永磁操动机构时间分散性分析

永磁操动机构的主要优点在于可以精确控制，但在实际运行过程中，由于受电气、机械和环境等参数的影响，永磁机构的动作时间会发生漂移，必须加以补偿，确保所需的控制精度，以实现真空断路器精准操作和智能控制。理论分析和实际运行经验表明，永磁操动机构的分闸、合闸时间主要与电容器的初始电压、电容容量、环境问题、线圈电阻和触头老化等因素有关，且影响过程复杂，目前尚不能精确地建立描述其变化特性的数学模型。因此，准确预测操作时间，减小其动作时间分散性，对提高永磁操动机构可靠性具有重要意义。

永磁机构动作时间分散性的影响因素

（1）电容器初始电压

采用电容器组供电方式的励磁电路，电容器初始电压对其运动特性有较大影响。通过仿真计算，可以分析电容器初始电压对运动特性影响的程度。在线路其他参数不变的情况下，即分/合闸线圈电阻R=1.52Ω、电容器容量C=0.13F、线圈的通电时间都为100ms，计算得到的分合闸运动特性如图7-46（合闸）和图7-47（分闸）所示。

图7-46 合闸过程——不同电容初始电压下动铁心行程曲线

图7-47 分闸过程——不同电容初始电压下动铁心行程曲线

从图中可以看出，电容器初始电压对机构合闸特性影响比分闸特性影响大，且当电容初始电压降至160V后，机构动作时间较长，应尽量避免合闸过程电容器初始电压降至160V及以下。

（2）电容器容量

为考察电容器容量对机构动作时间的影响，在保证其他参数一致的情况下，以分闸过程为例，计算得到不同电容器容量时的动作时间见表7-11。从表中数据可以看出，在其他参数不变的情况下，虽然电容容量对机构动作时间影响比较小，但是考虑到同步动作时间分散性要求为±1ms，其影响仍然不能忽略。从表中数据可知，电容容量越大，机构动作时间越短。

表7-11 电容器容量对动态性能的影响（U_C0=220V，R=1.52Ω）

（3）工作温度

工作温度对配永磁机构的真空断路器分合闸时间影响主要体现在：线圈工作温度影响线圈电阻，进而对永磁机构动态性能影响；温度对电容容量有影响；温度对永磁体剩磁和矫顽力产生影响。

1）对线圈电阻率的影响。线圈工作温度对永磁机构动态特性的影响主要体现在：当线圈的温度升高时，线圈电阻随之变大，在永磁机构其他参数（如电容初始电压、电容容量等）不变的情况下，线圈内工作电流的上升速度随之降低，线圈的工作电流的峰值也会变小，进而使永磁机构的动作时间变长。当线圈工作温度降低时，效果相反。

为分析永磁机构线圈温度对其动态性能的影响，一般需考虑永磁机构工作时线圈温升的影响。但对于高压断路器而言，它并不像接触器那样频繁操作，永磁机构工作频率较低，而且可以认为是工作于短时工作制，所以对永磁机构线圈温度的影响仅考虑环境温度的影响。

材料的电阻率与温度有关，大量实验结果表明，金属材料的电阻率随温度的变化较有规律，在通常的温度变化范围内，电阻率与温度呈线性关系，即

ρ=ρ₀（1+αt） （7-36）

式中 ρ₀——材料在0℃时的电阻率；

ρ——材料在温度t时的电阻率；

α——电阻的温度系数，不同金属材料的电阻温度系数α亦不相同，对于导线铜电阻，其值一般取4×10^-3/℃。

铜在0℃时的电阻率为0.016×10^-6Ω/m。根据式（7-36）可求得永磁机构线圈在-30～50℃下电阻值的变化情况见表7-12。

表7-12 电阻随温度的变化情况

2）温度对电容器容量的影响。电容器的电容量在整个工作温度区间的一定温度范围内会经历可逆的变化。电容量与温度之比的梯度曲线用电容量的温度系数α_c表示。温度系数是由电容器的属性决定的，也与测量参数、电容器的构造有关。

电容温度系数为在给定温度变化范围内，温度每变化1℃时，电容量的改变量与标称电容的比值。标称电容量为（20±2）℃测得的电容值，温度范围为T₁～T₂时，其表达式为

式中 C₁——T₁时测得的电容量；

C₂——T₂时测得的电容量；(www.xing528.com)

C₃——（20±2）℃时参考电容量。

从有关文献可以查得电容温度系数的平均值约为1000×10^-6℃。本文中供电电容容量为0.13F，通过式C_T=C₂₀[1+α（T-20）]可求得激励电容在-30～50℃条件下的电容的变化情况，见表7-13。

表7-13 电容随温度的变化情况

3）温度对永磁体剩磁和矫顽力的影响。永磁体的热稳定性是指当所处环境温度改变时所引起永磁体性能变化的程度，又称为温度稳定性。永磁材料的剩余磁感应强度随温度可逆变化的情况用温度系数α_Br来表示，单位为K^-1。

式中 B₀——T₀时测得的剩余磁感应强度；

B₁——T₁时测得的剩余磁感应强度；

B′₀——（20±2）℃时测得的剩余磁感应强度。

同样，还常用α_Hci表示永磁材料的内禀矫顽力随温度可逆变化的程度，单位也是K^-1。

式中 H′_ci——T₀时测得的内禀矫顽力；

H_ci——T₁时测得的内禀矫顽力。

随着温度的升高，永磁材料的磁性能将逐渐减低，当温度升到某一值时，其磁化强度将消失，所以应当避免永磁体长期工作在较高温度。该温度成为永磁材料的居里温度。钕铁硼永磁材料的居里温度较低，一般为310～410℃；其B_r温度系数一般为-（0.09～0.128）%/℃，H_ci的温度系数为-（0.45～0.8）%/℃，根据永磁体厂家提供数据，取α_Br为-0.1%/℃，α_Hci为-0.60%/℃。

本节选用的永磁材料为钕铁硼（Nd-Fe-B）N40，其剩余磁感应强度为1.28T，矫顽力为923kA/m，内禀矫顽力为992kA/m。根据式（7-39），可求得永磁体在-30～50℃温度下的剩余磁感应强度和内禀矫顽力变化情况，见表7-14和表7-15。

表7-14 剩余磁感应强度随温度的变化情况

表7-15 内禀矫顽力随温度的变化情况

综上所述，工作温度对线圈电阻、电容容量、永磁体剩磁和矫顽力产生影响，进而影响永磁机构的动作时间。以环境温度为20℃，电容器容量C=0.13F、线圈电阻R=1.52Ω为例，初始充电电压U_C0=220V，仿真计算得到环境温度对断路器动作性能的影响，其结果见表7-16～表7-18。

表7-16 T_Close和T_Open随环境温度变化的仿真结果

表7-17 T_Close随环境温度和电容初始电压变化

表7-18 T_Open随环境温度和电容初始电压变化

根据以上分析可知，电容初始充电电压和环境温度均会对永磁机构分合闸时间产生重要影响。具体而言，永磁机构分合闸时间主要受工作温度和电容初始充电电压两个因素综合作用的影响，在温度一定时（即永磁机构永磁体出力特性一定时），电容初始电压越高，机构动作越快，反之电容初始电压越低，机构动作越慢。当电容初始电压一定时，温度越高，线圈电阻越大，机构动作时间越长；但温度越高，永磁体材料的剩磁和矫顽力越小，提供的永磁保持力越小。由于合闸保持力较大，因此环境温度对分闸操作动作时间的影响比和合闸操作大，温度越高，合闸保持力越小，分闸操作动作时间越短。

从上述分析可以看出，各个影响因素对断路器永磁操动机构的分合闸时间影响往往并不是单一的、线性的、确定的，而通常是相互耦合的、非线性的，同时也有很多随机性和不确定。因此，针对上述断路器分合闸操作时间影响因素的复杂关系，以及同步操作的控制原理，能够解决复杂因素对于分合闸时间预测的影响，实现分合闸时间的可靠预测，是实现同步控制技术的核心所在。