丁剛剛

（山西潞安化工集團電力事業(yè)部，山西 原平 046204）

引言

常見的真空斷路器大致分為永磁操作機構(gòu)、電磁操作機構(gòu)以及彈簧操作機構(gòu)三類[1]。永磁操作機構(gòu)相較于后兩者發(fā)展起步較晚，它是一種較為新穎的操作機構(gòu)，主要應(yīng)用在真空斷路器中。這種機構(gòu)能夠?qū)㈦姶盆F與永磁體通過某種聯(lián)系完美地結(jié)合，其中的永磁體能夠生出永磁力，這股力量可以使真空斷路器恰好維持在分閘或合閘處，當(dāng)線圈中有電流流過時電磁鐵就會產(chǎn)生電磁力，這股力量足以將永磁力壓制從而驅(qū)使鐵芯移動，這樣就可以完成真空斷路器的合閘與分閘目的。相比于傳統(tǒng)的機構(gòu)，永磁操作機構(gòu)無需安裝任何裝置，構(gòu)成簡化、操作簡單，并且它的這兩股力量對于真空斷路器可謂是十分契合，這就使得真空斷路器在完成合閘、分閘過程中動作流暢。

1 永磁操作機構(gòu)研究現(xiàn)狀

自20 世紀80 年代開始，一些西方的資本主義國家，例如德國和英國，率先開辟了針對真空斷路器永磁機構(gòu)的科研領(lǐng)域。從那以后，英國的某個公司將先前國內(nèi)的機構(gòu)模型做了功能方面的改善，可以通過鐵芯自動的進行合閘或分閘的操作，這項改進在很大程度上節(jié)約了電能的損耗。在英國開展永磁機構(gòu)的研究幾年之后的時間里，歐洲其余的老牌資本主義國家也都紛紛加入了進來。

與西方國家相比，即便國內(nèi)關(guān)于永磁操作機構(gòu)的相關(guān)研究起步時間比較晚，但是關(guān)于該項研究的發(fā)展速度還是很快的，目前，國內(nèi)的高?；蚩茖W(xué)研究所都相繼研制出了各有特色的比較新穎的真空斷路器永磁驅(qū)動裝置例如，上海的某個電器公司通過研究制造了一種雙穩(wěn)態(tài)三線圈永磁機構(gòu)，這種裝置是在可移動鐵芯中放置一塊永磁體，通過分閘與合閘，與相應(yīng)的靜態(tài)鐵芯形成回路。國內(nèi)知名的艾博白云電氣技術(shù)有限公司同樣研制了一種新型的永磁機構(gòu)，它主要在移動鐵芯上安放壓縮彈簧，這樣觸頭可以直接接觸到可移動鐵芯。

2 永磁機構(gòu)設(shè)計概述

永磁機構(gòu)的研究與設(shè)計是對永磁機構(gòu)的靜、動態(tài)特性進行評價。永磁機構(gòu)的靜態(tài)特性是指線圈電流相對穩(wěn)定時機構(gòu)的電氣特性和動態(tài)特性。靜態(tài)特性分析方法是永磁機構(gòu)部件組織結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化的主要理論基礎(chǔ)，也是動態(tài)特性分析方法的理論基石。永磁機構(gòu)的動態(tài)特性是指動鐵芯位置和輸入線圈頻率連續(xù)變化時的運動特性、電氣特性和相互作用關(guān)系。在永磁機構(gòu)的設(shè)計中，除規(guī)定條件下機構(gòu)的部分合閘動作外，一般規(guī)定運動速率，以實現(xiàn)真空斷路器滅弧室的平滑分閘。

3 永磁真空斷路器結(jié)構(gòu)及工作原理

3.1 永磁真空斷路器結(jié)構(gòu)

本文提到的永磁真空斷路器，顧名思義就是在真空斷路器的基礎(chǔ)上設(shè)置永磁操作機構(gòu)，它主要是由處于真空狀態(tài)下的滅弧室、永磁操作機構(gòu)、傳動裝置以及外接支架等設(shè)備構(gòu)成的，其具體的結(jié)構(gòu)構(gòu)成圖如圖1所示。

圖1 中滅弧室的作用就是讓設(shè)備處于真空狀態(tài)下工作，達到絕緣效果。永磁操動機構(gòu)主要是提供一個驅(qū)動力，然而這股力量主要來源于電磁原理，隨后使得斷路器驅(qū)動觸頭使之移動，最終可以完成斷路器的分閘與合閘的工作。

圖1 永磁真空斷路器結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 雙穩(wěn)態(tài)永磁機構(gòu)工作原理

雙穩(wěn)態(tài)永磁機構(gòu)，指的是同時具有合閘控制線圈和分閘控制線圈的永磁機構(gòu)。不管可移鐵芯位于哪種接受線圈的末端處，鐵芯都是由電磁原理所形成的電磁力來保持不移動，這樣就間接節(jié)約了其他形式的電能支出，同時所有合閘和分閘等工作也都是由相應(yīng)的接受線圈來完成的[2]。

3.3 單穩(wěn)態(tài)永磁機構(gòu)工作原理

單穩(wěn)態(tài)永磁機構(gòu)，指的是只有一條勵磁線圈的永磁機構(gòu)。機構(gòu)處在合閘動作狀態(tài)時，主要利用由電磁原理所形成的電磁力來保護，在自動分閘動作狀況下則主要利用空氣彈簧片來保持。將僅有在輸入線圈中的輸出電流，進行方向變化后就能夠進行合閘和分閘的動作。

4 永磁機構(gòu)控制系統(tǒng)的設(shè)計

永磁機構(gòu)控制系統(tǒng)是基于永磁機構(gòu)的工作原理來實現(xiàn)的，該系統(tǒng)主要包含下面的幾個部分：電源模塊（直流式）、電容器、收集信號模塊、驅(qū)動模塊（IGBT）、故障監(jiān)測預(yù)警模塊、外界交流模塊以及小型處理器模塊等。具體構(gòu)造如圖2 所示。

圖2 永磁機構(gòu)控制系統(tǒng)示意圖

上述的模塊各有各的作用。其中直流式電源模塊的作用是對外輸入的電壓（交流或直流）轉(zhuǎn)化成能夠為電容器充電的直流式電壓。收集信號模塊是針對整個裝置的信號進行采集并作處理，讓信號電壓符合小型處理器的標(biāo)準(zhǔn)。驅(qū)動模塊（IGBT）主要是采集小型處理器產(chǎn)生的波形信號，操控上述充電電容對執(zhí)行分閘或合閘裝置的供電工作，為真空斷路器的合閘與分閘工作提供條件。驅(qū)動模塊（IGBT）在真空斷路器完成合閘或分閘工作后也隨之關(guān)閉，這也就阻止了電容器的進一步放電，從而循環(huán)到最初的一步，使用直流式電源模塊給電容器再一次充電，以便開展下一次的工作。其中小型處理器是整個系統(tǒng)裝置的一個很重要的組成部分，它對這個控制系統(tǒng)的主要作用就是：對空氣斷路器能否自動完成合閘與分閘的工作做一個標(biāo)準(zhǔn)性的技術(shù)評判，具體的評判標(biāo)準(zhǔn)是電容電壓值的大小是否在預(yù)計范圍內(nèi)，斷口處與斷口處的位置是否在一處，電流感應(yīng)器的接線是否良好[3]。通過分析真空斷路器是否處于正常的工作狀態(tài)來提供合適的指令進行調(diào)整。

5 實驗測試

在完成了永磁機構(gòu)以及相對應(yīng)的控制系統(tǒng)的設(shè)計以后，還要基于控制系統(tǒng)單元，對邏輯控制功能的優(yōu)劣進行一個驗證，這一步工作至關(guān)重要。第一步工作就是針對控制單元的邏輯控制功能應(yīng)用計算機進行仿真模擬，這項工作實際上就是面對多種不同的輸入信號，來測試邏輯控制功能是否良好。如果上述功能良好，第二步工作就是程序輸入到小型處理器模塊中。第三步工作就是將整個控制系統(tǒng)整體通電，目的是為了測試控制系統(tǒng)的各個單元能否正常進行工作。如果沒有任何問題，最后一步就是針對真空斷路器的永磁操作機構(gòu)進行控制系統(tǒng)的測試，并記錄實驗數(shù)據(jù)。

如圖3 所示，為分閘過程中多種信號的波形圖。觀察波形圖可以知道，整個線圈的通電時間為40 s，隨著分閘線圈內(nèi)的電流增大且達到了頂峰時，由電磁原理生成的電磁力也隨之增大并達到最大值，電磁力推動著鐵芯開始移動?？v觀整個移動過程，當(dāng)動鐵芯與靜鐵芯之間的縫隙逐漸變大時，使得維持動鐵芯的移動需要的電磁力會慢慢減小，流經(jīng)線圈的電流也隨著減小。當(dāng)分閘動作徹底完成時，動鐵芯不在移動，這時，流經(jīng)線圈的電流開始逐漸增大，相應(yīng)的電磁力也隨之變大，這股力量可以使可移動鐵芯安全的處在分閘處，避免了分閘之后的反彈現(xiàn)象。所以由實驗可以看出，對于合分閘脈沖時間的把握，可以直接影響到控制系統(tǒng)對真空斷路器的功能甚至整個系統(tǒng)的安全性，這是十分重要的。

圖3 分閘過程曲線