丁立科

摘 要：永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作可靠、免維護(hù)、使用壽命長(zhǎng)，所以，被廣泛應(yīng)用于真空斷路器中。分析、計(jì)算了12 kV永磁真空斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)的磁場(chǎng)和操動(dòng)力，在此基礎(chǔ)上研制出了12 kV永磁真空斷路器樣機(jī)，并做了機(jī)械特性試驗(yàn)。通過(guò)對(duì)比、分析永磁機(jī)構(gòu)的機(jī)械特性理論值和樣機(jī)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，明確了雙穩(wěn)態(tài)永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)與單穩(wěn)態(tài)永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的主要差別、永磁機(jī)構(gòu)優(yōu)于其他機(jī)構(gòu)的地方。

關(guān)鍵詞：永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)；斷路器；機(jī)械特性；分合閘線圈

中圖分類號(hào)：TM561.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.02.110

隨著科學(xué)技術(shù)和我國(guó)電力系統(tǒng)的迅猛發(fā)展，社會(huì)各界對(duì)電力網(wǎng)絡(luò)的安全性和可靠性提出了更高的要求，這是科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和人類社會(huì)的發(fā)展對(duì)電力系統(tǒng)的需求。作為電力系統(tǒng)的主要開關(guān)元件——斷路器，它既要實(shí)現(xiàn)正常電流的關(guān)合與分?jǐn)啵€要能切斷過(guò)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(dòng)機(jī)構(gòu)作為斷路器的核心部件，其性能是關(guān)鍵。近幾年，電磁操動(dòng)、永磁保持、電子控制的操動(dòng)機(jī)構(gòu)備受大家的關(guān)注。要想提高操動(dòng)機(jī)構(gòu)的可靠性，就要取消一些機(jī)械裝置的脫、鎖扣環(huán)節(jié)，采取永久磁鐵實(shí)現(xiàn)終端位置的保持，進(jìn)一步減少動(dòng)作元件和零部件數(shù)目，為保證斷路器的可靠性奠定基礎(chǔ)。這種機(jī)構(gòu)被稱為永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)，被廣泛應(yīng)用于真空斷路器中。

1 雙穩(wěn)態(tài)永磁斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)

1.1 工作原理

永磁斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)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(jī)構(gòu)的動(dòng)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(jī)構(gòu)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(shí)，動(dòng)鐵芯的動(dòng)力由分合閘線圈的勵(lì)磁提供；單穩(wěn)態(tài)是指在分合閘時(shí)，動(dòng)鐵芯的動(dòng)力由同一個(gè)線圈的勵(lì)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(dòng)機(jī)構(gòu)，它采用的是圓柱形雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)。單穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)與其原理相似，只作簡(jiǎn)單的介紹。

1.2 磁缸

永磁機(jī)構(gòu)的動(dòng)力源及其驅(qū)動(dòng)都來(lái)自磁缸，它是永磁機(jī)構(gòu)的核心部件。雙穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)磁缸剖面如圖1所示。永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)工作的基本原理是電磁操動(dòng)，與彈簧操作機(jī)構(gòu)不同，它是使用永磁體實(shí)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(jī)構(gòu)）的一種新型電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)；與傳統(tǒng)斷路器電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)相比，它充分利用了永磁鐵的磁場(chǎng)。當(dāng)斷路器處于合閘或分閘位置時(shí)，線圈中無(wú)電流通過(guò)，永磁體通過(guò)動(dòng)、靜鐵芯提供的低磁阻抗通道及其自身的磁場(chǎng)將動(dòng)鐵芯維持在合閘或分閘位置，不需要任何機(jī)械聯(lián)鎖、閉鎖機(jī)構(gòu)。當(dāng)有動(dòng)作信號(hào)時(shí)，分合線圈會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的電流，產(chǎn)生的電磁動(dòng)勢(shì)使動(dòng)鐵芯和驅(qū)動(dòng)桿動(dòng)作驅(qū)動(dòng)拐臂，實(shí)現(xiàn)斷路器的合分閘。

1.3 分合閘磁場(chǎng)分布情況

當(dāng)永磁斷路器處于合閘（分閘）位置時(shí)，線圈無(wú)電流通過(guò)，永磁體利用動(dòng)、靜鐵芯提供的低磁阻抗通道將動(dòng)鐵芯保持在合閘（分閘）的位置。分閘（合閘）的動(dòng)作指令下達(dá)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(dāng)其達(dá)到一定值時(shí)，動(dòng)鐵芯會(huì)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)分閘動(dòng)作或合閘動(dòng)作。將永磁場(chǎng)與線圈磁場(chǎng)疊加產(chǎn)生了如圖2、圖3所示的機(jī)構(gòu)合分閘保持狀態(tài)時(shí)的磁場(chǎng)（磁場(chǎng)為軸對(duì)稱模型，圖示只顯示了1/2磁場(chǎng)線分布情況）分布示意圖。

由圖2、圖3所示的磁場(chǎng)分布疏密程度可知，在合閘和分閘的過(guò)程中，先要利用合分閘線圈通電產(chǎn)生的電流構(gòu)建磁場(chǎng)。通過(guò)線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)力（磁場(chǎng)力大于機(jī)械壓力和永磁鐵保持力之和）使得動(dòng)鐵芯運(yùn)動(dòng)。當(dāng)動(dòng)鐵芯在一定位置（動(dòng)鐵芯與靜鐵芯上下間隙相同）時(shí)，永磁鐵產(chǎn)生的磁場(chǎng)會(huì)從原來(lái)阻礙動(dòng)鐵芯運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榧铀賱?dòng)鐵芯運(yùn)動(dòng)。動(dòng)鐵芯在整個(gè)過(guò)程中做變加速運(yùn)動(dòng)。在合閘、分閘這兩個(gè)狀態(tài)下，可利用動(dòng)鐵芯與靜鐵芯之間的低磁阻抗磁路來(lái)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(chǔ)能電容儲(chǔ)能后，通過(guò)控制器發(fā)出分合指令操作斷路器的開斷。在永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的作用下，測(cè)試真空斷路器的動(dòng)態(tài)性能時(shí)，可將測(cè)試電路接在固封極柱處。在試驗(yàn)中，可利用機(jī)械特性測(cè)試儀顯示出動(dòng)鐵芯位移與時(shí)間的關(guān)系圖、分合閘速度等所需的斷路器機(jī)械特性數(shù)值。通過(guò)分析這些數(shù)值是否符合斷路器工作特性來(lái)改進(jìn)斷路器機(jī)構(gòu)，從而設(shè)計(jì)出合理的設(shè)備。儲(chǔ)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(gè)儲(chǔ)能電容分別連接在合閘、分閘線圈的支路上。

2.2 機(jī)械特性

通過(guò)測(cè)試研制的樣機(jī)可知，在永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)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(dāng)?shù)恼{(diào)整——設(shè)計(jì)分閘彈簧。在動(dòng)鐵芯運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，分閘彈簧的作用是為動(dòng)鐵芯提供動(dòng)力，并與分閘線圈勵(lì)磁產(chǎn)生的分閘力一起作用于動(dòng)鐵芯，實(shí)現(xiàn)分閘操作；在合閘操作中，分閘彈簧始終為動(dòng)鐵芯施加阻力。除了使用彈簧外，也可以使用緩沖器來(lái)滿足相關(guān)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(duì)比、分析試驗(yàn)測(cè)出的速度值與設(shè)計(jì)要求值可知，當(dāng)合閘速度較慢、分閘速度較快時(shí)，需要加快合閘速度，適當(dāng)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?yàn)樵谄渌麠l件不變的情況下，不同線徑的彈簧伸縮相同長(zhǎng)度時(shí)提供的力是不同的。分閘彈簧力的變化對(duì)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(guò)減小分閘彈簧的預(yù)緊力來(lái)減小分閘彈簧的力。減小分閘力時(shí)，合閘力就會(huì)相應(yīng)升高，以達(dá)到調(diào)節(jié)的效果。相反，當(dāng)合閘速度較快、分閘速度較慢時(shí)，需要降低合閘速度，適當(dāng)提高分閘速度。方法與方案一相反即可。

斷路器機(jī)械特性參數(shù)測(cè)試的結(jié)果證明，研制的樣機(jī)達(dá)到了12 kV戶內(nèi)真空斷路器的設(shè)計(jì)要求，并且其永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的配置是正確的。但是，樣機(jī)測(cè)試數(shù)據(jù)也反映了雙穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)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(duì)稱；兩線圈匝數(shù)一樣，而磁缸分合閘位置不對(duì)稱。這種不足可以采取改進(jìn)內(nèi)部零部件和優(yōu)化磁回路的方法來(lái)解決，即合理改進(jìn)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(lái)講，改變分合閘的磁場(chǎng)分布能夠滿足斷路器的工作要求。

3 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)比、分析了試驗(yàn)樣機(jī)所測(cè)數(shù)據(jù)可知，單穩(wěn)態(tài)永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)與雙穩(wěn)態(tài)永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的主要區(qū)別是：在相同的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)下，前者所需的保持力比后者要大，這樣不利于減小機(jī)構(gòu)和永磁體的尺寸。合閘時(shí)，兩種機(jī)構(gòu)動(dòng)作特性很相近，分閘時(shí)，它們又存在較大的差異。雙穩(wěn)態(tài)永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)與斷路器的負(fù)荷特性不同，單穩(wěn)態(tài)永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的分閘速度特性與彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)較為相似，剛分點(diǎn)前加速，剛分點(diǎn)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(dòng)機(jī)構(gòu)和單穩(wěn)態(tài)永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)各有優(yōu)劣。

與其他斷路器機(jī)構(gòu)相比，永磁斷路器機(jī)構(gòu)有很多優(yōu)點(diǎn)，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(jī)構(gòu)運(yùn)行的可靠性。②正確設(shè)計(jì)磁路（合理設(shè)計(jì)斷路器磁缸中分合閘線圈、永磁鐵、動(dòng)鐵芯的尺寸和外形結(jié)構(gòu)），增大分閘、合閘的保持力，降低分閘、合閘時(shí)對(duì)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(shí)控制三相滅弧室。這樣做，不但保證了分合閘操作時(shí)三相的同期性，控制了首開相的燃弧時(shí)間（1 ms內(nèi)），還簡(jiǎn)化了傳動(dòng)鏈，無(wú)需設(shè)置機(jī)械脫、鎖扣裝置，從而減少了故障源。④整個(gè)機(jī)構(gòu)比彈簧機(jī)構(gòu)的機(jī)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(jī)構(gòu)和彈簧機(jī)構(gòu)相比，永磁斷路器機(jī)構(gòu)的機(jī)械壽命高達(dá)10萬(wàn)次以上，至少提高了3倍以上。⑤由于永磁機(jī)構(gòu)比其他機(jī)構(gòu)的機(jī)械零部件要少，而且現(xiàn)代電氣元件也越來(lái)越小，所以，可以極大地縮小永磁斷路器機(jī)構(gòu)的外形尺寸，使其逐步朝著小型化機(jī)構(gòu)的方向發(fā)展。⑥由于永磁機(jī)構(gòu)有電磁場(chǎng)及其永磁場(chǎng)的存在，因此，它在向智能化發(fā)展的同時(shí)需要更好的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)和環(huán)境基礎(chǔ)作保障。

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〔編輯：白潔〕