永磁真空斷路器的研制總結

丁立科

摘 要：永磁操動機構體積小、結構簡單、操作可靠、免維護、使用壽命長，所以，被廣泛應用于真空斷路器中。分析、計算了12 kV永磁真空斷路器操動機構的磁場和操動力，在此基礎上研制出了12 kV永磁真空斷路器樣機，并做了機械特性試驗。通過對比、分析永磁機構的機械特性理論值和樣機實測數(shù)據(jù)，明確了雙穩(wěn)態(tài)永磁操動機構與單穩(wěn)態(tài)永磁操動機構的主要差別、永磁機構優(yōu)于其他機構的地方。

關鍵詞：永磁操動機構；斷路器；機械特性；分合閘線圈

中圖分類號：TM561.6 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.02.110

隨著科學技術和我國電力系統(tǒng)的迅猛發(fā)展，社會各界對電力網(wǎng)絡的安全性和可靠性提出了更高的要求，這是科學技術的進步和人類社會的發(fā)展對電力系統(tǒng)的需求。作為電力系統(tǒng)的主要開關元件——斷路器，它既要實現(xiàn)正常電流的關合與分斷，還要能切斷過載、短路等故障電流。因此，斷路器的可靠性主要表現(xiàn)為其使用量大、面廣、操作頻繁。真空滅弧室和操動機構作為斷路器的核心部件，其性能是關鍵。近幾年，電磁操動、永磁保持、電子控制的操動機構備受大家的關注。要想提高操動機構的可靠性，就要取消一些機械裝置的脫、鎖扣環(huán)節(jié)，采取永久磁鐵實現(xiàn)終端位置的保持，進一步減少動作元件和零部件數(shù)目，為保證斷路器的可靠性奠定基礎。這種機構被稱為永磁操動機構，被廣泛應用于真空斷路器中。

1 雙穩(wěn)態(tài)永磁斷路器操動機構

1.1 工作原理

永磁斷路器操動機構按照終端位置的保持方式可分為雙穩(wěn)態(tài)和單穩(wěn)態(tài)2種。雙穩(wěn)態(tài)永磁機構的動鐵芯處于終端位置，它依靠的是永磁體產(chǎn)生的磁力保持，不消耗其他任何能量；單穩(wěn)態(tài)永磁機構合閘位置由永磁體磁力保持，分閘位置由彈簧保持。所謂“雙穩(wěn)態(tài)”，是指在分合閘時，動鐵芯的動力由分合閘線圈的勵磁提供；單穩(wěn)態(tài)是指在分合閘時，動鐵芯的動力由同一個線圈的勵磁提供，只是改變線圈中電流的方向而已。本文主要介紹了12 kV真空斷路器的永磁操動機構，它采用的是圓柱形雙穩(wěn)態(tài)結構。單穩(wěn)態(tài)機構與其原理相似，只作簡單的介紹。

1.2 磁缸

永磁機構的動力源及其驅(qū)動都來自磁缸，它是永磁機構的核心部件。雙穩(wěn)態(tài)永磁機構磁缸剖面如圖1所示。永磁操動機構工作的基本原理是電磁操動，與彈簧操作機構不同，它是使用永磁體實現(xiàn)合閘和分閘保持（只用永磁體作合閘保持而不作分閘保持，即單穩(wěn)態(tài)機構）的一種新型電磁操動機構；與傳統(tǒng)斷路器電磁操動機構相比，它充分利用了永磁鐵的磁場。當斷路器處于合閘或分閘位置時，線圈中無電流通過，永磁體通過動、靜鐵芯提供的低磁阻抗通道及其自身的磁場將動鐵芯維持在合閘或分閘位置，不需要任何機械聯(lián)鎖、閉鎖機構。當有動作信號時，分合線圈會產(chǎn)生相應的電流，產(chǎn)生的電磁動勢使動鐵芯和驅(qū)動桿動作驅(qū)動拐臂，實現(xiàn)斷路器的合分閘。

1.3 分合閘磁場分布情況

當永磁斷路器處于合閘（分閘）位置時，線圈無電流通過，永磁體利用動、靜鐵芯提供的低磁阻抗通道將動鐵芯保持在合閘（分閘）的位置。分閘（合閘）的動作指令下達后，向分閘（合閘）線圈中通入電流，從而產(chǎn)生與永久磁體方向相反的磁通。當其達到一定值時，動鐵芯會動作，實現(xiàn)分閘動作或合閘動作。將永磁場與線圈磁場疊加產(chǎn)生了如圖2、圖3所示的機構合分閘保持狀態(tài)時的磁場（磁場為軸對稱模型，圖示只顯示了1/2磁場線分布情況）分布示意圖。

由圖2、圖3所示的磁場分布疏密程度可知，在合閘和分閘的過程中，先要利用合分閘線圈通電產(chǎn)生的電流構建磁場。通過線圈產(chǎn)生的磁場力（磁場力大于機械壓力和永磁鐵保持力之和）使得動鐵芯運動。當動鐵芯在一定位置（動鐵芯與靜鐵芯上下間隙相同）時，永磁鐵產(chǎn)生的磁場會從原來阻礙動鐵芯運動轉(zhuǎn)變?yōu)榧铀賱予F芯運動。動鐵芯在整個過程中做變加速運動。在合閘、分閘這兩個狀態(tài)下，可利用動鐵芯與靜鐵芯之間的低磁阻抗磁路來保持合閘和分閘兩種狀態(tài)。

2 永磁斷路器

2.1 工作原理

永磁斷路器控制和工作原理如圖4所示。儲能電容儲能后，通過控制器發(fā)出分合指令操作斷路器的開斷。在永磁操動機構的作用下，測試真空斷路器的動態(tài)性能時，可將測試電路接在固封極柱處。在試驗中，可利用機械特性測試儀顯示出動鐵芯位移與時間的關系圖、分合閘速度等所需的斷路器機械特性數(shù)值。通過分析這些數(shù)值是否符合斷路器工作特性來改進斷路器機構，從而設計出合理的設備。儲能電容為合分閘線圈所共用，同樣原理，合閘、分閘線圈可以各自使用一個儲能電容分別連接在合閘、分閘線圈的支路上。

2.2 機械特性

通過測試研制的樣機可知，在永磁操動機構的作用下，真空斷路器的分閘、合閘速度與理論值有一定的差距。如果真空斷路器的分閘、合閘速度不到位，就要作適當?shù)恼{(diào)整——設計分閘彈簧。在動鐵芯運動的過程中，分閘彈簧的作用是為動鐵芯提供動力，并與分閘線圈勵磁產(chǎn)生的分閘力一起作用于動鐵芯，實現(xiàn)分閘操作；在合閘操作中，分閘彈簧始終為動鐵芯施加阻力。除了使用彈簧外，也可以使用緩沖器來滿足相關要求。將緩沖器布置在斷路器的不同位置可以減緩合閘的速度，提高分閘速度，或是提高合閘速度，減緩分閘速度。

對比、分析試驗測出的速度值與設計要求值可知，當合閘速度較慢、分閘速度較快時，需要加快合閘速度，適當降低分閘速度。另外，可以調(diào)整分閘彈簧的參數(shù)，從而轉(zhuǎn)變分閘、合閘的速度。第一種方案是維持原分閘彈簧的高度和圈數(shù)，只改變分閘彈簧的線徑。這是因為在其他條件不變的情況下，不同線徑的彈簧伸縮相同長度時提供的力是不同的。分閘彈簧力的變化對改變分閘、合閘的速度有一定的影響——減小分閘彈簧的力，可以降低分閘速度，提高合閘速度。第二種方案是調(diào)整分閘彈簧的安裝位置，通過減小分閘彈簧的預緊力來減小分閘彈簧的力。減小分閘力時，合閘力就會相應升高，以達到調(diào)節(jié)的效果。相反，當合閘速度較快、分閘速度較慢時，需要降低合閘速度，適當提高分閘速度。方法與方案一相反即可。

斷路器機械特性參數(shù)測試的結果證明，研制的樣機達到了12 kV戶內(nèi)真空斷路器的設計要求，并且其永磁操動機構的配置是正確的。但是，樣機測試數(shù)據(jù)也反映了雙穩(wěn)態(tài)永磁機構在分閘特性方面的不足，即分閘線圈與合閘線圈匝數(shù)不同，而磁缸分合閘位置對稱；兩線圈匝數(shù)一樣，而磁缸分合閘位置不對稱。這種不足可以采取改進內(nèi)部零部件和優(yōu)化磁回路的方法來解決，即合理改進永磁斷路器核心部件磁缸，以滿足滅弧室的分閘要求?？傮w來講，改變分合閘的磁場分布能夠滿足斷路器的工作要求。

3 結束語

對比、分析了試驗樣機所測數(shù)據(jù)可知，單穩(wěn)態(tài)永磁操動機構與雙穩(wěn)態(tài)永磁操動機構的主要區(qū)別是：在相同的傳動機構下，前者所需的保持力比后者要大，這樣不利于減小機構和永磁體的尺寸。合閘時，兩種機構動作特性很相近，分閘時，它們又存在較大的差異。雙穩(wěn)態(tài)永磁操動機構與斷路器的負荷特性不同，單穩(wěn)態(tài)永磁操動機構的分閘速度特性與彈簧操動機構較為相似，剛分點前加速，剛分點后減速，并且其分閘特性不易受電參數(shù)的控制。綜上所述，雙穩(wěn)態(tài)永磁操動機構和單穩(wěn)態(tài)永磁操動機構各有優(yōu)劣。

與其他斷路器機構相比，永磁斷路器機構有很多優(yōu)點，具體有：①利用雙線圈分別控制分閘、合閘操作，即合閘線圈只控制合閘操作，分閘線圈只控制分閘操作，從而提高雙穩(wěn)態(tài)雙線圈機構運行的可靠性。②正確設計磁路（合理設計斷路器磁缸中分合閘線圈、永磁鐵、動鐵芯的尺寸和外形結構），增大分閘、合閘的保持力，降低分閘、合閘時對線圈電流的要求，從而減小能耗。③磁缸底端與主軸拐臂相連，而主軸同時控制三相滅弧室。這樣做，不但保證了分合閘操作時三相的同期性，控制了首開相的燃弧時間（1 ms內(nèi)），還簡化了傳動鏈，無需設置機械脫、鎖扣裝置，從而減少了故障源。④整個機構比彈簧機構的機械零部件要少，但其整體可靠性卻大大提高了。與傳統(tǒng)的電磁機構和彈簧機構相比，永磁斷路器機構的機械壽命高達10萬次以上，至少提高了3倍以上。⑤由于永磁機構比其他機構的機械零部件要少，而且現(xiàn)代電氣元件也越來越小，所以，可以極大地縮小永磁斷路器機構的外形尺寸，使其逐步朝著小型化機構的方向發(fā)展。⑥由于永磁機構有電磁場及其永磁場的存在，因此，它在向智能化發(fā)展的同時需要更好的結構基礎和環(huán)境基礎作保障。

參考文獻

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〔編輯：白潔〕