永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)現(xiàn)狀及發(fā)展

曹碧穎++周吉　陸宇

摘 要 隨著科技的發(fā)展與進(jìn)步，電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性被不斷提出更高的要求，高可靠性的操動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)電力系統(tǒng)的運(yùn)行起著重要作用。永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)相比彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)、電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)有著顯著的優(yōu)勢(shì)，它的高可靠、免維護(hù)、智能化的特性使其應(yīng)用廣泛且擁有著很大的發(fā)展空間。

關(guān)鍵詞 永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)；固態(tài)斷路器；單穩(wěn)態(tài)；雙穩(wěn)態(tài)

中圖分類號(hào)：TM561 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2014）24-0022-02

隨著未來(lái)智能電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，基于電力電子技術(shù)的固態(tài)斷路器將會(huì)逐漸取代傳統(tǒng)機(jī)械式斷路器。當(dāng)電力系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，傳統(tǒng)開關(guān)過(guò)慢的關(guān)斷速度不能有效地保護(hù)設(shè)備安全和維持良好的電能質(zhì)量，同時(shí)會(huì)為客戶帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失。然而，高速動(dòng)作的靜態(tài)開關(guān)可以滿足這種需求，能有效縮短分?jǐn)鄷r(shí)間，在市電或微電網(wǎng)遭遇故障時(shí)快速分離，實(shí)現(xiàn)孤島運(yùn)行，而故障排除后，當(dāng)滿足并網(wǎng)條件時(shí)，重合閘，并網(wǎng)運(yùn)行，這也是微電網(wǎng)安全可靠運(yùn)行的前提。

高速斥力開關(guān)也是靜態(tài)開關(guān)最關(guān)鍵核心的部分，將集中操動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)單比較，彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)完全依靠凸輪機(jī)構(gòu)與四桿聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行機(jī)械傳動(dòng)來(lái)完成推動(dòng)真空滅弧室的動(dòng)作，其中，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)需要多個(gè)零件，零件材質(zhì)、加工精度以及裝配都對(duì)此機(jī)構(gòu)有著直接影響，在制造工藝上有著相當(dāng)嚴(yán)格的要求。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行，摩擦導(dǎo)致關(guān)鍵部件的磨損、銹蝕、潤(rùn)滑劑流失等都不能保證可靠的操作。電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)在運(yùn)行時(shí)需使用昂貴的蓄電池來(lái)滿足起合閘線圈的大功率損耗，操作時(shí)沖擊大并且運(yùn)動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)，這些劣勢(shì)使它較快被市場(chǎng)淘汰。然而，選用永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)，與電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)、彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)相比，它利用永磁保持、電子控制，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、零件數(shù)目少，工作時(shí)，主要依靠動(dòng)鐵芯運(yùn)動(dòng)達(dá)到分、合閘極限位置，更避免使用到機(jī)械脫扣、鎖扣裝置。

1 永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)及工作原理

永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)部件只有動(dòng)鐵芯，這使得此操動(dòng)機(jī)構(gòu)的機(jī)械壽命長(zhǎng)，機(jī)械可靠性高，目前永磁機(jī)構(gòu)的形式主要有單穩(wěn)態(tài)、雙穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如下圖所示。

雙穩(wěn)態(tài)永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的剖面圖如圖1所示，雙穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)即雙線圈永磁機(jī)構(gòu)，當(dāng)無(wú)需動(dòng)作、保持在極限位置的狀態(tài)時(shí)，線圈中不需要通電，動(dòng)鐵芯通過(guò)低磁阻通道所產(chǎn)生的磁場(chǎng)能量保持在分、合閘兩個(gè)極限位置，為機(jī)構(gòu)提供保持時(shí)所需的動(dòng)力，而可以避免使用到任何機(jī)械脫口和鎖扣裝置。在操動(dòng)機(jī)構(gòu)接收到動(dòng)作信號(hào)后，合閘或分閘線圈中的電流產(chǎn)生磁勢(shì)，由分、合閘線圈與永磁體的耦合磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)，受到了分、合閘線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)與永久磁鐵本身的磁場(chǎng)合成產(chǎn)生的磁場(chǎng)力，完成開合任務(wù)。只要確定了其結(jié)構(gòu)，則線圈參數(shù)就可決定它的分合閘特性。只與動(dòng)鐵芯無(wú)需消耗任何能量，即可在行程終止的兩個(gè)位置就可保持在上、下兩個(gè)極限位置。

而單穩(wěn)態(tài)永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)中設(shè)有分閘彈簧，此機(jī)構(gòu)剖面圖如圖2所示，并且采用了單線圈結(jié)構(gòu)。此結(jié)構(gòu)中，分、合閘動(dòng)作是通過(guò)同一線圈來(lái)完成的，在線圈上通不同方向的電流來(lái)實(shí)現(xiàn)。

上部為動(dòng)鐵芯分閘位置，動(dòng)鐵芯與上部的靜鐵芯之間間隙較小，所以磁阻也較小，而動(dòng)鐵芯與下部的靜鐵芯之間間隙較大，相對(duì)應(yīng)的磁阻也較大，故永久磁鐵所形成的磁力線大部分集中在上部，從而產(chǎn)生很大的向上吸引力，將動(dòng)鐵芯緊緊地吸附在上面。若動(dòng)鐵芯向下運(yùn)動(dòng)，即合閘，底部氣隙通過(guò)的磁力線減少，則磁阻也減少，動(dòng)鐵芯向下加速運(yùn)動(dòng)，至超過(guò)一半位置后，線圈中電流產(chǎn)生的磁勢(shì)加上永磁體合成的力使動(dòng)鐵芯運(yùn)動(dòng)速度急劇加快，直至到達(dá)分閘位置。

2 永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的現(xiàn)狀

在20世紀(jì)80年代末，以歐洲的英國(guó)、德國(guó)為代表的開關(guān)公司，將永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)應(yīng)用于中壓開關(guān)中去。GEC公司于1989年與英國(guó)曼徹斯特大學(xué)合作，為其設(shè)計(jì)了一臺(tái)永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)模型，經(jīng)過(guò)六年后，由英國(guó)的Whipp&Bourne公司對(duì)此操動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了修改。ABB Calor Emag開關(guān)設(shè)備公司領(lǐng)先推出了他們最新研制的配有永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的VM1型真空斷路器，在漢諾威博覽會(huì)上向大家展示出了此款獨(dú)特的真空斷路器的樣品[2]。

ABB推出的VM1真空斷路器中采用雙穩(wěn)態(tài)永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)，采用電容器作為充放電元件，可實(shí)現(xiàn)重合閘操作，機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。此結(jié)構(gòu)由兩個(gè)可產(chǎn)生磁場(chǎng)的分、合閘電力線圈14、11控制動(dòng)鐵芯13運(yùn)動(dòng)到上、下兩個(gè)極限位置，開關(guān)的操作時(shí)通過(guò)激勵(lì)分閘或合閘線圈直到其產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)磁力超過(guò)永磁鐵的磁力為止。動(dòng)鐵芯13可通過(guò)主軸8直接驅(qū)動(dòng)真空滅弧室內(nèi)的動(dòng)觸頭，磨損小到可忽略不計(jì)，真正達(dá)到了無(wú)磨損部件、免維護(hù)的狀態(tài)。

在ABB公司領(lǐng)先將采用永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的真空斷路器推向市場(chǎng)后，法國(guó)的阿爾斯通公司推出了一種選用到非對(duì)稱磁力操動(dòng)機(jī)構(gòu)的中壓斷路器。永磁操動(dòng)技術(shù)早已成為了國(guó)外多家公司的開發(fā)熱點(diǎn)，國(guó)內(nèi)的部分?jǐn)嗦菲魃a(chǎn)廠家、科研院所也在對(duì)永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)技術(shù)進(jìn)行研制。

海軍工程大學(xué)對(duì)混合型限流斷路器中的操動(dòng)機(jī)構(gòu)不斷進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，將永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)用于其中的高速機(jī)械觸頭機(jī)構(gòu)，利用了電磁斥力機(jī)構(gòu)的機(jī)械延遲時(shí)間短、初始運(yùn)動(dòng)速度高等優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)機(jī)械觸頭的高速分閘。此設(shè)計(jì)中融入了永磁機(jī)構(gòu)，使其單獨(dú)驅(qū)動(dòng)完成分、合閘動(dòng)作，以減小動(dòng)作過(guò)程對(duì)觸頭的沖擊，提高觸頭的機(jī)械壽命，同時(shí)，也想觸頭提供了合閘狀態(tài)下的觸頭壓力以及在分閘狀態(tài)下的鎖扣力[3]。

北京北變微電網(wǎng)技術(shù)有限公司將永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)用在其分布式光伏智能并網(wǎng)箱的專利中。此并網(wǎng)箱在接收到電流檢測(cè)裝置讀取到的電流信息后，對(duì)電流信息進(jìn)行處理和邏輯分析，并在判斷出電流故障后輸出控制指令，永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)快速進(jìn)行分合閘動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)快速動(dòng)作、快速保護(hù)出口、快速切除故障的目的。此快速永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

如圖所示，此機(jī)構(gòu)采用永磁機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)合閘以及分、合閘保持，在快速分閘的同時(shí)減小過(guò)沖和反彈，從而保證快速開關(guān)的可靠合閘。輸出軸6上固定連接有動(dòng)鐵芯，動(dòng)鐵芯位于分閘位置擋板7與合閘位置擋板11之間，輸出軸的上部還設(shè)有分閘彈簧5，分閘彈簧上端與金屬斥力板2壓力接觸，下端與分閘位置擋板7壓力接觸。此機(jī)構(gòu)通過(guò)消磁線圈10可以在分閘或合閘動(dòng)作是抵消永久磁鐵對(duì)動(dòng)鐵芯的固定作用，通過(guò)分閘彈簧進(jìn)一步增強(qiáng)了分閘時(shí)的驅(qū)動(dòng)力，提高了此機(jī)構(gòu)的分閘動(dòng)作的

速度。

3 結(jié)束語(yǔ)

靜態(tài)開關(guān)是實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)無(wú)縫切換的必要組件，有力地保證微電網(wǎng)在并網(wǎng)或孤島運(yùn)行的情況下的正常運(yùn)行，并且在并

網(wǎng)/孤島模式間能平穩(wěn)地過(guò)渡。稀土永磁材料被選用來(lái)制作為永久磁鐵，這是由稀土金屬和過(guò)度金屬形成的合金，經(jīng)一定的工藝制成的，釹鐵硼稀土永磁材料的理論磁能積為64MGOe，飽和磁化強(qiáng)度為1.6T，不易受外界磁場(chǎng)的影響，有極強(qiáng)磁性并能持久保持。盡管永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)顯著，在合閘的可靠性、機(jī)構(gòu)強(qiáng)度、斥力線圈參數(shù)等方面仍有待于提高，對(duì)此機(jī)構(gòu)在實(shí)現(xiàn)工程化上進(jìn)一步優(yōu)化。

參考文獻(xiàn)

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