永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的特性及在中壓真空斷路器上的應(yīng)用

1、Feb.200731卷第3期湖北電力第2007年6月永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的特性及在中壓真空斷路器上的應(yīng)用蘇勇(武漢供電公司,武漢430013)摘要介紹了永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的原理、動(dòng)作和控制過(guò)程,分析了永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的特性,闡述了其在中壓真空斷路器上的應(yīng)用。關(guān)鍵詞永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu);中壓;真空斷路器M561文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)100623986(2007)0320013203中圖分類號(hào)TTheCharacteristicofPermanentMegnetDrivenMachineryandItsApplicationtoMedinmPressureVacuumCircuitBreakerSUYong(WuhanEle

2、ctricPowerSupplyCompany,Wuhan430013,China)AbstractTheprinciple,actionandcontrolprocessofperwereintroduced,itscharacteristicwasanalyzed,anditsapplicationtowasexpounded.Keywordspermanentmegnetmcircuitbreaker,位。它不但要保證斷路器長(zhǎng)期的動(dòng)作可靠性,而且要滿足滅弧特性對(duì)操動(dòng)機(jī)構(gòu)的要求。斷路器的分合閘所需時(shí)間或速度必須滿足其開斷和關(guān)合要求,以便通過(guò)快速切除故障而不使故障擴(kuò)大,保持電力系統(tǒng)的穩(wěn)定,并

3、可減輕設(shè)備、線路、絕緣等的損傷。為此,要求斷路器具有良好的操作性能,以滿足上述要求。近年來(lái),一種電磁操動(dòng)、永磁保持、電子控制的操動(dòng)機(jī)構(gòu)受到廣泛關(guān)注。這種操動(dòng)機(jī)構(gòu)由于取消了脫、鎖扣裝置,而采用永久磁鐵進(jìn)行終端位置的保持,動(dòng)作元件和零部件數(shù)目明顯減少,因而可靠性大大提高。本文將結(jié)合中壓真空斷路器介紹永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的特性和應(yīng)用。保持分閘狀態(tài)。圖1永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)電磁系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖和磁力線分布1動(dòng)鐵心;2永久磁鐵;3合閘線圈;4分閘線圈;5靜鐵心合閘線圈3通電后產(chǎn)生磁場(chǎng),其磁力線主要集中在動(dòng)鐵心的下端,并在上端與永久磁鐵的磁力線想抵消。隨著激磁電流的上升,下端增加,上端吸力減少。當(dāng)下端吸力大于反力,即線圈

4、電流達(dá)到觸動(dòng)值后,動(dòng)鐵心開始向下運(yùn)動(dòng)。圖1(b)為動(dòng)鐵心移動(dòng)之前磁力線的瞬態(tài)分布。當(dāng)動(dòng)鐵心運(yùn)動(dòng)到終端位置時(shí),位置傳感器輸出動(dòng)作信號(hào),切斷線圈電流。動(dòng)鐵心位于下端時(shí),其磁力線分布狀況與圖1(a)上下相對(duì)稱。1永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的工作原理圖1所示為雙線圈永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)電磁系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖示處于分閘位置,動(dòng)鐵心1上端氣隙小,磁阻低;下端氣隙大,磁阻高。永久磁鐵2的磁場(chǎng)主要作用在動(dòng)鐵心的上端。圖1(a)為在此位置時(shí)動(dòng)鐵心磁力線的分布圖。永久磁鐵的磁力線幾乎全部穿過(guò)動(dòng)鐵心的上端,產(chǎn)生相應(yīng)的吸力。該吸力通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳送至真空滅弧室的動(dòng)觸頭上,使其收稿日期2007205202作者簡(jiǎn)介蘇勇(1970-),男,湖北

5、武漢人,工程師。2電磁驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的負(fù)載特性永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)利用永磁材料的剩磁產(chǎn)生保持力,使觸頭保持在閉合或分段狀態(tài)。操作時(shí),合閘或分閘線圈受電激勵(lì),電磁驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)除了要克服真空13第31卷第3期2007年6月湖北電力Feb.2007滅弧室及機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的負(fù)載反力外,還要克服永久磁鐵的作用力。永久磁鐵的雙穩(wěn)態(tài)磁路最好采用上、下非對(duì)稱結(jié)構(gòu),動(dòng)鐵心在分閘位置上的工作氣隙可以適當(dāng)大于在合閘位置上的工作氣隙。根據(jù)真空滅弧室及機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的負(fù)載特性和永磁材料作用于鐵心端面的吸力特性,可以求出合閘和分閘過(guò)程中電磁驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的負(fù)載特性。在合閘或分閘過(guò)程中電磁驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的負(fù)載特性不同;不論是合閘還是分閘,由于永久磁鐵的作用

6、,動(dòng)鐵心運(yùn)動(dòng)到某一位置后,負(fù)載力的方向發(fā)生了改變,這是即使除去電磁驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的勵(lì)磁,動(dòng)鐵心仍能在負(fù)載力作用下可靠閉合。所以操作時(shí),合閘或分閘線圈最好用脈沖電量來(lái)驅(qū)動(dòng)。圖2觸頭最佳分閘位移曲線置。在保證阻尼振蕩的前提下,儲(chǔ)能電容的充電電壓也不必很高。如需要較高的合閘速度,可以適當(dāng)增加儲(chǔ)能電容器的容量,減緩合閘線圈的電流,得到充足的電磁吸力。為獲得較高的剛分速度,儲(chǔ)能電容器的容量應(yīng)適當(dāng)小一些,以得到一個(gè)快速,線圈,動(dòng)鐵心有可能。電,對(duì)任一給定的永磁系統(tǒng),都有一最佳匹配值。電容器的放電電流應(yīng)使觸頭恰巧在tm后不久就運(yùn)動(dòng)到圖2的L1點(diǎn),隨后電磁吸力隨電流衰減而下降,以減緩分閘速度,從而保證觸頭按最佳分閘

7、位移曲線運(yùn)動(dòng)。根據(jù)分析結(jié)果可以看出,為與真空滅弧室所需的分閘和合閘速度相匹配,合閘和分閘需要的輸出吸力特性不同,這可通過(guò)各自配以不同容量的儲(chǔ)能電容來(lái)實(shí)現(xiàn)。3電磁驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的吸力特性永磁操動(dòng)系統(tǒng)有兩個(gè)磁路,操作時(shí),向合閘線圈或分閘線圈放電,個(gè)脈沖電量,動(dòng)鐵心受到磁吸力作用而運(yùn)動(dòng)。其輸出吸力特性除與磁路構(gòu)造有關(guān)外,還與線圈回路的參數(shù)及控制過(guò)程有關(guān)。4永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的機(jī)械特性永磁操動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械特性除應(yīng)與負(fù)載特性相匹配外,還應(yīng)滿足真空滅弧室對(duì)合閘速度和分閘速度特性的要求。真空斷路器觸頭的合閘速度須滿足兩個(gè)相互矛盾的要求。從降低機(jī)械應(yīng)力的沖擊的角度出發(fā),合閘速度不宜過(guò)高;但較高的合閘速度可減小觸頭的合前預(yù)擊穿

8、,減小觸頭的磨損量。理想的合閘速度應(yīng)在盡量同時(shí)滿足這兩個(gè)要求的基礎(chǔ)上折中取舍。真空滅弧室在開斷短路電流時(shí)有一最佳開距,開斷電流只有在此間隙區(qū)間過(guò)零才能充分發(fā)揮滅弧室的開斷能力。圖2為滿足這一要求的動(dòng)觸頭最佳分閘位移曲線。這個(gè)曲線要求操動(dòng)機(jī)構(gòu)能提供較高的剛分速度以縮短燃弧時(shí)間,使觸頭開距快速度運(yùn)動(dòng)到L1,然后以低速運(yùn)動(dòng)到L2,使短路電流在此區(qū)間過(guò)零,最后再達(dá)到最終開距Lm。永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)可以輸出一個(gè)良好的合閘特性。只要合閘線圈能在合閘運(yùn)動(dòng)過(guò)程的前半程獲得一個(gè)可以抵消負(fù)載力的脈沖電能,動(dòng)鐵心在后半程的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中就可以在負(fù)載力的幫助下運(yùn)動(dòng)到合閘位145永磁機(jī)構(gòu)的控制系統(tǒng)正如前述所言,永磁機(jī)構(gòu)由于獨(dú)特的

9、操作和保持原理,使其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠、耐磨損等特點(diǎn),可以提高斷路器的可靠性,因而永磁機(jī)構(gòu)具有很大的發(fā)展前景。然而,對(duì)于配永磁機(jī)構(gòu)斷路器的重要組成部分控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō),其控制方案的優(yōu)劣將直接影響到整個(gè)斷路器的性能。永磁機(jī)構(gòu)的控制系統(tǒng)是用來(lái)接受電信號(hào),并通過(guò)邏輯判斷最終給出指令控制操動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)作的裝置。由于永磁機(jī)構(gòu)和以往機(jī)構(gòu)有很大的不同,所以控制部分也有較大的差異。首先,它的電源一般由電容組成,因此,和一般斷路器比較,永磁機(jī)構(gòu)的控制部分還應(yīng)多一個(gè)電容充電控制環(huán)節(jié),用以穩(wěn)定電容的電壓值,保證整個(gè)系統(tǒng)性能的穩(wěn)定。其次,永磁機(jī)構(gòu)無(wú)脫扣裝置,斷路器的分合閘完全靠給分合閘線圈的通電來(lái)完成。圖3為永磁機(jī)構(gòu)控制示意

10、圖原Feb.200731卷第3期湖北電力第2007年6月理圖。其中,電容器組作為永磁機(jī)構(gòu)內(nèi)分合閘線圈的電源,其充分放電過(guò)程由邏輯部分來(lái)控制?；ジ衅鞑糠种饕呻妷夯ジ衅?、電流互感器組成。邏輯分析判斷部分是實(shí)現(xiàn)斷路器控制的關(guān)鍵,它是通過(guò)對(duì)輸入電壓、電流量的比較分析來(lái)識(shí)別線路短路、欠電壓、過(guò)電流等故障情況,當(dāng)故障發(fā)生時(shí),它發(fā)出的控制指令由永磁機(jī)構(gòu)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)來(lái)完成。型:單穩(wěn)態(tài)永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)和雙穩(wěn)態(tài)永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)。其中雙穩(wěn)態(tài)永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的工作原理為分閘與合閘及保持都靠永磁力;單穩(wěn)態(tài)永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的工作原理為在儲(chǔ)能彈簧的幫助下快速分閘,并保持分閘位置,只有合閘保持靠永磁力?？紤]到整體結(jié)構(gòu)、機(jī)構(gòu)的操作功率、可靠性

11、以及分閘特性等因素,目前武漢供電公司采用單穩(wěn)態(tài)永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的真空斷路器,主要使用國(guó)內(nèi)某公司研制的配用永磁機(jī)構(gòu)的AB23S中壓開關(guān)。從2006年以來(lái)安裝的近200臺(tái)這種類型的開關(guān)的使用效果看,通過(guò)其過(guò)流保護(hù)裝置的配合,能比較快地實(shí)現(xiàn)故障的快速開斷功能。其原因首先是因?yàn)橛来艡C(jī)構(gòu)參與運(yùn)動(dòng)的部件少,且只比滅弧室增加一個(gè)超程,運(yùn)動(dòng)距離短,另外永磁機(jī)構(gòu)沒有中間傳動(dòng)部件,沒有平面摩擦,阻礙運(yùn)動(dòng)的力少,在接到同樣的分閘指令時(shí),所以省時(shí)4040ms圖3永磁機(jī)構(gòu)控制原理永磁機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)之一是采用電子控制,以實(shí)現(xiàn)斷路器的所有功能,包括在線檢測(cè)、,斷路器,控制技術(shù)。目前,根據(jù)實(shí)現(xiàn)邏輯部分的元件的不同,永磁機(jī)構(gòu)真空斷路器

12、機(jī)構(gòu)控制的方式可分為繼電器控制方式、電子控制方式、微機(jī)控制方式。7結(jié)論(1)永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、零部件少、可靠性高,磁系統(tǒng)和勵(lì)磁電路的良好配合可使其輸出滿足真空斷路器要求的機(jī)械特性。(2)由于永磁機(jī)構(gòu)采用了全新的工作原理,由此也產(chǎn)生了一系列新的理論問題。盡管國(guó)內(nèi)外已有產(chǎn)品問世,但由于永磁機(jī)構(gòu)涉及到電路、磁場(chǎng)和機(jī)械部分,場(chǎng)域比較復(fù)雜,因此如何在實(shí)際中加以應(yīng)用,還需要進(jìn)一步研究。6永磁機(jī)構(gòu)真空斷路器的應(yīng)用在永磁機(jī)構(gòu)斷路器的研究和應(yīng)用領(lǐng)域,從最初的永磁機(jī)構(gòu)操動(dòng)原理派生發(fā)展出來(lái)了各種不同原理和結(jié)構(gòu)的永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu),歸納起來(lái)可以分為兩個(gè)類(上接第5頁(yè))No.1,Jan2006.3LMoran,JDixo

13、n,RWallace.Athree2phaseactivepowerfilteroperatingwithfixedswitchingfrequencyforreactivepowerandcurrentharmoniccompensation.IEEETrans.onInd.Electronics.1995,42(4):402408.4TurhanDemiray,GoranAndersson.SimulationofPowerSystemDynamicsusingDynamicPhasorModels.5郝瑞祥,張喜軍,張雄等.新型諧波電流檢測(cè)方法和補(bǔ)5結(jié)論基于dq變換及占空比控制策略的有源電力濾波器能考慮到諧波電流,可對(duì)三相三線系統(tǒng)的諧波和無(wú)功電流實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償,使電流源波形接近正弦。參考文獻(xiàn)1ChongmingQiao,KeyueMSmedley.Three2phaseBipolarModeActivePowerFiltersJ.IEEETrans.Trans.onIndApplication.Vol.38,No.1,Feb2002.2GaryW.Chang.ANewApproachforOptimalShuntAc2tivePowerFilterControlConsideringAlternativePerform2anceIndicesJ.IEEETrans.Po