永磁機構(gòu)的構(gòu)成及動作原理

傳統(tǒng)的操作機構(gòu)有彈簧操作機構(gòu)和電磁操作機構(gòu)。彈簧操作機構(gòu)由彈簧儲能、合閘、保持合閘和分閘幾個部分組成。優(yōu)點是不需要大功率的電源，缺點是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造工藝復(fù)雜，成本高，可靠性較難保證。電磁操作機構(gòu)結(jié)構(gòu)較簡單，但結(jié)構(gòu)笨重，合閘線圈消耗功率很大。在借鑒了以上兩種操作機構(gòu)的優(yōu)缺點的基礎(chǔ)上，永磁機構(gòu)進行了改進設(shè)計。它由永久磁鐵、合閘線圈和分閘線圈組成，現(xiàn)以ABB公司的VM1真空斷路器所配的永磁機構(gòu)為例進行說明。

圖1 帶永磁機構(gòu)的真空斷路器VMl單相剖面圖

1.轉(zhuǎn)軸;2.接近開關(guān);3.合閘線圈;4.永久磁鐵;5.動鐵芯;6.分閘線圈;7.手動解鎖機構(gòu)

圖2 磁場分布圖

(a)分閘位置; (b)臨界位置， (c)合閘位置

如圖2a所示，當(dāng)斷路器處于分閘位置時，動鐵芯處于上部，動鐵芯與上部的靜鐵芯之間間隙較小，相對應(yīng)的磁阻也較小，而動鐵芯與下部的靜鐵芯之間間隙較大，相對應(yīng)的磁阻也較大，故永久磁鐵所形成的磁力線大部分集中在上部，從而產(chǎn)生很大的向上吸引力，將動鐵芯緊緊地吸附在上面。

如圖2b所示，當(dāng)斷路器要合閘時，合閘線圈通過合閘電流，產(chǎn)生感應(yīng)磁場，該磁場對動鐵芯產(chǎn)生向下的吸引力，隨著合閘電流的增大，該向下的吸引力由小變大，當(dāng)合閘電流到達某一臨界值時，動鐵芯受到的合力方向向下，開始向下運動。

如圖2c所示，當(dāng)動鐵芯到達下部時，永久磁鐵和合閘線圈兩者產(chǎn)生的磁場將動鐵芯牢牢地吸附在下部。幾秒鐘以后，合閘電流消失，此時永久磁鐵產(chǎn)生的磁場將動鐵芯保持在下部位置。至此，斷路器完成合閘操作。

基于同樣的原理，當(dāng)分閘線圈得電后，動鐵芯向上運動，同樣由永久磁鐵將它保持在分閘位置。

由以上動作原理可知，永久磁鐵與分合閘線圈相配合，較好地解決了合閘時需要大功率能量的問題，因為永久磁鐵可以提供磁場能量，作為合閘之用，合閘線圈所需提供的能量便相對可以減少，這就使我們可以減小合閘線圈的尺寸和工作電流。

電力系統(tǒng)正常工作時，通過操作機構(gòu)關(guān)合斷路器，這時電路中流過的是工作電流，由于工作電流一般在400A以下，電流較小，關(guān)合較容易。但是當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生短路事故時，電路中的短路電流可達40kA，甚至更大。斷路器承受的電動力可達幾千牛以上，操作機構(gòu)必須克服如此巨大的電動力，才能關(guān)合斷路器。

為了縮小斷路器整體尺寸和降低能耗，合閘線圈被設(shè)計成短時工作制，只允許在很短的時間內(nèi)通以合閘電流，若通電時間過長，會燒毀合閘線圈。這就要求操作機構(gòu)在合閘線圈失電后，仍能將斷路器保持在合閘位置。

斷路器分閘意味著要開斷電路，要出現(xiàn)電弧，開斷的電流越大，電弧愈難熄滅，工作條件愈嚴酷。當(dāng)發(fā)生短路故障時，短路電流比正常負荷電流大得多，由于系統(tǒng)發(fā)生短路時，系統(tǒng)電路表現(xiàn)為電感性電路，所以當(dāng)交流電壓過零，斷路器動靜觸頭分開瞬間，動靜觸頭間的電流不能突變，會出現(xiàn)瞬態(tài)恢復(fù)電壓。為了達到分斷電路的目的，操作機構(gòu)必須提供一定的分閘速度，尤其是剛分速度。

為了保證電力系統(tǒng)的安全運行，作為控制、保護元件的中壓斷路器必須能切斷額定電流，開斷關(guān)合短路電流，開合各種空載和負荷電路。為了完成這些任務(wù)，中壓斷路器必須能及時可靠地分合動靜觸頭，這要借助于操作機構(gòu)來完成。因此，操作機構(gòu)的工作性能和質(zhì)量優(yōu)劣，直接決定了中壓斷路器的工作性能和可靠性。近年來，伴隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了一種新型的操作機構(gòu)-永磁機構(gòu)。它采用了一種全新的工作原理和結(jié)構(gòu)，工作時主要運動部件只有一個，具有較高的可靠性，因此備受關(guān)注。

系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3 永磁機構(gòu)的控制部分框圖

1.合分閘線圈;2.儲能電容器;3.電源模塊;4.電力半導(dǎo)體5.接近開關(guān);6.開關(guān)按鈕和指示單元LOGIC;控制器

電源模塊的輸入電壓允許一定波動范圍，輸出電壓則穩(wěn)定在80V，這就避免了系統(tǒng)低電壓或過電壓時斷路器無法正常工作的問題。

儲能電容器用于儲存能量，當(dāng)合分閘時，它向合閘線圈或分閘線圈提供高達2600W的脈沖電能，使斷路器完成合分閘操作。每次放電后，它能在10s內(nèi)被重新充電。晶體管和晶閘管等電力半導(dǎo)體用于分合閘電流的控制。當(dāng)分合閘線圈突然失電時，由于分合閘線圈屬電感性元件，電流不能突變，會產(chǎn)生過電壓，這時采用續(xù)流二極管可以很好地解決這一問題。

控制器由可編程元件FPGA組成，可以說FPGA是整個控制部分的靈魂。通過設(shè)定的預(yù)置程序，我們實現(xiàn)儲能電容充電恒壓，過充電截壓保護，就地合分閘和遠方合分閘，合分閘遙信輸出，與電力系統(tǒng)自動綜合保護聯(lián)合實施各種保護合閘和重合閘操作等功能。

前言

第1章 緒論

1.1 電力系統(tǒng)對開關(guān)設(shè)備的可靠性要求及實現(xiàn)的途徑

1.2 中壓斷路器操動技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展

1.3 操動機構(gòu)與真空斷路器的配合

1.4 永磁機構(gòu)技術(shù)國內(nèi)外發(fā)展及現(xiàn)狀

第2章 永磁機構(gòu)工作原理

2.1 永磁機構(gòu)結(jié)構(gòu)及工作原理

2.2 永磁機構(gòu)的磁路分析

2.3 永磁機構(gòu)的特點

第3章 雙穩(wěn)態(tài)永磁機構(gòu)靜態(tài)磁場分布

3.1 電磁場計算方法

3.2 永磁機構(gòu)磁場計算模型及電磁場方程

3.3 永磁場模型的建立

3.4 電磁吸力的數(shù)值計算

3.5 永磁機構(gòu)的靜態(tài)磁場

3.6 永磁體徑向充磁和平行充磁

第4章 永磁機構(gòu)動態(tài)特性的計算與分析

4.1 引言

4.2 永磁機構(gòu)動態(tài)分析的數(shù)學(xué)模型及求解

4.3 永磁機構(gòu)真空斷路器動態(tài)特性計算及實驗測試

第5章 單穩(wěn)態(tài)永磁機構(gòu)

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

5.2 單穩(wěn)態(tài)永磁機構(gòu)靜態(tài)磁場

5.3 單穩(wěn)態(tài)永磁機構(gòu)動態(tài)過程計算與分析

5.4 短路環(huán)的作用及分析

第6章 永磁材料性和永磁機構(gòu)鐵心結(jié)構(gòu)的特性

第7章 永磁機構(gòu)真空斷路器同步操作技術(shù)

第8章 永磁機構(gòu)的控制系統(tǒng)

第9章 永磁機構(gòu)智能化操作及其自動監(jiān)測

第10章 不用維護的真空斷路器

參考文獻

版 次:1頁 數(shù):182字 數(shù):175000

印刷時間:2003-4-1開 本:紙 張:膠版紙