断路器永磁机构特点及原理

断路器永磁机构特点及原理

摘要：

断路器，作为电力系统中重要的控制、保护设备。需要借助操动机构来可靠地完成断路器的分合闸操作。近年来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，相对传统的操动机构来说，具有更高的可靠性，因此备受关注。

关键词：断路器；永磁机构

引言

为了保证电力系统的安全运行，作为控制、保护元件的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，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。

1 永磁机构的构成

传统的操作机构有电磁操作机构和弹簧操作机构。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。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。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。设计中使真空断路器分合闸位置的保持通过永久磁铁实现，取代了传统的机械锁扣装置。这种磁力机构主要由永久磁铁和分闸、合闸控制线圈组成，当合闸控制线圈通电后，它使动铁心向下运动，并由永久磁铁保持在合闸位置；当分闸控制线圈通电，动铁心向反方向运动，同样由永久磁铁将它保待在另一个工作位置即分闸位置上，也就是说，该机构在控制线圈不通电流时它的动铁心有两个稳定工作状态，（合闸和分闸）。也称双稳态电磁机构[1]。

永磁操动机构作为替代传统操动机构的一种新型机构，构成单元非常简单。主要由极化电磁铁、智能控制器、储能电容器、电源模块、位置传感器等五部分组成。

图1 系统连接组成工作原理框图

2 永磁机构动作原理

2.1、双线圈电磁铁结构

极化电磁铁是永磁机构的主要执行部件。 它由静铁心、动铁心、永磁体和激励线圈 组成, 双线圈电磁铁具有合闸和分闸两个 励磁线圈，如图2所示[2]。

图2 双线圈电磁铁结构

2.2、双稳态电磁铁的工作原理

永磁机构与传统的电磁机构工作原理基本相似，所不同的是分合闸状态前者是通过现代新型稀土永磁体的强大永磁吸力保持状态；后者是靠机械连锁保持状态。因此，永磁机构（分、合）动作过程是启动初始靠电磁力F s 克服永磁反力F m 及机械摩擦力f 。动铁心所受的合力F 为：

ΣF=F s –F m –f

当ΣF 〉0时动铁心开始运动，当铁心移动到某一临界间隙时，永磁体磁力F m 由反力变为助动力：

ΣF=F s +F m –f

由此可见，电磁合力增大，迅速完成（分、合）过程，此后线圈断电由永磁吸力保持（分、合）状态，如图三所示，应用于真空断路器的操动机构使分合闸动作迅速，且分合闸时间一

致性好，使其应用进一步扩展。

如图3 分闸状态所示，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。

如图3 合闸过程所示，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。 如图3 合闸状态所示，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，如图3 分闸过程所示。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。

2.3 永磁机构的控制部分

智能控制器主要由五大部分组成：电源模块、信号输入模块、信号输出模块、专用控制芯片以及电力电子驱动模块，原理框图如下：

分闸状态

合闸过程

图4 水磁机构的控制部分框图

储能电容器用于储存能量，当合分闸时，它可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。

3 特点

（1）永久磁铁与分闸、合闸控制线圈结合，解决了合闸时需要大功率能量的问题。

（2）真空灭弧室的动触头靠永久磁铁产生的力通过拐臂、绝缘拉杆使其保持在合闸、分闸位置上，取代传统的机械锁扣方式，机械结构大为简化，仅有几个活动部件，零件总数约为50件左右，耗材少，节能且成本低。

（3）操动机构无需机械锁扣和辅助电器，机械动作的可靠性大大提高，能够实现免维护，节省维修费用。

（4）真空断路器采用永磁操动机构，永磁力可保证100年不消失，该机构寿命高达10万次，以电磁力进行分合闸操作，以永磁力进行双稳态保持，简化了传动链，降低了能耗和噪音。开断能力强，安全可靠。与传统的弹簧机构和电磁机构相比，机械寿命至少提高3倍。（5）采用先进的真空灭弧室，额定电流为630A-3150A，额定短路开断电流为31.5kA—40k A，技术性能达到世界领先水平。

（6）断路器机构简单，布局合理。真空灭弧室纵向安装在绝缘筒内，即使在恶劣的环境下，

仍能保持很高的抗爬电性能及绝缘性能。本产品无爆炸、无污染、噪音低、体积小、重量轻、寿命长。

参考文献：

[1] 林莘。永磁机构与真空断路器[M].北京：机械工业出版社，2002.

[2] 谭东现，李岩，牟坚，等.动态式双稳态永磁机构的研究[J].高压电器，2007，43（3）：229-231