一種永磁機構雙控開關及其在智能電容器中的應用

張中印

（北京博瑞萊智能科技周口有限公司，河南 周口 466700）

0 引 言

現有的電力電容器有的內部沒有放電電阻，使用時需外部安裝放電電阻和保護電路，整體結構復雜。在內部安裝電容器放電回路時，通常將放電電阻直接與電容器并聯。當電容器接入電路時，放電電阻同時接入，這時放電電阻會消耗電能，存在一定的浪費現象。為降低耗能，不得不減小放電電阻的阻值，又限制了電容器的放電速度，不適合快速投切電容的場合，且放電電阻長期置于電路中易發熱損壞[1]。

本文介紹了一種永磁機構雙控開關在智能型電力電容器中的應用方法。智能型電力電容器外殼內固定安裝有電力電容器、永磁機構雙控開關和放電電阻。永磁機構雙控開關設置三組六對觸點。同一組的兩對觸點中，有一對觸點連接電力電容器，另一對觸點連接放電電阻，兩對觸點之間串接。當電路中需要投入電力電容時，通過永磁機構雙控開關執行投入動作，使所述電力電容自動接入電路。此時，放電電阻并未接入電路。當電路中需要切出電力電容時，永磁機構雙控開關執行切動作，使所述電力電容器退出電路，同時將放電電阻與所述電力電容器并接。這時，電力電容器兩端電壓通過放電電阻迅速降至安全范圍，從根本上解決了放電電阻長期消耗電能的問題。由于電容器退出電路時放電電阻才起作用，該電阻可不受限制地選用阻值較大的放電電阻，加快放電速度，為電容器快速投切創造良好條件，且可以在一程度上延長放電電阻的使用壽命[2]。

1 永磁機構雙控開關

永磁機構雙控開關是智能型電力電容器的關鍵部件，主要由永磁式電磁操作裝置、盤狀開關、隔板以及行程控制開關構成，如圖1、圖2所示。永磁式電磁操作裝置設置在隔板的上方，盤狀開關設置在隔板下方，盤狀開關與永磁式電磁操作裝置的一端通過傳動機構連接，永磁式電磁操作裝置的另一端與行程控制開關連接。其中，永磁式電磁操作裝置是永磁機構雙控開關的操作機構，盤狀開關是永磁機構雙控開關的執行機構，兩者的設計有其獨特之處。

1.1 永磁式電磁操作裝置

永磁式電磁操作裝置采用“推拉式”電磁鐵結構，大大降低了啟動電流，擴大了永磁機構開關的應用范圍，簡化了儲能電路；正反磁力同時作用，大大提高了動作的可靠性，縮短了動作時間；合分閘線圈只在開關合分閘瞬間帶電，平時靠永久磁鐵保持在合分閘位置，大大降低了線圈對電能的損耗。

如圖3所示，永磁式電磁操作裝置包括固定擋圈17、位于所述固定擋圈17內的合閘線圈7、分閘線圈11、靜鐵芯9、動鐵芯10以及永磁體8；動鐵芯10位于所述固定擋圈17的中部，動鐵芯10的兩端分別纏繞有合閘線圈7和分閘線圈11；靜鐵芯9圍繞動鐵芯10對稱排列，永磁體8位于動鐵芯10外表面分閘線圈7與合閘線圈11的中間。動鐵芯10上設置有第一傳動桿6以及第二傳動桿15，電磁鐵的合分閘線圈（7、11）分別引出一對DC+、DC-線，分別提供合分閘線圈（7、11）電源，將合閘線圈7的DC+與分閘線圈11的DC-接在一起（即永磁式電磁操作裝置的合閘線圈7與分閘線圈11串聯連接）。

圖1 永磁機構雙控開關外形圖

圖2 永磁機構雙控開關結構

圖3 永磁式電磁操作裝置結構圖

工作原理。通過兩根引線DC+、DC-通入正向直流電，合分閘線圈（7、11）同時帶電，分閘線圈11側產生正磁力吸引動鐵芯向分閘線圈11側移動，同時合閘線圈7產生反磁力推動動鐵芯10向分閘線圈11側移動，此為分閘過程；分閘完成時，線圈斷電，動鐵芯10靠永磁體8保持在分閘位置。當通過其余兩根引線DC+、DC-通入反向直流電時，合分閘線圈（7、11）同時帶電，分閘線圈11側產生反磁力推動動鐵芯向合閘線圈7側移動，同時合閘線圈7產生正磁力吸引動鐵芯10向合閘線圈7側移動，此為合閘過程；合閘完成時，線圈斷電，動鐵芯10靠永磁體8保持在合閘位置。

1.2 盤狀開關

盤狀開關的結構如圖4所示，盤狀開關設置三組六對觸點。為了增強頻繁動作對中軸的耐沖擊能力，在制作盤狀開關過程中，需對個別部位進行加強。如圖4所示的黑色部分，是在傳統盤狀開關上增設的傘狀加強筋，優選為均勻分布的三道，且盤狀部分和加強筋均由環氧樹脂整體澆注而成；如圖5所示的陰影部分，是盤狀開關的中軸，中軸總長度設定在65～84 mm，嵌入環氧樹脂燒注層的有40～45 mm。

圖4 盤狀開關結構圖

圖5 盤狀開關內部結構圖

永磁式電磁操作裝置通過合/分閘線圈瞬間帶電產生的電磁力和永磁體的共同作用力，直接推動盤狀開關中軸轉動，從而實現各觸點的閉合或斷開。這種永磁機構雙控開關結構簡單、組合方便、應用范圍廣，即可單獨使用，還可組合成多組開關使用，不僅可做投切電容器使用，還可作為調壓開關使用，又可作為轉換電路使用。

2 智能型電力電容器

本文介紹的智能型電力電容器是永磁機構雙控開關的具體應用。智能型電力電容器包括框架，框架內固定安裝有電力電容器、永磁機構雙控開關、放電電阻和接線端口。放電電阻和電力電容器分別與永磁機構雙控開關的兩對觸點相連，永磁機構雙控開關的接線通過所述接線端口引出[3-4]。如圖6、圖7所示，永磁機構雙控開關在圖中表示為投切開關K，放電電阻在圖中表示為放電電阻R，電力電容器在圖中表示為電容器C。投切開關K包括三組六對觸點，放電電阻R、電容器C和電路通過所述的三組六對觸點連接在一起。每組觸點由兩對觸點構成，觸點2、觸點3為一對觸點，觸點4、觸點5為另一對觸點，其中觸點2分別與電路A（或B、C）相連，觸頭3分別與電容器C的三個接線柱相連，觸頭5分別與三個放電電阻R相連，觸點3和觸點4短接。

當智能型電力電容器接入電路時，如圖6所示。觸點2、觸點3處于閉合狀態，觸點4、觸點5處于斷開狀態，此時電容器C接入電路，放電電阻R由于觸點4、觸點5斷開而未接入電路。當電容器C需要退出電路時，永磁機構雙控開關K自動轉換為如圖7所示的狀態，觸點2、觸點3處于斷開狀態，觸點4、觸點5處于閉合狀態，此時電容器C退出電路。三只放電電阻R由于觸點4、5閉合而構成電容器C的Y形放電回路，使電容器兩端電壓通過放電電阻迅速降至安全范圍。

永磁機構雙控開關的接線通過接線端口引出后與控制器相連，控制器的操作邏輯為：

（1）如果電力電容器沒有投入電路，判斷電路中是否需要投入所述電力電容器，如果是，執行（2），否則待命；

（2）通過永磁機構雙控開關動作使電力電容器自動接入電路，此時所述放電電阻并未接入電路；

（3）如果電力電容器已投入在所述電路中，判斷電路是否需要切出所述電力電容器，如果是，執行（4），否則待命；

（4）永磁機構雙控開關動作使電力電容器退出電路，同時放電電阻與電力電容器并接；

（5）電力電容器兩端電壓通過放電電阻迅速降至安全范圍，同時進入待命狀態。

3 結 論

永磁機構雙控開關設計巧妙，電力電容器、放電電阻接入其不同的觸點，剛好使電力電容器退出電路同時并入放電電阻，為電容器快速投切創造了條件。它在電力電容器接入電路的同時隔離了放電電阻，大大延長了放電電阻的使用壽命。此外，該雙控開關的操動機構采用“推拉式”永磁電磁裝置，儲能電路簡單、啟動電流小、動作可靠性更高。

圖6 智能電容接入電路狀態圖

圖7 智能電容器退出電路狀態圖