真空断路器用单稳态永磁机构概述

贺天元，刘仲晔

（海军驻湖南地区军事代表室，湖南湘潭411101）

真空断路器用单稳态永磁机构概述

贺天元，刘仲晔

（海军驻湖南地区军事代表室，湖南湘潭411101）

本文对单稳态永磁机构与传统机构以及双稳态永磁机构的特点进行了对比，对其结构与工作原理进行了简单说明，并对其发展前景进行了简要探讨。

单稳态永磁机构结构改进智能化

0　引言

断路器对电力系统起着控制、保护、调节的作用，其能否正常、可靠地工作直接维系着整个系统的安全与稳定。其中断路器的机械结构是决定其性能的核心部分，从国际、国内对断路器的故障统计数字来看,机械故障占总故障的70%，所以世界各地研究人员一直在努力尝试改进断路器的结构，以使其具有更高的性能与可靠性。

1　单稳态永磁机构概述

真空断路器的结构在发展过程中大约经历了电磁操动机构、弹簧操动机构和永磁操动机构三个阶段。在早期使用的电磁操动机构中，当断路器合闸时，电磁线圈通入电流，电磁铁受到端面的吸力开始逐渐向端面移动，并随着电磁铁与端面的距离越来越近，其所受到吸力也越来越大，这也与断路器所需的机械特性相匹配，但是其需要采用机械锁扣来保持合闸位置，由于在合闸过程中，磁路电感变化较大，其产生的反电动势对合闸线圈中的电流增长产生了很强的阻碍作用，并且这种阻碍作用随着合闸速度的增大而增大，使得需要提供数百安培的直流电流才能完成合闸动作，要求的操作功率很大。而随后出现的弹簧操动机构则不需要庞大的蓄电池组供电，使用起来比电磁操动机构更为灵活方便，但弹簧机构结构复杂，且需要通过连杆、锁扣和储能来实现操动功能，环节多、动作分散性大、可靠性差。

永磁机构则是近年来发展起来的一种新型断路器操动机构。这种结构将电磁机构与永久磁铁结合在了一起，利用永磁体的磁能作为分合闸动作中动铁芯运动时所需能量的一部分，并利用永久磁铁的磁力或弹簧力将断路器保持在合闸位置或者分闸位置，无需传统的机械脱、锁扣装置。与传统的电磁、弹簧操动机构相比，永磁结构有着以下优点：

1）结构简单，性能可靠。永磁机构一般只有动铁芯一个运动部件，相比于弹簧机构的近百个运动部件，大大提升了断路器的可靠性，而且永磁机构利用永久磁铁的磁力或者弹簧的弹簧力来使断路器保持在合闸或者分闸位置，不需要传统断路器所使用的脱、锁扣装置，使整个系统的操作可靠性得到了极大的提升。

2）采用两位式结构。永磁结构的设计原理就决定了其要么处于合闸位置，要么就处于分闸位置，不会出现处于中间的似合非合状态而造成关合失败。

3）操作耗能少。在很多场合下，特别是户外、柱上断路器中是以电池作为电源来操作的，所以减少操作耗能，对断路器的性能提升具有重要的意义。

目前永磁机构的主要形式有双稳态和单稳态永磁机构两种，其中单稳态相比于双稳态永磁机构有着以下特点[1]：

1）单稳态永磁机构分闸特性更接近于真空断路的机械特性。

2）单稳态永磁机构由于在分闸时要承受永磁体的反向吸力，所以所需的静态分闸保持力更大，不利于断路器的整体尺寸的缩小。

3）单稳态永磁机构的分闸特性不易受电参数的控制。

尽管相对于双稳态永磁机构，单稳态永磁机构有着这样或者那样的缺点，然而由于其分闸特性更为理想，所以也在受到越来越多的关注。

2　单稳态永磁机构的结构

2.1单稳态永磁机构的结构与工作原理

一般永磁机构根据其外形可分为方形结构和圆形结构。由于圆形机构中的永磁体采用轴对称结构，磁场分布更加均匀，使得在同样满足真空断路器分、合闸速度特性的情况下，圆形操作机构的动铁芯的体积、永磁体的体积、整个机构的体积与总重量都明显小于方形操作机构，而且由于圆形机构在相同电流下产生的磁力更强且动铁芯体积重量较小，所以在分、合闸的过程中，线圈的峰值电流和耗能也相对较小；因此从操作机构本身的性能出发，圆形机构是要优于方形机构的，但方形结构更加灵活，在维持长度不变的情况下，可以在厚度方向进行扩展，以满足断路器机构箱体尺寸的要求，同时方形结构也更利于发展系列化产品[2]。

典型的单稳态永磁机构的剖面图如图1所示。图中动铁芯处于合闸位置。处于合闸位置时线圈6中无电流，永磁体在由动、静铁芯提供的低磁阻通道中产生较强的磁场，并产生强大的吸力使动铁芯保持在合闸位置上。

当机构需要分闸时，线圈6中通过一定的电流，使线圈6在动铁芯底部气隙上产生的磁场与永磁体在此处产生的磁场方向相反，使得动铁芯受到的向下的磁吸力减少，当此吸力减少到小于分闸弹簧1向上的拉力时，动铁芯就会在分闸弹簧的拉力下向上移动并经由连接杆8带动触头完成分闸动作。

当机构处于分闸状态时，由于上端盖是非导磁材料，所以永磁体无法为动铁芯提供向上的拉力，此时分闸保持力主要由弹簧的拉力提供。

当机构需要从分闸状态再次进入合闸状态时，给线圈6中通入相反的电流，使得线圈在下部气隙中的产生磁场方向与永磁体在此处产生的磁场方向相同，当线圈与永磁体的合磁场产生的向下的吸力大于弹簧的拉力时，动铁芯便会向下运动，同时给分闸弹簧储能，并再次进入到合闸位置。由于在合闸过程中还需克服分闸弹簧所产生的拉力，所以合闸电流远大于分闸电流。

图1　单稳态永磁机构剖面简图

3.2单稳态永磁结构的改进研究

单稳态永磁机构之所以受到越来越多的重视，就是因为其分闸特性与断路器负荷特性更匹配，即在刚分点前加速，在刚分点后减速，通过合理的设置弹簧参数比较容易获得较为理想的分闸速度。然而由于分闸弹簧的存在，其所需的永磁保持力、合闸电流均较大。有研究人员提出了一种安装两个动铁芯的双动铁芯永磁机构，仿真表明，该结构相比于普通单动铁芯，合闸保持力得到了提高，也即合闸的可靠性增高，同时使刚分速度提升，刚合速度减少，单次分合闸能量显著降低[3]。

也有研究人员提出另一种新颖的设计结构，芯轴与动铁芯不再使用螺栓连接在一起，相互同轴安装后可在轴向进行相对运动。通过仿真和对物理样机的试验表明，该结构能有效的降低合闸的启动电流，而且该结构特别适用于大开距开关，为单稳态永磁机构进入更高电压领域进行了十分有意义的探索[4]。

另一种思路则是在原有结构的基础上增加合闸线圈的匝数，减少合闸线圈的直径，同样可以在对其他特性影响较小的前提下减少合闸电流[5,6]。同时文献[5]也指出，应当考虑传动机构设计的不同对所需合闸力大小的影响。

由于永磁机构在运动过程中包含着极其复杂的电、热、磁和机械参量的变化，很难单纯的直接用理论去指导永磁机构的参数设计，采用遗传算法等新兴算法对其进行参数优化设计，也能起到很好的效果[5]。

3　单稳态永磁结构二次单元

要使单稳态永磁机构能够顺利的完成分闸、合闸动作，还需要解决三个方面的问题，即电源，分、合闸状态的检测，分、合闸线圈操作单元。

3.1电源

永磁机构断路器及其控制系统能稳定运行的前提是有可靠的电源系统。电源系统一方面作为分合闸动作的动力源，给分合闸线圈提供瞬时大电流，驱动永磁机构断路器实现分合闸操作；另一方面也作为给控制系统的工作电源，实现断路器状态监测、保护、人机界面显示和通信等功能[7]。

由于要求断路器开合闸速度较快，电源系统需要在较短的时间内为永磁机构的线圈提供较大的脉冲电流。目前工程上一般可供采用的方案分为两种，一是采用电容器充放电，另一种是采用蓄电池。这两种方案一般都能满足要求。但是采用蓄电池的方案需要考虑到诸如充电、放电等问题，而且充电线路及保护线路也较为复杂。而使用电容器则不需要考虑充电过量的问题，也就不需要精确地控制其充电电流与时间，更易于并联使用，而且理论上电容器的充放电次数是无限的，因此也更不易损坏。因此从经济性的角度出发，户内永磁机构中的电源设计通常采用电容器放电的方式。但是对于户外柱上真空断路器，由于现场电源不易解决，一般采用蓄电池等其他方式[8]。

3.2断路器分合闸状态检测

永磁机构断路器必须保证其可靠地处于分闸或者合闸的工作位置，不允许出现中间状态等故障位置，否则可能会造成及其严重的事故。一旦出现故障位置，应及时报警通知工作人员检修。同时，为了避免热损耗及电源损耗，在铁心运动到分、合闸位置后，应及时断电。这些都需要对断路器的分、合闸状态进及时、准确行检测。

传统断路器一般采用触点辅助开关，但由于可能会出现的污染、触头氧化等问题，经常会使触头接触不良，甚至失效。因此为保证其可靠性，应考虑使用电子开关和非接触式传感器来取代传统的辅助开关[9]。

3.3分、合闸操作单元

单稳态永磁机构的分闸、合闸共用一个线圈，所以需要给线圈通过不同方向的直流电流实现分、合闸，用传统方法开断大容量直流是比较复杂与困难的，可以考虑采用可关断晶闸管（GTO）、MOSFET、IGBT等。在设计驱动回路时应注意对开关的RC缓冲回路参数采取有效的方法进行优化，否则可能会造成关断时浪涌电压过大，造成器件损坏[10]。

4　单稳态永磁机构的智能化

随着电力系统智能化要求的不断提高，人们对断路器的要求也在提高。断路器应不仅仅有简单的重合闸功能，也应能从配电系统功能优化的角度综合实现诸如馈线监测、馈线保护等新功能。智能断路器应不仅能实现围绕断路器外围的有关保护、控制、开关量监测、通信等功能，也需要能根据电网信息来对断路器本身的开断或关合动作进行智能控制[11]。

由于传统的电磁操动机构和弹簧式操动机构的重合闸动作是由复杂的机械传动结构实现的，运动时间分散性很大，很难实现对重合闸时间的精确控制。永磁操动机构的无脱扣、锁扣特点使得其具有高可靠性与免维护性；同时由于其运动部件很少，又使得其动作分散性小，可靠性高，寿命长；以及单稳态永磁结构的机械特性更接近于真空断路器的要求，所以单稳态断路器在实现本身智能控制上有着得天独厚的优势。

断路器的同步控制是断路器智能化的前沿课题，也是核心课题。同步控制技术是指断路器在控制系统的控制下，在电网电压或电流的指定相位完成电路的断开或闭合。同步控制包括同步关合和同步分断两方面内容，这项技术不仅可以减小开合操作的涌流和过电压，缩短系统瞬态过程，提高电能质量和系统稳定性，延长电器的使用寿命，而且可以大大提高断路器的分断能力。

一般断路器采用三相一体式结构，即一个永磁机构采用连杆同时带动三个真空灭弧室同时完成三相的分、合闸操作。但由于三相存在相位差，同时开断最多只能保证一相在理想相位开断。要实现真正的三相同步控制，就需要对传统结构进行改进，要么继续使用三相一体式结构，但通过对机械传动结构的重新设计，使得三相能以固定的时间间隔依次闭合和开断；要么每相分别配有独立的永磁机构，显然后者的实用性更广，可靠性更高，但同时造价也更加昂贵[12]。

实现断路器的同步分合操作，有2个关键技术问题需要解决。首先对是系统电压或电流过零点的检测。由于出现故障时，系统中的电流和电压会受到高次谐波和噪声的干扰，偏离正弦波形，同步分合控制系统必须能从故障波形中准确获取系统电压或电流过零点的准确时刻，以作为同步分合操作时间的基准。其次，虽然永磁操动机构本身动作时间的分散性很小，但由于控制电压、环境温度、机构老化与触头磨损等等外界条件的影响，使得永磁机构每次的动作时间并不是固定不变的，因此在进行控制时，应该对这些影响因素做出分析，并对分合闸时间做出相应的补偿[14]。由于这些影响因素与分合闸时间之间的关系相当复杂，很难用一个精确的数学模型进行描述，所以有很多研究人员考虑将诸如人工神经网络理论等智能控制理论应用于其中[15]。通过测试表明基于神经网络的控制方式克服了传统建模方法难以精确建立断路器同步控制数学模型的缺点，既能从故障波形中准确的提取出过零点时刻，又能根据外界影响因素对分合闸时间做出补偿，使系统保持相对一致的分合闸操作时间，满足同步控制要求。

5　结语

相比于传统的操作结构，单稳态永磁结构有着简单可靠、操作耗能少、动作分散性小等优点，相比于双稳态永磁机构有着分闸特性更接近于真空断路器的机械特性的优点。通过对其机械结构、二次单元的进一步研究，可以使其成为更理想的断路器结构。而单稳态永磁结构自身良好的特性，又使得它成为智能化断路器的良好载体，在国家大力发展智能电网的今天，有着广阔的发展前景。

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Summary of Monostable Permanent Magnet Actuator forVacuum Breaker

He Tianyuan,Liu Zhongye
（Naval Representatives Office in Hunan,Xiangtan 411101,Hunan,China）

This paper compares monostable PMA to traditional actuator and bi-stable PMA.Thestructure and working principle issimply explained.The development prospect is also discussed.

monostable permanent magnet actuator;structure;improve;intelligence

TM464

A

1003-4862（2015）10-0041-04

2015-08-19

贺天元（1984-），男，工程师。研究方向：电机。