真空斷路器永磁機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)測(cè)試

丁剛剛

（山西潞安化工集團(tuán)電力事業(yè)部，山西 原平 046204）

引言

常見(jiàn)的真空斷路器大致分為永磁操作機(jī)構(gòu)、電磁操作機(jī)構(gòu)以及彈簧操作機(jī)構(gòu)三類[1]。永磁操作機(jī)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(jī)構(gòu)，主要應(yīng)用在真空斷路器中。這種機(jī)構(gòu)能夠?qū)㈦姶盆F與永磁體通過(guò)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(guò)時(shí)電磁鐵就會(huì)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(dòng)，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(jī)構(gòu)，永磁操作機(jī)構(gòu)無(wú)需安裝任何裝置，構(gòu)成簡(jiǎn)化、操作簡(jiǎn)單，并且它的這兩股力量對(duì)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(guò)程中動(dòng)作流暢。

1 永磁操作機(jī)構(gòu)研究現(xiàn)狀

自20 世紀(jì)80 年代開(kāi)始，一些西方的資本主義國(guó)家，例如德國(guó)和英國(guó)，率先開(kāi)辟了針對(duì)真空斷路器永磁機(jī)構(gòu)的科研領(lǐng)域。從那以后，英國(guó)的某個(gè)公司將先前國(guó)內(nèi)的機(jī)構(gòu)模型做了功能方面的改善，可以通過(guò)鐵芯自動(dòng)的進(jìn)行合閘或分閘的操作，這項(xiàng)改進(jìn)在很大程度上節(jié)約了電能的損耗。在英國(guó)開(kāi)展永磁機(jī)構(gòu)的研究幾年之后的時(shí)間里，歐洲其余的老牌資本主義國(guó)家也都紛紛加入了進(jìn)來(lái)。

與西方國(guó)家相比，即便國(guó)內(nèi)關(guān)于永磁操作機(jī)構(gòu)的相關(guān)研究起步時(shí)間比較晚，但是關(guān)于該項(xiàng)研究的發(fā)展速度還是很快的，目前，國(guó)內(nèi)的高校或科學(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(dòng)裝置例如，上海的某個(gè)電器公司通過(guò)研究制造了一種雙穩(wěn)態(tài)三線圈永磁機(jī)構(gòu)，這種裝置是在可移動(dòng)鐵芯中放置一塊永磁體，通過(guò)分閘與合閘，與相應(yīng)的靜態(tài)鐵芯形成回路。國(guó)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(jī)構(gòu)，它主要在移動(dòng)鐵芯上安放壓縮彈簧，這樣觸頭可以直接接觸到可移動(dòng)鐵芯。

2 永磁機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)概述

永磁機(jī)構(gòu)的研究與設(shè)計(jì)是對(duì)永磁機(jī)構(gòu)的靜、動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行評(píng)價(jià)。永磁機(jī)構(gòu)的靜態(tài)特性是指線圈電流相對(duì)穩(wěn)定時(shí)機(jī)構(gòu)的電氣特性和動(dòng)態(tài)特性。靜態(tài)特性分析方法是永磁機(jī)構(gòu)部件組織結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化的主要理論基礎(chǔ)，也是動(dòng)態(tài)特性分析方法的理論基石。永磁機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性是指動(dòng)鐵芯位置和輸入線圈頻率連續(xù)變化時(shí)的運(yùn)動(dòng)特性、電氣特性和相互作用關(guān)系。在永磁機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，除規(guī)定條件下機(jī)構(gòu)的部分合閘動(dòng)作外，一般規(guī)定運(yùn)動(dòng)速率，以實(shí)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(jī)構(gòu)，它主要是由處于真空狀態(tài)下的滅弧室、永磁操作機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)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(dá)到絕緣效果。永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)主要是提供一個(gè)驅(qū)動(dòng)力，然而這股力量主要來(lái)源于電磁原理，隨后使得斷路器驅(qū)動(dòng)觸頭使之移動(dòng)，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(jī)構(gòu)工作原理

雙穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)，指的是同時(shí)具有合閘控制線圈和分閘控制線圈的永磁機(jī)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(lái)保持不移動(dòng)，這樣就間接節(jié)約了其他形式的電能支出，同時(shí)所有合閘和分閘等工作也都是由相應(yīng)的接受線圈來(lái)完成的[2]。

3.3 單穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)工作原理

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

4 永磁機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

永磁機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)是基于永磁機(jī)構(gòu)的工作原理來(lái)實(shí)現(xiàn)的，該系統(tǒng)主要包含下面的幾個(gè)部分：電源模塊（直流式）、電容器、收集信號(hào)模塊、驅(qū)動(dòng)模塊（IGBT）、故障監(jiān)測(cè)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(jī)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(duì)外輸入的電壓（交流或直流）轉(zhuǎn)化成能夠?yàn)殡娙萜鞒潆姷闹绷魇诫妷骸Ｊ占盘?hào)模塊是針對(duì)整個(gè)裝置的信號(hào)進(jìn)行采集并作處理，讓信號(hào)電壓符合小型處理器的標(biāo)準(zhǔn)。驅(qū)動(dòng)模塊（IGBT）主要是采集小型處理器產(chǎn)生的波形信號(hào)，操控上述充電電容對(duì)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(dòng)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(jìn)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(kāi)展下一次的工作。其中小型處理器是整個(gè)系統(tǒng)裝置的一個(gè)很重要的組成部分，它對(duì)這個(gè)控制系統(tǒng)的主要作用就是：對(duì)空氣斷路器能否自動(dòng)完成合閘與分閘的工作做一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)性的技術(shù)評(píng)判，具體的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)是電容電壓值的大小是否在預(yù)計(jì)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(guò)分析真空斷路器是否處于正常的工作狀態(tài)來(lái)提供合適的指令進(jìn)行調(diào)整。

5 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

在完成了永磁機(jī)構(gòu)以及相對(duì)應(yīng)的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以后，還要基于控制系統(tǒng)單元，對(duì)邏輯控制功能的優(yōu)劣進(jìn)行一個(gè)驗(yàn)證，這一步工作至關(guān)重要。第一步工作就是針對(duì)控制單元的邏輯控制功能應(yīng)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行仿真模擬，這項(xiàng)工作實(shí)際上就是面對(duì)多種不同的輸入信號(hào)，來(lái)測(cè)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(gè)控制系統(tǒng)整體通電，目的是為了測(cè)試控制系統(tǒng)的各個(gè)單元能否正常進(jìn)行工作。如果沒(méi)有任何問(wèn)題，最后一步就是針對(duì)真空斷路器的永磁操作機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制系統(tǒng)的測(cè)試，并記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

如圖3 所示，為分閘過(guò)程中多種信號(hào)的波形圖。觀察波形圖可以知道，整個(gè)線圈的通電時(shí)間為40 s，隨著分閘線圈內(nèi)的電流增大且達(dá)到了頂峰時(shí)，由電磁原理生成的電磁力也隨之增大并達(dá)到最大值，電磁力推動(dòng)著鐵芯開(kāi)始移動(dòng)。縱觀整個(gè)移動(dòng)過(guò)程，當(dāng)動(dòng)鐵芯與靜鐵芯之間的縫隙逐漸變大時(shí)，使得維持動(dòng)鐵芯的移動(dòng)需要的電磁力會(huì)慢慢減小，流經(jīng)線圈的電流也隨著減小。當(dāng)分閘動(dòng)作徹底完成時(shí)，動(dòng)鐵芯不在移動(dòng)，這時(shí)，流經(jīng)線圈的電流開(kāi)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(dòng)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(shí)驗(yàn)可以看出，對(duì)于合分閘脈沖時(shí)間的把握，可以直接影響到控制系統(tǒng)對(duì)真空斷路器的功能甚至整個(gè)系統(tǒng)的安全性，這是十分重要的。

圖3 分閘過(guò)程曲線