雙穩(wěn)態(tài)永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)與真空斷路器的特性

1、雙穩(wěn)態(tài)永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)與真空斷路器的特性配合問題探討摘要：通過對(duì)實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，論述了永磁機(jī)構(gòu)傳動(dòng)方式、保持力大小以及與真空斷路器匹配時(shí)確定永磁機(jī)構(gòu)的合、分閘功及動(dòng)作特性的原理。 關(guān)鍵詞：斷路器；永磁機(jī)構(gòu)；特性；配合 1斷路器與機(jī)構(gòu)傳動(dòng)方式配合 目前，國內(nèi)外生產(chǎn)的永磁機(jī)構(gòu)（雙穩(wěn)態(tài)） 動(dòng)鐵心行程（即動(dòng)鐵心與磁軛之間氣隙） 都比較小（通常不大于25 mm） ，遠(yuǎn)小于常規(guī)電磁、彈簧、液壓和空壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)的行程。因此，目前它還只能配用在觸頭行程較小的中壓真空斷路器上。 如果單從滿足斷路器行程方面要求，可以通過放大傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的輸出行程，滿足大行程斷路器要求。但是，目前國內(nèi)外生產(chǎn)的永磁機(jī)構(gòu)的分、合閘力也較小，

2、通常在 2 0004 000 N ，最大也不大于6 000 N。在將它與斷路器配用中，往往只能利用傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的行程縮小、作用力放大，而不能利用行程放大、作用力縮小的功能。 12 kV 真空滅弧室的觸頭開距一般約為10 mm ，當(dāng)觸頭彈簧直接設(shè)在動(dòng)觸桿上，超程約3 mm 時(shí)，真空滅弧室要求行程（觸頭開距加超程） 為13 mm 左右。如果選用行程為25 mm 的永磁機(jī)構(gòu)，就需設(shè)計(jì)中間傳動(dòng)機(jī)構(gòu)使行程匹配，而且在設(shè)計(jì)傳動(dòng)比時(shí)必須考慮行程損失因素。 來源: 40.5 kV 真空滅弧室觸頭要求行程約25 mm（開距約20 mm ，超程約4.5 mm） ，正好與行程為25 mm的永磁機(jī)構(gòu)相匹配，可采用操動(dòng)機(jī)構(gòu)

3、與真空滅弧室動(dòng)觸桿同軸連接的傳動(dòng)方式。這樣不僅可以減少行程損失，而且有利于抑制合閘彈跳。 2 永磁機(jī)構(gòu)分、合閘狀態(tài)保持力的選擇 永磁機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，動(dòng)作可靠性高，無需合分閘位置機(jī)械保持和脫機(jī)裝置，它是由永久磁鐵產(chǎn)生的吸力使斷路器保持在分、合閘位置1 。 真空斷路器要求一定的觸頭接觸壓力，因此，永磁機(jī)構(gòu)的吸力不僅要能克服觸頭彈簧的反作用力和其他反力，而且還必須具有足夠的合閘位置有效保持力，防止受到外界可能因素作用下（機(jī)械震動(dòng)、電動(dòng)力等） 出現(xiàn)自動(dòng)誤分閘。該保持力的大小不僅決定了斷路器合閘保持性能，而且還決定了分閘功及分閘速度等重要參數(shù)。 根據(jù)試驗(yàn)得出合閘有效保持力:當(dāng)開斷電流為20 kA 及以下者

4、，宜選擇在500700N ；開斷電流為31.5 kA 及以上者，宜選擇在7001000 N。 因?yàn)殡p線圈永磁機(jī)構(gòu)不需要裝設(shè)全行程的分閘彈簧，操動(dòng)機(jī)構(gòu)只需要不太大的保持力就可使斷路器可靠地保持在分閘狀態(tài)?？紤]永磁機(jī)構(gòu)必須有足夠大的合閘功才能保證斷路器具有足夠的關(guān)合能力。所以，永磁機(jī)構(gòu)的分閘保持力也不能太小。根據(jù)試驗(yàn)得出永磁機(jī)構(gòu)的分閘有效保持力宜選擇在2 0003 000 N。 來源:輸配電設(shè)備網(wǎng) 永磁機(jī)構(gòu)的永久磁鐵回路通常是按吸力要求最大的一側(cè)（合閘側(cè)） 設(shè)計(jì)的，而另一側(cè)必須采取減小其吸力的措施，在動(dòng)鐵心與磁軛吸合面之間加隔磁片及減小其有效吸合面積；在分閘側(cè)裝設(shè)短程彈簧抵消一部分分閘保持力，才能

5、同時(shí)滿足斷路器分、合閘的特性要求。 3斷路器與永磁機(jī)構(gòu)分、合閘功的選配 配用永磁機(jī)構(gòu)的真空斷路器所需要的合閘功如圖1 中的oabcde 陰影部分面積。從合閘起始位置至觸頭剛閉合位置所需要的合閘力較小，一旦觸頭彈簧開始?jí)嚎s，所需要的合閘力突然增大。abcd 是斷路器需要的合閘力特性。 它所輸出的合閘功如圖1 中的ofge 陰影部分面積；曲線A 為機(jī)構(gòu)永久磁鐵產(chǎn)生的合閘力， B 為合閘電磁鐵產(chǎn)生的合閘力， C 為A 和B 兩方面力合成后的總合閘力輸出特性。 真空斷路器與永磁機(jī)構(gòu)兩者理想的合閘配合，不僅要求C 始終高于abcd 曲線， 而且還要求ofge的面積適當(dāng)大于oabcde 的面積。 來源:h

6、ttp 來源:配用永磁機(jī)構(gòu)的真空斷路器所需要的分閘功為圖2 中oabc 陰影部分的面積，它主要由斷路器可動(dòng)部分質(zhì)量和真空滅弧室觸頭額定反力所構(gòu)成， 呈均勻上升分閘力曲線，如圖2 中的ab 曲線。釋放出的分閘功如圖2 中的ofgh 的陰影部分面積。 永磁機(jī)構(gòu)分閘操作時(shí)輸出的分閘功如圖2 中的odec 陰影部分面積。曲線A 為觸頭彈簧產(chǎn)生的分閘力， 曲線B 為操動(dòng)機(jī)構(gòu)永久磁鐵產(chǎn)生的分閘力，曲線C 為分閘電磁鐵產(chǎn)生的分閘力， D 是A 、B 、C合成后的總分閘力輸出特性曲線。 真空斷路器與永磁機(jī)構(gòu)兩者理想的分閘配合，不僅要求曲線D 能夠始終高于曲線ab ，使斷路器能夠完成分閘操作， 而且還要求ode

7、c 面積適當(dāng)大于oabc 面積。 來源: 來源: 4如何獲得理想的分、合閘速度特性 永磁機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)真空斷路器進(jìn)行分、合閘操作的工作原理如圖3 所示。分閘或者合閘線圈從a 點(diǎn)開始通電，線圈中電流經(jīng)激磁時(shí)間t 上升到最大值，b 點(diǎn)為操動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)鐵心開始運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)斷路器分閘或者合閘，線圈中電流下降到c 點(diǎn)，斷路器分閘或者合閘終了，線圈中電流又開始上升，直至電源被切斷，斷路器完成分閘或者合閘操作。 來源:http:/ 來源:http:/ 試驗(yàn)表明，當(dāng)操動(dòng)機(jī)構(gòu)的分閘或者合閘電磁鐵回路結(jié)構(gòu)、尺寸和形狀，磁回路工作氣隙，線圈的安匝數(shù)確定后，電流上升陡度已確定，電流i 值就取決于激磁時(shí)間t 的長短，激磁時(shí)間愈長，

8、電流愈大，操動(dòng)機(jī)構(gòu)輸出的分閘或者合閘功就愈大，斷路器的分閘或者合閘速度也愈快，反之亦然。同時(shí)，斷路器處于合閘或分閘狀態(tài)時(shí)永磁機(jī)構(gòu)必須提供合適的有效保持力。在通常情況下，有效保持力愈大，激磁時(shí)間愈長，電流也愈大。 由于在分閘靜態(tài)位置的有效保持力總是要比在合閘靜態(tài)位置的有效保持力大得多（因?yàn)橛|頭彈簧壓力抵消了大部分合閘側(cè)自保持力） ，如果不采取措施，斷路器的合閘速度會(huì)偏大。 根據(jù)實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，獲得理想的分、合閘速度特性（不僅分、合閘速度在規(guī)定值，而且分閘速度不會(huì)出現(xiàn)明顯的馬鞍形） 具有很大難度。采取措施后才能獲得相對(duì)理想的分、合閘速度特性（分閘速度仍有點(diǎn)呈馬鞍形） 。 提高永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的分閘輸出功

9、是一個(gè)難以解決的問題，目前也只有將額定短路開斷電流較大的真空斷路器，每相配一臺(tái)操動(dòng)機(jī)構(gòu)，解決提高永磁機(jī)構(gòu)分閘輸出功而不使外形尺寸增大的難題，但這毫無疑問使得斷路器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、調(diào)試?yán)щy和產(chǎn)品成本增加。 來源:http:/ 斷路器傳動(dòng)部件（包括傳動(dòng)桿、觸頭彈簧裝配、導(dǎo)電夾、真空滅弧室可動(dòng)部分等）的質(zhì)量大小，對(duì)斷路器分、合閘速度都有不同程度影響，在分、合閘操作過程中可動(dòng)部件的慣性明顯地起到了阻止運(yùn)動(dòng)的作用，即不管對(duì)分閘還是對(duì)合閘都起負(fù)作用。因此，在設(shè)計(jì)傳動(dòng)部件時(shí)應(yīng)盡量優(yōu)化結(jié)構(gòu)和減輕部件質(zhì)量。 電源電壓的降低對(duì)斷路器的分、合閘速度影響遠(yuǎn)小于常規(guī)電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)，這是由于永磁機(jī)構(gòu)在操作過程中，當(dāng)電流未上升到一

10、定值，電磁力尚未克服永久磁鐵產(chǎn)生的有效保持力時(shí)，操動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)鐵心根本不會(huì)運(yùn)動(dòng)。因此，電源電壓雖然降低了，但只會(huì)使激磁時(shí)間延長，而不會(huì)使電流明顯減小，操動(dòng)機(jī)構(gòu)輸出的分閘或者合閘功不會(huì)明顯減小。 例如，對(duì)某型真空斷路器進(jìn)行低電壓操作試驗(yàn)，當(dāng)電源電壓降低至額定電壓的80 %時(shí)，斷路器速度下降小于10 % ，電源電壓降低至額定電壓65 %時(shí)，斷路器速度下降小于20 %。 分閘速度出現(xiàn)嚴(yán)重馬鞍形，除了前述原因外，還與斷路器不裝設(shè)全行程的分閘彈簧有關(guān)。斷路器在分閘過程中，當(dāng)觸頭彈簧釋放結(jié)束后，操動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)鐵心又尚未越過中間位置，永久磁鐵回路的吸力仍是指向合閘方向，阻止鐵心分閘運(yùn)動(dòng)，此時(shí)分閘速度就會(huì)明顯下降

11、；當(dāng)動(dòng)鐵心越過中間位置，磁鐵吸力指向分閘方向，使鐵心加速分閘，分閘速度上升。 來源: 圖4 是當(dāng)ZW- 40.5/ 2000 - 31.5 斷路器的觸頭彈簧超程調(diào)整在3 mm（彈簧終壓力為3 200 N） 時(shí)測(cè)得的分閘速度特性。盡管斷路器全開距內(nèi)平均速度符合技術(shù)條件要求，但在69 mm 行程段（相當(dāng)于操動(dòng)機(jī)構(gòu)可動(dòng)鐵心行程處在912 mm 行程段） 內(nèi)速度明顯下降，從10 mm 開始速度明顯上升（相當(dāng)于操動(dòng)機(jī)構(gòu)可動(dòng)鐵心行程13 mm） ，分閘速度呈現(xiàn)嚴(yán)重的馬鞍形，顯然這對(duì)斷路器開斷性能不利。 來源:http:/ 來源:tede圖5 是當(dāng)ZW- 40.5/ 2000 - 3.15 斷路器的觸頭彈簧

12、超程調(diào)整到4.5 mm 時(shí)（彈簧的終壓力仍為3 200 N） 的分閘速度特性，分閘速度的馬鞍形明顯減小，說明在一定條件下適當(dāng)增大觸頭彈簧超程可以有效地調(diào)整分閘速度特性。 來源:www.tede 來源:當(dāng)觸頭彈簧超程為3 mm 與4.5 mm ，它們對(duì)分閘所做的功顯然不一樣，后者所做的功要比前者所做的功大40 % ，使運(yùn)動(dòng)部分獲得更高的運(yùn)動(dòng)能量，正好使斷路器在分閘過程69 mm 開距段的分閘功不足得到了彌補(bǔ)，速度不再明顯下降。但必須指出，斷路器的觸頭彈簧超程也不能設(shè)計(jì)太大，否則永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)輸出的行程就滿足不了真空斷路器觸頭開距的要求。原則上超程占到操動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)鐵心行程的20 %左右為宜，當(dāng)鐵心行程

13、為25 mm ，并采取直動(dòng)式傳動(dòng)觸頭，超程在4.5 0.5 mm為好。 試驗(yàn)結(jié)果說明，適當(dāng)增大超程不僅可以減小斷路器在分閘過程中速度的下降幅度，而且有利于減小合閘沖擊力。 5真空斷路器分、合閘時(shí)間的確定 配用永磁機(jī)構(gòu)的真空斷路器分閘時(shí)間通常可達(dá)到30 ms （激磁時(shí)間25 ms 加觸頭超程運(yùn)動(dòng)時(shí)間5 ms）左右，從1240.5 kV 配電網(wǎng)絡(luò)要求出發(fā)，無需斷路器具有這么短的分閘時(shí)間，通常具有50 ms 分閘時(shí)間就足夠了。 當(dāng)斷路器分閘時(shí)間偏短時(shí)，很難在斷路器或操動(dòng)機(jī)構(gòu)上采取延長分閘時(shí)間的措施，通常只有在分閘操作回路出口處增裝延時(shí)繼電器，使斷路器分閘時(shí)間延長到50 ms 左右，斷路器的合閘時(shí)間通

14、常在4045 ms （激磁時(shí)間3035 ms 加觸頭開距運(yùn)動(dòng)時(shí)間1520 ms） 。1240.5 kV 中壓斷路器具有這么短的合閘時(shí)間也是少見的。合閘時(shí)間短一些對(duì)斷路器和電力系統(tǒng)都沒有什么負(fù)面作用，無需采取措施將其延長。 來源: 電源電壓的降低對(duì)斷路器的分、合閘時(shí)間影響很大， 因?yàn)殡娫措妷旱停?激磁時(shí)間就長。例如， ZW- 12/ 630 - 20真空斷路器， 額定電壓操作時(shí)分、合閘時(shí)間分別為30 ms 和48 ms ；當(dāng)分閘電壓為額定電壓的65 %時(shí)，分閘時(shí)間增長到40 ms ；當(dāng)合閘電壓為額定電壓80 %時(shí)，合閘時(shí)間增長到64 ms。因此，在測(cè)試斷路器分、合閘時(shí)間時(shí)必須采用額定電壓。 6斷路器的分、合閘緩沖性能 由于分、合閘操作過程中末速度都比較大（參見圖4 和圖5） ，機(jī)械沖擊力很大，對(duì)斷路器的機(jī)械壽命極為不利。 （1）分閘緩沖裝置最好是直接設(shè)置在動(dòng)鐵心頂桿與基座箱之間，不僅結(jié)構(gòu)簡單、而且緩沖效果好。緩沖裝置可采用碟形彈簧組成，操動(dòng)機(jī)構(gòu)處在分閘靜態(tài)位置，碟形彈簧壓縮約1 mm ，終壓力可選擇在8001 000 N。碟形彈簧的終壓力反作用到動(dòng)鐵心上，一方面使操動(dòng)機(jī)構(gòu)分閘保持力減小，另一