真空斷路器用單穩(wěn)態(tài)永磁機構(gòu)概述

賀天元，劉仲曄

（海軍駐湖南地區(qū)軍事代表室，湖南湘潭411101）

真空斷路器用單穩(wěn)態(tài)永磁機構(gòu)概述

賀天元，劉仲曄

（海軍駐湖南地區(qū)軍事代表室，湖南湘潭411101）

本文對單穩(wěn)態(tài)永磁機構(gòu)與傳統(tǒng)機構(gòu)以及雙穩(wěn)態(tài)永磁機構(gòu)的特點進行了對比，對其結(jié)構(gòu)與工作原理進行了簡單說明，并對其發(fā)展前景進行了簡要探討。

單穩(wěn)態(tài)永磁機構(gòu)結(jié)構(gòu)改進智能化

0　引言

斷路器對電力系統(tǒng)起著控制、保護、調(diào)節(jié)的作用，其能否正常、可靠地工作直接維系著整個系統(tǒng)的安全與穩(wěn)定。其中斷路器的機械結(jié)構(gòu)是決定其性能的核心部分，從國際、國內(nèi)對斷路器的故障統(tǒng)計數(shù)字來看,機械故障占總故障的70%，所以世界各地研究人員一直在努力嘗試改進斷路器的結(jié)構(gòu)，以使其具有更高的性能與可靠性。

1　單穩(wěn)態(tài)永磁機構(gòu)概述

真空斷路器的結(jié)構(gòu)在發(fā)展過程中大約經(jīng)歷了電磁操動機構(gòu)、彈簧操動機構(gòu)和永磁操動機構(gòu)三個階段。在早期使用的電磁操動機構(gòu)中，當斷路器合閘時，電磁線圈通入電流，電磁鐵受到端面的吸力開始逐漸向端面移動，并隨著電磁鐵與端面的距離越來越近，其所受到吸力也越來越大，這也與斷路器所需的機械特性相匹配，但是其需要采用機械鎖扣來保持合閘位置，由于在合閘過程中，磁路電感變化較大，其產(chǎn)生的反電動勢對合閘線圈中的電流增長產(chǎn)生了很強的阻礙作用，并且這種阻礙作用隨著合閘速度的增大而增大，使得需要提供數(shù)百安培的直流電流才能完成合閘動作，要求的操作功率很大。而隨后出現(xiàn)的彈簧操動機構(gòu)則不需要龐大的蓄電池組供電，使用起來比電磁操動機構(gòu)更為靈活方便，但彈簧機構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且需要通過連桿、鎖扣和儲能來實現(xiàn)操動功能，環(huán)節(jié)多、動作分散性大、可靠性差。

永磁機構(gòu)則是近年來發(fā)展起來的一種新型斷路器操動機構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)將電磁機構(gòu)與永久磁鐵結(jié)合在了一起，利用永磁體的磁能作為分合閘動作中動鐵芯運動時所需能量的一部分，并利用永久磁鐵的磁力或彈簧力將斷路器保持在合閘位置或者分閘位置，無需傳統(tǒng)的機械脫、鎖扣裝置。與傳統(tǒng)的電磁、彈簧操動機構(gòu)相比，永磁結(jié)構(gòu)有著以下優(yōu)點：

1）結(jié)構(gòu)簡單，性能可靠。永磁機構(gòu)一般只有動鐵芯一個運動部件，相比于彈簧機構(gòu)的近百個運動部件，大大提升了斷路器的可靠性，而且永磁機構(gòu)利用永久磁鐵的磁力或者彈簧的彈簧力來使斷路器保持在合閘或者分閘位置，不需要傳統(tǒng)斷路器所使用的脫、鎖扣裝置，使整個系統(tǒng)的操作可靠性得到了極大的提升。

2）采用兩位式結(jié)構(gòu)。永磁結(jié)構(gòu)的設(shè)計原理就決定了其要么處于合閘位置，要么就處于分閘位置，不會出現(xiàn)處于中間的似合非合狀態(tài)而造成關(guān)合失敗。

3）操作耗能少。在很多場合下，特別是戶外、柱上斷路器中是以電池作為電源來操作的，所以減少操作耗能，對斷路器的性能提升具有重要的意義。

目前永磁機構(gòu)的主要形式有雙穩(wěn)態(tài)和單穩(wěn)態(tài)永磁機構(gòu)兩種，其中單穩(wěn)態(tài)相比于雙穩(wěn)態(tài)永磁機構(gòu)有著以下特點[1]：

1）單穩(wěn)態(tài)永磁機構(gòu)分閘特性更接近于真空斷路的機械特性。

2）單穩(wěn)態(tài)永磁機構(gòu)由于在分閘時要承受永磁體的反向吸力，所以所需的靜態(tài)分閘保持力更大，不利于斷路器的整體尺寸的縮小。

3）單穩(wěn)態(tài)永磁機構(gòu)的分閘特性不易受電參數(shù)的控制。

盡管相對于雙穩(wěn)態(tài)永磁機構(gòu)，單穩(wěn)態(tài)永磁機構(gòu)有著這樣或者那樣的缺點，然而由于其分閘特性更為理想，所以也在受到越來越多的關(guān)注。

2　單穩(wěn)態(tài)永磁機構(gòu)的結(jié)構(gòu)

2.1單穩(wěn)態(tài)永磁機構(gòu)的結(jié)構(gòu)與工作原理

一般永磁機構(gòu)根據(jù)其外形可分為方形結(jié)構(gòu)和圓形結(jié)構(gòu)。由于圓形機構(gòu)中的永磁體采用軸對稱結(jié)構(gòu)，磁場分布更加均勻，使得在同樣滿足真空斷路器分、合閘速度特性的情況下，圓形操作機構(gòu)的動鐵芯的體積、永磁體的體積、整個機構(gòu)的體積與總重量都明顯小于方形操作機構(gòu)，而且由于圓形機構(gòu)在相同電流下產(chǎn)生的磁力更強且動鐵芯體積重量較小，所以在分、合閘的過程中，線圈的峰值電流和耗能也相對較??；因此從操作機構(gòu)本身的性能出發(fā)，圓形機構(gòu)是要優(yōu)于方形機構(gòu)的，但方形結(jié)構(gòu)更加靈活，在維持長度不變的情況下，可以在厚度方向進行擴展，以滿足斷路器機構(gòu)箱體尺寸的要求，同時方形結(jié)構(gòu)也更利于發(fā)展系列化產(chǎn)品[2]。

典型的單穩(wěn)態(tài)永磁機構(gòu)的剖面圖如圖1所示。圖中動鐵芯處于合閘位置。處于合閘位置時線圈6中無電流，永磁體在由動、靜鐵芯提供的低磁阻通道中產(chǎn)生較強的磁場，并產(chǎn)生強大的吸力使動鐵芯保持在合閘位置上。

當機構(gòu)需要分閘時，線圈6中通過一定的電流，使線圈6在動鐵芯底部氣隙上產(chǎn)生的磁場與永磁體在此處產(chǎn)生的磁場方向相反，使得動鐵芯受到的向下的磁吸力減少，當此吸力減少到小于分閘彈簧1向上的拉力時，動鐵芯就會在分閘彈簧的拉力下向上移動并經(jīng)由連接桿8帶動觸頭完成分閘動作。

當機構(gòu)處于分閘狀態(tài)時，由于上端蓋是非導(dǎo)磁材料，所以永磁體無法為動鐵芯提供向上的拉力，此時分閘保持力主要由彈簧的拉力提供。

當機構(gòu)需要從分閘狀態(tài)再次進入合閘狀態(tài)時，給線圈6中通入相反的電流，使得線圈在下部氣隙中的產(chǎn)生磁場方向與永磁體在此處產(chǎn)生的磁場方向相同，當線圈與永磁體的合磁場產(chǎn)生的向下的吸力大于彈簧的拉力時，動鐵芯便會向下運動，同時給分閘彈簧儲能，并再次進入到合閘位置。由于在合閘過程中還需克服分閘彈簧所產(chǎn)生的拉力，所以合閘電流遠大于分閘電流。

圖1　單穩(wěn)態(tài)永磁機構(gòu)剖面簡圖

3.2單穩(wěn)態(tài)永磁結(jié)構(gòu)的改進研究

單穩(wěn)態(tài)永磁機構(gòu)之所以受到越來越多的重視，就是因為其分閘特性與斷路器負荷特性更匹配，即在剛分點前加速，在剛分點后減速，通過合理的設(shè)置彈簧參數(shù)比較容易獲得較為理想的分閘速度。然而由于分閘彈簧的存在，其所需的永磁保持力、合閘電流均較大。有研究人員提出了一種安裝兩個動鐵芯的雙動鐵芯永磁機構(gòu)，仿真表明，該結(jié)構(gòu)相比于普通單動鐵芯，合閘保持力得到了提高，也即合閘的可靠性增高，同時使剛分速度提升，剛合速度減少，單次分合閘能量顯著降低[3]。

也有研究人員提出另一種新穎的設(shè)計結(jié)構(gòu)，芯軸與動鐵芯不再使用螺栓連接在一起，相互同軸安裝后可在軸向進行相對運動。通過仿真和對物理樣機的試驗表明，該結(jié)構(gòu)能有效的降低合閘的啟動電流，而且該結(jié)構(gòu)特別適用于大開距開關(guān)，為單穩(wěn)態(tài)永磁機構(gòu)進入更高電壓領(lǐng)域進行了十分有意義的探索[4]。

另一種思路則是在原有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加合閘線圈的匝數(shù)，減少合閘線圈的直徑，同樣可以在對其他特性影響較小的前提下減少合閘電流[5,6]。同時文獻[5]也指出，應(yīng)當考慮傳動機構(gòu)設(shè)計的不同對所需合閘力大小的影響。

由于永磁機構(gòu)在運動過程中包含著極其復(fù)雜的電、熱、磁和機械參量的變化，很難單純的直接用理論去指導(dǎo)永磁機構(gòu)的參數(shù)設(shè)計，采用遺傳算法等新興算法對其進行參數(shù)優(yōu)化設(shè)計，也能起到很好的效果[5]。

3　單穩(wěn)態(tài)永磁結(jié)構(gòu)二次單元

要使單穩(wěn)態(tài)永磁機構(gòu)能夠順利的完成分閘、合閘動作，還需要解決三個方面的問題，即電源，分、合閘狀態(tài)的檢測，分、合閘線圈操作單元。

3.1電源

永磁機構(gòu)斷路器及其控制系統(tǒng)能穩(wěn)定運行的前提是有可靠的電源系統(tǒng)。電源系統(tǒng)一方面作為分合閘動作的動力源，給分合閘線圈提供瞬時大電流，驅(qū)動永磁機構(gòu)斷路器實現(xiàn)分合閘操作；另一方面也作為給控制系統(tǒng)的工作電源，實現(xiàn)斷路器狀態(tài)監(jiān)測、保護、人機界面顯示和通信等功能[7]。

由于要求斷路器開合閘速度較快，電源系統(tǒng)需要在較短的時間內(nèi)為永磁機構(gòu)的線圈提供較大的脈沖電流。目前工程上一般可供采用的方案分為兩種，一是采用電容器充放電，另一種是采用蓄電池。這兩種方案一般都能滿足要求。但是采用蓄電池的方案需要考慮到諸如充電、放電等問題，而且充電線路及保護線路也較為復(fù)雜。而使用電容器則不需要考慮充電過量的問題，也就不需要精確地控制其充電電流與時間，更易于并聯(lián)使用，而且理論上電容器的充放電次數(shù)是無限的，因此也更不易損壞。因此從經(jīng)濟性的角度出發(fā)，戶內(nèi)永磁機構(gòu)中的電源設(shè)計通常采用電容器放電的方式。但是對于戶外柱上真空斷路器，由于現(xiàn)場電源不易解決，一般采用蓄電池等其他方式[8]。

3.2斷路器分合閘狀態(tài)檢測

永磁機構(gòu)斷路器必須保證其可靠地處于分閘或者合閘的工作位置，不允許出現(xiàn)中間狀態(tài)等故障位置，否則可能會造成及其嚴重的事故。一旦出現(xiàn)故障位置，應(yīng)及時報警通知工作人員檢修。同時，為了避免熱損耗及電源損耗，在鐵心運動到分、合閘位置后，應(yīng)及時斷電。這些都需要對斷路器的分、合閘狀態(tài)進及時、準確行檢測。

傳統(tǒng)斷路器一般采用觸點輔助開關(guān)，但由于可能會出現(xiàn)的污染、觸頭氧化等問題，經(jīng)常會使觸頭接觸不良，甚至失效。因此為保證其可靠性，應(yīng)考慮使用電子開關(guān)和非接觸式傳感器來取代傳統(tǒng)的輔助開關(guān)[9]。

3.3分、合閘操作單元

單穩(wěn)態(tài)永磁機構(gòu)的分閘、合閘共用一個線圈，所以需要給線圈通過不同方向的直流電流實現(xiàn)分、合閘，用傳統(tǒng)方法開斷大容量直流是比較復(fù)雜與困難的，可以考慮采用可關(guān)斷晶閘管（GTO）、MOSFET、IGBT等。在設(shè)計驅(qū)動回路時應(yīng)注意對開關(guān)的RC緩沖回路參數(shù)采取有效的方法進行優(yōu)化，否則可能會造成關(guān)斷時浪涌電壓過大，造成器件損壞[10]。

4　單穩(wěn)態(tài)永磁機構(gòu)的智能化

隨著電力系統(tǒng)智能化要求的不斷提高，人們對斷路器的要求也在提高。斷路器應(yīng)不僅僅有簡單的重合閘功能，也應(yīng)能從配電系統(tǒng)功能優(yōu)化的角度綜合實現(xiàn)諸如饋線監(jiān)測、饋線保護等新功能。智能斷路器應(yīng)不僅能實現(xiàn)圍繞斷路器外圍的有關(guān)保護、控制、開關(guān)量監(jiān)測、通信等功能，也需要能根據(jù)電網(wǎng)信息來對斷路器本身的開斷或關(guān)合動作進行智能控制[11]。

由于傳統(tǒng)的電磁操動機構(gòu)和彈簧式操動機構(gòu)的重合閘動作是由復(fù)雜的機械傳動結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的，運動時間分散性很大，很難實現(xiàn)對重合閘時間的精確控制。永磁操動機構(gòu)的無脫扣、鎖扣特點使得其具有高可靠性與免維護性；同時由于其運動部件很少，又使得其動作分散性小，可靠性高，壽命長；以及單穩(wěn)態(tài)永磁結(jié)構(gòu)的機械特性更接近于真空斷路器的要求，所以單穩(wěn)態(tài)斷路器在實現(xiàn)本身智能控制上有著得天獨厚的優(yōu)勢。

斷路器的同步控制是斷路器智能化的前沿課題，也是核心課題。同步控制技術(shù)是指斷路器在控制系統(tǒng)的控制下，在電網(wǎng)電壓或電流的指定相位完成電路的斷開或閉合。同步控制包括同步關(guān)合和同步分斷兩方面內(nèi)容，這項技術(shù)不僅可以減小開合操作的涌流和過電壓，縮短系統(tǒng)瞬態(tài)過程，提高電能質(zhì)量和系統(tǒng)穩(wěn)定性，延長電器的使用壽命，而且可以大大提高斷路器的分斷能力。

一般斷路器采用三相一體式結(jié)構(gòu)，即一個永磁機構(gòu)采用連桿同時帶動三個真空滅弧室同時完成三相的分、合閘操作。但由于三相存在相位差，同時開斷最多只能保證一相在理想相位開斷。要實現(xiàn)真正的三相同步控制，就需要對傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行改進，要么繼續(xù)使用三相一體式結(jié)構(gòu)，但通過對機械傳動結(jié)構(gòu)的重新設(shè)計，使得三相能以固定的時間間隔依次閉合和開斷；要么每相分別配有獨立的永磁機構(gòu)，顯然后者的實用性更廣，可靠性更高，但同時造價也更加昂貴[12]。

實現(xiàn)斷路器的同步分合操作，有2個關(guān)鍵技術(shù)問題需要解決。首先對是系統(tǒng)電壓或電流過零點的檢測。由于出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)中的電流和電壓會受到高次諧波和噪聲的干擾，偏離正弦波形，同步分合控制系統(tǒng)必須能從故障波形中準確獲取系統(tǒng)電壓或電流過零點的準確時刻，以作為同步分合操作時間的基準。其次，雖然永磁操動機構(gòu)本身動作時間的分散性很小，但由于控制電壓、環(huán)境溫度、機構(gòu)老化與觸頭磨損等等外界條件的影響，使得永磁機構(gòu)每次的動作時間并不是固定不變的，因此在進行控制時，應(yīng)該對這些影響因素做出分析，并對分合閘時間做出相應(yīng)的補償[14]。由于這些影響因素與分合閘時間之間的關(guān)系相當復(fù)雜，很難用一個精確的數(shù)學(xué)模型進行描述，所以有很多研究人員考慮將諸如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論等智能控制理論應(yīng)用于其中[15]。通過測試表明基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制方式克服了傳統(tǒng)建模方法難以精確建立斷路器同步控制數(shù)學(xué)模型的缺點，既能從故障波形中準確的提取出過零點時刻，又能根據(jù)外界影響因素對分合閘時間做出補償，使系統(tǒng)保持相對一致的分合閘操作時間，滿足同步控制要求。

5　結(jié)語

相比于傳統(tǒng)的操作結(jié)構(gòu)，單穩(wěn)態(tài)永磁結(jié)構(gòu)有著簡單可靠、操作耗能少、動作分散性小等優(yōu)點，相比于雙穩(wěn)態(tài)永磁機構(gòu)有著分閘特性更接近于真空斷路器的機械特性的優(yōu)點。通過對其機械結(jié)構(gòu)、二次單元的進一步研究，可以使其成為更理想的斷路器結(jié)構(gòu)。而單穩(wěn)態(tài)永磁結(jié)構(gòu)自身良好的特性，又使得它成為智能化斷路器的良好載體，在國家大力發(fā)展智能電網(wǎng)的今天，有著廣闊的發(fā)展前景。

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Summary of Monostable Permanent Magnet Actuator forVacuum Breaker

He Tianyuan,Liu Zhongye
（Naval Representatives Office in Hunan,Xiangtan 411101,Hunan,China）

This paper compares monostable PMA to traditional actuator and bi-stable PMA.Thestructure and working principle issimply explained.The development prospect is also discussed.

monostable permanent magnet actuator;structure;improve;intelligence

TM464

A

1003-4862（2015）10-0041-04

2015-08-19

賀天元（1984-），男，工程師。研究方向：電機。