礦用雙線圈雙穩(wěn)態(tài)永磁真空斷路器的設計

郭倩，包敬華，李桂材

(1．徐州煤礦機械廠，江蘇 徐州 221000;2．璐安新疆哈密一礦，新疆 哈密 839000)

礦用雙線圈雙穩(wěn)態(tài)永磁真空斷路器的設計

郭倩1，包敬華1，李桂材2

(1．徐州煤礦機械廠，江蘇 徐州 221000;2．璐安新疆哈密一礦，新疆 哈密 839000)

主要介紹了雙線圈雙穩(wěn)態(tài)永磁真空斷路器的靜態(tài)分析及控制器設計原理。

雙線圈;雙穩(wěn)態(tài);永磁;真空斷路器

1 引言

永磁斷路器操作機構技術的研究始于20世紀80年代末，隨著技術的發(fā)展，永磁操作機構的優(yōu)點越來越明顯，煤礦井下電網中也越來越多的采用永磁斷路器，與電磁操動機構和彈簧操動機構相比，永磁操動機構具有如下優(yōu)點:

(1)結構簡單，運動部件少，機械可靠性大大提高。(國際大電網會議組織的國際調查表明，機械故障高達總故障的70.3%，如果包括輔助電器和控制回路的故障，則為89.4%)。

(2)采用永磁作為保持力，不會產生傳統(tǒng)機構的操作失誤，方便實現(xiàn)免維護運行。

(3)輸出特性和真空斷路器的開關機械特性相匹配，能夠達到良好的速度特性。

(4)傳動機構十分簡單，由分合閘線圈的勵磁電流產生的磁場直接驅動動鐵芯，動鐵芯又直接和主軸相連。由于動作部件少，具有更好的可控性。

本文主要介紹了礦用雙線圈雙穩(wěn)態(tài)真空磁斷路器的設計。

2 永磁操動機構簡介

(1)永磁操動機構是用永磁體實現(xiàn)合閘保持和分閘保持(有時只用永磁體作合閘保持而不作分閘保持)的一種新型的電磁操動機構。

(2)按原理可分為單穩(wěn)態(tài)和雙穩(wěn)態(tài)兩種。

①雙穩(wěn)態(tài)永磁操動機構是指開關無論在分閘位置還是合閘位置，其保持力都由永久磁鐵提供，它可分為對稱式結構(雙線圈式)和非對稱式結構(單線圈式)。

②單穩(wěn)態(tài)永磁機構是指開關在合閘位置，其保持力由永久磁鐵提供，而在分閘位置則由分閘彈簧提供。

3 雙線圈雙穩(wěn)態(tài)永磁斷路器操作機構及靜態(tài)分析

雙線圈式永磁機構的特點是采用永久磁鐵使真空斷路器分別保持在分閘和合閘的極限位置上，使用一個激磁線圈將機構的鐵芯從分閘位置推動到合閘位置，使用另一激磁線圈將機構的鐵芯從合閘位置推動到分閘位置。

當斷路器處于合閘位置時，如圖1(a)所示，永久磁鐵利用動、靜鐵芯及工作氣隙I提供的低磁阻抗通道將動鐵芯保持在合閘位置。當機構接到分閘命令時，分閘線圈7通電。分閘線圈在工作氣隙I產生的磁感應強度的方向與永磁材料所產生的磁感應強度的方向相反。當分閘線圈的電流達到某一值時，使動鐵芯在工作氣隙II處產生的向下的吸力大于在工作氣隙I處向上的吸力時，動鐵芯開始向下運動，并且隨著位移的增加，工作氣隙II的磁阻逐漸減小，磁感應強度越來越大，動鐵芯向下呈加速運動。當動鐵芯運動至超過運動行程一半以后，如圖1(b)所示，永磁體在工作氣隙II處產生的磁感應強度大于在工作氣隙I處的磁感應強度，于是進一步加速了動鐵芯的運動速度，直到分閘到位，如圖1(c)所示。當切斷分閘線圈中的電流后，動鐵芯在永磁體的單獨作用下將自動保持在分閘位置上。

圖1 雙線圈永磁機構的結構簡圖

圖2 機構的吸反力特性圖

永磁體單獨作用時，對三維模型進行計算，其機構整體的磁感應強度矢量分布和銜鐵中的磁感應強度矢量分布圖結果如圖2所示(閉合和d=10mm時)。從三維結果圖中可以清楚的看出在不同開距下，永磁操動機構中的整體磁感應強度和銜鐵中的磁感應強度的變化情況。隨著開距的增加，銜鐵中的磁感應強度越來越小，也就是說銜鐵的受力越來越小。由此，可進一步分析出永磁操動機構吸反力特性曲線，如圖2所示。了保證有效熄弧及不引起重燃，觸頭的動作速度應適當快些，這就要求在規(guī)定的行程下機構動鐵心要有較高的運動速度。這將引起碰撞能量的增加，從而對電氣和機械壽命的提高不利。由此可見，加快動作與減輕碰撞兩個技術要求是有矛盾的，必須在研究動態(tài)過程中統(tǒng)籌考慮。同時由于永磁機構行程較大，動靜鐵心之間的氣隙較大，在線圈通電時漏磁在總磁通中占有很大比例，忽略漏磁的影響將會造成較大的計算誤差。進一步精確計算與分析永磁機構動態(tài)特性對合理設計機構并進行機構與開關本體間特性配合具有重要理論和現(xiàn)實意義。采用方法:對ANSYS軟件進行二次開發(fā)，利用C語言和APDL語言編制動態(tài)特性計算程序。

4 永磁機構的智能控制器的設計

永磁機構動態(tài)特性是由電磁和機械綜合的過渡過程決定的，或者說是由電磁吸力和負載反力配合過程決定的。關注永磁機構的動態(tài)過程的目的在于:一是可以計算機構的動作時間，進而計算開關觸頭的動作時間及觸頭的運動速度;二是確定動作過程中吸力與反力的合理配合，使之既保證動作的可靠性，又能改善機械碰撞，提高電氣和機械壽命。對于斷路器而言，為

通過智能操作單元對電網參數(shù)進行采集和處理，對自身狀態(tài)進行監(jiān)測和判斷，然后根據(jù)預先確定的程序動作。并可根據(jù)需要調整斷路器的操動機構的運動參數(shù)，從而獲得合適的分合閘速度和最佳分合閘時間。永磁機構的控制系統(tǒng)接受光電信號，并通過邏輯判斷最終給出指令控制操動機構動作，其性能的好壞直接關系到整個斷路器的性能。它可采用電子控制，以實現(xiàn)真空斷路器的所有功能，同時還可具有智能化功能，可融合在線檢測技術來最大限度地體現(xiàn)永磁機構的優(yōu)越性。

圖3 斷路器智能控制的工作原理圖

圖3中為斷路器智能控制的工作原理圖，由數(shù)據(jù)采集、智能識別和執(zhí)行機構(調節(jié)裝置)三個基本模塊構成。

(1)智能識別控制模塊:它是智能控制單元的核心，由微控制器構成微機控制系統(tǒng)，能根據(jù)操作前所采集到的電網信息和主控制室發(fā)出的操作信號，自動識別當次操作時斷路器所處的電網工作狀態(tài)。顯示斷路器是否具備可以操動的條件、斷路器的合分閘狀態(tài)、斷路器動作執(zhí)行情況，給出系統(tǒng)電壓、操作電壓的信息，以及斷路器操動機構故障報警信號，供運行人員了解斷路器的工作狀態(tài)。并根據(jù)事先程序，決定對執(zhí)行機構發(fā)出調節(jié)信息，從而使斷路器發(fā)出相應的動作。

(2)數(shù)據(jù)采集模塊:它由小型電壓、電流轉換裝置和高速多通道模/數(shù)轉換器組成，隨時接收斷路器的合閘命令、分閘命令、失壓跳閘信號、過流跳閘信號，接收傳感器提供的斷路器合分狀態(tài)信號、斷路器位置信號，接收系統(tǒng)電壓、斷路器的操動電源信號以及復位信號等。并對這些信號進行整形、處理，把數(shù)據(jù)由模擬量轉換為數(shù)字量，供智能識別模塊進行處理分析，使之滿足智能控制模塊的要求。

(3)執(zhí)行機構(調節(jié)裝置):它由能接收定量控制信息的部件和驅動執(zhí)行器組成，作用是用來控制合閘與分閘線圈的勵磁。

5 結論

永磁操作斷路器具有別的機械斷路器所不具有的特點，在煤礦生產機械中的應用越來越多。永磁操作機構簡單、可靠、成本低，動態(tài)響應快、優(yōu)勢已經被認同，近年永磁操作機構在快速發(fā)展，在煤礦生產機械方面會有更大的應用和發(fā)展。

［1］ 林莘．永磁機構與真空斷路器［M］．機械工業(yè)出版社．

Design of the M ine Dual-Coil Bistable Permanent Vacuum Breaker

GUO Qian1，BAO Jing-hua1，LIGui-cai2
(1．Xuzhou Coal Mine Machinery Factory，Xuzhou 221000，China;2．The Coal Minel of Lu'an in Xinjiang Hami，Hami839000，China)

This paper introduces the static analysis and controller design principle of the dual coil bistable permanent vacuum breaker.

double coil;bistable;permanent;vacuum breaker

TM56

B

1004－289X(2013)05－0052－03

2012－12－18