1、提高永磁操作機構(gòu)的操作性的探究提高永磁操作機構(gòu)的操作性的探究摘要:介紹了永磁操作機構(gòu)的發(fā)展歷史,歸納了現(xiàn)有永磁操作機構(gòu)的種類,總結(jié)了永磁操作機構(gòu)的性能優(yōu)勢,分析了學(xué)者們近年來為提高永磁操作機構(gòu)的操作性能而做出的最新研究。鑒于典型永磁操作機構(gòu)采用電磁驅(qū)動,只有吸力沒有斥力,在分合閘過程中容易加速、不易減速,分合閘特性不理想,而改進的永磁操作機構(gòu)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜、可靠性低,為此,從操作機構(gòu)的工作原理出發(fā),提出了一種永磁驅(qū)動、永磁保持的新型操作機構(gòu)。關(guān)鍵詞:斷路器 操作機構(gòu) 發(fā)展歷史 初步研究Abstract:This paper introduces the developinghistory of

2、permanent magnetic operating mecha-nism(PMOM) for circuit breaker,summarizes thetypes of PMOM,investigates the performance ad-vantages of PMOM, and analyzes the recent re-search work by researchers on how to improve theperformance of PMOM.As the performance of thetypical PMOM is not ideal and the st

3、ructure of theimproved PMOM is complex, a new permanentmagnetic drived and permanent magnetic kept op-erating mechanism is proposed.Key words:circuit breaker; operating mecha-nism;developing history;preliminary study0引言隨著經(jīng)濟的迅猛發(fā)展,人類社會對電力系統(tǒng)的安全性和可靠性要求越來越高1-2。斷路器作為電力系統(tǒng)的主要控制元件,它的性能將直接關(guān)系到電力系統(tǒng)的安全與穩(wěn)定3-6。但目前

4、斷路器依然是電力系統(tǒng)較為薄弱的一個環(huán)節(jié),而操作機構(gòu)又是斷路器較為薄弱的一個環(huán)節(jié),統(tǒng)計資料表明,操作機構(gòu)的故障占整個斷路器故障的70%90%7。為此,國內(nèi)很多學(xué)者都在操作機構(gòu)上進行了大量研究,并取得了一定的成果8。但近年來很少有學(xué)者對最新研究成果進行歸納總結(jié)。1永磁操作機構(gòu)的發(fā)展歷史永磁操作機構(gòu)是一種電磁操動、永磁保持和電子控制的新型操作機構(gòu)9-10。20世紀(jì)60年代中期,國外就有人開始研究永磁操作機構(gòu),但由于缺乏合適的永磁材料,并沒有制造出具有商業(yè)價值的永磁操作機構(gòu)。到了20世紀(jì)80年代,出現(xiàn)了高性能的釹鐵硼稀土永磁材料,這為永磁操作機構(gòu)的發(fā)展創(chuàng)造了必要條件8。1989年,英國曼徹斯特大學(xué)系統(tǒng)

5、與能量組為GEC公司設(shè)計了世界上第1臺永磁操作機構(gòu)模型,掀起了世界各國開發(fā)永磁操作機構(gòu)的熱潮11。1997年,ABB Calor Emag開關(guān)設(shè)備公司公開介紹了VM1型配有永磁操作機構(gòu)的真空斷路器,從此永磁操作機構(gòu)開始逐步運用到實際工作之中8。目前,在40.5 kV以下的真空斷路器中,永磁操作機構(gòu)正在逐步取代傳統(tǒng)的操作機構(gòu)。2永磁操作機構(gòu)的性能優(yōu)勢永磁操作機構(gòu)能獲得如此迅速的發(fā)展在于它具有傳統(tǒng)操作機構(gòu)無法比擬的性能優(yōu)勢。a.永磁操作機構(gòu)只有一個主要運動部件,且又可以與滅弧室直接連接,零部件數(shù)量較傳統(tǒng)操作機構(gòu)減少了約50%,結(jié)構(gòu)相對簡單,大大提高了操作機構(gòu)的可靠性12-13。b.永磁操作機構(gòu)采用

6、永磁保持,無需機構(gòu)脫扣、鎖扣裝置,通過永久磁鐵產(chǎn)生的保持力就可使斷路器保持在分、合閘位置上,結(jié)構(gòu)簡單、故障源少、具有較高的可靠性14-15。c.永磁操作機構(gòu)壽命可長達十多萬次,為研制真正免維護、超長壽命的真空開關(guān)奠定了良好的基礎(chǔ)15。d.永磁操作機構(gòu)的輸出特性和真空斷路器的開關(guān)特性比較匹配,配有永磁操作機構(gòu)的真空斷路器比配有傳統(tǒng)操作機構(gòu)的斷路器具有更好的分、合閘速度特性12,15-16。e.永磁操作機構(gòu)可配合真空斷路器使用,組成自動重合器系統(tǒng),使配電網(wǎng)絡(luò)的可靠性和自動化程度大大提高17。3永磁操作機構(gòu)及其研究進展目前,國內(nèi)外用于電力系統(tǒng)斷路器的永磁操作機構(gòu),根據(jù)其分、合閘狀態(tài)保持方式的不同可分

7、為雙穩(wěn)態(tài)18和單穩(wěn)態(tài)192種。典型雙穩(wěn)態(tài)永磁操作機構(gòu)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。對于典型雙穩(wěn)態(tài)永磁電動操作機構(gòu),給上線圈或下線圈通電,通電線圈會在其周圍產(chǎn)生一個電磁場,這個電磁場與永磁體的永磁場矢量疊加,共同作用于固定在可動軸上的動鐵芯,并對動鐵芯產(chǎn)生一個方向向上或向下的驅(qū)動力,動鐵芯在驅(qū)動力的作用下帶動可動軸一起往上或往下運動,從而實現(xiàn)斷路器的合閘或分閘。當(dāng)斷路器完成分、合閘操作以后,斷開線圈的輸入電流,電磁場消失,永磁體所產(chǎn)生的永磁場單獨作用于動鐵芯,將其保持在分閘或合閘位置,從而實現(xiàn)斷路器分、合閘狀態(tài)的無功保持(雙穩(wěn)態(tài))。近年來,為進一步提高永磁操作機構(gòu)的分、合閘速度、縮短分、合閘用時、增加動鐵芯

8、的有效工作行程,學(xué)者們對永磁操作機構(gòu)進行了大量改進型研究,并取得了一系列成果。參考文獻20提出了一種四線圈雙穩(wěn)態(tài)永磁操作機構(gòu);參考文獻21提出了一種設(shè)有磁分路的永磁操作機構(gòu);參考文獻22提出了一種配有磁短路環(huán)的永磁操作機構(gòu);參考文獻23提出了一種不對稱結(jié)構(gòu)的永磁操作機構(gòu)。上述最新研究成果的共同特點是:以增加結(jié)構(gòu)復(fù)雜性、犧牲可靠性為代價,換取了比典型永磁操作機構(gòu)更強的分、合閘能力,而操作機構(gòu)可靠性的降低直接影響了斷路器的可靠性和整個電力系統(tǒng)的可靠性;同時這些改進型研究也沒能改變典型永磁操作機構(gòu)因容易加速、不易減速而導(dǎo)致分、合閘特性不十分理想的現(xiàn)狀。4初步研究理想的斷路器要求合閘時間盡量短(減少動觸頭與靜觸頭之間的高壓放電時間),并且要求合閘的末速度在一定范圍內(nèi)(防止動觸頭與靜觸頭撞擊太劇烈)。要減小合閘時間,就要在合閘開始的瞬間給操作機構(gòu)的運動部件提供一個很大的吸力讓其迅速加速,