一种永磁机构双控开关及其在智能电容器中的应用

张中印

（北京博瑞莱智能科技周口有限公司，河南 周口 466700）

0 引 言

现有的电力电容器有的内部没有放电电阻，使用时需外部安装放电电阻和保护电路，整体结构复杂。在内部安装电容器放电回路时，通常将放电电阻直接与电容器并联。当电容器接入电路时，放电电阻同时接入，这时放电电阻会消耗电能，存在一定的浪费现象。为降低耗能，不得不减小放电电阻的阻值，又限制了电容器的放电速度，不适合快速投切电容的场合，且放电电阻长期置于电路中易发热损坏[1]。

本文介绍了一种永磁机构双控开关在智能型电力电容器中的应用方法。智能型电力电容器外壳内固定安装有电力电容器、永磁机构双控开关和放电电阻。永磁机构双控开关设置三组六对触点。同一组的两对触点中，有一对触点连接电力电容器，另一对触点连接放电电阻，两对触点之间串接。当电路中需要投入电力电容时，通过永磁机构双控开关执行投入动作，使所述电力电容自动接入电路。此时，放电电阻并未接入电路。当电路中需要切出电力电容时，永磁机构双控开关执行切动作，使所述电力电容器退出电路，同时将放电电阻与所述电力电容器并接。这时，电力电容器两端电压通过放电电阻迅速降至安全范围，从根本上解决了放电电阻长期消耗电能的问题。由于电容器退出电路时放电电阻才起作用，该电阻可不受限制地选用阻值较大的放电电阻，加快放电速度，为电容器快速投切创造良好条件，且可以在一程度上延长放电电阻的使用寿命[2]。

1 永磁机构双控开关

永磁机构双控开关是智能型电力电容器的关键部件，主要由永磁式电磁操作装置、盘状开关、隔板以及行程控制开关构成，如图1、图2所示。永磁式电磁操作装置设置在隔板的上方，盘状开关设置在隔板下方，盘状开关与永磁式电磁操作装置的一端通过传动机构连接，永磁式电磁操作装置的另一端与行程控制开关连接。其中，永磁式电磁操作装置是永磁机构双控开关的操作机构，盘状开关是永磁机构双控开关的执行机构，两者的设计有其独特之处。

1.1 永磁式电磁操作装置

永磁式电磁操作装置采用“推拉式”电磁铁结构，大大降低了启动电流，扩大了永磁机构开关的应用范围，简化了储能电路；正反磁力同时作用，大大提高了动作的可靠性，缩短了动作时间；合分闸线圈只在开关合分闸瞬间带电，平时靠永久磁铁保持在合分闸位置，大大降低了线圈对电能的损耗。

如图3所示，永磁式电磁操作装置包括固定挡圈17、位于所述固定挡圈17内的合闸线圈7、分闸线圈11、静铁芯9、动铁芯10以及永磁体8；动铁芯10位于所述固定挡圈17的中部，动铁芯10的两端分别缠绕有合闸线圈7和分闸线圈11；静铁芯9围绕动铁芯10对称排列，永磁体8位于动铁芯10外表面分闸线圈7与合闸线圈11的中间。动铁芯10上设置有第一传动杆6以及第二传动杆15，电磁铁的合分闸线圈（7、11）分别引出一对DC+、DC-线，分别提供合分闸线圈（7、11）电源，将合闸线圈7的DC+与分闸线圈11的DC-接在一起（即永磁式电磁操作装置的合闸线圈7与分闸线圈11串联连接）。

图1 永磁机构双控开关外形图

图2 永磁机构双控开关结构

图3 永磁式电磁操作装置结构图

工作原理。通过两根引线DC+、DC-通入正向直流电，合分闸线圈（7、11）同时带电，分闸线圈11侧产生正磁力吸引动铁芯向分闸线圈11侧移动，同时合闸线圈7产生反磁力推动动铁芯10向分闸线圈11侧移动，此为分闸过程；分闸完成时，线圈断电，动铁芯10靠永磁体8保持在分闸位置。当通过其余两根引线DC+、DC-通入反向直流电时，合分闸线圈（7、11）同时带电，分闸线圈11侧产生反磁力推动动铁芯向合闸线圈7侧移动，同时合闸线圈7产生正磁力吸引动铁芯10向合闸线圈7侧移动，此为合闸过程；合闸完成时，线圈断电，动铁芯10靠永磁体8保持在合闸位置。

1.2 盘状开关

盘状开关的结构如图4所示，盘状开关设置三组六对触点。为了增强频繁动作对中轴的耐冲击能力，在制作盘状开关过程中，需对个别部位进行加强。如图4所示的黑色部分，是在传统盘状开关上增设的伞状加强筋，优选为均匀分布的三道，且盘状部分和加强筋均由环氧树脂整体浇注而成；如图5所示的阴影部分，是盘状开关的中轴，中轴总长度设定在65～84 mm，嵌入环氧树脂烧注层的有40～45 mm。

图4 盘状开关结构图

图5 盘状开关内部结构图

永磁式电磁操作装置通过合/分闸线圈瞬间带电产生的电磁力和永磁体的共同作用力，直接推动盘状开关中轴转动，从而实现各触点的闭合或断开。这种永磁机构双控开关结构简单、组合方便、应用范围广，即可单独使用，还可组合成多组开关使用，不仅可做投切电容器使用，还可作为调压开关使用，又可作为转换电路使用。

2 智能型电力电容器

本文介绍的智能型电力电容器是永磁机构双控开关的具体应用。智能型电力电容器包括框架，框架内固定安装有电力电容器、永磁机构双控开关、放电电阻和接线端口。放电电阻和电力电容器分别与永磁机构双控开关的两对触点相连，永磁机构双控开关的接线通过所述接线端口引出[3-4]。如图6、图7所示，永磁机构双控开关在图中表示为投切开关K，放电电阻在图中表示为放电电阻R，电力电容器在图中表示为电容器C。投切开关K包括三组六对触点，放电电阻R、电容器C和电路通过所述的三组六对触点连接在一起。每组触点由两对触点构成，触点2、触点3为一对触点，触点4、触点5为另一对触点，其中触点2分别与电路A（或B、C）相连，触头3分别与电容器C的三个接线柱相连，触头5分别与三个放电电阻R相连，触点3和触点4短接。

当智能型电力电容器接入电路时，如图6所示。触点2、触点3处于闭合状态，触点4、触点5处于断开状态，此时电容器C接入电路，放电电阻R由于触点4、触点5断开而未接入电路。当电容器C需要退出电路时，永磁机构双控开关K自动转换为如图7所示的状态，触点2、触点3处于断开状态，触点4、触点5处于闭合状态，此时电容器C退出电路。三只放电电阻R由于触点4、5闭合而构成电容器C的Y形放电回路，使电容器两端电压通过放电电阻迅速降至安全范围。

永磁机构双控开关的接线通过接线端口引出后与控制器相连，控制器的操作逻辑为：

（1）如果电力电容器没有投入电路，判断电路中是否需要投入所述电力电容器，如果是，执行（2），否则待命；

（2）通过永磁机构双控开关动作使电力电容器自动接入电路，此时所述放电电阻并未接入电路；

（3）如果电力电容器已投入在所述电路中，判断电路是否需要切出所述电力电容器，如果是，执行（4），否则待命；

（4）永磁机构双控开关动作使电力电容器退出电路，同时放电电阻与电力电容器并接；

（5）电力电容器两端电压通过放电电阻迅速降至安全范围，同时进入待命状态。

3 结 论

永磁机构双控开关设计巧妙，电力电容器、放电电阻接入其不同的触点，刚好使电力电容器退出电路同时并入放电电阻，为电容器快速投切创造了条件。它在电力电容器接入电路的同时隔离了放电电阻，大大延长了放电电阻的使用寿命。此外，该双控开关的操动机构采用“推拉式”永磁电磁装置，储能电路简单、启动电流小、动作可靠性更高。

图6 智能电容接入电路状态图

图7 智能电容器退出电路状态图