各位读者，“中国电工技术学会定于2016年7月3~4日在北京铁道大厦举办“2016第十一届中国电工装备创新与发展论坛”，主题为“电工行业十三五规划研究与解读”。，请感兴趣的读者扫描下方的二维码，浏览会议详情和进行快速注册报名。注册时请准确填写相关信息，会议服务人员将及时与您确认参会事宜。
电力设备电气绝缘国家重点实验室（西安交通大学）的研究人员孙丽琼、王振兴等，在2015年第20期《电工技术学报》上撰文指出，永磁操动机构因其结构简单、可靠性高、操作寿命长、动作分散性小以及与真空断路器配合良好等特点被广泛应用于中低压等级（3.6～40.5kV）的真空断路器中。
但由于高电压等级真空断路器触头的运动行程长、分合闸速度高，依靠传统结构形式的永磁机构难适应输电等级（＞72kV）真空断路器高速度要求。因此，本文提出一种适用于126kV真空断路器的新型双稳态轴对称分离磁路永磁机构，将永磁保持部分与电磁操动部分分离，减少两部分磁路在工作时的干扰，进而提高永磁机构的分、合闸速度。同时引入非工作气隙的设计，当保持动铁心离开分合闸位置时永磁力急剧下降，减少了永磁铁在运动过程中对机构运动特性的影响。
本文采用有限元软件与多体动力学软件耦合仿真方法对该机构的静态特性及动态特性进行了计算，并根据计算结果制作了样机。样机的实验结果证明该新型永磁机构的速度特性可满足126kV真空断路器的要求，实验结果与仿真结果具有较好的一致性。
真空断路器（Vacuum Circuit Breaker, VCB）因其优异的开断性能及可靠性，在中压领域获得了广泛的应用[1]，而SF6断路器在72kV以上电压等级市场占主导地位[2]。为减少SF6气体所带来的强温室效应，研究和开发环境友好型输电等级真空开关具有重要意义[3]。
操动机构通过绝缘拉杆驱动真空灭弧室动触头运动，是真空断路器的关键部件。通过调节操动机构的动态特性曲线可以有效提高真空灭弧室的灭弧性能[4,5]。由于126kV电压等级的输电系统对真空断路器有很高的要求，因此相应的操动机构应配合灭弧室达到最优的动态特性。
永磁操动机构（Permanent Magnetic Actuator, PMA）具有较强可控性，在分合闸位置，通过永磁体产生的永磁保持力将永磁机构可靠地保持在分合闸位置，在分合闸操作时，通过通电线圈产生的电磁力驱动动触头运动，从而达到关合或开断线路的目的。永磁机构一般分为单稳态机构和双稳态机构两种。但是，传统的永磁机构由于动作速度较低，目前报导仅限于较小开距（8～22mm）的中压（3.6～40.5kV）真空断路器中。
为了提高永磁机构的速度特性，国内外的研究者开展了大量的研究工作[6-10]。Lequesne B为满足速度要求，提出了一种大开距下双弹簧螺线管结构[6]。R.Jong-Suk等人提出了一种分离磁路的永磁操动机构以提高线圈工作效率[7]，但未实现磁路完全分离，分合闸保持或分合闸线圈通电时磁路会存在干扰。Cai Z. Y.等人尝试通过在传统双稳态永磁机构结构形式下，引入辅助线圈方式提高速度特性[8]。
Kang等人采用三连杆传动机构提高永磁机构速度特性[9]。Wang Z. X.等人采用分合闸线圈同时通电方式提高机构分闸速度特性[10]。但是，126kV真空断路器的开距（约80mm）远高于中压真空断路器（＜30mm），而且126kV真空断路器对动触头运动速度较高，要求分闸时动静触头在分开后6～7ms内开距达到18～20mm（对应分闸速度约2.5～3.3m/s），在12～13ms时开距达到36～40mm（对应分闸速度约2.7～3.3m/s）。因此要满足126kV真空断路器的速度特性具有很大的难度。
本文的研究目标是提出一种分离磁路永磁操动机构以满足126kV真空断路器速度特性要求。该永磁机构为双稳态结构形式，具有独立的永磁保持磁路和电磁驱动磁路。本文采用数值仿真方法计算了永磁机构的静态及动态特性，并根据计算结果制作了样机。样机的实验结果与仿真结果具有较好的一致性，并证明了本设计的可行性。
1 分离磁路永磁机构的结构及工作原理
传统永磁机构结构原理如图1所示。永磁体安置于静铁心中，永磁体产生的磁力线与线圈产生的磁力线共用磁路，这样的设计可以减小机构的体积。但是，由于它们共用磁路，在分闸操作起始阶段，永磁体产生的磁力会部分抵消线圈的电磁力，造成刚分速度难以提高。同时，线圈产生的电磁力既通过动铁心的上端面（见磁力线Ⅱ），也通过动铁心的下端面（见磁力线Ⅰ），造成线圈产生的电磁力一个拉动铁心运动，另一个阻碍铁心运动，降低线圈的工作效率。
图1 传统永磁机构原理图
本文提出的新型永磁机构采用轴对称结构，具有独立的驱动部分和保持部分，结构原理如图2所示，通过不导磁垫片7将保持部分和驱动部分磁路进行隔离；同时，磁轭部分通过不导磁垫片12将分闸和合闸过程的磁路进行隔离。
图2 分离磁路永磁机构原理图
当真空断路器处于分闸或合闸位置时，保持静铁心中的永磁体提供磁力即保持动铁心可靠保持在分/合闸位置。当断路器需要合/分闸操作时，电磁操动部分给合/分闸线圈通电，产生的电磁力驱动动铁心与保持动铁心一起运动，一旦保持动铁心与保持静铁心间气隙的大小超过静铁心中开槽所开气隙的宽度，则永磁体的磁力线会通过铁心中的气隙形成回路。这能快速降低保持动铁心所受的保持力，同时也降低了分、合闸初始阶段的反力，可以有效提供刚分速度。
同时，由于合闸线圈和分闸线圈之间存在用非铁磁材料填充的气隙，可以保证磁力线只通过动铁心的上端面或下端面，克服了传统机构在动铁心的上、下端面均存在两个磁力线回路问题，因此能有效提高线圈的工作效率。
此外，设计中考虑了紧急分闸的需要。当紧急情况发生时，按下紧急分闸去磁环9可以有效降低合闸保持力，帮助实现手动分闸，解决了传统永磁机构手动分闸困难的问题。
2 仿真方法（略）
3 仿真结果（略）
4 实验装置及实验结果（略）
5 讨论
5.1 传统永磁机构与新型永磁机构静态特性比较
传统永磁机构和新型永磁机构静态特性仿真结果如图11所示。为保证两种机构性能的可比性，两个机构提供的合闸保持力（约7 300N）和分闸保持力（约2 000N）相同。但是，两个机构中永磁力随气隙的变化曲线却不同。从图中可以看出，当永磁机构接近合、分闸位置时，新型永磁机构提供的永磁力快速上升。这意味着永磁力对机构运动影响较传统机构更小，因为当动铁心离开合、分闸位置后，永磁保持力迅速减小。
图11传统永磁机构和新型永磁机构永磁力随气隙变化曲线（两种机构合闸保持力约为7 300N，分闸保持力约2000N）
5.2 传统永磁机构与新型永磁机构动态特性比较
在仿真得到两种机构静态特性数据的基础上，进一步通过仿真得到其动态特性。两种机构分合闸保持力几乎一致。仿真结果位移曲线和电流曲线分别如图12和图13所示。如图12所示，仿真得到传统永磁机构平均分闸速度为2.5m/s，而新型机构平均分闸速度为3.0m/s。
从图13可以看出，新型机构的最大电流较传统机构大。更大的电流意味着线圈能在机构运动中能提供更大的电磁力，这也是新型机构能提高分闸速度的另一个原因。
图12 传统机构和新型机构分闸动触头位移曲线
图13 传统永磁机构和新型永磁机构分闸线圈电流曲线
6 结论
本文提出了一种具有分离磁路的126kV真空断路器永磁操动机构。该机构为双稳态、轴对称永磁机构，驱动部分、保持部分具有独立磁路。本文计算了本机构的静态特性及动态特性，并根据计算结果制作了样机。
样机的合闸速度可达到1.8m/s（触头闭合前20mm内平均速度），刚分速度为2.8m/s（触头分开后6ms内平均速度），平均分闸速度为2.9m/s（触头分开后12ms内平均速度）。此速度特性满足126kV真空断路器的要求。同时对比传统永磁机构和新型分离磁路永磁机构静态特性及动态特性，新型机构较传统机构分闸速度更高，电流更大。
联系客服
