一种用于多路并联断路器同步开断的电磁斥力机构

1.本发明属于电磁斥力机构技术领域，更具体地，涉及一种用于多路并联断路器同步开断的电磁斥力机构。


背景技术：

2.通常，电磁斥力机构由储能电容器、励磁线圈、金属盘、传动杆、动触头组成，其工作原理为：电容器预充入额定电压u，闭合开关k，励磁线圈中流过脉冲电流，在空间中产生急剧变化的磁场，金属盘在变化磁场中感应产生涡流，涡流在磁场中收到洛伦兹力，由此金属盘受力运动，传动杆和动触头被金属板带动一起运动从而完成断路器的断开和闭合。电磁斥力机构具有响应时间短、刚分速度快、结构简单等优点，可在几个毫秒内驱动触头到达额定绝缘开距，目前广泛应用于真空开关领域。
3.发电机出口断路器是发电机故障时断开电路的重要设备。近年来我国新增发电机组的单机容量已达到百万千瓦，额定电流和短路电流较大，而单个断路器灭弧室的通流能力和灭弧能力有限，为满足要求，需要将多个灭弧室并联起来使用。开断多路并联的灭弧室时需要保证快速性和同步性，而传统的结构和技术只能完成单一灭弧室的快速开断，无法满足要求。
4.因此，有必要研究一种用于多路并联断路器同步开断的电磁斥力机构，以满足多个灭弧室同步快速开断的要求。


技术实现要素：

5.针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于用于多路并联断路器同步开断的电磁斥力机构，能满足多个灭弧室同步快速开断的要求。
6.为实现上述目的，本发明提供了一种用于多路并联断路器同步开断的电磁斥力机构，包括斥力盘，所述斥力盘包括同心间隔设置的内圆环体和外圆环体，所述外圆环体的内壁环形等距间隔设置有多个扇形连接块与内圆环体的外壁相连，所述扇形连接块的数量与并联断路器的数量相等，各扇形连接块上均设有一传动杆，多个传动杆按照正多边形的方式均匀布置在斥力盘上，且各传动杆远离斥力盘的一端对应与并联的各断路器的灭弧室动触点导杆相连；所述斥力盘的上方设置有串联的两线圈，线圈呈圆环状绕制，其内、外线圈的尺寸与斥力盘内、外圆环体的尺寸相匹配；
7.工作时，向串联的两线圈中通入脉冲电流，使线圈在斥力盘周围产生变化的磁场，变化的磁场在斥力盘中感应产生涡流，涡流在线圈产生的磁场下受到洛伦兹力，斥力盘受力带动其上的多个传动杆运动，从而完成多路并联断路器的同步快速断开和闭合。
8.本发明提供的用于多路并联断路器同步开断的电磁斥力机构，具有如下效果：(1)各传动杆的两端分别连接到多路并联断路器的动触头和斥力盘，可实现多路并联断路器的同步开断；(2)斥力盘设置成双圆环的结构，可使得传动杆连接区域内外部都受到电磁斥力的作用，加快斥力盘运动，实现多路并联断路器的快速开断；(3)将斥力盘的中间挖空，可使
得内部为圆环，减小斥力盘的重量，提高斥力盘效率；另外，传动杆与斥力盘连接区域设置为扇形，可使斥力盘受力运动时的应力分布更加均匀，将连接区域间的区域挖空还可减小斥力盘重量，进一步提高效率。
9.在其中一个实施例中，在多个扇形连接块分布的环形方向上，相邻两传动杆的间距d的计算公式为：
10.d＝2r+d111.式中，r为断路器灭弧室的外半径；d1为断路器灭弧室间的安全间距。
12.在其中一个实施例中，所述斥力盘中的内圆环体的外半径r1和外圆环体的内径r3的计算公式为：
13.r1＝r
2-r-d2，r3＝r2+r+d214.式中，r由断路器灭弧室动触点导杆半径决定；d2为传动杆与内线圈外半径和外线圈内半径的距离，d2为0.1～2cm；r2为正多边形外接圆的半径，根据环形方向上相邻两传动杆的间距d确定。
15.在其中一个实施例中，斥力盘中的内圆环体的内半径r0和外圆环体的外半径r4的计算公式为：
[0016][0017]
式中，sn为内圆环体上表面的面积，sw为外圆环体上表面的面积，sn为内圆环体上表面；sw为外圆环体上表面；n为并联断路器的数量；fn为斥力盘中内圆环体的受力，内圆环体的受力fn与内线圈的匝数n1和外线圈的匝数n2相关，n1和n2与内圆环体的内半径r0和外圆环体的外半径r4相关，根据仿真数据对fn、r0、r4的关系进行分析得fn＝f(r0,r4)；外圆环体的受力fw与内线圈的匝数n1和外线圈的匝数n2相关，n1和n2与内圆环体的内半径r0和外圆环体的外半径r4相关，根据仿真数据对fn、r0、r4的关系进行分析得fw＝g(r0,r4)。
[0018]
在其中一个实施例中，斥力盘的厚度由电流趋肤深度和所需整体机械强度决定。
[0019]
在其中一个实施例中，所述斥力盘与线圈的间距为0.1～1cm。
[0020]
在其中一个实施例中，所述斥力盘采用铜或铝材料制成。
[0021]
在其中一个实施例中，通过脉冲电路向串联的两线圈中通入脉冲电流，其中，
[0022]
所述脉冲电路包括高压变压器、保护电阻、整流器、电容器组和高压开关，所述高压变压器的原边绕组与市电电源相连，高压变压器副边绕组的一端通过保护电阻、整流器分别与高压开关的一端、电容器组的一端相连，串联两线圈的一端与高压开关的另一端相连，串联两线圈的另一端、电容器组的另一端和高压变压器副边绕组的另一端均接地。
附图说明
[0023]
图1是本发明提供的用于三路并联断路器同步开断的电磁斥力机构的结构图(左)与截面图(右)；
[0024]
图2是本发明提供的用于四路并联断路器同步开断的电磁斥力机构的结构图(左)
与截面图(右)；
[0025]
图3是本发明提供的用于五路并联断路器同步开断的电磁斥力机构的结构图(左)与截面图(右)；
[0026]
图4是本发明提供的用于六路并联断路器同步开断的电磁斥力机构的结构图(左)与截面图(右)；
[0027]
图5是本发明提供的脉冲电路的电路原理图；
[0028]
图6是本发明一实施例提供的斥力盘截面图；
[0029]
图7对图6中斥力盘的受力分析图；
[0030]
图8是本发明提供的六路并联断路器结构示意图；
[0031]
图9是本发明另一实施例提供的斥力盘截面图。
具体实施方式
[0032]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0033]
为满足多个灭弧室同步快速开断的要求，对此，本发明提供了一种用于多路并联断路器同步开断的电磁斥力机构，如图1～4所示，该电磁斥力机构包括斥力盘3、多个传动杆1和两串联的线圈2。
[0034]
其中，斥力盘3包括同心间隔设置的内圆环体和外圆环体，外圆环体的内壁环形等距间隔设置有多个扇形连接块与内圆环体的外壁相连，扇形连接块的数量与并联断路器的数量相等。多个传动杆1的一端对应连接在多个扇形连接块上，即多个传动杆1连接在同一个斥力盘3上，多个传动杆1的另一端则对应与并联的各断路器的灭弧室动触点导杆相连，从而在斥力盘3受力运动时可带动多路并联断路器同步开断。
[0035]
在本实施例中，传动杆1按照正多边形的方式均匀布置在斥力盘3上面。且在斥力盘3的上方布置两串联的线圈，线圈呈圆环状绕制，其内、外线圈的尺寸与斥力盘内、外圆环体的尺寸相匹配。
[0036]
工作时，向串联的两线圈中通入脉冲电流，使线圈在斥力盘周围产生变化的磁场，变化的磁场在斥力盘中感应产生涡流，涡流在线圈产生的磁场下受到洛伦兹力，斥力盘受力带动其上的多个传动杆运动，从而完成多路并联断路器的同步快速断开和闭合。
[0037]
具体地，可通过脉冲电路向串联的两线圈中通入脉冲电流。优选地，如图5所示，该脉冲电路可采用由高压变压器、保护电阻、整流器、电容器组和高压开关组成的拓扑电路，其中，高压变压器的原边绕组与市电电源相连，高压变压器副边绕组的一端通过保护电阻、整流器分别与高压开关的一端、电容器组的一端相连，串联两线圈的一端与高压开关的另一端相连，串联两线圈的另一端、电容器组的另一端和高压变压器副边绕组的另一端均接地。
[0038]
本实施例提供的脉冲电路的工作原理为：工作时，首先断开高压开关，由高压变压器向电容器组充电到指定电压；然后闭合高压开关，电容器组对线圈放电时，巨大的脉冲电流流过线圈，线圈在斥力盘周围产生急剧变化的磁场，变化的磁场在斥力盘中感应产生涡流，涡流在线圈产生的磁场下受到巨大的洛伦兹力，斥力盘受力带动并联的传动杆运动，从
而完成并联的灭弧室动触头同步快速开断。
[0039]
本实施例提供的用于多路并联断路器同步开断的电磁斥力机构，具有如下效果：(1)各传动杆的两端分别连接到多路并联断路器的动触头和斥力盘，可实现多路并联断路器的同步开断；(2)斥力盘设置成双圆环的结构，可使得传动杆连接区域内外部都受到电磁斥力的作用，加快斥力盘运动，实现多路并联断路器的快速开断；(3)将斥力盘的中间挖空，可使得内部为圆环，减小斥力盘的重量，提高斥力盘效率；另外，传动杆与斥力盘连接区域设置为扇形，可使斥力盘受力运动时的应力分布更加均匀，将连接区域间的区域挖空还可减小斥力盘重量，进一步提高效率。
[0040]
在一个实施例中，本发明提供的电磁斥力机构的参数设置如下：
[0041]
斥力盘的截面图如图6所示，根据并联灭弧室的个数，将相同数量的传动杆按照正多边形布置，并联的灭弧室需要考虑绝缘距离、散热等因素，因此灭弧室之间需要设置一定的安全间距d1，传动杆间距d由断路器灭弧室尺寸和安全间距d1确定，即d＝2r+d1，其中，r为灭弧室外半径，d1为灭弧室间安全间距。
[0042]
传动杆与断路器的灭弧室动触点导杆相连接，其半径r由动触头导杆半径决定。内、外线圈的内外径与斥力盘内、外圆环体的内外径相同，线圈需要良好固定，传动杆运动时不应触及到线圈，因此传动杆应与内线圈外半径和外线圈的内半径保持一定的距离d2。由此可确定斥力盘内圆环体的外半径r1和外圆环体的内径r3：r1＝r
2-r-d2，r3＝r2+r+d2，间距d2取0.1～2cm。
[0043]
传动杆与斥力盘连接扇形区域圆心角α可取1～15
°
。线圈位于斥力盘之上，线圈与斥力盘间距越小斥力盘所受电磁斥力越大，斥力机构效率越高，考虑到装置实际安装，线圈与斥力盘间距取0.1～1cm，内、外线圈的内外径与斥力盘内、外圆环体的内外径相同。斥力盘具有对称性，并联灭弧室为n时，可取斥力盘的1/n对其分析。斥力盘内圆环体和外圆环体受力带动传动杆运动，为使得整个机构快速同步开断应保证内圆环体与外圆环体运动的同步性，由此对图6中进行受力分析。
[0044]
如图7所示，斥力盘内、外圆环体均受到垂直指向面内的力，内、外圆环体受力运动带动传动杆运动。内、外圆环体运动同步时，整个机构沿着传动杆轴向运动，内、外圆环体受力较为均匀且对传动杆圆心a的力矩为0。设截面为xoy平面，运动方向为z轴，由此可得下式：
[0045][0046][0047]
其中，fn为内圆环体的受力，fw为外圆环体的受力，sn为内圆环体上表面，sw为外圆环体上表面，sn为内圆环体上表面的面积，sw为外圆环体上表面的面积。内圆环体的受力fn与内线圈的匝数n1和外线圈的匝数n2相关，n1和n2与内圆环体的内半径r0和外圆环外半径r4相关，可根据仿真数据对fn、r0、r4的关系进行分析得fn＝f(r0,r4)。同理，外圆环体的受力fw与内线圈的匝数n1和外线圈的匝数n2相关，n1和n2与内圆环体的内半径r0和外圆环体的外半径r4相关，可根据仿真数据对fn、r0、r4的关系进行分析得fw＝g(r0,r4)。由此可得：
[0048][0049]
根据上式可分析得出斥力盘内圆环体的内半径r0和外圆环体的外半径r4，该尺寸可保证机构运动时内外环具有良好的同步性，此时斥力盘应力分布均匀。另外，斥力盘的厚度由电流趋肤深度和所需整体机械强度决定。
[0050]
在一个实施例中，一方面，由于本发明提供的电磁斥力机构基于感应涡流在磁场中受到斥力的原理，而涡流i＝e/r，e为感应电动势，r为涡流通路电阻，因此，本实施例提供的斥力盘可选取电导率大的材料，以减小涡流通路电阻，增大感应涡流，从而增大电磁斥力。另一方面，为保证斥力盘不变形，可选择机械强度大的材料；从质量上看，在保证机械强度的条件下，斥力盘质量减小有利于效率提高，因此斥力盘可选择密度小的材料。综上，本实施例提供的斥力盘可选取电导率大、密度小、机械强度大的材料，比如铜、铝等来制作。
[0051]
以下结合具体实施例，对本发明提供的电磁斥力机构进行相应说明：
[0052]
根据上述介绍，对额定电压31.5kv、额定电流28.5ka、短路电流250ka的断路器操动机构进行设计。
[0053]
为满足通流和灭弧要求，断路器采用六个真空灭弧室并联，额定开距为20mm，电磁斥力机构结构如图8所示，其中每个传动杆直径为7.4cm，高度30cm。斥力盘截面如图9所示，由灭弧室外径和安全距离确定传动杆间距由此可得斥力盘圆形与传动杆圆心距离为34cm，进而可确定内圆环体的外半径为30cm、外圆环体的内半径为38cm。传动杆连接扇形区域圆心角取为20
°
，六个扇形区域均匀布置，考虑斥力盘机械强度和电流趋肤深度取厚度为1.5cm。
[0054]
根据斥力盘内、外圆环体的受力对传动杆圆心力矩为零可确定斥力盘内圆环体的内半径为25cm，外圆环体的外半径为43cm。线圈采用截面为0.2cm
×
1cm的铜导线绕制，内环线圈为20匝，外环线圈为18匝，绕制的内线圈的内半径25cm，外半径30cm；绕制的外线圈内半径38cm，外半径43cm，线圈与斥力盘间距为0.1cm。
[0055]
线圈串联后连接到脉冲电路中，脉冲电路示意图如图5所示，其中电容器为10mf，预充电电压为800v。
[0056]
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种用于多路并联断路器同步开断的电磁斥力机构，其特征在于，包括斥力盘，所述斥力盘包括同心间隔设置的内圆环体和外圆环体，所述外圆环体的内壁环形等距间隔设置有多个扇形连接块与内圆环体的外壁相连，所述扇形连接块的数量与并联断路器的数量相等，各扇形连接块上均设有一传动杆，多个传动杆按照正多边形的方式均匀布置在斥力盘上，且各传动杆远离斥力盘的一端对应与并联的各断路器的灭弧室动触点导杆相连；所述斥力盘的上方设置有串联的两线圈，线圈呈圆环状绕制，其内、外线圈的尺寸与斥力盘内、外圆环体的尺寸相匹配；工作时，向串联的两线圈中通入脉冲电流，使线圈在斥力盘周围产生变化的磁场，变化的磁场在斥力盘中感应产生涡流，涡流在线圈产生的磁场下受到洛伦兹力，斥力盘受力带动其上的多个传动杆运动，从而完成多路并联断路器的同步快速断开和闭合。2.根据权利要求1所述的用于多路并联断路器同步开断的电磁斥力机构，其特征在于，在多个扇形连接块分布的环形方向上，相邻两传动杆的间距d的计算公式为：d＝2r+d1式中，r为断路器灭弧室的外半径；d1为断路器灭弧室间的安全间距。3.根据权利要求2所述的用于多路并联断路器同步开断的电磁斥力机构，其特征在于，所述斥力盘中的内圆环体的外半径r1和外圆环体的内径r3的计算公式为：r1＝r
2-r-d2，r3＝r2+r+d2式中，r由断路器灭弧室动触点导杆半径决定；d2为传动杆与内线圈外半径和外线圈内半径的距离，d2为0.1～2cm；r2为正多边形外接圆的半径，根据环形方向上相邻两传动杆的间距d确定。4.根据权利要求3所述的用于多路并联断路器同步开断的电磁斥力机构，其特征在于，斥力盘中的内圆环体的内半径r0和外圆环体的外半径r4的计算公式为：式中，s
n
为内圆环体上表面的面积，s
w
为外圆环体上表面的面积，s
n
为内圆环体上表面；s
w
为外圆环体上表面；n为并联断路器的数量；f
n
为斥力盘中内圆环体的受力，内圆环体的受力f
n
与内线圈的匝数n1和外线圈的匝数n2相关，n1和n2与内圆环体的内半径r0和外圆环体的外半径r4相关，根据仿真数据对f
n
、r0、r4的关系进行分析得f
n
＝f(r0,r4)；外圆环体的受力f
w
与内线圈的匝数n1和外线圈的匝数n2相关，n1和n2与内圆环体的内半径r0和外圆环体的外半径r4相关，根据仿真数据对f
n
、r0、r4的关系进行分析得f
w
＝g(r0,r4)。5.根据权利要求3所述的用于多路并联断路器同步开断的电磁斥力机构，其特征在于，斥力盘的厚度由电流趋肤深度和所需整体机械强度决定。6.根据权利要求1所述的用于多路并联断路器同步开断的电磁斥力机构，其特征在于，所述斥力盘与线圈的间距为0.1～1cm。7.根据权利要求1所述的用于多路并联断路器同步开断的电磁斥力机构，其特征在于，所述斥力盘采用铜或铝材料制成。
8.根据权利要求1所述的用于多路并联断路器同步开断的电磁斥力机构，其特征在于，通过脉冲电路向串联的两线圈中通入脉冲电流，其中，所述脉冲电路包括高压变压器、保护电阻、整流器、电容器组和高压开关，所述高压变压器的原边绕组与市电电源相连，高压变压器副边绕组的一端通过保护电阻、整流器分别与高压开关的一端、电容器组的一端相连，串联两线圈的一端与高压开关的另一端相连，串联两线圈的另一端、电容器组的另一端和高压变压器副边绕组的另一端均接地。

技术总结
本发明公开了一种用于多路并联断路器同步开断的电磁斥力机构，该电磁斥力机构包括斥力盘，斥力盘包括同心且间隔设置的内圆环体和外圆环体，外圆环体的内壁环形等距间隔设置有多个扇形连接块与内圆环体的外壁相连，扇形连接块的数量与并联断路器的数量相等，各扇形连接块上均设有一传动杆，多个传动杆按照正多边形的方式均匀布置在斥力盘上，且各传动杆远离斥力盘的一端对应与并联的各断路器的灭弧室动触点导杆相连；斥力盘的上方设置有串联的两线圈，线圈呈圆环状绕制，其内、外线圈的尺寸与斥力盘内、外圆环体的尺寸相匹配。本发明能满足多个灭弧室同步快速开断的要求。足多个灭弧室同步快速开断的要求。足多个灭弧室同步快速开断的要求。


技术研发人员：陈立学 何莹辉
受保护的技术使用者：华中科技大学
技术研发日：2023.07.07
技术公布日：2023/10/7