CN101510474A - 快速响应永磁操动机构 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种用于开关操控的快速响应永磁操动机构，包括：磁轭(1)、动铁芯(2)和推杆(10)，动铁芯(2)的顶部设有推杆(10)，动铁芯(2)设在磁轭(1)内，在磁轭(1)内还设有分闸线圈(3)、合闸线圈(4)、分闸启动线圈(5)、合闸启动线圈(6)、环形永磁体(7)、上缓冲软垫(8)、下缓冲软垫(9)、上绝缘层(11)及下绝缘层(12)。分合闸线圈用于在开关分合闸过程中为动铁芯提供电磁吸力，用以抵消环形永磁体对动铁芯的吸力；分合闸启动线圈用于在开关分合闸的初始阶段为动铁芯提供电磁吸力，用以抵消环形永磁体对动铁芯的吸力。环形永磁体用于提供分合闸动力，并使开关动触头保持在分合闸位置的。磁轭用于提供磁路；动铁芯用于带动开关运动部分运动的；缓冲软垫用于吸收振动冲击。

Description

快速响应永磁操动机构

技术领域

本发明是电力系统一次设备，属于开关设备的附件，是为开关进行分合闸动作提供动力的驱动装置，本发明尤其涉及一种快速响应永磁操动机构。

背景技术

永磁操动机构是操动机构电子化过程中的成功范例，但是目前若将永磁机构向高压领域拓展还需进行进一步研究：

(1)为获得较大的电磁力必须增加始动安-匝数，这与设备的安全可靠性相悖。特别是容易引起线圈烧毁，同时对线圈的各项参数也有相当大的要求。

(2)负载特性曲线与电磁吸力驱动曲线很难一致。因此对永磁机构的研究主要集中在磁路优化和新型操控机构的结构研究上。

(3)现有的永磁操动机构的可靠性难以保证。通过国际大电网会议第CIGREWG13.06工作组对高压断路器的可靠性进行的两次世界范围的调查发现：3/4的故障涉及到操动机构、电气控制和辅助回路。而操动机构的故障即机械故障又是故障中的主导因素。而目前在中高压领域所采用的永磁操动机构则经常会出现拒动和线圈烧毁的情况，且电力电子技术的发展状况决定了变电站开关固态化的时间漫长性和道路曲折性。而向固态开关过渡期中，对新型的永磁操动机构的研究就成为目前比较现实的课题。

(4)随着变电站综合自动化水平的提高和绿色电网建设进程的加快，提高电网安全可靠性、加强对电网中用电设备的保护、改善电网电能质量、减小谐波污染等问题越来越被大众所关注。而目前的操动机构成了解决上述问题的瓶颈。

而针对上述问题，虽然国内外专家学者作了大量工作。但到目前为止，国内外还没有研制出具有高可靠性的、对供电电源要求较低的、操控速度较快的永磁开关操控装置。因此本发明将填补这项空白。

发明内容

本发明提供一种能够减小永磁操动机构的始动安匝数、降低线圈供电电压防止分合闸线圈烧毁的快速响应永磁操动机构。

为解决上述问题，本发明“快速响应永磁操动机构”采用如下技术方案：

一种用于开关操控的快速响应永磁操动机构，包括：磁轭、动铁芯和推杆，动铁芯的顶部设有推杆，动铁芯设在磁轭内，在磁轭内还设有分闸线圈、合闸线圈、分闸启动线圈、合闸启动线圈、环形永磁体、上缓冲软垫、下缓冲软垫及上绝缘层，且合闸线圈位于磁轭的内壁顶部并套设在动铁芯上，上缓冲软垫紧固在磁轭的内壁顶部并套设在推杆上，分闸线圈位于磁轭的内壁底部并套设在动铁芯上，下缓冲软垫紧固在磁轭的内壁底部，环形永磁体位于磁轭的内壁中央且位于分闸线圈与合闸线圈之间并套设在动铁芯上，而分闸启动线圈位于磁轭的内壁底部并套设在分闸线圈上，合闸启动线圈位于磁轭的内壁顶部且套设在合闸线圈上，在分闸线圈与分闸启动线圈间设有下绝缘层，在合闸线圈与合闸启动线圈间设有上绝缘层。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

i.有效减小永磁机构的始动安匝数，从表1中的电磁力增量大小可以看出，在不同的电压与线圈匝数下，在启动阶段，启动线圈加载的情况下动铁芯的受力有明显提高，这样就可以取消为永磁操动机构专门配备的380V以上的高压电源，而采用容易获取的220V直流电源，从而节约成本，简化电力系统结构。

表1

ii.可有效的减小开关动作时由于超程引起的分断、合闸的时间分散性，缩短由机械传动装置带来的操控的延时。本机构对分合闸时间分散性的改善程度见表2，在该表中可以通过样本标准差的数值来评估本机构对分合闸时间分散性的改善程度。

表2

iii.可显著提高装置的可靠性。由于装置减小了始动安匝数，因此可以有效防止线圈烧毁，并减少由于传动系统故障所引起的开关拒动的可能性。

为解决上述问题，本“快速响应永磁操动机构”的发明作了如下设计：

增加了一对启动线圈，该组启动线圈置于分合闸线圈的外围，在分合闸线圈与启动线圈间设有纳米TiO2上绝缘层和下绝缘层，该材料不仅绝缘且磁导率低，可以有效降低启动线圈与分合闸线圈的互感。启动线圈可辅助分合闸线圈抵消环形永磁体的永磁吸力，使开关动触头迅速启动，在触头运行3mm后，由于图2中电容电量释放结束，由分合闸线圈，继续提供电磁吸力。分闸线圈，用于在分闸时提供抵消永磁力的电磁吸力；合闸线圈，用于在合闸时提供抵消永磁力的电磁吸力；环形永磁体，用于提供分合闸动力，并使动触头保持在分合闸位置，另外环形永磁体的极性为圆柱的内表面和外表面的极性相异；磁轭，用于提供磁路；动铁芯，作为运动部件与开关动触头部分相连，并带动开关运动部分运动。其中分合闸线圈、分合闸启动线圈的通电电流方向要相同，防止出现极化现象。缓冲软垫可以有效起到缓冲机构振动冲击的左右，有效保护操动机构的磁轭和开关的动静触头。

附图说明

下面结合附图和具体实施方案对本发明作进一步详述：

图1快速响应永磁操动机构结构示意图。

图2分合闸线圈和分合闸启动线圈激磁回路原理图。

图3分闸时刻合闸线圈通电操动机构内部磁场分布图。

图4线圈电压与动铁芯电磁力曲线。

图5合闸位置依靠永磁力保持开关位置时的磁场分布。

图6gap＝30永磁力起驱动作用时的磁场分布。

具体实施方式

参照图1，一种用于开关操控的快速响应永磁操动机构，包括：磁轭1、动铁芯2和推杆10，动铁芯2的顶部设有推杆10，动铁芯2设在磁轭1内，在磁轭1内还设有分闸线圈3、合闸线圈4、分闸启动线圈5、合闸启动线圈6、环形永磁体7、上缓冲软垫8、下缓冲软垫9、上绝缘层11及下绝缘层12，且合闸线圈3位于磁轭1的内壁顶部并套设在动铁芯2上，上缓冲软垫8紧固在磁轭1的内壁顶部并套设在推杆10上，分闸线圈4位于磁轭1的内壁底部并套设在动铁芯2上，下缓冲软垫9紧固在磁轭1的内壁底部，环形永磁体7位于磁轭1的内壁中央且位于分闸线圈3与合闸线圈4之间并套设在动铁芯2上，而分闸启动线圈5位于磁轭1的内壁底部并套设在分闸线圈3上，合闸启动线圈6位于磁轭1的内壁顶部且套设在合闸线圈4上，在分闸线圈3与分闸启动线圈5间设有下绝缘层12，在合闸线圈4与合闸启动线圈6间设有上绝缘层11。

所述的分闸启动线圈5用于在开关分闸动作操控的初始阶段配合分闸线圈3为动铁芯提供抵消环形永磁体7永磁力的电磁吸力，在分闸过程中动铁芯2运行4mm后分闸启动线圈5失电，由分闸线圈3提供抵消环形永磁体永磁力的电磁吸力；所述的合闸启动线圈6用于在开关合闸动作操控的初始阶段配合合闸线圈3为动铁芯提供抵消环形永磁体7永磁力的电磁吸力，在合闸过程中动铁芯2运行4mm后合闸启动线圈5失电，由合闸线圈3提供抵消环形永磁体永磁力的电磁吸力。

本发明的工作过程如下：

在正常状态下图2中的晶闸管T₁、T₂、T₄、T₅常开，T₃T₆T₇常闭。当需要分闸时，继电保护装置向开关控制装置发布分闸指令，由开关控制装置发出脉冲信号，而后打开图2中的晶闸管T₃，合上晶闸管T₂和晶闸管T₅，分别接通分闸线圈激磁回路和分闸启动线圈的激磁回路。这时预充电电容C为分闸启动线圈供电，并在分闸启动线圈中激发逐渐衰减的磁场，提供成指数衰减的电磁吸力。而由直流电源向分闸线圈供电，激发稳恒磁场，提供稳恒电磁力。当开关触头运行约4mm后，电容放电结束，此时打开晶闸管T₅，合上晶闸管T₃和晶闸管T₇为电容充电，准备下一次合闸动作。而在触头开距到最大，开关辅助触头触发控制电路，并由开关控制装置发出脉冲信号，打开晶闸管T₂，此时由环形永磁体提供保持开关位置的电磁吸力。至此，操动机构完成一次分闸动作。另外图2中二极管D₂、电阻R₃组成的电路支路用于分闸线圈的电感放电缓冲之用，二极管D₄、电阻R₄组成的电路支路用于分闸启动线圈的电感放电缓冲之用。

当需要合闸时，继电保护装置向开关控制装置发布合闸指令，由开关控制装置发出脉冲信号，而后打开图2中的晶闸管T₃，合上晶闸管T₁和晶闸管T₄，分别接通合闸线圈激磁回路和合闸启动线圈的激磁回路。这时预充电电容C为合闸启动线圈供电，并在合闸启动线圈中激发逐渐衰减的磁场，提供成指数衰减的电磁吸力。而由直流电源向合闸线圈供电，激发稳恒磁场，提供稳恒电磁力。当开关触头运行约4mm后，电容放电结束，此时打开晶闸管T₄，合上晶闸管T₃和晶闸管T₇为电容充电，准备下一次分闸动作。而在触头开距到最大，开关辅助触头触发控制电路，并由开关控制装置发出脉冲信号，打开晶闸管T₁，此时由环形永磁体提供保持开关位置的电磁吸力。至此，操动机构完成一次合闸动作。另外图2中二极管D₁、电阻R₃组成的电路支路用于合闸线圈的电感放电缓冲之用，二极管D₃、电阻R₄组成的电路支路用于合闸启动线圈的电感放电缓冲之用。

根据快速响应永磁操动机构的具体结构，其结构细部说明如下：

分合闸线圈，提供电磁力用以抵消环形永磁体的永磁力同时驱动动铁芯运动。图3为在分闸位置当合闸线圈通电时机构内的磁场分布和磁力线分布，图中的黑色封闭曲线表示磁力线，该磁力线的疏密代表磁场的强度，磁力线密度越大磁场越强，该处的电磁力也越大。由该图可见在电磁力的作用下动铁芯可以抵消环形永磁体的永磁吸力向上运动。

分合闸启动线圈，用于提供额外的电磁吸力以便在不增加分合闸线圈始动安匝数的情况下推动动铁芯抵抗环形永磁体吸力而实现分合闸操作。在合闸过程中，在不同的激磁电压下，对合闸启动线圈起作用和不起作用两种情况进行了仿真对照，见图4。在图4中实线为启动线圈不加载时刻线圈电压-动铁芯电磁力曲线，虚线为启动线圈加载时刻线圈电压-动铁芯电磁力曲线，gap为断路器触头开距。如图4所示，当启动线圈加载时，在一定的激磁电压下，可以获得很高的电磁力，这样就可以有效减小激磁线圈的始动安匝数，从而有效避免线圈烧毁，提高永磁机构的可靠性。同时，通过增加启动线圈，可以在不增加激磁线圈参数的情况下提高驱动力，从而有效提高操控速度和响应时间，是将永磁操动机构应用于高压和超高压开关中的一种有效的解决办法。此外，从仿真结果可知在铁芯启动后，将消磁线圈电压去掉，也可以有效保证电磁力的大小，这样可有助于与负载曲线相匹配。

环形永磁体，起到开关动触头位置保持和提供驱动力的作用。以动铁芯在分闸位置为例，在图1中磁轭、动铁芯给环形永磁体提供了一个闭合的磁路，而在动铁芯的顶部，由于空气的存在割裂了完整的磁路，所以如图5所示的情况，环形永磁体的磁力线的绝大部分从磁轭、动铁芯所构成的磁路通过，只有少部分磁力线通过动铁芯顶部。而当开关触头运行到开距的50％以后，环形永磁体开始起到驱动作用，此时的磁场分布和永磁力矢量见图6，由图可见现在永磁力方向已经改变。在图5和图6中，黑色封闭曲线表示磁力线，该磁力线的疏密代表磁场的强度，磁力线密度越大磁场越强，该处的电磁力也越大。另外，环形永磁体的特性参数见表3。

表3环形永磁体材料-压制粘结钕铁硼磁体牌号HC-A

 

性能参数	数值
		剩余磁场强度BT(mT)	590-640
磁通密度矫顽力Hcb(kA/m)	4005
		内禀矫顽力Hci(kA/m)	1040-1200
最大磁能积BH(kJ/m3)	60-68
		磁感温度系数α(25-100℃)(％/°C)	-0.12
矫顽力温度系数β(25-100℃)(％/°C)	-0.38
		回复磁导率urec	1.22
居里温度(℃)	310-340

磁轭作用就是提供磁路，并通过动铁芯的往复运动改变闭合磁路的路径。

动铁芯的作用是连接开关动触头，并带动动触头往复运动，同时配合磁轭形成不同磁路。

缓冲软垫减缓了冲击保护了开关触头和操动机构的壳体。

上、下绝缘层不仅起到绝缘作用而且还可以减小分合闸线圈和启动线圈之间的耦合，上、下绝缘层的材料为纳米TiO2。

Claims (2)

1.一种快速响应永磁操动机构，其特征在于，包括：磁轭(1)和动铁芯(2)，在动铁芯(2)的顶部设有推杆(10)，动铁芯(2)设在磁轭(1)内，在磁轭(1)内还设有分闸线圈(3)、合闸线圈(4)、分闸启动线圈(5)、合闸启动线圈(6)、环形永磁体(7)、上缓冲软垫(8)、下缓冲软垫(9)，且合闸线圈(3)位于磁轭(1)的内壁顶部并套设在动铁芯(2)上，上缓冲软垫(8)紧固在磁轭(1)的内壁顶部并套设在推杆(10)上，分闸线圈(4)位于磁轭(1)的内壁底部并套设在动铁芯(2)上，下缓冲软垫(9)紧固在磁轭(1)的内壁底部，环形永磁体(7)位于磁轭(1)的内壁中央且位于分闸线圈(3)与合闸线圈(4)之间并套设在动铁芯(2)上，分闸启动线圈(5)位于磁轭(1)的内壁底部并套设在分闸线圈(3)上，合闸启动线圈(6)位于磁轭(1)的内壁顶部且套设在合闸线圈(4)上，在分闸线圈(3)与分闸启动线圈(5)间设有下绝缘层(12)，在合闸线圈(4)与合闸启动线圈(6)间设有上绝缘层(11)。

2.根据权利要求1所述的快速响应永磁操动机构，其特征在于套设在分闸线圈(3)上的分闸启动线圈(5)为80匝单层密绕线圈，套设在合闸线圈(4)上的合闸启动线圈(6)也为80匝单层密绕线圈。

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