摘要：電磁鐵是高壓斷路器操動機構(gòu)中的重要元件之一，當(dāng)電磁鐵分合閘線圈中通過電流時，在電磁鐵內(nèi)產(chǎn)生磁通，動鐵心受電磁力的作用動作，通過脫扣機構(gòu)，使操動機構(gòu)進行分合閘操作，從而帶動整個斷路器進行分合閘操作[1]。因此，分合閘線圈設(shè)計的是否合理直接影響著高壓斷路器操作的可靠性。筆者通過設(shè)計計算不同參數(shù)的分合閘線圈，通過了相關(guān)試驗驗證，并得到了廣泛應(yīng)用。
　　關(guān)鍵詞：斷路器，線圈，安匝數(shù)，操動機構(gòu)
　　
　　1前言
　　LW35-126型自能式SF6斷路器，采用自能式滅弧原理,三極共用一臺彈簧機構(gòu)驅(qū)動,結(jié)構(gòu)小巧，安裝方便,備受電力用戶青睞，其操動機構(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)改造正在全國范圍內(nèi)進行，由于部分電力用戶，特別是一些舊變電站改造的用戶，受變電站控制保護系統(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，由于國內(nèi)外一些用戶需要分、合閘電磁鐵操作電壓為DC110和DC125V兩種規(guī)范，為此筆者專門對LW35-126型自能式SF6斷路器的CT□彈簧操動機構(gòu)分合閘線圈進行了研究。
　　
　　2電磁鐵結(jié)構(gòu)[3]
　　電磁鐵是高壓斷路器操動機構(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機構(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：動鐵心、靜鐵心、線圈等。當(dāng)電磁鐵線圈中通過電流時，在電磁鐵內(nèi)產(chǎn)生磁通，動鐵心受電磁力的作用動作，通過脫扣機構(gòu)，使操動機構(gòu)進行分合閘操作，從而帶動整個斷路器進行分合閘操作。
　　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骨架可分為有骨架電磁鐵和無骨架電磁鐵。目前高壓斷路器操動機構(gòu)中直流電磁鐵使用較多。本文就以直流電磁鐵為例進行計算設(shè)計。
　　
　　3計算分析[4]
　　電磁鐵產(chǎn)生的電磁力與線圈的磁勢(即安匝數(shù))有直接的關(guān)系，詳見公式（1）。線圈電阻和線圈截面積計算公式見（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。對于矩形柱體線圈的單匝長度計算見公式（4），式中字母意義見圖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特性不變，先按電磁鐵線圈安匝數(shù)不變進行計算，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）計算得到L為0.204967m
　　對于銅導(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）可以計算出I為1.625A。
　　則改進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）電磁鐵線圈試驗驗證
　　根據(jù)計算結(jié)果，為此特投制表一中兩種線圈進行試驗驗證。
　　表一小電流（2A）電磁鐵線圈參數(shù)
　　編號 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
　　對編號1的線圈其額定操作電壓下（DC220V）分閘時間為30ms(技術(shù)要求規(guī)定的分閘時間為)，接近分閘時間的上限，分閘時間偏大。30%、65%、120%額定操作電壓下（即66V，143V，264V）的機械操作均滿足國家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定[5]。
　　對編號2的線圈其額定操作電壓下（DC220V）分閘時間為23ms接近分閘時間的下限，分閘時間偏小。65%、120%額定操作電壓下的機械操作均滿足國家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，30%額定操作電壓下（66V）的機械操作不滿足國家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。
　　為此筆者又對線圈進行改進，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。對改造后的線圈重新進行試驗，在額定DC220V操作電壓下，分閘時間為28ms，滿足了技術(shù)條件的要求，分別在30%、65%、120%額定操作電壓下（即66V，143V，264V）的機械操作均滿足國家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。
　　從以上試驗結(jié)果可以看出，改進后的線圈分閘時間在產(chǎn)品技術(shù)條件規(guī)定的范圍之內(nèi)，各項機械試驗完全滿足有關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)的要求，分閘電磁鐵的操作電流降為1.9A，達到了降低電磁鐵操作電流的目的。目前，該電磁鐵已廣泛運用到生產(chǎn)中，效果良好。
　　
　　6DC110V和DC125V電磁鐵線圈參數(shù)計算
　　根據(jù)對應(yīng)的推導(dǎo)方法，筆者又分別計算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。
　　對于DC125V電磁鐵線圈計算相似于DC110V電磁鐵線圈情況，可以計算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行試驗驗證，參數(shù)見表二：
　　表二新設(shè)計DC110V和DC125V電磁鐵線圈參數(shù)
　　編號 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
　　通過對新設(shè)計的DC110V和DC125V電磁鐵線圈進行試驗，結(jié)果表明合分閘時間在產(chǎn)品技術(shù)條件規(guī)定的范圍之內(nèi)，各項機械試驗完全滿足有關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)的要求。
　　
　　7結(jié)論
　　筆者通過改造用于公司LW35-126型自能式SF6斷路器上的操動機構(gòu)分合閘線圈，使得線圈電流降到了2A以下；并設(shè)計了DC110V和DC125V兩種操動電壓下的線圈，均通過了試驗驗證，DC110V的電磁鐵已經(jīng)應(yīng)用于出口到緬甸、尼泊爾等國家的產(chǎn)品當(dāng)中，這驗證了計算的正確性。
　　
　　參考文獻：
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　　[5]國家標(biāo)準(zhǔn).GB1984交流高壓斷路器[S].北京：國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，2003.