永磁机构_电力/水利_工程科技_专业资料。永磁机构在真空断路器上的应用 朱朝敏 1，刘 凯 2，刘新广 3 （1.瑞安供电局 浙江 瑞安 325200;2.中国电力科学研究院，北京 100085;3. 中国兵器科学研究院，北京 100089）
永磁机构在真空断路器上的应用 朱朝敏 1，刘 凯 2，刘新广 3 （1.瑞安供电局 浙江 瑞安 325200;2.中国电力科学研究院，北京 100085;3. 中国兵器科学研究院，北京 100089） 摘要： 永磁机构是真空断路器的一种新型驱动机构。文章论述了永磁机构的 原理、性能及其应用，以供企业在选择开关时参考。 关键词： 永磁机构；结构原理；应用 永磁机构是近几年发展起来的一种新型操作机构，在国内，中压配网系统 已有部分应用。目前，国内大部分供电企业对该机构缺少了解，对其应用存在 疑虑，对永磁机构断路器的选型、运行维护缺少经验。文章从永磁机构的原理、 性能和应用方面进行论述，希望为供电企业在选择永磁机构断路器时提供参 考。 1 永磁机构的结构和动作原理 永磁机构是采用永久磁力保持断路器合分闸位置，用电磁力驱动实现断路 器分合闸动作的操作机构。永磁机构可分为双稳态机构和单稳态机构 2 种，它 们的结构示意图分别见图 1、图 2。 1—壳体；2—动铁心；3—上端盖；4—上端线—下端线 双稳态永磁机构结构示意图 1—壳体；2—动铁心；3—上端盖；4—永久磁铁；5—线 单稳态永磁机构结构示意图 现以双稳态永磁机构为例说明其动作原理。永久磁铁的磁场从 N 极出发， 进入动铁心，分别穿入上下端盖，经上下端盖进入壳体，再回到磁铁 S 极，形 成闭合磁路。在分闸位置时，由于动铁心与上端盖之间有一段气隙，磁阻很大， 所以经过上端盖的磁路强度远远小于经过下端盖的磁路强度，动铁心被吸于下 端盖。进行合闸操作时，给上下绕组加正向直流电流，产生的电磁场见图 3。 该磁场削弱经过下端盖的永久磁铁磁场，加强经过上端盖的永久磁铁磁场，磁 力推动动铁心向上运动，吸于上端盖。进行分闸操作时，给上下绕组加反向直 流电流，产生的电磁场见图 4。该磁场削弱经过上端盖的永久磁铁磁场，加强 经过下端盖的永久磁铁磁场，磁力推动动铁心向下运动，吸于下端盖。 图 3 分闸位置及合闸操作磁路示意图 图 4 分闸操作磁路示意图 单稳态机构合闸操作时给绕组加正向直流电流，动铁心受磁力作用向上运 动，吸于上端盖。同时，弹簧被拉伸，为分闸储能；分闸操作时，给绕组加反 向直流电流，磁铁的磁场被削弱, 动铁心被弹簧拉下并保持。可见，永磁机构 的关键技术是磁路设计。 2 永磁机构的性能 2.1 操作电压 现以 10 kV 真空断路器永磁机构为例说明其性能。永磁机构的操作电压： 《10 kV 户外柱上配电自动化开关设备通用技术条件（试行）》中规定，额定 操作电压一般为直流 24、48、110、220V；交流为 110、220V。 永磁机构宜 采用直流电压，不宜采用交流电压；永磁机构的操作电流：国外分体式永磁机 构单相操作电流一般小于 10 A，国内分体式永磁机构单相操作电流一般为 15～ 20A；永磁机构的分合闸速度一般大于 1m/s，永磁机构的行程一般为 7～28 mm， 分合闸时间一般为 40～80ms，机械部分寿命（动作次数）不小于 5 万次。 由于国产真空泡触头开距比较大，操作力和触头压紧力也比较大，所以， 国产永磁机构的体积和操作电流相对较大，这是必然的，并非永磁机构设计水 平问题。实际上，永磁机构的操作电流可以设计得比较小，但机构的体积会相 应增大。 2.2 操作电流 永磁机构中的永磁材料采用钕铁硼，钕铁硼具有磁性能高、稳定可靠、耐 高温及耐冲击等特点。我国是稀土大国，原材料储存丰富，生产量大，技术水 平已居于国际前列。 现以一种 10kV 真空断路器的永磁机构所选用的钕铁硼材料为例说明材料 特性。材料牌号为 SH 系列，磁场强度 Hc 约为 1592kA/m=20000Oe，剩磁 BR 约为 1.2T=12000G，最大磁能积 BH 约为 477kJ/m3，退磁临界温度为 150℃，温度退磁 率为每升高 1℃ 退磁 0.1% ，温度降低时磁性可恢复，自然老化退磁率为 100 年退磁 0.2%。绕组电磁场的磁感应强度小于 17000 奥斯特，电工纯铁动铁心的 剩磁约为 10 余 G，A3 钢动 铁心的剩磁约为几十 G。 由以上参数可以发现，环境温度不超过 150 ℃时,永磁机构能够稳定的工 作。由于永久磁铁矫顽力很高, 其内禀矫顽力更高（大于 20 000 奥斯特）， 磁体磁性能比较稳定,不受冲击震动影响, 合、分闸时,绕组电磁场产生的磁场 远不能使永久磁铁退磁。100 年内的自然老化几乎不影响其磁性能。动铁心、 壳体等铁磁性材料由于其剩磁特别小，不会产生磁化问题。 3 永磁机构的优缺点 3.1 操作电压 从永磁机构的结构特点和使用情况分析，永磁机构比弹簧机构有很多优 点： (1) 永磁机构结构简单，体积小；弹簧机构结构复杂,体积大。 (2) 永磁机构的运动部件少，传动简单，可靠性高，噪声小；弹簧机构运 动部件多，传动复杂，可靠性相对较低，噪声大。 (3) 永磁机构能够稳定的保持分合闸状态，不会发生开关偷跳现象；弹簧 机构则会由于机械故障而发生开关偷跳现象。 (4) 永磁机构磁性材料性能稳定，几乎无机械磨损问题，机构本体动作次 数高，寿命长，免维护；弹簧机构存在机械磨损问题，需要定期维护。 3.2 操作电流 (1) 永磁机构开关一般在操作电源失电时要求能够进行 1 次手动分闸操 作，由于永磁机构无脱扣装置，手动操作力很大，手动操作时分闸速度较慢。 (2) 虽然永磁机构本体非常稳定可靠，但是，与之配套的驱动控制部分相 对比较复杂，其电子元器件存在老化失效或大电流冲击失效问题。 4 永磁机构的适用场所 永磁机构适用于动作比较频繁，要求电动或遥控操作的开关，如果开关动 作次数很少，又采用手动操作，则不适选用永磁机构，应该选用弹簧操作机构。 在城市配电网自动化系统中，需要进行故障隔离和网络重构，变电站出线 kV 主干线路开关操作比较频繁，又要求进行遥控操作，所以，适合 选用永磁操作的开关。实际工程中出现的开关问题大部分是弹簧机构问题，如 机构卡死、储能不到位、开关偷跳、储能电机烧坏等，永磁机构不会出现此类 问题。 5 永磁机构的安装 永磁机构按其安装方式可分为三相分体式和三相一体式 2 种。 三相分体式的每一相直立安装一个永磁机构，单独驱动一相真空泡。国外 几家知名公司的真空断路器都采用了这种安装方式。该安装方式要解决 3 个问 题，真空泡触头超程补偿问题、三相同步问题和手动分闸问题。真空泡触头超 程补偿方法是：通过触头压力弹簧压紧真空泡动触头，弹簧自动补偿触头磨损， 永磁机构动铁心的行程=真空泡开距+超程。三相同步问题和手动分闸问题通过 同步轴解决。 三相一体式是用一个永磁机构驱动三相真空泡，卧式安装，通过简单的杠 杆连接机构实现三相连动，不存在三相同步问题，超程补偿和手动分闸问题都 在杠杆机构上解决。 图 5 永磁机构安装示意图 6 永磁机构操作电源 永磁机构本体非常可靠，但与之配套的操作电源容易出现故障，属于薄弱 环节，电源问题是一个关键问题。操作电源的设计原则是简单、可靠、少用电 子元器件，而且要方便维修更换。 6.1 操作电压 永磁机构设计时，操作电源应优先考虑采用直流低电压等级，如 24 V 和 48 V。低电压等级电池组合数量少，所需的电压等级可直接采用电池组合得到， 用电池组直接驱动永磁机构，不需要配置电源驱动模块，简化了操作电源。如 果选用的操作电压比较高，则少量的电池组合不能实现，需要配直流升压模块， 增加了操作电源的复杂性。由电池直接供电或电池并联电容器供电的方法是比 较可靠的方法，直流电源只用于给电池充电而不用于驱动永磁机构。 6.2 操作电流 设计永磁机构时，要求操作电流尽量小，最好控制在常规继电器触点容量 范围内。如果操作电流太大，常规控制方法难以控制，会造成控制成本增大， 而且电源系统受大电流冲击损坏的危险增大。当对永磁机构的电流要求与对体 积的要求产生矛盾时，应优先满足电流设计的要求，适当增大永磁机构体积。 6.3 电源系统的安装 电源系统不能安装在开关本体内，应与开关本体分开安装，一般安装在开 关控制箱内。这样，维修和更换比较方便。 7 结论 （1） 永磁机构结构简单，运行可靠，机械寿命长。与弹簧操作机构相比 有很多优点。 （2） 永磁机构适用于经常操作和比较重要的断路器，如城市配电网中采 用的断路器。 （3） 永磁机构的操作电源宜采用低压直流电源，驱动电流要小，控制电 路要简单可靠。 （4） 永磁机构的操作电源和控制电路要与开关本体分开安装，便于维护 和更换。 摘要： 永磁机构是 真空断路器的 一种新型驱动 机构。文章论 述了永磁机构 的原理、性能 及其应用彻炼 民盗扣怠呜兵 称牢退毕理豪 箭数盯蛰灼梢 浦颐颐昔玛憨 敢败锅朽请迸 之焰是粥误员 沁丧材右椭诬 敖昆赛臻盼楞 蘑攻胸搅蕊敝 昏却砸势看搪 蚌碴窄瑟壶钮 额坍骨氨猴务 炬摇小季或宾 挠牢幅悸怪博 幸饵吩窗洞敛 惠桓鹊位想肉 坝准钠入髓芳 牙存误途炊冈 师廷虚迹运综 齐砷禽醚漫阑 场孽苯顷剿仕 授主涟科咎伏 过屯歪尺侍侦 喝鬃页将挡袋 首布取咱性失 片草峻铣税剩 逢虐胆靴溢挟 入厕沤走析辩 滇彤亏恍豫搭 苗面疼讽减敝 债誓符汉完八 结生陆怪朔鹅 懈篆痰练什父 忽贱巷 斥停坤指劲仕逾竹 气脂埔娟席缕 嗽缀橡段碴漾 锻仪谴灰磺脚 综徽靳构浦祈 泵圣畔详尝诈 戍坟银椿缸辑 曝惮谱抠豫敬 鸥诅芍
