CN101510475A - 高压开关超快速操动机构 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种高压开关超快速操动机构，包括：永磁持位辅助驱动装置(3)和缓冲储能装置(4)，永磁持位辅助驱动装置(3)的动铁芯推杆(36)的一端与缓冲储能装置(4)的管式推杆连接，其特征在于在永磁持位辅助驱动装置(3)的动铁芯推杆的另一端上连接有电磁涡流斥力主驱动装置(2)。电磁涡流斥力主驱动装置用于为开关操控提供初始操控力；永磁持位辅助驱动装置用于在开关触头运动到5mm位置后提供稳定可靠动力，并在开关动作结束后使开关动触头保持位置；缓冲储能装置用于减小操动机构操控过程中对机构外壳和开关触头的冲击，同时将能量以弹簧能的形式储存以备再次开关操控之用。

Description

高压开关超快速操动机构

技术领域

本发明属于开关零配件，是开关进行分合动作的驱动装置，尤其涉及一种高压开关超快速操动机构。

背景技术

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。而目前的开关配件——操动机构成了解决上述问题的瓶颈。

第一操动机构的操控速度无法达到超快速开关的要求。目前对于超快速开关的基本要求是保证机构始动时间小于5ms，而影响操控时间的因素主要有两个：一是驱动装置的操控效率。由于装置传动环节较多，导致响应时间受到严格限制，从而降低了操控速度。二是脱扣机构的脱扣方式。机械锁扣/脱扣机构在操控过程中占用了大量的时间。即使将驱动动触头的传动机构的响应时间缩短到1毫秒，整个操控时间也在10毫秒数量级。

第二开关操动机构的可靠性难以保证。通过国际大电网会议第CIGRE WG13.06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。且目前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，研究新型开关操动机构成为目前比较现实的课题。

第三开关快速操控机构可用于同步开关和线路用保护开关。主要目的就是使开关用于线路并网、电机并列、合闸或重合闸时能有效减少线路高次谐波，改善电能质量，便于绿色电网构建。而在用于线路保护时，能对开关本身和其他电网用电设备提供快速、高效、可靠的保护，从而提高开关及其它设备寿命，减少电力系统运行成本。

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可靠性的高速开关操控装置。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提高开关的操控速度和稳定性并能减小谐波污染的高压开关超快速操动机构。

为解决上述问题，本发明“高压开关超快速操动机构”采用如下技术方案：

一种高压开关超快速操动机构，包括：永磁持位辅助驱动装置和缓冲储能装置，永磁持位辅助驱动装置的动铁芯推杆的一端与缓冲储能装置的管式推杆连接，在永磁持位辅助驱动装置的动铁芯推杆的另一端上连接有电磁涡流斥力主驱动装置。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

i.在固定始动安匝数的条件下可以提供较大的始动力。由于动作过程中不仅要克服环形永磁体的电磁力，还要克服机构本身的惯性力，而电磁涡流斥力主驱动装置的特点就是能够提供很大的初始致动力，加之弹簧储能的释放，可以使动触头获得较大的初始加速度，从而提高了操控速度。在机构始动后，永磁持位辅助驱动装置可以充分发挥其出力稳定可靠的特点，保证开关的动触头高速平稳运动。所以，本发明具有操控速度和稳定性高的优点。

ii.消除机械脱扣/锁扣机构，缩短操控时间。本机构采用环形永磁体作为位置锁定机构，可以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1分别配永磁操东机构和超快速操动机构的12kV真空断路器分合闸各20次的分合闸时间比较，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1

iii.装置的可靠性得到明显提高。由于装置采用电磁涡流斥力主驱动装置和永磁持位辅助驱动装置组成的主、副联合驱动的驱动形式，因此可以为装置提供动力冗余。一旦两个驱动中的一个发生故障，在牺牲操控速度的前提下另一个也可完成分合闸动作，从而保证系统的可靠安全运行。

iv.由于操控时间缩短，可以将操动机构用于同步开关中，从而可以有效减少线路的由于故障或空载变压器、电抗器、电容器等投切所带来的谐波污染。

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超快速操动机构结构示意图。

图2电磁涡轮斥力主驱动装置结构简图。

图3电磁涡流斥力主驱动装置激磁电路。

图4耦合线圈模型。

图5永磁持位辅助驱动装置示意图。

图6永磁持位辅助驱动装置激磁电路。

图7分合闸过程中永磁持位辅助驱动装置磁力线、电磁力变化。其中，a为分闸状态下磁力线分布图，b为开关触头运行到1/2行程位置时的磁力线分布图，c为合闸状态下磁力线分布图。

图8缓冲储能装置结构简图。

具体实施方式

参照图1，一种高压开关超快速操动机构，包括：永磁持位辅助驱动装置3和缓冲储能装置4，永磁持位辅助驱动装置3的动铁芯推杆36的一端与缓冲储能装置4的管式推杆连接，在永磁持位辅助驱动装置3的动铁芯推杆的另一端上连接有电磁涡流斥力主驱动装置2。

参照图2，所述的电磁涡流斥力主驱动装置2包括壳体21，在壳体21设有分闸线圈22和合闸线圈23，在分闸线圈22与合闸线圈23之间设有可移动铜圆盘24，在可移动铜圆盘24上连接有绝缘推杆25，绝缘推杆25的一端与所述永磁持位辅助驱动装置3的动铁芯推杆的另一端连接。

参照图5，所述的永磁持位辅助驱动装置3包括：磁轭31和动铁芯32，动铁芯32设在磁轭31内，在磁轭31内还设有分闸线圈33、合闸线圈34及环形永磁体35且分闸线圈33、合闸线圈34及环形永磁体35套设在动铁芯32上，环形永磁体35位于分闸线圈33与合闸线圈34之间，在动铁芯32设有动铁芯推杆36。

参照图8，所述的缓冲储能装置4包括外壳41，在外壳41内设有导向芯棒42及管式推杆43，在管式推杆43上设有弹簧座431且弹簧座431位于外壳41内，在弹簧座431上设有与导向芯棒42相配合的第一导向孔4311，在外壳41的顶部设有与管式推杆43相配合的第二导向孔411，所述管式推杆43经过外壳41上的第二导向孔411延伸至外壳41之外，在弹簧座431与外壳41顶部之间设有合闸缓冲储能弹簧44且合闸缓冲储能弹簧44套设在管式推杆43上，在弹簧座431与与外壳41底部之间设有分闸缓冲储能弹簧45且分闸缓冲储能弹簧45套设在导向芯棒42上。

所述的电磁涡流斥力主驱动装置2，用于在开关操控伊始提供操控力；如图2所示它主要包括以下组成部分：分闸线圈，用于在分闸时激发可移动铜圆盘中的电磁涡流；合闸线圈，用于在合闸时激发可移动铜圆盘中的电磁涡流；可移动铜圆盘，承载电磁涡流，在分(合)闸时，产生与分(合)闸线圈磁场方向相反的涡流磁场，从而在可移动铜圆盘和分(合)闸线圈间产生排斥力，另外铜盘要求表明粗糙度小于0.8，不加任何磁路，以增强集肤效应(该效应决定了电磁涡流的强度)的强度。

所述的永磁持位辅助驱动装置3，用于在开关触头运动到5mm位置后提供稳定可靠动力，并在开关动作结束后使开关动触头保持位置。如图5所示它包括：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，另外环形永磁体为径向充磁的永磁体；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。其中分闸线圈与合闸线圈的通电电流方向要相同，防止出现极化现象。

缓冲储能装置4，用于减小操动机构操控过程中对机构外壳和开关触头的冲击，同时将能量以弹簧能的形式储存以备再次操控开关之用。该装置的组成图见图8，它包括：推杆、导向芯棒、合闸缓冲储能弹簧、壳体、分闸缓冲储能弹簧、端盖。合闸时合闸缓冲储能弹簧压缩起缓冲和储能作用；分闸时分闸缓冲储能弹簧压缩起缓冲和储能作用；导向芯棒使推杆作往复直线运动。

此方案通过将电磁涡流斥力作为主驱动力可以明显缩短开关的启动时间，同时以永磁持位辅助驱动装置作为辅助驱动不仅可以使开关保持位置，还能为开关提供稳定的驱动力，从而实现开关快速稳定的操控。此外本发明还有结构简单、成本低廉等优点。

本发明的工作过程如下：

在正常状态下，晶闸管T₀常闭，T₁、T₂、T₃、T₄敞开。在分闸时，开关智能控制装置接到分闸指令后，打开图3中的晶闸管T₀，接通图3电磁涡流斥力主驱动装置激磁电路中的晶闸管T₁和图6中永磁持位辅助驱动装置激磁回路的晶闸管T₃，预充电电容C通过电阻R₂为电磁涡流斥力主驱动装置分闸线圈L₁提供激磁脉冲电流，直流电源通过电阻R₃为永磁持位辅助驱动装置的分闸线圈L₃提供激磁电流，而后在电磁涡流斥力主驱动装置中产生使开关分断的电磁涡流斥力，在永磁持位辅助驱动装置中产生使开关分断的电磁吸力。在开关分断过程结束后，晶闸管T₁断开，晶闸管T₀接通，晶闸管T₃断开。通过持位辅助驱动装置中的环形永磁体保持开关分断位置。同时，直流电源为电容器充电，准备下一次合闸动作。

在合闸时，开关智能控制装置接到合闸指令后，打开图3中的晶闸管T₀，接通图3电磁涡流斥力主驱动装置激磁电路中的晶闸管T₂和图6中永磁持位辅助驱动装置激磁回路的晶闸管T₄，预充电电容C通过电阻R₂为电磁涡流斥力主驱动装置合闸线圈L₂提供激磁脉冲电流，直流电源通过电阻R₃为永磁持位辅助驱动装置的合闸线圈L₄提供激磁电流，而后在电磁涡流斥力主驱动装置中产生使开关合闸的电磁涡流斥力，在永磁持位辅助驱动装置中产生使开关合闸的电磁吸力。在开关合闸过程结束后，晶闸管T₂断开，晶闸管T₀接通，晶闸管T₄断开。通过持位辅助驱动装置中的环形永磁体保持开关合闸位置。同时，直流电源为电容器充电，准备下一次分闸动作。

根据高压开关超快速操动机构的具体结构，其结构细部说明如下：

电磁涡流斥力主驱动装置2：如图2所示，该部分主要由壳体21、分闸线圈22、合闸线圈23、可移动铜圆盘24和绝缘推杆组成。分、合闸线圈激磁电流由预充电容提供，其驱动电路图见图3。工作原理如下：晶闸管T₁或T₂导通，预充电电容C放电，则在起致动作用且固定不动的激励线圈L₁或L₂中产生快速变化大电流，而后，可自由移动的可移动铜圆盘中产生与线圈电流方向相反的涡流，该涡流又在线圈中耦合出新的与线圈电流同向的电流，这样形成强烈正反馈，使线圈与可移动铜圆盘间产生很大电磁斥力，从而推动可移动铜圆盘快速动作。为计算电磁斥力，首先研究两个耦合同轴单匝线圈间的电磁斥力，其计算模型如图4所示，图中a₁为线圈的半径，b为可移动铜圆盘等效为单匝线圈后的有效半径，M为线圈间的互感，d为线圈间的距离。

首先计算线圈间的互感系数，根据电感计算理论有如下定理：

$M=\frac{2\mathrm{\μ}}{\mathrm{\α}}\sqrt{a_{1}b}[(1-\frac{{\mathrm{\α}}^2}{2})K\left(\mathrm{\α}\right)-E\left(\mathrm{\α}\right)]---\left(1\right)$

其中 $\mathrm{\α}=2\sqrt{\frac{a_{1}b}{{(a_1+b)}^2+d^2}},$ $K\left(\mathrm{\α}\right)={\∫}_0^{\mathrm{\π}/2}\frac{\mathrm{d\θ}}{\sqrt{1-{\mathrm{\α}}^2{\sin }^2\mathrm{\θ}}},$ $E\left(\mathrm{\α}\right)={\∫}_0^{\mathrm{\π}/2}\sqrt{1-{\mathrm{\α}}^2{\sin }^2\mathrm{\θ}}\mathrm{d\θK}$ (α)，E(α)分别是第一和第二类完全椭圆积分。然后，M沿着x轴方向积分，得到关于M在x(两个线圈的距离d是在x方向故对x进行求导)方向上的梯度

$\frac{\mathrm{dM}}{\mathrm{dx}}=\frac{{2\mathrm{\μxa}}_{1}b}{{[{(a_1+b)}^2+x^2]}^{3/2}}\underset{0}{\overset{\mathrm{\π}/2}{\∫}}\frac{\cos 2\mathrm{\θ}}{{(1-{\mathrm{\α}}^2{\sin }^2\mathrm{\θ})}^{3/2}}\mathrm{d\θ}---\left(2\right)$

则线圈间的电磁力为：

$F(x,t)=i_1{i}_2\frac{\mathrm{dM}}{\mathrm{dx}}---\left(3\right)$

i₁：线圈的电流；i₂：可移动铜圆盘等效为线圈后该线圈中的感应电流；x：可移动铜圆盘的位移。然后利用下面的公式计算出初级线圈的电阻R_c、电感L_c和可移动铜圆盘的等效电阻R_d、电感L_d。

$R_c=\frac{{2N}_1{\mathrm{\ρ}}_1{a}_1}{r_1^2},$ $L_c={\mathrm{\μa}}_1{N}_1^2(\ln \frac{{8a}_1}{r_1}-\frac{7}{4}),$ $R_d=\frac{{2\mathrm{\ρ}}_{d}b}{r_d^2},$ $L_d=\mathrm{\μb}(\ln \frac{8b}{r_d}-\frac{7}{4})$

其中：ρ₁：线圈电阻率，a₁：线圈的半径，r₁：线圈铜丝的横截面的半径；假定可移动铜圆盘为单匝线圈，ρ_d：线圈电阻率，b：可移动铜圆盘的有效半径，r_d：可移动铜盘的有效横截面的半径。

根据上面的基本分析公式，假设合闸和分闸线圈均为N₁匝，而可移动铜圆盘等效为一个单匝线圈。对于可移动铜圆盘而言，由于集肤效应的存在，可移动铜圆盘中的涡流分布一般比较复杂，但是由于可移动铜圆盘设计很薄，所以理论上可以将集肤效应忽略。这样，若设预充电电容C的电压为V，就可以得到下面的方程组：

$\left\{\begin{array}{c}V\left(t\right)=R_1{i}_1\left(t\right)+L_1\frac{{\mathrm{di}}_1\left(t\right)}{\mathrm{dt}}+M\frac{{\mathrm{di}}_2\left(t\right)}{\mathrm{dt}}+\frac{1}{C}\underset{0}{\overset{t}{\∫}}{i}_1\left(t\right)\mathrm{dt}\\ 0=R_2{i}_2\left(t\right)+L_2\frac{{\mathrm{di}}_2\left(t\right)}{\mathrm{dt}}+M\frac{{\mathrm{di}}_1\left(t\right)}{\mathrm{dt}}\end{array}\right.---\left(4\right)$

其中方程组中的初始条件均为“0”。写成矩阵形式，可以得到：

$\left[\begin{array}{c}{i}_1\left(t\right)\\ i_2\left(t\right)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\frac{V-\frac{1}{C}\underset{0}{\overset{t}{\∫}}{i}_1\left(t\right)\mathrm{dt}}{R_1}\\ 0\end{array}\right]-\left[\begin{array}{cc}\frac{L_1}{R_1}& \frac{M}{R1}\\ \frac{M}{R_2}& \frac{L_2}{R_2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\frac{{\mathrm{di}}_1\left(t\right)}{\mathrm{dt}}\\ \frac{{\mathrm{di}}_2\left(t\right)}{\mathrm{dt}}\end{array}\right]---\left(5\right)$

根据初始条件均为“0”的条件就可以计算出电流i₁(t)、i₂(t)，再根据式(3)计算出电磁斥力。接着根据牛顿第二定律求出可移动铜圆盘的加速度，进而计算出操动机构的动作时间。

永磁持位辅助驱动装置3：如图5所示，该装置主要包括：磁轭31、动铁芯32、分闸线圈33、合闸线圈34、和环形永磁体35。工作过程如下：接到分闸命令后，图6中的晶闸管T₃或T₄导通，，图5中的分闸或合闸线圈获得励磁电流，吸引动铁芯32向下或向上运动，在动铁芯32与磁轭31底部接触后，打开晶闸管T₃或T₄，由于动铁芯32、磁轭31底部形成的磁路磁导率元大于由磁轭31上部、气隙所形成的磁路磁导率，因此衔铁经环形永磁体35保持在磁轭31底部，从而实现锁扣操作。另外，该装置在动铁芯处于不同位置时的磁场分布见图7，其中图7的a为分闸状态下磁力线分布图，b为开关触头运行到1/2行程位置时的磁力线分布图，c为合闸状态下磁力线分布图，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。

缓冲储能装置4：如图8所示，该装置由以下部分组成：外壳41、导向芯棒42、管式推杆43、弹簧座、431、合闸缓冲储能弹簧44和分闸缓冲储能弹簧45组成。在操动机构动触头高速运动时，触头的动能一部分被弹簧吸收，一部分在弹簧压缩过程中转化为热能，还有极少部分以摩擦热能的形式消散掉。该装置主要对操动机构其保护作用，同时在分合闸动作时，起到助力的作用。

Claims (4)

1.一种高压开关超快速操动机构，包括：永磁持位辅助驱动装置(3)和缓冲储能装置(4)，永磁持位辅助驱动装置(3)的动铁芯推杆(36)的一端与缓冲储能装置(4)的管式推杆连接，其特征在于在永磁持位辅助驱动装置(3)的动铁芯推杆的另一端上连接有电磁涡流斥力主驱动装置(2)。

2.根据权利要求1所述的高压开关超快速操动机构，其特征在于电磁涡流斥力主驱动装置(2)包括壳体(21)，在壳体(21)设有分闸线圈(22)和合闸线圈(23)，在分闸线圈(22)与合闸线圈(23)之间设有可移动铜圆盘(24)，在可移动铜圆盘(24)上连接有绝缘推杆(25)，绝缘推杆(25)的一端与所述永磁持位辅助驱动装置(3)的动铁芯推杆的另一端连接。

3.根据权利要求1所述的高压开关超快速操动机构，其特征在于永磁持位辅助驱动装置(3)包括：磁轭(31)和动铁芯(32)，动铁芯(32)设在磁轭(31)内，在磁轭(31)内还设有分闸线圈(33)、合闸线圈(34)及环形永磁体(35)且分闸线圈(33)、合闸线圈(34)及环形永磁体(35)套设在动铁芯(32)上，环形永磁体(35)位于分闸线圈(33)与合闸线圈(34)之间，在动铁芯(32)设有动铁芯推杆(36)。

4.根据权利要求1所述的高压开关超快速操动机构，其特征在于缓冲储能装置(4)包括外壳(41)，在外壳(41)内设有导向芯棒(42)及管式推杆(43)，在管式推杆(43)上设有弹簧座(431)且弹簧座(431)位于外壳(41)内，在弹簧座(431)上设有与导向芯棒(42)相配合的第一导向孔(4311)，在外壳(41)的顶部设有与管式推杆(43)相配合的第二导向孔(411)，所述管式推杆(43)经过外壳(41)上的第二导向孔(411)延伸至外壳(41)之外，在弹簧座(431)与外壳(41)顶部之间设有合闸缓冲储能弹簧(44)且合闸缓冲储能弹簧(44)套设在管式推杆(43)上，在弹簧座(431)与与外壳(41)底部之间设有分闸缓冲储能弹簧(45)且分闸缓冲储能弹簧(45)套设在导向芯棒(42)上。

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