断路器永磁机构特点及原理_电子/电路_工程科技_专业资料。断路器永磁机构特点及原理 摘要： 断 路 器 ，作 为 电 力 系 统 中 重 要 的 控 制 、保 护 设 备 。需 要 借 助 操 动 机 构 来 可 靠 地 完 成 断 路 器 的 分 合 闸
断路器永磁机构特点及原理 摘要： 断 路 器 ，作 为 电 力 系 统 中 重 要 的 控 制 、保 护 设 备 。需 要 借 助 操 动 机 构 来 可 靠 地 完 成 断 路 器 的 分 合 闸 操 作 。近 年 来 出 现 了 一 种 新 型 的 操 作 机 构 — 永 磁 机 构 。它 采 用 了 一 种 全 新 的 工 作 原 理 和 结 构 ，相 对 传 统 的 操 动 机 构 来 说 ，具 有 更 高 的 可 靠 性 ，因 此 备 受 关注。 关键词：断路器；永磁机构 引言 为 了 保 证 电 力 系 统 的 安 全 运 行 ，作 为 控 制 、保 护 元 件 的 断 路 器 必 须 能 切 断 额 定 电 流 ，开 断 关 合 短 路 电 流 ，开 合 各 种 空 载 和 负 荷 电 路 。为 了 完 成 这 些 任 务 ，断 路 器 必 须 能 及 时 可 靠 地 分 合 动 静 触 头 ，这 要 借 助 于 操 作 机 构 来 完 成 。因 此 ，操 作 机 构 的 工 作 性 能 和 质 量 优 劣 ，直 接 决 定 了 断 路 器 的 工 作 性 能 和 可 靠 性 。近 年 来 ，伴 随 着 电 力 电 子 技 术 的 发 展 ，出 现 了 一 种 新 型 的 操 作 机 构 — 永 磁 机 构 。它 采 用 了 一 种 全 新 的 工 作 原 理 和 结构，工作时主要运动部件只有一个，具有较高的可靠性，因此备受关注。 1 永磁机构的构成 传 统 的 操 作 机 构 有 电 磁 操 作 机 构 和 弹 簧 操 作 机 构 。电 磁 操 作 机 构 结 构 较 简 单 ，但 结 构 笨 重 ，合 闸 线 圈 消 耗 功 率 很 大 。弹 簧 操 作 机 构 由 弹 簧 储 能 、合 闸 、保 持 合 闸 和 分 闸 几 个 部 分 组 成 。优 点 是 不 需 要 大 功 率 的 电 源 ，缺 点 是 结 构 复 杂 ，制 造 工 艺 复 杂 ，成 本高，可靠性较难保证。在借鉴了以上两种 操作机构的优缺点的基础上，永磁机构进 行了改进设计。设计中使真空断路器分合闸位置的保持通过永久磁铁实现，取代了传统的 机械锁扣装置。这种磁力机构主要由永久磁铁和分闸、合闸控制线圈组成，当合闸控制线圈 通电后，它使动铁心向下运动，并由永久磁铁保持在合闸位置；当分闸控制线圈通电，动铁 心向反方向运动，同样由永久磁铁将它保待在另一个工作位置即分闸位置上，也就是说，该 机构在控制线圈不通电流时它的动铁心有两个稳定工作状态，（合闸和分闸）。也称双稳态电 磁机构[1]。 永磁操动机构作为替代传统操动机构的一种新型机构，构成单元非常简单。主要由极化 电磁铁、智能控制器、储能电容器、电源模块、位置传感器等五部分组成。 图 1 系统连接组成工作原理框图 2 永磁机构动作原理 动铁心 分闸线、双线圈电磁铁结构 静铁心 极化电磁铁是永磁机构的主要执行部件。 合闸线圈 它由静铁心、动铁心、永磁体和激励线圈 组成, 双线圈电磁铁具有合闸和分闸两个 励磁线]。 永磁体 传动杆 图 2 双线、双稳态电磁铁的工作原理 永磁机构与传统的电磁机构工作原理基本相似，所不同的是分合闸状态前者是通过现代 新型稀土永磁体的强大永磁吸力保持状态；后者是靠机械连锁保持状态。因此，永磁机构（分、 合）动作过程是启动初始靠电磁力 Fs 克服永磁反力 Fm 及机械摩擦力 f。动铁心所受的合力 F 为： Σ F=Fs –Fm –f 当Σ F〉0 时动铁心开始运动，当铁心移动到某一临界间隙时，永磁体磁力 Fm 由反力变为助 动力： Σ F=Fs +Fm –f 由此可见，电磁合力增大，迅速完成（分、合）过程，此后线圈断电由永磁吸力保持（分、 合）状态，如图三所示，应用于真空断路器的操动机构使分合闸动作迅速，且分合闸时间一 致性好，使其应用进一步扩展。 分闸状态 合闸过程 合闸状态 图 3 双稳态电磁铁工作原理 分闸过程 如图 3 分闸状态所示，当断路器处于分闸位置时，动铁芯处于上部，动铁芯与 上 部 的 静 铁 芯 之 间 间 隙 较 小 ，相 对 应 的 磁 阻 也 较 小 ，而 动 铁 芯 与 下 部 的 静 铁 芯 之 间 间 隙 较 大 ，相 对 应 的 磁 阻 也 较 大 ，故 永 久 磁 铁 所 形 成 的 磁 力 线 大 部 分 集 中 在 上 部 ，从 而 产生很大的向上吸引力，将动铁芯紧紧地吸附在上面。 如图 3 合闸过程所示，当断路器要合闸时，合闸线圈通过合闸电流，产生感应 磁 场 ，该 磁 场 对 动 铁 芯 产 生 向 下 的 吸 引 力 ，随 着 合 闸 电 流 的 增 大 ，该 向 下 的 吸 引 力 由 小 变 大 ，当 合 闸 电 流 到 达 某 一 临 界 值 时 ，动 铁 芯 受 到 的 合 力 方 向 向 下 ，开 始 向 下 运 动 。 如图 3 合闸状态所示，当动铁芯到达下部时，永久磁铁和合闸线圈两者产生的 磁 场 将 动 铁 芯 牢 牢 地 吸 附 在 下 部 。几 秒 钟 以 后 ，合 闸 电 流 消 失 ，此 时 永 久 磁 铁 产 生 的 磁场将动铁芯保持在下部位置。至此，断路器完成合闸操作。 基于同样的原理，当分闸线圈得电后，动铁芯向上运动，如图 3 分闸过程所示。 同样由永久磁铁将它保持在分闸位置。 由 以 上 动 作 原 理 可 知 ，永 久 磁 铁 与 分 合 闸 线 圈 相 配 合 ，较 好 地 解 决 了 合 闸 时 需 要 大 功 率 能 量 的 问 题 ，因 为 永 久 磁 铁 可 以 提 供 磁 场 能 量 ，作 为 合 闸 之 用 ，合 闸 线 圈 所 需 提供的能量便相对可以减少，这就使我们可以减小合闸线圈的尺寸和工作电流。 2.3 永磁机构的控制部分 智能控制器主要由五大部分组成：电源模块、信号输入模块、信号输出模块、专用控制 芯片以及电力电子驱动模块，原理框图如下： 电源模块 +110V +5V +15V -15V 电容器 分合闸命令 调 分合闸状态信号 理 电 遥控分合闸命令 路 电源电压监视 电力电 子控制 光 电 隔 离 专用 控制 芯片 光 电 隔 离 电路 运行状 态显示 分闸输出 电力电子 驱动模块 合闸输出 在线 水磁机构的控制部分框图 储能电容器用于储存能量，当合分闸时，它 可向合闸线圈或分闸线W 的脉冲电能，使断路器完成合分闸操作。每次放电后，它能在 10s 内被重新充 电 。晶 体 管 和 晶 闸 管 等 电 力 半 导 体 用 于 分 合 闸 电 流 的 控 制 。当 分 合 闸 线 圈 突 然 失 电 时 ， 由 于 分 合 闸 线 圈 属 电 感 性 元 件 ，电 流 不 能 突 变 ，会 产 生 过 电 压 ，这 时 采 用 续 流 二 极 管 可以很好地解决这一问题。 控制器由可编程元件 FPGA 组成，可以说 FPGA 是整个控制部分的灵魂。通过设定 的 预 置 程 序 ，我 们 实 现 储 能 电 容 充 电 恒 压 ，过 充 电 截 压 保 护 ，就 地 合 分 闸 和 远 方 合 分 闸 ，合 分 闸 遥 信 输 出 ，与 电 力 系 统 自 动 综 合 保 护 联 合 实 施 各 种 保 护 合 闸 和 重 合 闸 操 作 等功能。 3 特点 （1）永久磁铁与分闸、合闸控制线圈结合，解决了合闸时需要大功率能量的问题。 （2）真空灭弧室的动触头靠永久磁铁产生的力通过拐臂、绝缘拉杆使其保持在合闸、分闸 位置上，取代传统的机械锁扣方式，机械结构大为简化，仅有几个活动部件，零件总数约为 50 件左右，耗材少，节能且成本低。 （3）操动机构无需机械锁扣和辅助电器，机械动作的可靠性大大提高，能够实现免维护， 节省维修费用。 （4）真空断路器采用永磁操动机构，永磁力可保证 100 年不消失，该机构寿命高达 10 万次， 以电磁力进行分合闸操作，以永磁力进行双稳态保持，简化了传动链，降低了能耗和噪音。 开断能力强，安全可靠。与传统的弹簧机构和电磁机构相比，机械寿命至少提高 3 倍。 （5）采用先进的真空灭弧室，额定电流为 630A-3150A，额定短路开断电流为 31.5kA—40k A，技术性能达到世界领先水平。 （6）断路器机构简单，布局合理。真空灭弧室纵向安装在绝缘筒内，即使在恶劣的环境下， 仍能保持很高的抗爬电性能及绝缘性能。本产品无爆炸、无污染、噪音低、体积小、重量轻、 寿命长。 参考文献： [1] 林莘。永磁机构与真空断路器[M].北京：机械工业出版社，2002. [2] 谭东现，李岩，牟坚，等.动态式双稳态永磁机构的研究[J].高压电器，2007，43（3）： 229-231
