永磁机构

智能选相真空开关结构

永磁机构采用一种全新的智能选相真空开关结构。这种结构工作时主要运动部件只有一个，无需机械脱、锁扣装置，故障源少，可靠性较高，且使用寿命长，一般达十万次以上，同时控制分合闸相位，实现同步控制，从而减少过电压和涌流对系统的冲击，减少系统保护的投入，提高系统整体寿命。

简介

为了保证电力系统的安全运行，作为控制、保护元件的中压断路器必须能切断额定电流，开断关合短路电流，开合各种空载和负荷电路。为了完成这些任务，中压断路器必须能及时可靠地分合动静触头，这要借助于操作机构来完成。因此，操作机构的工作性能和质量优劣，直接决定了中压断路器的工作性能和可靠性。近年来，伴随着电力电子技术的发展，出现了一种新型的操作机构—永磁机构。它采用了一种全新的工作原理和结构，工作时主要运动部件只有一个，具有较高的可靠性，因此备受关注。

要求

合闸

电力系统正常工作时，通过操作机构关合断路器，这时电路中流过的是工作电流，由于工作电流一般在400A以下，电流较小，关合较容易。但是当电网发生短路事故时，电路中的短路电流可达40kA，甚至更大。断路器承受的电动力可达几千牛以上，操作机构必须克服如此巨大的电动力，才能关合断路器。

保持合闸

为了缩小断路器整体尺寸和降低能耗，合闸线圈被设计成短时工作制，只允许在很短的时间内通以合闸电流，若通电时间过长，会烧毁合闸线圈。这就要求操作机构在合闸线圈失电后，仍能将断路器保持在合闸位置。

分闸

断路器分闸意味着要开断电路，要出现电弧，开断的电流越大，电弧愈难熄灭，工作条件愈严酷。当发生短路故障时，短路电流比正常负荷电流大得多，由于系统发生短路时，系统电路表现为电感性电路，所以当交流电压过零，断路器动静触头分开瞬间，动静触头间的电流不能突变，会出现瞬态恢复电压。为了达到分断电路的目的，操作机构必须提供一定的分闸速度，尤其是刚分速度。

构成及原理

传统的操作机构有弹簧操作机构和电磁操作机构。弹簧操作机构由弹簧储能、合闸、保持合闸和分闸几个部分组成。优点是不需要大功率的电源，缺点是结构复杂，制造工艺复杂，成本高，可靠性较难保证。电磁操作机构结构较简单，但结构笨重，合闸线圈消耗功率很大。在借鉴了以上两种操作机构的优缺点的基础上，永磁机构进行了改进设计。它由永久磁铁、合闸线圈和分闸线圈组成，现以ABB公司的VM1真空断路器所配的永磁机构为例进行说明。

图1 带永磁机构的真空断路器VMl单相剖面图

1．转轴；2．接近开关；3．合闸线圈；4．永久磁铁；5．动铁芯；6．分闸线圈；7．手动解锁机构

磁场分布

(a)分闸位置； (b)临界位置， (c)合闸位置

当断路器处于分闸位置时，动铁芯处于上部，动铁芯与上部的静铁芯之间间隙较小，相对应的磁阻也较小，而动铁芯与下部的静铁芯之间间隙较大，相对应的磁阻也较大，故永久磁铁所形成的磁力线大部分集中在上部，从而产生很大的向上吸引力，将动铁芯紧紧地吸附在上面。

当断路器要合闸时，合闸线圈通过合闸电流，产生感应磁场，该磁场对动铁芯产生向下的吸引力，随着合闸电流的增大，该向下的吸引力由小变大，当合闸电流到达某一临界值时，动铁芯受到的合力方向向下，开始向下运动。

当动铁芯到达下部时，永久磁铁和合闸线圈两者产生的磁场将动铁芯牢牢地吸附在下部。几秒钟以后，合闸电流消失，此时永久磁铁产生的磁场将动铁芯保持在下部位置。至此，断路器完成合闸操作。

基于同样的原理，当分闸线圈得电后，动铁芯向上运动，同样由永久磁铁将它保持在分闸位置。

由以上动作原理可知，永久磁铁与分合闸线圈相配合，较好地解决了合闸时需要大功率能量的问题，因为永久磁铁可以提供磁场能量，作为合闸之用，合闸线圈所需提供的能量便相对可以减少，这就使我们可以减小合闸线圈的尺寸和工作电流。

控制部分

系统框图如图2所示。

图2 永磁机构的控制部分框图

1．合分闸线圈；2．储能电容器；3．电源模块；4．电力半导体5．接近开关；6．开关按钮和指示单元LOGIC；控制器

电源模块的输入电压允许一定波动范围，输出电压则稳定在80V，这就避免了系统低电压或过电压时断路器无法正常工作的问题。

储能电容器用于储存能量，当合分闸时，它向合闸线圈或分闸线圈提供高达2600W的脉冲电能，使断路器完成合分闸操作。每次放电后，它能在10s内被重新充电。晶体管和晶闸管等电力半导体用于分合闸电流的控制。当分合闸线圈突然失电时，由于分合闸线圈属电感性元件，电流不能突变，会产生过电压，这时采用续流二极管可以很好地解决这一问题。

控制器由可编程元件FPGA组成，可以说FPGA是整个控制部分的灵魂。通过设定的预置程序，我们实现储能电容充电恒压，过充电截压保护，就地合分闸和远方合分闸，合分闸遥信输出，与电力系统自动综合保护联合实施各种保护合闸和重合闸操作等功能。

现状与展望

永磁机构作为一个新生事物，还有一些不足，最显著的缺陷是储能电容器的质量问题。电子控制部分易受外界电磁干扰出现逻辑混乱等。但是随着技术的发展，永磁机构必将走向成熟，在中压领域占有一席之地，就如同真空断路器取代少油断路器一样。

操动机构的性能好坏对电力系统是否能可靠、操动机构的性能好坏对电力系统是否能可靠、安全供电具有决定性作用；安全供电具有决定性作用；各种操动机构都各有千秋，一种新型操动机构的出现，并不能完全的取代传统的操动机构。

操动机构的发展趋势：体积小、成本低、操作能耗小、故障率低、工艺简单、可靠性高、能耗小、控制准确等。

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