賀天元，劉仲曄

（海軍駐湖南地區(qū)軍事代表室，湖南湘潭411101）

真空斷路器用單穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)概述

賀天元，劉仲曄

（海軍駐湖南地區(qū)軍事代表室，湖南湘潭411101）

本文對(duì)單穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)與傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)以及雙穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)進(jìn)行了對(duì)比，對(duì)其結(jié)構(gòu)與工作原理進(jìn)行了簡(jiǎn)單說(shuō)明，并對(duì)其發(fā)展前景進(jìn)行了簡(jiǎn)要探討。

單穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)改進(jìn)智能化

0　引言

斷路器對(duì)電力系統(tǒng)起著控制、保護(hù)、調(diào)節(jié)的作用，其能否正常、可靠地工作直接維系著整個(gè)系統(tǒng)的安全與穩(wěn)定。其中斷路器的機(jī)械結(jié)構(gòu)是決定其性能的核心部分，從國(guó)際、國(guó)內(nèi)對(duì)斷路器的故障統(tǒng)計(jì)數(shù)字來(lái)看,機(jī)械故障占總故障的70%，所以世界各地研究人員一直在努力嘗試改進(jìn)斷路器的結(jié)構(gòu)，以使其具有更高的性能與可靠性。

1　單穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)概述

真空斷路器的結(jié)構(gòu)在發(fā)展過(guò)程中大約經(jīng)歷了電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)、彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)和永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)三個(gè)階段。在早期使用的電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)中，當(dāng)斷路器合閘時(shí)，電磁線圈通入電流，電磁鐵受到端面的吸力開(kāi)始逐漸向端面移動(dòng)，并隨著電磁鐵與端面的距離越來(lái)越近，其所受到吸力也越來(lái)越大，這也與斷路器所需的機(jī)械特性相匹配，但是其需要采用機(jī)械鎖扣來(lái)保持合閘位置，由于在合閘過(guò)程中，磁路電感變化較大，其產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)對(duì)合閘線圈中的電流增長(zhǎng)產(chǎn)生了很強(qiáng)的阻礙作用，并且這種阻礙作用隨著合閘速度的增大而增大，使得需要提供數(shù)百安培的直流電流才能完成合閘動(dòng)作，要求的操作功率很大。而隨后出現(xiàn)的彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)則不需要龐大的蓄電池組供電，使用起來(lái)比電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)更為靈活方便，但彈簧機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且需要通過(guò)連桿、鎖扣和儲(chǔ)能來(lái)實(shí)現(xiàn)操動(dòng)功能，環(huán)節(jié)多、動(dòng)作分散性大、可靠性差。

永磁機(jī)構(gòu)則是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新型斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)將電磁機(jī)構(gòu)與永久磁鐵結(jié)合在了一起，利用永磁體的磁能作為分合閘動(dòng)作中動(dòng)鐵芯運(yùn)動(dòng)時(shí)所需能量的一部分，并利用永久磁鐵的磁力或彈簧力將斷路器保持在合閘位置或者分閘位置，無(wú)需傳統(tǒng)的機(jī)械脫、鎖扣裝置。與傳統(tǒng)的電磁、彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)相比，永磁結(jié)構(gòu)有著以下優(yōu)點(diǎn)：

1）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能可靠。永磁機(jī)構(gòu)一般只有動(dòng)鐵芯一個(gè)運(yùn)動(dòng)部件，相比于彈簧機(jī)構(gòu)的近百個(gè)運(yùn)動(dòng)部件，大大提升了斷路器的可靠性，而且永磁機(jī)構(gòu)利用永久磁鐵的磁力或者彈簧的彈簧力來(lái)使斷路器保持在合閘或者分閘位置，不需要傳統(tǒng)斷路器所使用的脫、鎖扣裝置，使整個(gè)系統(tǒng)的操作可靠性得到了極大的提升。

2）采用兩位式結(jié)構(gòu)。永磁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原理就決定了其要么處于合閘位置，要么就處于分閘位置，不會(huì)出現(xiàn)處于中間的似合非合狀態(tài)而造成關(guān)合失敗。

3）操作耗能少。在很多場(chǎng)合下，特別是戶外、柱上斷路器中是以電池作為電源來(lái)操作的，所以減少操作耗能，對(duì)斷路器的性能提升具有重要的意義。

目前永磁機(jī)構(gòu)的主要形式有雙穩(wěn)態(tài)和單穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)兩種，其中單穩(wěn)態(tài)相比于雙穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)有著以下特點(diǎn)[1]：

1）單穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)分閘特性更接近于真空斷路的機(jī)械特性。

2）單穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)由于在分閘時(shí)要承受永磁體的反向吸力，所以所需的靜態(tài)分閘保持力更大，不利于斷路器的整體尺寸的縮小。

3）單穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)的分閘特性不易受電參數(shù)的控制。

盡管相對(duì)于雙穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)，單穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)有著這樣或者那樣的缺點(diǎn)，然而由于其分閘特性更為理想，所以也在受到越來(lái)越多的關(guān)注。

2　單穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)

2.1單穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)與工作原理

一般永磁機(jī)構(gòu)根據(jù)其外形可分為方形結(jié)構(gòu)和圓形結(jié)構(gòu)。由于圓形機(jī)構(gòu)中的永磁體采用軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，磁場(chǎng)分布更加均勻，使得在同樣滿足真空斷路器分、合閘速度特性的情況下，圓形操作機(jī)構(gòu)的動(dòng)鐵芯的體積、永磁體的體積、整個(gè)機(jī)構(gòu)的體積與總重量都明顯小于方形操作機(jī)構(gòu)，而且由于圓形機(jī)構(gòu)在相同電流下產(chǎn)生的磁力更強(qiáng)且動(dòng)鐵芯體積重量較小，所以在分、合閘的過(guò)程中，線圈的峰值電流和耗能也相對(duì)較小；因此從操作機(jī)構(gòu)本身的性能出發(fā)，圓形機(jī)構(gòu)是要優(yōu)于方形機(jī)構(gòu)的，但方形結(jié)構(gòu)更加靈活，在維持長(zhǎng)度不變的情況下，可以在厚度方向進(jìn)行擴(kuò)展，以滿足斷路器機(jī)構(gòu)箱體尺寸的要求，同時(shí)方形結(jié)構(gòu)也更利于發(fā)展系列化產(chǎn)品[2]。

典型的單穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)的剖面圖如圖1所示。圖中動(dòng)鐵芯處于合閘位置。處于合閘位置時(shí)線圈6中無(wú)電流，永磁體在由動(dòng)、靜鐵芯提供的低磁阻通道中產(chǎn)生較強(qiáng)的磁場(chǎng)，并產(chǎn)生強(qiáng)大的吸力使動(dòng)鐵芯保持在合閘位置上。

當(dāng)機(jī)構(gòu)需要分閘時(shí)，線圈6中通過(guò)一定的電流，使線圈6在動(dòng)鐵芯底部氣隙上產(chǎn)生的磁場(chǎng)與永磁體在此處產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向相反，使得動(dòng)鐵芯受到的向下的磁吸力減少，當(dāng)此吸力減少到小于分閘彈簧1向上的拉力時(shí)，動(dòng)鐵芯就會(huì)在分閘彈簧的拉力下向上移動(dòng)并經(jīng)由連接桿8帶動(dòng)觸頭完成分閘動(dòng)作。

當(dāng)機(jī)構(gòu)處于分閘狀態(tài)時(shí)，由于上端蓋是非導(dǎo)磁材料，所以永磁體無(wú)法為動(dòng)鐵芯提供向上的拉力，此時(shí)分閘保持力主要由彈簧的拉力提供。

當(dāng)機(jī)構(gòu)需要從分閘狀態(tài)再次進(jìn)入合閘狀態(tài)時(shí)，給線圈6中通入相反的電流，使得線圈在下部氣隙中的產(chǎn)生磁場(chǎng)方向與永磁體在此處產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向相同，當(dāng)線圈與永磁體的合磁場(chǎng)產(chǎn)生的向下的吸力大于彈簧的拉力時(shí)，動(dòng)鐵芯便會(huì)向下運(yùn)動(dòng)，同時(shí)給分閘彈簧儲(chǔ)能，并再次進(jìn)入到合閘位置。由于在合閘過(guò)程中還需克服分閘彈簧所產(chǎn)生的拉力，所以合閘電流遠(yuǎn)大于分閘電流。

圖1　單穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)剖面簡(jiǎn)圖

3.2單穩(wěn)態(tài)永磁結(jié)構(gòu)的改進(jìn)研究

單穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)之所以受到越來(lái)越多的重視，就是因?yàn)槠浞珠l特性與斷路器負(fù)荷特性更匹配，即在剛分點(diǎn)前加速，在剛分點(diǎn)后減速，通過(guò)合理的設(shè)置彈簧參數(shù)比較容易獲得較為理想的分閘速度。然而由于分閘彈簧的存在，其所需的永磁保持力、合閘電流均較大。有研究人員提出了一種安裝兩個(gè)動(dòng)鐵芯的雙動(dòng)鐵芯永磁機(jī)構(gòu)，仿真表明，該結(jié)構(gòu)相比于普通單動(dòng)鐵芯，合閘保持力得到了提高，也即合閘的可靠性增高，同時(shí)使剛分速度提升，剛合速度減少，單次分合閘能量顯著降低[3]。

也有研究人員提出另一種新穎的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，芯軸與動(dòng)鐵芯不再使用螺栓連接在一起，相互同軸安裝后可在軸向進(jìn)行相對(duì)運(yùn)動(dòng)。通過(guò)仿真和對(duì)物理樣機(jī)的試驗(yàn)表明，該結(jié)構(gòu)能有效的降低合閘的啟動(dòng)電流，而且該結(jié)構(gòu)特別適用于大開(kāi)距開(kāi)關(guān)，為單穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)進(jìn)入更高電壓領(lǐng)域進(jìn)行了十分有意義的探索[4]。

另一種思路則是在原有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加合閘線圈的匝數(shù)，減少合閘線圈的直徑，同樣可以在對(duì)其他特性影響較小的前提下減少合閘電流[5,6]。同時(shí)文獻(xiàn)[5]也指出，應(yīng)當(dāng)考慮傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的不同對(duì)所需合閘力大小的影響。

由于永磁機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中包含著極其復(fù)雜的電、熱、磁和機(jī)械參量的變化，很難單純的直接用理論去指導(dǎo)永磁機(jī)構(gòu)的參數(shù)設(shè)計(jì)，采用遺傳算法等新興算法對(duì)其進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，也能起到很好的效果[5]。

3　單穩(wěn)態(tài)永磁結(jié)構(gòu)二次單元

要使單穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)能夠順利的完成分閘、合閘動(dòng)作，還需要解決三個(gè)方面的問(wèn)題，即電源，分、合閘狀態(tài)的檢測(cè)，分、合閘線圈操作單元。

3.1電源

永磁機(jī)構(gòu)斷路器及其控制系統(tǒng)能穩(wěn)定運(yùn)行的前提是有可靠的電源系統(tǒng)。電源系統(tǒng)一方面作為分合閘動(dòng)作的動(dòng)力源，給分合閘線圈提供瞬時(shí)大電流，驅(qū)動(dòng)永磁機(jī)構(gòu)斷路器實(shí)現(xiàn)分合閘操作；另一方面也作為給控制系統(tǒng)的工作電源，實(shí)現(xiàn)斷路器狀態(tài)監(jiān)測(cè)、保護(hù)、人機(jī)界面顯示和通信等功能[7]。

由于要求斷路器開(kāi)合閘速度較快，電源系統(tǒng)需要在較短的時(shí)間內(nèi)為永磁機(jī)構(gòu)的線圈提供較大的脈沖電流。目前工程上一般可供采用的方案分為兩種，一是采用電容器充放電，另一種是采用蓄電池。這兩種方案一般都能滿足要求。但是采用蓄電池的方案需要考慮到諸如充電、放電等問(wèn)題，而且充電線路及保護(hù)線路也較為復(fù)雜。而使用電容器則不需要考慮充電過(guò)量的問(wèn)題，也就不需要精確地控制其充電電流與時(shí)間，更易于并聯(lián)使用，而且理論上電容器的充放電次數(shù)是無(wú)限的，因此也更不易損壞。因此從經(jīng)濟(jì)性的角度出發(fā)，戶內(nèi)永磁機(jī)構(gòu)中的電源設(shè)計(jì)通常采用電容器放電的方式。但是對(duì)于戶外柱上真空斷路器，由于現(xiàn)場(chǎng)電源不易解決，一般采用蓄電池等其他方式[8]。

3.2斷路器分合閘狀態(tài)檢測(cè)

永磁機(jī)構(gòu)斷路器必須保證其可靠地處于分閘或者合閘的工作位置，不允許出現(xiàn)中間狀態(tài)等故障位置，否則可能會(huì)造成及其嚴(yán)重的事故。一旦出現(xiàn)故障位置，應(yīng)及時(shí)報(bào)警通知工作人員檢修。同時(shí)，為了避免熱損耗及電源損耗，在鐵心運(yùn)動(dòng)到分、合閘位置后，應(yīng)及時(shí)斷電。這些都需要對(duì)斷路器的分、合閘狀態(tài)進(jìn)及時(shí)、準(zhǔn)確行檢測(cè)。

傳統(tǒng)斷路器一般采用觸點(diǎn)輔助開(kāi)關(guān)，但由于可能會(huì)出現(xiàn)的污染、觸頭氧化等問(wèn)題，經(jīng)常會(huì)使觸頭接觸不良，甚至失效。因此為保證其可靠性，應(yīng)考慮使用電子開(kāi)關(guān)和非接觸式傳感器來(lái)取代傳統(tǒng)的輔助開(kāi)關(guān)[9]。

3.3分、合閘操作單元

單穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)的分閘、合閘共用一個(gè)線圈，所以需要給線圈通過(guò)不同方向的直流電流實(shí)現(xiàn)分、合閘，用傳統(tǒng)方法開(kāi)斷大容量直流是比較復(fù)雜與困難的，可以考慮采用可關(guān)斷晶閘管（GTO）、MOSFET、IGBT等。在設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)回路時(shí)應(yīng)注意對(duì)開(kāi)關(guān)的RC緩沖回路參數(shù)采取有效的方法進(jìn)行優(yōu)化，否則可能會(huì)造成關(guān)斷時(shí)浪涌電壓過(guò)大，造成器件損壞[10]。

4　單穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)的智能化

隨著電力系統(tǒng)智能化要求的不斷提高，人們對(duì)斷路器的要求也在提高。斷路器應(yīng)不僅僅有簡(jiǎn)單的重合閘功能，也應(yīng)能從配電系統(tǒng)功能優(yōu)化的角度綜合實(shí)現(xiàn)諸如饋線監(jiān)測(cè)、饋線保護(hù)等新功能。智能斷路器應(yīng)不僅能實(shí)現(xiàn)圍繞斷路器外圍的有關(guān)保護(hù)、控制、開(kāi)關(guān)量監(jiān)測(cè)、通信等功能，也需要能根據(jù)電網(wǎng)信息來(lái)對(duì)斷路器本身的開(kāi)斷或關(guān)合動(dòng)作進(jìn)行智能控制[11]。

由于傳統(tǒng)的電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)和彈簧式操動(dòng)機(jī)構(gòu)的重合閘動(dòng)作是由復(fù)雜的機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的，運(yùn)動(dòng)時(shí)間分散性很大，很難實(shí)現(xiàn)對(duì)重合閘時(shí)間的精確控制。永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的無(wú)脫扣、鎖扣特點(diǎn)使得其具有高可靠性與免維護(hù)性；同時(shí)由于其運(yùn)動(dòng)部件很少，又使得其動(dòng)作分散性小，可靠性高，壽命長(zhǎng)；以及單穩(wěn)態(tài)永磁結(jié)構(gòu)的機(jī)械特性更接近于真空斷路器的要求，所以單穩(wěn)態(tài)斷路器在實(shí)現(xiàn)本身智能控制上有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。

斷路器的同步控制是斷路器智能化的前沿課題，也是核心課題。同步控制技術(shù)是指斷路器在控制系統(tǒng)的控制下，在電網(wǎng)電壓或電流的指定相位完成電路的斷開(kāi)或閉合。同步控制包括同步關(guān)合和同步分?jǐn)鄡煞矫鎯?nèi)容，這項(xiàng)技術(shù)不僅可以減小開(kāi)合操作的涌流和過(guò)電壓，縮短系統(tǒng)瞬態(tài)過(guò)程，提高電能質(zhì)量和系統(tǒng)穩(wěn)定性，延長(zhǎng)電器的使用壽命，而且可以大大提高斷路器的分?jǐn)嗄芰Α?/p>

一般斷路器采用三相一體式結(jié)構(gòu)，即一個(gè)永磁機(jī)構(gòu)采用連桿同時(shí)帶動(dòng)三個(gè)真空滅弧室同時(shí)完成三相的分、合閘操作。但由于三相存在相位差，同時(shí)開(kāi)斷最多只能保證一相在理想相位開(kāi)斷。要實(shí)現(xiàn)真正的三相同步控制，就需要對(duì)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，要么繼續(xù)使用三相一體式結(jié)構(gòu)，但通過(guò)對(duì)機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的重新設(shè)計(jì)，使得三相能以固定的時(shí)間間隔依次閉合和開(kāi)斷；要么每相分別配有獨(dú)立的永磁機(jī)構(gòu)，顯然后者的實(shí)用性更廣，可靠性更高，但同時(shí)造價(jià)也更加昂貴[12]。

實(shí)現(xiàn)斷路器的同步分合操作，有2個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題需要解決。首先對(duì)是系統(tǒng)電壓或電流過(guò)零點(diǎn)的檢測(cè)。由于出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)中的電流和電壓會(huì)受到高次諧波和噪聲的干擾，偏離正弦波形，同步分合控制系統(tǒng)必須能從故障波形中準(zhǔn)確獲取系統(tǒng)電壓或電流過(guò)零點(diǎn)的準(zhǔn)確時(shí)刻，以作為同步分合操作時(shí)間的基準(zhǔn)。其次，雖然永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)本身動(dòng)作時(shí)間的分散性很小，但由于控制電壓、環(huán)境溫度、機(jī)構(gòu)老化與觸頭磨損等等外界條件的影響，使得永磁機(jī)構(gòu)每次的動(dòng)作時(shí)間并不是固定不變的，因此在進(jìn)行控制時(shí)，應(yīng)該對(duì)這些影響因素做出分析，并對(duì)分合閘時(shí)間做出相應(yīng)的補(bǔ)償[14]。由于這些影響因素與分合閘時(shí)間之間的關(guān)系相當(dāng)復(fù)雜，很難用一個(gè)精確的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行描述，所以有很多研究人員考慮將諸如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論等智能控制理論應(yīng)用于其中[15]。通過(guò)測(cè)試表明基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制方式克服了傳統(tǒng)建模方法難以精確建立斷路器同步控制數(shù)學(xué)模型的缺點(diǎn)，既能從故障波形中準(zhǔn)確的提取出過(guò)零點(diǎn)時(shí)刻，又能根據(jù)外界影響因素對(duì)分合閘時(shí)間做出補(bǔ)償，使系統(tǒng)保持相對(duì)一致的分合閘操作時(shí)間，滿足同步控制要求。

5　結(jié)語(yǔ)

相比于傳統(tǒng)的操作結(jié)構(gòu)，單穩(wěn)態(tài)永磁結(jié)構(gòu)有著簡(jiǎn)單可靠、操作耗能少、動(dòng)作分散性小等優(yōu)點(diǎn)，相比于雙穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)有著分閘特性更接近于真空斷路器的機(jī)械特性的優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)對(duì)其機(jī)械結(jié)構(gòu)、二次單元的進(jìn)一步研究，可以使其成為更理想的斷路器結(jié)構(gòu)。而單穩(wěn)態(tài)永磁結(jié)構(gòu)自身良好的特性，又使得它成為智能化斷路器的良好載體，在國(guó)家大力發(fā)展智能電網(wǎng)的今天，有著廣闊的發(fā)展前景。

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Summary of Monostable Permanent Magnet Actuator forVacuum Breaker

He Tianyuan,Liu Zhongye
（Naval Representatives Office in Hunan,Xiangtan 411101,Hunan,China）

This paper compares monostable PMA to traditional actuator and bi-stable PMA.Thestructure and working principle issimply explained.The development prospect is also discussed.

monostable permanent magnet actuator;structure;improve;intelligence

TM464

A

1003-4862（2015）10-0041-04

2015-08-19

賀天元（1984-），男，工程師。研究方向：電機(jī)。