液压弹簧操动机构分闸动作电压限值的改进

ABB 公司生产的 HMB－1 型液压弹簧操动机构广泛 应用于 SF6 断路器，采用两位三通锥阀配合直流电磁铁作
图 1 液压弹簧操作机构合闸位置 电磁铁是高压断路器操动机构的重要元件之一，高压断 路器一般都是以电磁铁作为第一级控制元件。当线圈中通过
电流时，在电磁铁内产生磁通，铁芯受电磁力作用吸合， 使断路器分闸或合闸。分（合）闸电磁铁及电路如图 2 所 示[1]。
µ0 = 0.4π ；
S 为铁心横截面积[cm2]；
δ 为电磁铁气隙[cm]。
从上述公式可以看出，在机构结构不变的情况下，电 磁力与线圈的安匝数呈单调递增关系，而电流值与电阻反 比关系。要解决既要满足操作电压为其额定电压的 65％～ 120％时应能可靠分闸，而在额定电压的 30％应不能分闸 的矛盾，必须找到合适的线圈匝数和电阻值。
现在，该方案已通过所有的验证试验并应用到我司的一 些项目。在出厂试验和现场试验中均顺利通过测试，完全符 合产品本身及 30％额定操作电压不动作的要求。
3 结束语
本文介绍了高压断路器采用的进口液压弹簧操动机构
HMB－1 在国内应用遇到的 30％额定操作电压不动作的问
题，以及问题的分析和设计解决，对同类问题具有一定的参
重复储能不得超过 10 次。而电磁铁在低电压下的动特性的 改变，也必然影响到电磁铁在另一个电压水平下的动特性。 因此电磁铁在 30％Un 下不动作，和在 65％下的动作时间要 求，成为此设计的核心技术矛盾。即，在 30％Un 下，电磁 铁的产生的作用力应足够小，而在 65％Un 下产生的作用力 足够大且上升时间足够短。
最后，我司采取了方案（7），即专门设计、制作了 用于中国市场的断路器的线圈。
解析计算几乎是不可能的。因此采用了试验的方法来寻找合 适的参数。由上面的公式可以看出，对于匝数一定的线圈， 电阻可以确定稳态电流，从而确定最大的安匝数；而对于电 阻一定的线圈，匝数可以确定电感从而确定时间常数。
选择较少匝数的线圈结合可调电阻，先根据试验得出 线圈在 30％不动作时和 65％可靠动作时的阻值和匝数并作 出“安匝数－电磁铁反应时间”极限曲线；其次，根据极限 曲线及线圈反应时间选择不同的线圈参数，是该参数下的曲 线处于极限曲线范围之内。最终选择较优的曲线和参数，如 下图所示（以控制电压为 220V 为例）：
2.2 分闸电磁铁的改进设计和实现
电磁铁产生的力的相关公式如下：
i
=
I
•
⎡ ⎢1− ⎣
exp⎜⎜⎝⎛
−t Lδ / R
⎟⎟⎠⎞⎥⎦⎤
式 （1）
F
=
1 2
(iN
)2
µ0S δ2
×10−6[N ]
式 （2）
式中： I = U 为线圈中的稳态电流； R
L δ 为气隙δ下的线圈电感[H]； N 为线圈的匝数；
考价值。
参考文献：
[1] 徐国政，张节容，钱家骊，黄瑜珑．高压断路器 原理和应用[M]．北京：
清华大学出版社．2000
作者简介：王文勇（1972－），男，福建厦门市人，工程师，工学硕士，1995
年毕业于哈尔滨电工学院，从事高压开关的技术工作
衔铁
Fm
Fz
图 3 电磁铁衔铁的受力分析 对于两周波断路器，应满足如下表(2)所示对辅助电 压范围、温度和分闸时间的要求：
表 2 断路器分闸操作对电磁铁的设计要求
温度
电压[%Un] 65% 100% 120%
-30°C
-
40ms
-
+20°C
40ms
22ms
+70°C
-
22ms
-
一方面，液压系统的高低压油路之间的密封只是相对
0 引言
由于电力设备运行环境的复杂性，高压断路器在运行 中由于干扰或其他原因可能出现“偷跳”现象。为避免断 路器出现这类误动作，国家有关标准要求断路器分闸脱扣 器需满足电压动作限值的要求。
电压动作限值即脱扣器动作的电源电压不应小于额 定电源电压的某一个百分数。下表(1)列出 IEC 标准和 GB 标准在对分闸脱扣器操作电源电压上的要求：
(ABB Huadian High Voltage Switchgear (XIAMEN) Co.，Ltd. 361006， China)
摘 要：简要介绍了高压断路器分闸的动作电压限值，比较了中国国家标准 GB 与国际电工 标准 IEC 对此要求的差异以及由此产生的问题，并以 HMB-1 型操动机构的分闸线圈为例介绍 了此类问题的解决思路，为解决同类技术问题提供了有价值的设计参考。 关键词：高压交流断路器；分闸线圈；脱扣器的电压动作限值。 中图分类号：TM561.3 文献标识码：B Abstract: Briefly introduce the minimal operation voltage of high-voltage circuit breaker. Compare the deviation between IEC and GB as well as the problem it causes. The method how to solve it is described and example of HMB-1 drive is taken. The solution can be a reference of similar technical problem. Key words: AC high-voltage circuit breaker；trip coil；voltage operation limit of release.
方案（5）的原理是先用线圈起动控制油路，再由控 制油路来控制液压回路。因此时线圈不需要很大的功率， 所以线圈本身易于实现。然而双油路设计一方面对原有机 构改动很大，另一方面成本较高。
方案（6）机构保持不变的情况下，根据计算给控制 回路串入 RC 模块，可以达到 30％额定电压不动作和 65 ％额定电压下可ห้องสมุดไป่ตู้动作的目的。然而此方案客户常常不乐 意接受，因为多了一个元件，就多了一个可能的故障点。 而且对电容元件的可靠性和寿命也提出了置疑。
1.3 其它重要影响因素的考虑
要解决上述的技术矛盾，还必须考虑油压的影响。机 构的油压等级分为分闸闭锁，合分闸闭锁，重合闸闭锁和额 定压力。分闸闭锁的油压最低，产生的阻力最小；额定压力 的油压最高，产生的阻力最大。分闸线圈应满足在分闸闭锁 压力下 30％Un 不动作，而在额定压力下，65％Un 下可靠 动作的要求。
由于液压机构力学模型的复杂性，电磁元件的复杂性 和磁路计算的非线性，要建立一个完整的模型进行精密的
图 3 安匝数－电磁铁反应时间曲线图
根据优化曲线对应的线圈匝数和阻值来绕制线圈，既可 以满足 65％额定电压可靠动作的要求，又可以满足 30％额 定电压不动作的要求。最后进行相应的各项试验包括不同环 境温度下的试验。
表 1 国际标准和国家标准电压动作范围对比
为脱扣器。它由于液压系统的独有特点和研发时未将中国的 要求纳入设计要求，因此，很长时间来无法完全满足这项国 家标准要求。
1 工作原理介绍和设计要求的确定
1.1 液压弹簧操动机构及电磁铁工作原理
图 1 液压弹簧操作机构，当分闸线圈得电时，分闸电磁 阀 17a 动作，转换阀 18 切换到分闸位置，即堵塞住高压油 路，接通低压油路，此时工作活塞杆侧的高压与工作活塞顶 端的低压形成压差，工作活塞即运动到分闸位置。
IEC
GB
动作限值 合闸电压范围 分闸电压范围
20％ 85％－110％ 70％－110％
30％ 80％－110％ 65％－120％
对比上表，可以看出 GB 标准要严于 IEC 的标准要 求。造成这个差异有多方面的原因，与我国长期以来电力 系统建设水平和运行环境密切相关，如基建水平，屏蔽和 设备的抗干扰能力，也与保护监控回路的设计方式有关， 使得监视回路在断路器分闸脱扣器上的电压降或外部干 扰电压有可能超过额定电源电压的 20％。随着电力建设 水平的提高，这问题在标准的有关讨论会议上也多次被提 及，然而是否与 IEC 保持一致还有待商榷。
图 2 分（合）闸电磁铁及电路
1.2 技术矛盾分析和设计任务的确定
高压断路器在电网中起着控制和保护作用，是电力系 统中举足轻重的设备；所以断路器必须能够快速、可靠地 开合各种正常或异常情况。因此高压开关设计时对设备分 合闸速度和时间都有严格的要求。具体要求为：线圈要在 65％额定操作电压下可靠动作，此时铁芯需得到足够大的 力以克服电磁阀受到的阻力。而 30％额定电压下不允许 动作则要求此时电磁铁产生的最大吸力必须足够小，不足 以克服电磁阀受到的阻力。下图是电磁铁衔铁的受力分 析：
的，实际上没有绝对意义上的密封；另一方面，由于电磁
铁的线圈为感性储能元件，磁通无法瞬变，因而电磁铁产
生的吸力大小也是连续的，无法跃变的。电磁铁得电后对
阀芯产生一个持续作用的力将导致高低压油路之间泄漏
增大，当电压不断升高，脉冲变宽，将使得储能模块无法
在满足规范的条件内启动马达以补充泄漏，如 24 小时内
此外，温度的影响是不可忽略的关键因素。断路器的 运行环境温度通过两方面来影响电磁铁的动作电压限值。首 先，液压机构中的液压油在低温（-30℃）或高温（70℃） 情况下，黏度有所不同，所产生的阻力（图 3 中的 Fz）也 会不同。温度越高，黏度越低，产生的阻力越小；反之则越 大。其次，电磁铁线圈的电阻亦随着温度的变化而变化，温 度越高，电阻越大，产生的吸力越小；温度越低，电阻越小， 产生的吸力则越大。
液压弹簧操动机构分闸动作电压限值的改进
王文勇
（厦门 ABB 华电高压开关有限公司，福建省 厦门市 361006）
IMPROVEMENT OF VOLTAGE OPERATION LIMIT OF OPEN COIL OF HYDRAULIC-SPRING OPERATING MECHANISM