- 頭條新型混合式斥力機構，響應速度快，適合長行程2021-10-19 作者：程顯 趙海洋 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語斥力機構憑借其快速性在中壓直流領域得到廣泛應用，為解決高壓斷路器長行程驅動速度和效率低等關鍵問題，鄭州大學電氣工程學院、河南省輸配電裝備與電氣絕緣工程技術研究中心的研究人員程顯、趙海洋、葛國偉、王華清、申森林，在2020年第14期《電工技術學報》上撰文，對比分析線盤式和螺線管式機構的原理和特點，綜合兩者優點提出了適合長行程的串聯混合式斥力機構的設計思想。 研究表明，新型混合斥力機構綜合線盤式機構的快速性和螺線管機構的持續性的優點，具有響應速度快、適合長行程快速驅動的特點，在電容電壓1000V，容量5000mF條件下，響應時間0.5ms，60mm全行程時間5.6ms。該研究成果為高壓斷路器長行程快速斥力機構的研制提供了參考依據。
隨著柔性直流輸配電技術的發展，高壓直流（High Voltage Direct Current, HVDC）電網成為未來智能電網的發展趨勢，直流斷路器作為現代直流電網控制和保護的關鍵設備，其快速性是保障成功開斷的關鍵，因此研制具有快速響應和迅速動作的新型操動機構是當前的重點。
近年來，國內外學者推出了一種快速、高效、可控的推力機構，成為新的研究熱點。但是由于這一機構脈沖電磁力行程較短，限制了它在高壓斷路器長行程操動中的應用，這一操動機構還僅僅應用在中壓和低壓斷路器中。
快速斥力機構分為線盤式、雙線圈式和螺線管式，目前主要研究的是基于渦流效應原理的線盤式和雙線圈式機構，然而由于結構和驅動原理導致其脈沖行程較短，在長行程中驅動存在速度慢、效率低的問題，螺線管式機構由于響應時間慢，應用研究較少，為此鄭州大學等單位的研究人員將兩種拓撲結構相互組合，綜合兩者優點，提出一種適合長行程驅動的新型混合式斥力機構。
為解決高壓斷路器長行程驅動速度慢的問題，研究人員首先對比分析線盤式和螺線管式機構的原理和特點，綜合兩者優點提出適合長行程的串聯混合式斥力機構（Series Hybrid Repulsion Mechanism, SHRM）的設計思想。
研究人員基于有限元分析方法建立其仿真模型，對比分析串聯混合式、線盤式以及螺線管式機構的運動特性，研究了串聯混合式機構瞬態磁場分布以及機構間的影響規律，得到各機構的特性以及混合式機構的可行性。
然后考慮到機構是組合結構，對其結構進行緊湊化設計，提出新型混合式斥力機構（New Hybrid Repulsion Mechanism, NHRM）并建立其仿真模型和數學模型，進行運動特性仿真對比分析。最后，研究人員得出結論如下：
圖1 混合式斥力機構結構
圖2 仿真模型
圖3 新型混合式斥力機構結構示意圖
1）提出一種適合高壓斷路器長行程操動的新型混合式斥力機構，初步從理論分析與仿真分析驗證了機構的可行性。該機構綜合了線盤式機構的快速性和螺線管機構持續性的優點，前期主要由線盤式機構提供斥力，后期由螺線管機構提供斥力，具有響應速度快、作用力時間久及適合長行程快速驅動等特點。
2）新型混合式斥力機構相對于串聯混合式斥力機構，結構更加緊湊，更加節省空間，運動質量更輕。新型混合斥力機構由于結構的優化，電磁斥力峰值提升5.9%，最大分閘速度提升6.0%，滿行程運動時間縮短了5.0%，主要原因是螺線管線圈在銅盤中感應出渦流，銅盤中感應的磁場與線圈盤中感應出的磁場相互疊加。
3）新型混合式斥力機構在電容電壓1000V，容量5000mF的條件下，響應時間0.5ms，能在5.6ms內運動60mm的行程開距。后續將結合電、磁、力聯合仿真，進一步研究得到新型混合式斥力機構中螺線管和線圈式機構的協同配合規則，提出新型混合式斥力機構的參數設計原則和參數優化設計的具體實現方法，并根據最佳參數，設計新型混合式斥力機構樣機并進行樣機試驗，驗證其性能。
以上研究成果發表在2020年第14期《電工技術學報》，論文標題為“基于螺線管和線圈盤的新型混合式斥力機構分析”，作者為程顯、趙海洋、葛國偉、王華清、申森林。
