电磁斥力机构的参数匹配与优化设计
智能电网教育部重点实验室（天津大学）、电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室（清华大学电机系）、国网北京市电力公司的研究人员温伟杰、李斌等，在2018年第17期《电工技术学报》上撰文指出，基于电磁斥力机构的快速开关是直流断路器中的关键设备，其操动速度直接决定了直流断路器的动作时间。该文针对电磁斥力机构的参数匹配特性和优化设计方法展开研究。
首先，通过将金属盘等效为单匝线圈对电磁斥力机构的仿真模型进行了简化；搭建了40.5 kV快速真空开关样机，基于样机试验验证了仿真模型的有效性。然后，基于简化后的仿真模型，将影响电磁斥力机构操动特性的多个变量凝练为3个与操动特性直接相关的特征参量，得到了电磁斥力机构的参数匹配规律并从解析角度给出了解释。最后，基于参数匹配规律，提出了电磁斥力机构参数设计原则，进而得到了一种快速而有效的电磁斥力机构参数优化设计方法。
在满足快速开关设计要求的前提下，该设计方法可实现电磁力峰值最小和操动效率最高的综合优化目标，为快速开关向高电压及快速性方向发展奠定了基础。
快速开关是高压直流断路器的关键部件[1,2]，其操动速度决定了直流断路器动作时间。以往所研制的快速真空开关电压等级多分布在10~20 kV，若不提升其电压等级，则±160 kV、±200 kV及±500 kV直流断路器[3-5]需串联真空断口数为十几个甚至几十个，断路器可靠性急剧下降。由此，研制高压直流断路器对机械开关提出了进一步向快速性和高电压方向发展的需求。
基于涡流感应原理的电磁斥力机构在快速开关操动机构中得到普遍应用[6,7]，其驱动过程涉及电路、电磁场和机械运动等几个耦合的物理过程，如何对其驱动过程进行准确仿真是需要解决的技术难题。目前，主要有两种仿真方法：考虑多物理场耦合的有限元法[6,8-12]和等效电路法[13-18]。
以往的研究主要是基于仿真模型，通过对某一变量进行灵敏度分析，定性研究各个变量（如线圈结构参数、线圈匝数、电容容值、电容预充电电压等）对电磁斥力机构操动特性的影响规律，进而得到了电磁斥力机构的一般设计原则。
然而，上述变量较多，与开关的设计要求（开距、驱动电流、操动时间）之间不存在一一对应关系，无法直接应用已有文献中的一般设计规律得到最优电磁斥力机构参数组合。另外，以往对电磁斥力机构的优化设计着重于提高操动效率[19-22]以降低成本，而较少考虑电磁力波形对机械可靠性的影响[23-25]。
与低压快速开关相比，高压快速开关中驱动质量和操动行程有所增加。若不对电磁力波形进行优化，则电磁力峰值过高，机构机械强度不能满足要求，这已成为研制高压快速开关的瓶颈问题[17,18]。
基于等效电路法，本文提出将金属盘等效为单匝线圈，简化了电磁斥力机构的仿真模型；通过40.5 kV快速真空开关样机试验验证了仿真模型的正确性。然后，基于仿真模型，提取出与快速开关操动特性直接相关的3个特征参量，得到了电磁斥力机构的电气参数匹配规律和结构参数匹配规律并给出了数学解释。
值得一提的是，前2个特征参量在文献[18]中已提到，但文献[18]中未给出明确的解释。最后，基于参数匹配规律，首次以优化电磁力波形和降低机构成本为前提，提出了电磁斥力机构的参数设计原则，进而得到一种快速而有效的优化设计方法。在满足开关设计要求的前提下，该优化方法可保证电磁斥力机构的电磁力最小、操动效率最高，为研制高压快速机械开关奠定了基础。
图4 快速真空开关样机
为满足高压直流断路器对快速真空开关提出的进一步向快速性和高电压方向发展的需求，本文研究了电磁斥力机构的参数匹配特性和优化设计方法。具体如下：
1）通过将金属盘等效为单匝线圈对电磁斥力机构的仿真模型进行了简化；在实验室搭建了40.5 kV快速真空开关样机，基于样机试验验证了简化仿真模型的有效性。
2）基于简化后的仿真模型，将影响电磁斥力机构操动特性的多个变量凝练为3个与操动特性直接相关的特征参量（K1，K2，K3）。其中，K1与放电回路时间常数相关，K2与电容初始储能相关，K3与驱动负载和结构参数相关。从解析角度分析并得到了特征参量与电磁斥力机构参数的匹配规律。
3）基于参数匹配规律，提出了电磁斥力机构参数的设计原则和一种快速而有效的电磁斥力机构参数优化设计的具体实现方法。在满足快速开关设计要求的前提下，该设计方法可保障电磁力峰值最小和操动效率最高的综合优化目标，为快速开关向高电压及快速性方向发展奠定了基础。