義見(jiàn)圖1。
　　L=2（a+b）+π（4)
　　
　　圖1矩形柱體線圈
　　由公式（1）（2）（3）可以得出公式（5）
　　F=IN=N==（5）
　　由于受電磁鐵脫扣器結(jié)構(gòu)的限制，在不改變電磁鐵氣隙長(zhǎng)度和磁極面積的前提下，由式（5）可以看出，改變電磁鐵線圈導(dǎo)線直徑和線圈匝數(shù)可以改變電磁鐵線圈的操作電流。
　　
　　4小電流（2A）電磁鐵線圈參數(shù)計(jì)算
　　現(xiàn)有LW35-126型自能式SF6斷路器所用的電磁鐵線圈為矩形柱體線圈，其骨架具體尺寸是a=48mm，b=35mm，原電磁鐵線圈導(dǎo)線為0.31mm，匝數(shù)為1800匝，操作電流為2.8A，其安匝數(shù)為5040（安匝）。
　　為了降低電磁鐵線圈操作電流，我們初步把操作電流設(shè)定為2A，為了盡量保持電磁鐵的動(dòng)特性不變，先按電磁鐵線圈安匝數(shù)不變進(jìn)行計(jì)算，則電磁鐵線圈匝數(shù)應(yīng)為：
　　N==2520（匝）
　　若保持線圈骨架不變，要增加線圈匝數(shù)，則需減小導(dǎo)線直徑，選取線徑為0.29mm的聚酯漆包線。若線圈每層仍保持75匝，則線圈應(yīng)有層數(shù)為：
　　C==33.6（層）
　　圓整后層數(shù)應(yīng)為34層，則線圈匝數(shù)為：
　　N=34×75=2550（匝）
　　依據(jù)以上數(shù)據(jù)可得出：
　　=34×（d+0.035+0.04）=34×（0.29+0.075）=12.41（mm）（6）
　　注：0.035為聚酯漆包線的漆膜厚度；
　　0.04為電磁鐵線圈導(dǎo)線間所墊的美濃紙厚度。
　　根據(jù)公式（4）計(jì)算得到L為0.204967m
　　對(duì)于銅導(dǎo)線，根據(jù)GB6109可查得，聚酯漆包線的電阻率ρ為：
　　ρ最小為0.01695Ω•mm/m
　　ρ最大為0.017241Ω•mm/m
　　取中間值：
　　ρ==0.017096Ω•mm/m
　　由式（5）可以計(jì)算出I為1.625A。
　　則改進(jìn)后的電磁鐵線圈安匝數(shù)為4144安匝。與原安匝數(shù)5040安匝,相比減小了將近900安匝。
　　
　　5小電流（2A）電磁鐵線圈試驗(yàn)驗(yàn)證
　　根據(jù)計(jì)算結(jié)果，為此特投制表一中兩種線圈進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。
　　表一小電流（2A）電磁鐵線圈參數(shù)
　　編號(hào) 線徑mm 匝數(shù) 安匝數(shù) 電阻Ω 電流A
　　1 0.29 2550 4144 138 1.6
　　2 0.29 2350 4230 122 1.8
　　對(duì)編號(hào)1的線圈其額定操作電壓下（DC220V）分閘時(shí)間為30ms(技術(shù)要求規(guī)定的分閘時(shí)間為)，接近分閘時(shí)間的上限，分閘時(shí)間偏大。30%、65%、120%額定操作電壓下（即66V，143V，264V）的機(jī)械操作均滿(mǎn)足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定[5]。
　　對(duì)編號(hào)2的線圈其額定操作電壓下（DC220V）分閘時(shí)間為23ms接近分閘時(shí)間的下限，分閘時(shí)間偏小。65%、120%額定操作電壓下的機(jī)械操作均滿(mǎn)足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，30%額定操作電壓下（66V）的機(jī)械操作不滿(mǎn)足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。
　　為此筆者又對(duì)線圈進(jìn)行改進(jìn)，保持電磁鐵線圈線徑不變，把其匝數(shù)改為2250匝，層數(shù)為30層。
　　則計(jì)算出相應(yīng)的參數(shù)為：是10.95mm，L是0.200383mm，R為114Ω，操作電流為1.9A。對(duì)改造后的線圈重新進(jìn)行試驗(yàn)，在額定DC220V操作電壓下，分閘時(shí)間為28ms，滿(mǎn)足了技術(shù)條件的要求，分別在30%、65%、120%額定操作電壓下（即66V，143V，264V）的機(jī)械操作均滿(mǎn)足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。
　　從以上試驗(yàn)結(jié)果可以看出，改進(jìn)后的線圈分閘時(shí)間在產(chǎn)品技術(shù)條件規(guī)定的范圍之內(nèi)，各項(xiàng)機(jī)械試驗(yàn)完全滿(mǎn)足有關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求，分閘電磁鐵的操作電流降為1.9A，達(dá)到了降低電磁鐵操作電流的目的。目前，該電磁鐵已廣泛運(yùn)用到生產(chǎn)中，效果良好。
　　
　　6DC110V和DC125V電磁鐵線圈參數(shù)計(jì)算
　　根據(jù)對(duì)應(yīng)的推導(dǎo)方法，筆者又分別計(jì)算DC110V電磁鐵線圈DC110V電磁鐵線圈兩種情況的各種參數(shù)。
　　由公式（5）可得出公式（7）。
　　（7）
　　為了保持電磁鐵安匝數(shù)（IN=5040）不變。對(duì)于DC110V電磁鐵線圈情況，將有關(guān)參數(shù)代入公式（7）可得到d為0.4504504mm，查有關(guān)材料標(biāo)準(zhǔn)，取電磁鐵線圈導(dǎo)線直徑為0.45。由于原導(dǎo)線直徑為0.31，匝數(shù)為1800。故原線圈骨架纏繞0.45導(dǎo)線的應(yīng)為1240匝。故取匝數(shù)為1200匝。每層60匝，共20層。從而可以算出L為198.78，電流為4.287A，電阻為25.65Ω。
　　對(duì)于DC125V電磁鐵線圈計(jì)算相似于DC110V電磁鐵線圈情況，可以計(jì)算d為0.4226，查有關(guān)材料標(biāo)準(zhǔn)，取電磁鐵線圈導(dǎo)線直徑為0.425。可以算出匝數(shù)為1312.9匝。故取匝數(shù)為1300匝。每層60匝，共22層。從而可以算出L為200.3327，電流為3.98A，電阻為31.4Ω。
　　筆者也為此投制以下兩種線圈進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，參數(shù)見(jiàn)表二：
　　表二新設(shè)計(jì)DC110V和DC125V電磁鐵線圈參數(shù)
　　編號(hào) 線徑mm 匝數(shù) 安匝數(shù) 電阻Ω 電流A
　　1 0.45 1200 5144 25.7 4.287
　　2 0.425 1300 5174 31.4 3.98
　　通過(guò)對(duì)新設(shè)計(jì)的DC110V和DC125V電磁鐵線圈進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明合分閘時(shí)間在產(chǎn)品技術(shù)條件規(guī)定的范圍之內(nèi)，各項(xiàng)機(jī)械試驗(yàn)完全滿(mǎn)足有關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求。
　　
　　7結(jié)論
　　筆者通過(guò)改造用于公司LW35-126型自能式SF6斷路器上的操動(dòng)機(jī)構(gòu)分合閘線圈，使得線圈電流降到了2A以下；并設(shè)計(jì)了DC110V和DC125V兩種操動(dòng)電壓下的線圈，均通過(guò)了試驗(yàn)驗(yàn)證，DC110V的電磁鐵已經(jīng)應(yīng)用于出口到緬甸、尼泊爾等國(guó)家的產(chǎn)品當(dāng)中，這驗(yàn)證了計(jì)算的正確性。
　　
　　參考文獻(xiàn)：
　　[1]徐國(guó)政，張節(jié)容，錢(qián)家驪，黃瑜瓏.高壓斷路器原理及應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2000.
　　[2]陳進(jìn),張良勝,朱燕.10kV斷路器合閘線圈燒毀原因分析及改進(jìn)措施[J].電工技術(shù)，2009.7.
　　[3]任耀先.電磁鐵優(yōu)化設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1990.
　　[4]蔡國(guó)廉.電磁鐵[M].上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，1985.
　　[5]國(guó)家標(biāo)準(zhǔn).GB1984交流高壓斷路器[S].北京：國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，2003.