新型分离磁路式永磁操动机构7.4.1优化方案

本书第3章和第6章分别分析了输电等级真空断路器在分断过程和合闸过程中对速度的要求，从与真空断路器出力特性配合来看，传统结构永磁机构的合闸过程与真空断路器负载特性配合良好，但分闸过程则不然。对于理想的操动机构，希望在合闸位置机构能提供一个较大的保持力将断路器可靠地保持在合闸位置；而当机构运动初始阶段，希望机构能提供一个相对较高的分闸速度，使断路器动静触头在较短的时间拉开到一个相对较大的开距避开强电弧模式，而后以较低的速度将触头开距维持在扩散电弧模式或者点状斑点模式；而在运动后期，为避免机构或断路器的过冲，希望机构能以一个相对的低的速度达到分闸末了位置。从传统永磁机构工作原理可知，由于永磁体产生的磁力线和线圈电流产生的磁力线共用磁路，在分闸过程中，永磁体产生的保持力在机构运动初始阶段表现为阻力，将阻碍机构运动；而在机构运动的后期，永磁保持力为动力，将加速机构的运动，不能符合真空断路器分闸要求。对于126kV真空断路器来说，触头开距为60mm左右，初始阶段分闸速度要求在3.0m/s以上，传统共用磁路式永磁机构无法满足高电压等级真空断路器大开距、高速度的要求。

图7-15 分离磁路式永磁机构结构图

1—导杆 2—紧急分闸去磁环 3—弹簧 4—合闸保持永磁体 5—合闸保持静铁心 6—合闸保持气隙 7—保持动铁心 8—分闸保持静铁心 9—分闸保持永磁体 10—非磁性材料垫片 11—分闸保持气隙 12—静铁心 13—合闸线圈 14—非磁性材料 15—分闸线圈 16—动铁心

针对传统永磁机构存在的问题，本节提出了一种新型的分离磁路式永磁机构的结构形式，即将永磁保持部分和电磁操动部分进行分离，其结构如图7-15所示。与传统双稳态永磁机构不同，这种新型的分离磁路式永磁机构由非磁性材料垫片（10）将机构分成两部分，即永磁保持部分和电磁操动部分。其中，永磁保持部分由永磁体（4、9），合闸保持静铁心（5）、分闸保持静铁心（8）和保持动铁心（7）组成。永磁体嵌入分、合闸保持静铁心中，其中合闸保持静铁心中的永磁体上下端开槽，留有气隙（6）；分闸保持静铁心中的永磁体上端开槽（11），下端与非磁性材料垫片（10）相连，方便固定分闸保持静铁心；保持动铁心（7）与导杆（1）相连，通过导杆带动动铁心和保持动铁心一块运动，进而带动真空灭弧室动触头运动。电磁操动部分由静铁心（12）、合闸线圈（13）、分闸线圈（15）和动铁心（16）组成。非磁性材料（14）将合闸线圈（13）与分闸线圈（15）磁路分离，在给合闸线圈（13）或分闸线圈（15）通电时，产生的磁力线仅通过动铁心（16）的上端面或下端面。由于该永磁机构保持部分和电磁操动部分在工作时各自拥有自己的磁路，互不影响，因此称为分离磁路式永磁机构。

这种新型分离磁路式永磁机构和传统共同磁路永磁机构一样，均是用永磁体实现分闸和合闸保持，通过向分、合闸励磁线圈通电实现分闸或合闸操作。下面结合图7-16对126kV真空断路器永磁机构的操作过程进行详细描述。

图7-16 分离磁路式永磁机构操作原理图(www.xing528.com)

a）分闸位置 b）合闸过程 c）合闸位置 d）分闸过程

当永磁机构处于分闸状态时，由分闸保持永磁体提供磁力将保持动铁心保持在分闸位置。由于动铁心与保持动铁心通过导杆相连，所以动铁心也被保持在分闸位置。分闸保持永磁体产生的磁力线通过分闸保持静铁心和保持动铁心形成闭合回路，如图7-16a中的回路Ⅰ所示。当进行合闸操作时，在合闸线圈中通过足够的直流电流产生电磁力。由于非工作气隙的存在，该电流产生的磁力线只通过动铁心的上端面，如图7-16a中的回路Ⅱ所示。这样合闸线圈中的电流所产生的电磁力与保持力方向相反，使保持动铁心受到指向分闸位置的力，随着电流的增大而不断减小。直到保持动铁心受到的保持力小于线圈电磁力和断路器反力的合力，电磁力将会驱动动铁心和保持动铁心，带动动触头一起向合闸位置运动。一旦保持动铁心离开分闸保持静铁心的距离超过分闸保持静铁心上气隙宽度的一半，磁力线选择磁阻小的磁路通过，则大部分分闸保持永磁体的磁力线会通过分闸保持气隙形成回路如图7-16b中的回路Ⅲ所示，这样就降低了永磁体对操作初始阶段的阻碍。当触头到达合闸位置时，合闸保持永磁体产生磁力将保持动铁心稳定保持在合闸位置。

在合闸状态时，合闸保持永磁体产生的磁力线通过合闸保持静铁心和保持动铁心形成闭合的回路如图7-16c中的回路Ⅳ所示。如果需要分闸操作，分闸线圈流过电流，该电流产生的磁力线只通过动铁心的下端面并产生一个电磁力。分闸线圈中的电流所产生的电磁力与保持力方向相反，随着电流增大，到一定值时保持动铁心所受到的向下的力大于向上的保持力，动铁心和保持动铁心带动动触头一起向分闸位置运动。一旦保持动铁心与合闸保持静铁心之间的气隙超过合闸保持下气隙的宽度的一半，则大部分合闸保持永磁体的磁力线会通过合闸保持上、下两个气隙形成回路，如图7-16d中的回路Ⅵ所示，这样就降低了永磁体对操作初始阶段的阻碍，提高了刚分速度。当触头到达分闸位置时，分闸保持永磁体产生磁力将保持动铁心稳定保持在分闸位置。

综上所述，与传统共用磁路永磁机构相比，新型分离磁路式永磁机构具有的优势总结如下：

1）将永磁保持和电磁操动部分进行分离，减少了两部分磁路在机构运动时的互相干扰；同时在保持动铁心与保持静铁心之间加入非工作气隙，使得机构一旦运动，永磁保持力将迅速降低，减少了永磁保持力对机构运动的影响。

2）将永磁保持部分和电磁操动部分分离，使调整机构保持力特性更为灵活。

3）在电磁操动部分将分合闸线圈磁路进行分离，使线圈通电后，磁路仅通过动铁心下部或上部磁极工作气隙，降低了磁路磁阻，有效提高了线圈工作效率，进而提高机构运动速度。