一種基于電磁與運(yùn)動(dòng)分析的永磁機(jī)構(gòu)真空斷路器

1、一種基于電磁與運(yùn)動(dòng)分析的永磁機(jī)構(gòu)真空斷路器摘要 結(jié)合瞬態(tài)電磁分析與運(yùn)動(dòng)分析開(kāi)發(fā)出了一種新型永磁機(jī)構(gòu)真空斷路器（VCB），可用作同步斷路器或標(biāo)準(zhǔn)斷路器，它具有三個(gè)先進(jìn)的雙穩(wěn)態(tài)電磁操動(dòng)裝置，分別操作斷路器的各相。在分析中，利用操動(dòng)機(jī)構(gòu)的延時(shí)常數(shù)用公式表達(dá)了渦流導(dǎo)致的磁通滯后。利用這一分析方法，優(yōu)化了24kV VCB用永磁機(jī)構(gòu)，使永磁機(jī)構(gòu)所需操作功減少至傳統(tǒng)VCB用彈簧機(jī)構(gòu)所需操作功的五分之一，并且機(jī)構(gòu)零部件顯著減少。因此開(kāi)發(fā)的VCB具有小型化、可靠性高、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。關(guān)鍵詞 真空斷路器 雙穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu) 渦流 運(yùn)動(dòng)1 前言近來(lái)，真空斷路器（VCB）的使用電壓范圍已擴(kuò)大至3.684kV，絕大多數(shù)VCB

2、一開(kāi)始就使用儲(chǔ)能式彈簧機(jī)構(gòu)，這種彈簧機(jī)構(gòu)包括許多復(fù)雜的部件，三相滅弧室觸頭由一個(gè)與三相操作桿聯(lián)動(dòng)的操作軸驅(qū)動(dòng)進(jìn)行電流開(kāi)斷，這在很大程度上限制了VCB的壽命。因此，永磁操作機(jī)構(gòu)有望成為新一代操作機(jī)構(gòu)，使用永磁機(jī)構(gòu)可顯著減少機(jī)構(gòu)零部件數(shù)量，使機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化、可靠。但大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)VCB用永磁機(jī)構(gòu)采用一個(gè)操作軸操作三相滅弧室，不能用作同步斷路器。最近，三菱公司結(jié)合電磁與運(yùn)動(dòng)分析開(kāi)發(fā)了一種新型永磁機(jī)構(gòu)VCB，該VCB配先進(jìn)的雙穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)，操作系統(tǒng)包括三個(gè)永磁操作裝置與一個(gè)電子控制器。三個(gè)操作裝置安裝于一條直線上，可分別操作三相觸頭動(dòng)作，進(jìn)而將機(jī)械損耗降低到最低水平。另外，由于先進(jìn)的結(jié)構(gòu)大大降低了電磁損失。開(kāi)發(fā)

3、中綜合采用電磁分析與運(yùn)動(dòng)分析，成功地解釋了電磁操驅(qū)動(dòng)現(xiàn)象。通過(guò)這一分析，設(shè)計(jì)并優(yōu)化了24kV VCB操作機(jī)構(gòu)。這些分析方法的采用與操作機(jī)構(gòu)機(jī)械損失的最小使該VCB可用作同步斷路器與標(biāo)準(zhǔn)斷路器。2 電磁操作的VCB2.1 機(jī)構(gòu)說(shuō)明開(kāi)發(fā)的新型24kV VCB見(jiàn)圖1，技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。該VCB有三組真空滅弧室、絕緣操作桿、觸頭壓力彈簧和電磁操作裝置，所有部件設(shè)置于一條直線上，真空滅弧室由電磁操作裝置直接驅(qū)動(dòng)，從而將機(jī)械損失降低到最低水平。另外，該VCB具有傳統(tǒng)彈簧機(jī)構(gòu)斷路器所具有的緊急手動(dòng)分閘功能。圖2給出了該電磁操作裝置模型，圖3利用三維有限元法電磁分析的計(jì)算結(jié)果給出了其操作原理，圖中動(dòng)鐵芯的驅(qū)動(dòng)方

4、向?yàn)閆軸。操作裝置包括分閘線圈、合閘線圈、第一磁軛、兩組第二磁軛和永久磁鐵。操作裝置作為雙穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)，可將動(dòng)鐵心保持在上下兩個(gè)極限位置（合閘與分閘位置），保持力由附著于第二磁軛的NdFeB永磁體提供。該電磁保持力能夠抵消短路電流產(chǎn)生的電磁斥力，同時(shí)，兩個(gè)勵(lì)磁線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)可使動(dòng)鐵芯解鎖。圖3（b）示出了給分閘線圈施加勵(lì)磁電流后磁場(chǎng)的變化，第一磁軛與兩個(gè)第二磁軛將勵(lì)磁電流產(chǎn)生的磁通分為Pass 1、Pass 2與Pass 3 三路。永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)被Pass 1路磁場(chǎng)抵消減少，從而降低了分閘保持力。另一方面，Pass 3路磁通的磁場(chǎng)方向與永磁體磁化方向相同，因此永磁提將不再磁化。動(dòng)鐵芯的運(yùn)動(dòng)主

5、要取決于Pass 1路與Pass 2路磁通的變化。由于磁軛與動(dòng)鐵芯都是層壓結(jié)構(gòu)，從而使整個(gè)操作系統(tǒng)穩(wěn)定性高，所需操作功效。表1 24kV VCB技術(shù)參數(shù)額定電壓（kV）1224額定電流（A）630/1250額定斷路開(kāi)斷電流（kA）25額定關(guān)合電流（kA）63開(kāi)斷次數(shù)（循環(huán)）3額定操作循環(huán)O-0.3s-CO-15s-CO2.2 電子控制器電子控制器見(jiàn)圖4。分閘線圈與合閘線圈分別通過(guò)分閘電容C分和和閘電容C合供電，電容的施加電壓為80V，該電壓范圍與傳統(tǒng)斷路器彈簧機(jī)構(gòu)分閘操作電壓相同。該分合閘電容的使用降低了完成一個(gè)O-0.3s-CO操作循環(huán)所需的儲(chǔ)存能量，因此，最大的儲(chǔ)能適用于每個(gè)合閘操作。接到

6、故障信號(hào)時(shí)，SW1與SW分接通，然后分閘線圈通電，通過(guò)動(dòng)鐵芯驅(qū)動(dòng)觸頭分閘。此時(shí)，SW2與SW合斷開(kāi)。注意，SW1、SW2、SW分、SW合是三極管。分閘操作完成后，SW分?jǐn)嚅_(kāi)，然后SW1斷開(kāi)。合閘操作與此類似。利用該控制系統(tǒng)，通過(guò)續(xù)流二極管可有效降低線圈電感產(chǎn)生的操作過(guò)電壓，但是未通電線圈會(huì)感應(yīng)出與通電線圈磁場(chǎng)衰減方向一致的電流，這無(wú)形中增大了電能需求，使川動(dòng)操作變得不穩(wěn)定。SW1、SW2的選用避免了該感應(yīng)電流的產(chǎn)生，提高了操作的可靠性與穩(wěn)定性。3 綜合分析3.1 方法結(jié)合瞬態(tài)電磁分析與運(yùn)動(dòng)分析計(jì)算電磁驅(qū)動(dòng)，C分放電儲(chǔ)能電器特性可用（1）式表示。 （1）式中：C：表示電容器電容；q：表示電容器電

7、量；E：表示電容器電壓；I線圈：表示線圈電流；R線圈：表示線圈電阻；R外：表示電容器與其它裝置的外部串聯(lián)電阻；f：表示穿過(guò)通電線圈的總連接磁通；z(t)：表示動(dòng)鐵芯的位置。（2）式給出了電、磁、機(jī)械子系統(tǒng)的耦合。.（2）（2）式右邊第一項(xiàng)為磁通對(duì)線圈電流I線圈的微分，對(duì)應(yīng)于操作機(jī)構(gòu)的電感L。第二項(xiàng)為磁通對(duì)動(dòng)鐵芯位置z的微分。移動(dòng)部件（包括動(dòng)觸頭、轉(zhuǎn)動(dòng)軸、動(dòng)鐵芯及其它）的動(dòng)力學(xué)特性可用（3）式表示。.（3）式中：m：表示移動(dòng)部件質(zhì)量；Fm：表示取決于線圈電流與動(dòng)鐵芯位置的電磁力；Fs：表示觸頭壓力彈簧作用力；F摩擦：表示機(jī)械摩擦力。通過(guò)（1）（3）式可得出動(dòng)鐵芯的運(yùn)動(dòng)力學(xué)特性，首先利用三維有限元

8、靜態(tài)電磁分析計(jì)算取決于線圈電流I線圈(t)和動(dòng)鐵芯位置Z(t)的磁通和電磁力；其次，對(duì)磁通和電磁力進(jìn)行現(xiàn)行插補(bǔ)，最后用一定時(shí)間段綜合（1）（3）式的數(shù)字積分，給出I線圈(t)、Z(t)、和 的函數(shù)。所有計(jì)算為數(shù)學(xué)計(jì)算。另一方面，在（1）（3）式中未考慮渦流影響。渦流可通過(guò)線圈電流導(dǎo)致的磁通延時(shí)獲得，同時(shí)電磁力也隨之延遲，該延時(shí)特性見(jiàn)（4）式。若當(dāng)時(shí)間段足夠短，則電流與磁通之間的關(guān)系接近于線性關(guān)系。另外，我們已經(jīng)假設(shè)該延時(shí)可用時(shí)間常熟t表示為線圈電流的延時(shí)，這樣（4）式可簡(jiǎn)化為（5）式。同樣，電磁力可用（6）式表示，延時(shí)時(shí)間常數(shù)t可通過(guò)比較單相試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷挠?jì)算與測(cè)量值進(jìn)行估算。這樣，（5）式和（6）式同時(shí)可用（1）（3）式求解。.（4）.（5）（6）移動(dòng)部件的質(zhì)量與觸頭壓力圖5所示的間斷特性。在一般數(shù)字積分中，由于時(shí)間段設(shè)定過(guò)長(zhǎng)，間斷位置的速度變化往往被忽略。我們?cè)陂g斷位置的分析中應(yīng)用了動(dòng)量守恒定律。5101510002000觸頭壓力移動(dòng)部件質(zhì)量上限下限M0M1可以動(dòng)部件質(zhì)量（arb單位）觸