摘要：電磁鐵是高壓斷路器操動機構中的重要元件之一，當電磁鐵分合閘線圈中通過電流時，在電磁鐵內產生磁通，動鐵心受電磁力的作用動作，通過脫扣機構，使操動機構進行分合閘操作，從而帶動整個斷路器進行分合閘操作[1]。因此，分合閘線圈設計的是否合理直接影響著高壓斷路器操作的可靠性。筆者通過設計計算不同參數的分合閘線圈，通過了相關試驗驗證，并得到了廣泛應用。
　　關鍵詞：斷路器，線圈，安匝數，操動機構
　　
　　1前言
　　LW35-126型自能式SF6斷路器，采用自能式滅弧原理,三極共用一臺彈簧機構驅動,結構小巧，安裝方便,備受電力用戶青睞，其操動機構用分、合閘電磁鐵線圈完全相同，額定操作電流均為2.8A（DC220V）。
　　伴隨著城鄉電網改造正在全國范圍內進行，由于部分電力用戶，特別是一些舊變電站改造的用戶，受變電站控制保護系統容量的限制[2]，要求分閘電磁鐵線圈操作電流為2.5A（DC220V）以下，甚至為2.0A以下。同時，由于國內外一些用戶需要分、合閘電磁鐵操作電壓為DC110和DC125V兩種規范，為此筆者專門對LW35-126型自能式SF6斷路器的CT□彈簧操動機構分合閘線圈進行了研究。
　　
　　2電磁鐵結構[3]
　　電磁鐵是高壓斷路器操動機構中的重要元件之一，電磁鐵的結構多種多樣，但在高壓斷路器操動機構中采用的絕大部分都是螺管式電磁鐵。這種電磁鐵的主要部件有：動鐵心、靜鐵心、線圈等。當電磁鐵線圈中通過電流時，在電磁鐵內產生磁通，動鐵心受電磁力的作用動作，通過脫扣機構，使操動機構進行分合閘操作，從而帶動整個斷路器進行分合閘操作。
　　按照電磁鐵線圈的電源不同可分為交流電磁鐵和直流電磁鐵；按照電磁鐵線圈有無骨架可分為有骨架電磁鐵和無骨架電磁鐵。目前高壓斷路器操動機構中直流電磁鐵使用較多。本文就以直流電磁鐵為例進行計算設計。
　　
　　3計算分析[4]
　　電磁鐵產生的電磁力與線圈的磁勢(即安匝數)有直接的關系，詳見公式（1）。線圈電阻和線圈截面積計算公式見（2）和（3）：
　　F=IN=N(1)
　　R=ρN(2)
　　S=π(3)
　　式中:I—線圈電流[A];
　　N—線圈匝數;
　　U—線圈外加電壓[V];
　　R—線圈電阻[Ω];
　　ρ—導線的電阻率[Ω•m];
　　L—線圈一匝的平均長度[m];
　　S—導線的截面積[mm]；
　　d—導線的直徑[mm]。
　　我們常用的電磁鐵線圈的骨架一般有矩形和圓柱形兩種。當前我們應用的是矩形電磁鐵線圈骨架。對于矩形柱體線圈的單匝長度計算見公式（4），式中字母意義見圖1。
　　L=2（a+b）+π（4)
　　
　　圖1矩形柱體線圈
　　由公式（1）（2）（3）可以得出公式（5）
　　F=IN=N==（5）
　　由于受電磁鐵脫扣器結構的限制，在不改變電磁鐵氣隙長度和磁極面積的前提下，由式（5）可以看出，改變電磁鐵線圈導線直徑和線圈匝數可以改變電磁鐵線圈的操作電流。
　　
　　4小電流（2A）電磁鐵線圈參數計算
　　現有LW35-126型自能式SF6斷路器所用的電磁鐵線圈為矩形柱體線圈，其骨架具體尺寸是a=48mm，b=35mm，原電磁鐵線圈導線為0.31mm，匝數為1800匝，操作電流為2.8A，其安匝數為5040（安匝）。
　　為了降低電磁鐵線圈操作電流，我們初步把操作電流設定為2A，為了盡量保持電磁鐵的動特性不變，先按電磁鐵線圈安匝數不變進行計算，則電磁鐵線圈匝數應為：
　　N==2520（匝）
　　若保持線圈骨架不變，要增加線圈匝數，則需減小導線直徑，選取線徑為0.29mm的聚酯漆包線。若線圈每層仍保持75匝，則線圈應有層數為：
　　C==33.6（層）
　　圓整后層數應為34層，則線圈匝數為：
　　N=34×75=2550（匝）
　　依據以上數據可得出：
　　=34×（d+0.035+0.04）=34×（0.29+0.075）=12.41（mm）（6）
　　注：0.035為聚酯漆包線的漆膜厚度；
　　0.04為電磁鐵線圈導線間所墊的美濃紙厚度。
　　根據公式（4）計算得到L為0.204967m
　　對于銅導線，根據GB6109可查得，聚酯漆包線的電阻率ρ為：
　　ρ最小為0.01695Ω•mm/m
　　ρ最大為0.017241Ω•mm/m
　　取中間值：
　　ρ==0.017096Ω•mm/m
　　由式（5）可以計算出I為1.625A。
　　則改進后的電磁鐵線圈安匝數為4144安匝。與原安匝數5040安匝,相比減小了將近900安匝。
　　
　　5小電流（2A）電磁鐵線圈試驗驗證
　　根據計算結果，為此特投制表一中兩種線圈進行試驗驗證。
　　表一小電流（2A）電磁鐵線圈參數
　　編號 線徑mm 匝數 安匝數 電阻Ω 電流A
　　1 0.29 2550 4144 138 1.6
　　2 0.29 2350 4230 122 1.8
　　對編號1的線圈其額定操作電壓下（DC220V）分閘時間為30ms(技術要求規定的分閘時間為)，接近分閘時間的上限，分閘時間偏大。30%、65%、120%額定操作電壓下（即66V，143V，264V）的機械操作均滿足國家標準的規定[5]。
　　對編號2的線圈其額定操作電壓下（DC220V）分閘時間為23ms接近分閘時間的下限，分閘時間偏小。65%、120%額定操作電壓下的機械操作均滿足國家標準的規定，30%額定操作電壓下（66V）的機械操作不滿足國家標準的規定。
　　為此筆者又對線圈進行改進，保持電磁鐵線圈線徑不變，把其匝數改為2250匝，層數為30層。
　　則計算出相應的參數為：是10.95mm，L是0.200383mm，R為114Ω，操作電流為1.9A。對改造后的線圈重新進行試驗，在額定DC220V操作電壓下，分閘時間為28ms，滿足了技術條件的要求，分別在30%、65%、120%額定操作電壓下（即66V，143V，264V）的機械操作均滿足國家標準的規定。
　　從以上試驗結果可以看出，改進后的線圈分閘時間在產品技術條件規定的范圍之內，各項機械試驗完全滿足有關國家標準的要求，分閘電磁鐵的操作電流降為1.9A，達到了降低電磁鐵操作電流的目的。目前，該電磁鐵已廣泛運用到生產中，效果良好。
　　
　　6DC110V和DC125V電磁鐵線圈參數計算
　　根據對應的推導方法，筆者又分別計算DC110V電磁鐵線圈DC110V電磁鐵線圈兩種情況的各種參數。
　　由公式（5）可得出公式（7）。
　　（7）
　　為了保持電磁鐵安匝數（IN=5040）不變。對于DC110V電磁鐵線圈情況，將有關參數代入公式（7）可得到d為0.4504504mm，查有關材料標準，取電磁鐵線圈導線直徑為0.45。由于原導線直徑為0.31，匝數為1800。故原線圈骨架纏繞0.45導線的應為1240匝。故取匝數為1200匝。每層60匝，共20層。從而可以算出L為198.78，電流為4.287A，電阻為25.65Ω。
　　對于DC125V電磁鐵線圈計算相似于DC110V電磁鐵線圈情況，可以計算d為0.4226，查有關材料標準，取電磁鐵線圈導線直徑為0.425。可以算出匝數為1312.9匝。故取匝數為1300匝。每層60匝，共22層。從而可以算出L為200.3327，電流為3.98A，電阻為31.4Ω。
　　筆者也為此投制以下兩種線圈進行試驗驗證，參數見表二：
　　表二新設計DC110V和DC125V電磁鐵線圈參數
　　編號 線徑mm 匝數 安匝數 電阻Ω 電流A
　　1 0.45 1200 5144 25.7 4.287
　　2 0.425 1300 5174 31.4 3.98
　　通過對新設計的DC110V和DC125V電磁鐵線圈進行試驗，結果表明合分閘時間在產品技術條件規定的范圍之內，各項機械試驗完全滿足有關國家標準的要求。
　　
　　7結論
　　筆者通過改造用于公司LW35-126型自能式SF6斷路器上的操動機構分合閘線圈，使得線圈電流降到了2A以下；并設計了DC110V和DC125V兩種操動電壓下的線圈，均通過了試驗驗證，DC110V的電磁鐵已經應用于出口到緬甸、尼泊爾等國家的產品當中，這驗證了計算的正確性。
　　
　　參考文獻：
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　　[2]陳進,張良勝,朱燕.10kV斷路器合閘線圈燒毀原因分析及改進措施[J].電工技術，2009.7.
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　　[4]蔡國廉.電磁鐵[M].上海：上海科學技術出版社，1985.
　　[5]國家標準.GB1984交流高壓斷路器[S].北京：國家質量監督檢驗檢疫總局，2003.