新型混合式斥力机构，响应速度快，适合长行程

斥力机构凭借其快速性在中压直流领域得到广泛应用，为解决高压断路器长行程驱动速度和效率低等关键问题，郑州大学电气工程学院、河南省输配电装备与电气绝缘工程技术研究中心的研究人员程显、赵海洋、葛国伟、王华清、申森林，在2020年第14期《电工技术学报》上撰文，对比分析线盘式和螺线管式机构的原理和特点，综合两者优点提出了适合长行程的串联混合式斥力机构的设计思想。

研究表明，新型混合斥力机构综合线盘式机构的快速性和螺线管机构的持续性的优点，具有响应速度快、适合长行程快速驱动的特点，在电容电压1000V，容量5000mF条件下，响应时间0.5ms，60mm全行程时间5.6ms。该研究成果为高压断路器长行程快速斥力机构的研制提供了参考依据。

随着柔性直流输配电技术的发展，高压直流（High Voltage Direct Current, HVDC）电网成为未来智能电网的发展趋势，直流断路器作为现代直流电网控制和保护的关键设备，其快速性是保障成功开断的关键，因此研制具有快速响应和迅速动作的新型操动机构是当前的重点。

近年来，国内外学者推出了一种快速、高效、可控的推力机构，成为新的研究热点。但是由于这一机构脉冲电磁力行程较短，限制了它在高压断路器长行程操动中的应用，这一操动机构还仅仅应用在中压和低压断路器中。

快速斥力机构分为线盘式、双线圈式和螺线管式，目前主要研究的是基于涡流效应原理的线盘式和双线圈式机构，然而由于结构和驱动原理导致其脉冲行程较短，在长行程中驱动存在速度慢、效率低的问题，螺线管式机构由于响应时间慢，应用研究较少，为此郑州大学等单位的研究人员将两种拓扑结构相互组合，综合两者优点，提出一种适合长行程驱动的新型混合式斥力机构。

为解决高压断路器长行程驱动速度慢的问题，研究人员首先对比分析线盘式和螺线管式机构的原理和特点，综合两者优点提出适合长行程的串联混合式斥力机构（Series Hybrid Repulsion Mechanism, SHRM）的设计思想。

研究人员基于有限元分析方法建立其仿真模型，对比分析串联混合式、线盘式以及螺线管式机构的运动特性，研究了串联混合式机构瞬态磁场分布以及机构间的影响规律，得到各机构的特性以及混合式机构的可行性。

然后考虑到机构是组合结构，对其结构进行紧凑化设计，提出新型混合式斥力机构（New Hybrid Repulsion Mechanism, NHRM）并建立其仿真模型和数学模型，进行运动特性仿真对比分析。最后，研究人员得出结论如下：

图1  混合式斥力机构结构

图2  仿真模型

图3  新型混合式斥力机构结构示意图

1）提出一种适合高压断路器长行程操动的新型混合式斥力机构，初步从理论分析与仿真分析验证了机构的可行性。该机构综合了线盘式机构的快速性和螺线管机构持续性的优点，前期主要由线盘式机构提供斥力，后期由螺线管机构提供斥力，具有响应速度快、作用力时间久及适合长行程快速驱动等特点。

2）新型混合式斥力机构相对于串联混合式斥力机构，结构更加紧凑，更加节省空间，运动质量更轻。新型混合斥力机构由于结构的优化，电磁斥力峰值提升5.9%，最大分闸速度提升6.0%，满行程运动时间缩短了5.0%，主要原因是螺线管线圈在铜盘中感应出涡流，铜盘中感应的磁场与线圈盘中感应出的磁场相互叠加。

3）新型混合式斥力机构在电容电压1000V，容量5000mF的条件下，响应时间0.5ms，能在5.6ms内运动60mm的行程开距。后续将结合电、磁、力联合仿真，进一步研究得到新型混合式斥力机构中螺线管和线圈式机构的协同配合规则，提出新型混合式斥力机构的参数设计原则和参数优化设计的具体实现方法，并根据最佳参数，设计新型混合式斥力机构样机并进行样机试验，验证其性能。

以上研究成果发表在2020年第14期《电工技术学报》，论文标题为“基于螺线管和线圈盘的新型混合式斥力机构分析”，作者为程显、赵海洋、葛国伟、王华清、申森林。