永磁機(jī)構(gòu)與真空斷路器

前言

第1章 緒論

1.1 電力系統(tǒng)對(duì)開(kāi)關(guān)設(shè)備的可靠性要求及實(shí)現(xiàn)的途徑

1.2 中壓斷路器操動(dòng)技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展

1.3 操動(dòng)機(jī)構(gòu)與真空斷路器的配合

1.4 永磁機(jī)構(gòu)技術(shù)國(guó)內(nèi)外發(fā)展及現(xiàn)狀

第2章 永磁機(jī)構(gòu)工作原理

2.1 永磁機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)及工作原理

2.2 永磁機(jī)構(gòu)的磁路分析

2.3 永磁機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)

第3章 雙穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)靜態(tài)磁場(chǎng)分布

3.1 電磁場(chǎng)計(jì)算方法

3.2 永磁機(jī)構(gòu)磁場(chǎng)計(jì)算模型及電磁場(chǎng)方程

3.3 永磁場(chǎng)模型的建立

3.4 電磁吸力的數(shù)值計(jì)算

3.5 永磁機(jī)構(gòu)的靜態(tài)磁場(chǎng)

3.6 永磁體徑向充磁和平行充磁

第4章 永磁機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性的計(jì)算與分析

4.1 引言

4.2 永磁機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)分析的數(shù)學(xué)模型及求解

4.3 永磁機(jī)構(gòu)真空斷路器動(dòng)態(tài)特性計(jì)算及實(shí)驗(yàn)測(cè)試

第5章 單穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)

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

5.2 單穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)靜態(tài)磁場(chǎng)

5.3 單穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)過(guò)程計(jì)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(jī)構(gòu)鐵心結(jié)構(gòu)的特性

第7章 永磁機(jī)構(gòu)真空斷路器同步操作技術(shù)

第8章 永磁機(jī)構(gòu)的控制系統(tǒng)

第9章 永磁機(jī)構(gòu)智能化操作及其自動(dòng)監(jiān)測(cè)

第10章 不用維護(hù)的真空斷路器

參考文獻(xiàn)

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為了保證電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行，作為控制、保護(hù)元件的中壓斷路器必須能切斷額定電流，開(kāi)斷關(guān)合短路電流，開(kāi)合各種空載和負(fù)荷電路。為了完成這些任務(wù)，中壓斷路器必須能及時(shí)可靠地分合動(dòng)靜觸頭，這要借助于操作機(jī)構(gòu)來(lái)完成。因此，操作機(jī)構(gòu)的工作性能和質(zhì)量?jī)?yōu)劣，直接決定了中壓斷路器的工作性能和可靠性。近年來(lái)，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(jī)構(gòu)-永磁機(jī)構(gòu)。它采用了一種全新的工作原理和結(jié)構(gòu)，工作時(shí)主要運(yùn)動(dòng)部件只有一個(gè)，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(jī)構(gòu)的控制部分框圖

1.合分閘線圈;2.儲(chǔ)能電容器;3.電源模塊;4.電力半導(dǎo)體5.接近開(kāi)關(guān);6.開(kāi)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(dòng)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(guò)電壓時(shí)斷路器無(wú)法正常工作的問(wèn)題。

儲(chǔ)能電容器用于儲(chǔ)存能量，當(dāng)合分閘時(shí)，它向合閘線圈或分閘線圈提供高達(dá)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(shí)，由于分合閘線圈屬電感性元件，電流不能突變，會(huì)產(chǎn)生過(guò)電壓，這時(shí)采用續(xù)流二極管可以很好地解決這一問(wèn)題。

控制器由可編程元件FPGA組成，可以說(shuō)FPGA是整個(gè)控制部分的靈魂。通過(guò)設(shè)定的預(yù)置程序，我們實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能電容充電恒壓，過(guò)充電截壓保護(hù)，就地合分閘和遠(yuǎn)方合分閘，合分閘遙信輸出，與電力系統(tǒng)自動(dòng)綜合保護(hù)聯(lián)合實(shí)施各種保護(hù)合閘和重合閘操作等功能。

傳統(tǒng)的操作機(jī)構(gòu)有彈簧操作機(jī)構(gòu)和電磁操作機(jī)構(gòu)。彈簧操作機(jī)構(gòu)由彈簧儲(chǔ)能、合閘、保持合閘和分閘幾個(gè)部分組成。優(yōu)點(diǎn)是不需要大功率的電源，缺點(diǎn)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(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)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(jī)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，永磁機(jī)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)。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(jī)構(gòu)為例進(jìn)行說(shuō)明。

圖1 帶永磁機(jī)構(gòu)的真空斷路器VMl單相剖面圖

1.轉(zhuǎn)軸;2.接近開(kāi)關(guān);3.合閘線圈;4.永久磁鐵;5.動(dòng)鐵芯;6.分閘線圈;7.手動(dòng)解鎖機(jī)構(gòu)

圖2 磁場(chǎng)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(shí)，動(dòng)鐵芯處于上部，動(dòng)鐵芯與上部的靜鐵芯之間間隙較小，相對(duì)應(yīng)的磁阻也較小，而動(dòng)鐵芯與下部的靜鐵芯之間間隙較大，相對(duì)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(dòng)鐵芯緊緊地吸附在上面。

如圖2b所示，當(dāng)斷路器要合閘時(shí)，合閘線圈通過(guò)合閘電流，產(chǎn)生感應(yīng)磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)對(duì)動(dòng)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(dá)某一臨界值時(shí)，動(dòng)鐵芯受到的合力方向向下，開(kāi)始向下運(yùn)動(dòng)。

如圖2c所示，當(dāng)動(dòng)鐵芯到達(dá)下部時(shí)，永久磁鐵和合閘線圈兩者產(chǎn)生的磁場(chǎng)將動(dòng)鐵芯牢牢地吸附在下部。幾秒鐘以后，合閘電流消失，此時(shí)永久磁鐵產(chǎn)生的磁場(chǎng)將動(dòng)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(dòng)鐵芯向上運(yùn)動(dòng)，同樣由永久磁鐵將它保持在分閘位置。

由以上動(dòng)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(shí)需要大功率能量的問(wèn)題，因?yàn)橛谰么盆F可以提供磁場(chǎng)能量，作為合閘之用，合閘線圈所需提供的能量便相對(duì)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。