CN103779137A - 一体化永磁机构真空开关 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一体化永磁机构真空开关，将传统永磁机构真空开关的结构重新设计，去掉波纹管，将永磁机构、动静触头、驱动杆、灭弧系统等全部放置在陶瓷外壳包围的真空环境中（所有运动部件集成在陶瓷真空外壳内部），两端的接线端子与陶瓷真空外壳采用固定连接（不存在相对运动），其中一个接线端子与静触头相接，另一接线端子与动触头端的导电杆通过软连接实现电气连接。

Description

一体化永磁机构真空开关

技术领域

本发明属于电力开关设备领域，涉及真空开关的操动机构和灭弧室结构，具体涉及一体化永磁机构真空开关。

背景技术

永磁机构真空开关是由永磁机构、真空灭弧室和其它必需的机构部件组成，具有分合闸操作功能，多用于对配电线路的控制和保护。永磁机构真空开关采用真空作为灭弧介质，其分断能力高、环保性佳，在电力、采矿、石油、交通运输、军工等行业的中压配电系统获得了广泛的应用。

目前永磁机构真空开关主要是采用永磁机构驱动开关本体，永磁机构动铁芯通过驱动杆压缩波纹管使动、静触头闭合，外加控制器控制永磁机构。这种结构的真空开关，体积大、零部件多、可靠性差。传统的真空开关的灭弧室由波纹管的形变来提供触头运动的行程，波纹管漏气导致真空失效是其主要故障，其寿命很大程度上受限于波纹管的疲劳寿命，在一些特殊场合，例如矿场等，较多的灰尘容易造成真空开关运动机构的损坏。

发明内容

本发明的目的是解决现有的永磁机构真空开关结构分散、零部件多、机械寿命短等问题，提供一种结构紧凑、可靠性高的一体化永磁机构真空开关。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一体化永磁机构真空开关，包括陶瓷外壳，陶瓷外壳内部为真空环境，第一接线端子、第二接线端子分别与陶瓷外壳的一端固定连接，陶瓷外壳内封装有永磁机构、驱动杆、导电杆、动触头和静触头；永磁机构通过驱动杆、导电杆与动触头相连接，第一接线端子与静触头相连接，第二接线端子与导电杆之间通过软连接线电性连接。

所述的永磁机构包括轭铁以及设置在轭铁内的永磁体，在永磁体内套装有动铁芯，永磁体的两侧还分别对称的设置有合闸线圈和分闸线圈；设置在陶瓷外壳上的分闸线圈接线端子分别与分闸线圈相连接，设置在陶瓷外壳上的合闸线圈接线端子分别与合闸线圈相连接。

所述的陶瓷外壳上还设置有合闸状态检测接线端子、分闸状态检测接线端子，其分别与设置在轭铁内的合闸磁敏开关元件、分闸磁敏开关元件相连接。

当永磁机构处于合闸状态时，合闸磁敏开关元件处于闭合状态，合闸状态检测接线端子之间的电路处于导通状态；当永磁机构处于分闸状态时，分闸磁敏开关元件处于闭合状态，分闸状态检测接线端子之间的电路处于导通状态。

所述的驱动杆的一端与动铁芯的相连接，驱动杆的另一端与两端开有滑槽的导向套的一端连接，导杆通过插销与导向套的另一端连接，用于提供触头超行程的触头弹簧套在导杆上，导杆与导电杆之间用绝缘连杆连接。

所述的导电杆穿过隔离挡板与动触头相连接，隔离挡板设置在驱动杆与动触头之间，隔离挡板与陶瓷外壳固定连接；

永磁机构通过固定圆筒与陶瓷外壳或隔离挡板相连接；隔离挡板还与屏蔽动触头和静触头的屏蔽罩相连接。

所述的永磁机构具有两个稳定的工作位置，触头处于分闸、合闸状态时由永磁机构中的永磁体提供保持力，通过分别对分闸线圈、合闸线圈通电产生不同方向的电磁力实现永磁机构分闸、合闸状态的切换；永磁机构中内置的磁敏开关元件和相应接线端子，实现永磁机构分闸、合闸状态的非接触检测。

当合闸线圈通入电流时，动铁心在电磁吸力的作用下推动驱动杆、导电杆，使动触头和静触头闭合；闭合后合闸线圈断电，合闸线圈产生的磁通消失，永磁铁产生的磁通保持，动静触头在永磁力的作用下保持闭合状态；磁敏开关元件处于闭合状态；

当分闸线圈通入电流时，动铁心在电磁吸力的作用下拉动驱动杆、导电杆，使动触头和静触头分离，分离后分闸线圈断电，分闸线圈产生的磁通消失，永磁铁产生的磁通保持，动静触头在永磁力的作用下保持分闸状态；磁敏开关元件处于闭合状态。

当合闸线圈通电时，驱动杆在动铁心的作用下，带动导向套向右端运动，压缩触头弹簧，最终使动触头实现闭合；当触头闭合时，触头弹簧处于压缩状态，产生足够的触头压力，以保证良好的电接触。

所述的轭铁、动铁心为电工纯铁材料，永磁体为钕铁硼材料，驱动杆采用不锈钢制成，合闸线圈和分闸线圈采用漆包铜线绕制，软连接线采用复合结构，内部为细铜线编制，外层包覆绝缘材料。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明提供的一体化永磁机构真空开关，将传统永磁机构真空开关的结构重新设计，去掉波纹管，将永磁机构、动静触头、驱动杆、灭弧系统等全部放置在陶瓷外壳包围的真空环境中（所有运动部件集成在陶瓷真空外壳内部），两端的接线端子与陶瓷真空外壳采用固定连接（不存在相对运动），其中一个接线端子与静触头相接，另一接线端子与动触头端的导电杆通过软连接实现电气连接。

为了监测开关的分合闸状态，在永磁机构的轭铁内，靠近分合闸线圈处分别装有磁敏开关元件，利用磁敏开关元件的特殊性质，实现真空开关分合闸状态的检测。永磁机构等传动机构在运动时会产生金属碎屑，为了减小碎屑对灭弧室的影响，永磁机构及相应的传动机构与灭弧室间用隔离挡板隔开。

该一体化永磁机构真空开关可应用于构成单相、三相三线制以及三相四线制的装置。在三相系统中，每相均具有独立的永磁操动机构，可以进行分相的合、分闸操作；当执行分、合闸操作时，由控制单元对各相电流、电压进行检测和分析，计算出线圈通电时刻，使得触头分别在各相电流过零时分离以及在电压过零时闭合，从而实现无弧分断和接通，减少触头烧蚀，提高开关的电寿命。

附图说明

图1是本发明的单相结构图；

图2是本发明触头闭合时的磁路图；

图3是本发明触头断开时的磁路图；

图4是本发明控制器硬件的结构图；

图5是本发明控制器的软件流程图；

图6是本发明控制器中计算合闸前延时时间的软件流程图；

图7是本发明控制器中计算分闸前延时时间的如见流程图。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

参见图1，本发明的一体化永磁机构真空开关，包括陶瓷外壳2，陶瓷外壳2内部为真空环境，第一接线端子1、第二接线端子11分别与陶瓷外壳2的一端固定连接，陶瓷外壳2内封装有永磁机构、驱动杆9、导电杆6、动触头5和静触头4；永磁机构通过驱动杆9、导电杆6与动触头5相连接，第一接线端子1与静触头4相连接，第二接线端子11与导电杆6之间通过软连接线10电性连接。

所述的永磁机构包括轭铁12以及设置在轭铁12内的永磁体15，在永磁体15内套装有动铁芯17，永磁体15的两侧还分别对称的设置有合闸线圈13和分闸线圈18；设置在陶瓷外壳2上的分闸线圈接线端子23、24分别与分闸线圈18相连接，设置在陶瓷外壳2上的合闸线圈接线端子25、26分别与合闸线圈13相连接。

具体的，所述的一体化永磁机构真空开关，包括电工纯铁材料制成的轭铁12以及设置在轭铁12内的钕铁硼材料制成的永磁体15，轭铁12内部设置有磁敏元件14和16。在永磁体15内套装有电工纯铁材料制成的动铁芯17，在永磁体15的两侧对称设置有漆包铜线绕制的合闸线圈13和分闸线圈18，永磁机构的左边和右边设置有固定圆筒8。

动铁芯17的一端与驱动杆9相连，驱动杆9的另一端与导向套27相连,导向套27两端开有滑槽,它与导杆31通过插销28相连,触头弹簧29套在导杆31上，导杆31与导电杆6之间用绝缘连杆30连接，绝缘连杆30起到机械传动和电气隔离的作用。接线端子11和导电杆6间用软连接线10连接，软连接线10采用复合结构，内部为细铜线编制，外层包覆绝缘材料，软连接线10绕过永磁机构的轭铁12实现接线端子11和导电杆6的电气连接。导电杆6的另一端设置有动触头5，静触头4和另一接线端子1设置在动触头5的右边，动、静触头外设置有屏蔽罩3，永磁机构及相应的传动机构与灭弧室间设置有隔离挡板7，整个机构放置在陶瓷外壳2内部，陶瓷外壳2内部为真空环境。

陶瓷外壳2左边设置有合闸状态检测接线端子19、20，分闸状态检测接线端子21、22，分闸线圈接线端子23、24，合闸线圈接线端子25、26。当机构处于合闸状态时，磁敏开关元件14处于闭合状态，合闸状态检测接线端子19、20之间的电路处于导通状态；当机构处于分闸状态时，磁敏开关元件16处于闭合状态，分闸状态检测接线端子21、22之间的电路处于导通状态。

本发明应用于三相三线制以及三相四线制的系统时，可由图1所示的三套结构组合使用，由相应的控制单元配合实现分相操作。

参见图2，当合闸线圈通入如图中所示方向的电流i时，动铁心17在电磁吸力的作用下向右方向运动，最终与轭铁12右端吸合，合闸线圈所产生的磁通方向如图中201、203所示，永磁体所产生的磁通

方向如图中202、204所示。当动触头5和静触头4闭合后，合闸线圈断电，此时由合闸线圈产生的磁通201、203消失，永磁铁产生的磁通202、204保持，动静触头在永磁力的作用下保持闭合状态。由于磁通密度主要集中在轭铁12右端，磁敏开关元件14处于闭合状态。

参见图3，当分闸线圈通入如图中所示方向的电流i时，动铁心17在电磁吸力的作用下向左方向运动，最终与轭铁12左端吸合，分闸线圈所产生的磁通

方向如图中301、303所示，永磁体所产生的磁通

方向如图中302、304所示。当动触头5和静触头4分离后，分闸线圈断电，此时由分闸线圈产生的磁通301、303消失，永磁铁产生的磁通302、304保持，动静触头在永磁力的作用下保持分闸状态。由于磁通密度主要集中在轭铁12左端，磁敏开关元件16处于闭合状态。

本发明采用永磁机构直接驱动触头的方案，减少传动环节，提高机械效率。动触头5、导电杆6与接线端之11之间采用软连接方式实现电路连接。当相应的合闸线圈通电时，驱动杆9在动铁心17的作用下，带动导向套27向右端运动，压缩触头弹簧29，最终使动触头5实现闭合。当触头闭合时，触头弹簧处于压缩状态，产生足够的触头压力，以保证良好的电接触。

参见图4，本发明控制器的硬件结构图是采用以单片机为核心的控制电路。外围电路包括信号调理和A/D转换电路。配电线路的三相电压、电流经过电压、电流互感器变换为有效值分别为100V、5A的电压、电流信号，再经过信号调理电路转化为幅值不超过5V的电压信号，然后经过A/D转换电路采样后被送入单片机，单片机中的处理软件实时计算当前电压、电流的值。单片机具有人机交互接口和通信接口。人机交互接口具有键盘和液晶显示模块，可以用于输入分合闸操作指令或显示系统运行的状态信息；通信接口可以用于将系统运行的状态信息传输至后台系统或接收后台控制系统发送的分合闸指令。

当接到合闸指令信号后，单片机给驱动电路发出相应的合闸动作指令，由驱动电路控制合闸线圈电路的接通，完成合闸过程。

当出现过流或短路、过压、欠压、缺相故障时，单片机给驱动电路发出相应的分闸动作指令，由驱动电路控制分闸线圈电路的接通，进行分闸操作，从而切除故障线路。

参见图5，本发明控制器的操作流程如下：

（1）开机上电后，对单片机及其外围电路进行初始化设置并读取系统设定值。然后到步骤（2）。

（2）采集当前系统的电压、电流信号，计算各相的电压、电流有效值、瞬时值等以及储能电容的电压。然后到步骤（3）。

（3）检测储能电容电压是否正常，若不正常则到步骤（4），若正常到步骤（5）。

（4）启动充电模块，并用LED显示，充电完成后，到步骤（5）。

（5）若检测到当前电流值超过预设的过流阈值则判定为过流故障，若当前电流值超过预设的短路阈值则判定为短路故障；在发生过流或短路故障的情况下，则到步骤（11）。若未检测到上述两种故障，则到步骤（6）。

（6）扫描键盘的按键状态和通信接口的输入缓冲区，检测是否有操作指令，若接收到操作指令，则到步骤（7）。若未检查到操作指令，则到步骤（14）。

（7）检测是否有合闸操作指令输入，若没有合闸操作指令输入，则到步骤（8），若有合闸指令输入，则到步骤（9）。

(8)检测是否有分闸操作指令输入,若没有分闸操作指令输入,则到步骤(14)。若有分闸指令输入，则到步骤（12）。

（9）计算当前系统电压的相角、预期的合闸时刻和合闸前的延时时间，经过相应延时处理后到达预期的合闸时刻，向驱动电路发出合闸信号进行合闸操作，即向合闸线圈通以电流，使动铁心向右运动最终到达合闸位置。然后到步骤（10）。

（10）记录合闸操作过程中的相关参数，然后到步骤（14）。

（11）记录当前检测出的故障类型及相关信息，然后到步骤（12）。

（12）计算当前系统电流的相角、预期的分断时刻和分断前的延时时间，经过相应延时处理后到达预期的分闸时刻，向驱动电路发出分闸信号进行分闸操作，即向分闸线圈通以电流，使动铁心向左运动最终到达分闸位置，然后到步骤（13）。

（13）记录分闸操作过程中的相关参数，然后到步骤（14）。

（14）更新显示当前的开关状态，并给出相应的电压、电流以及故障信息，然后到步骤（2）。

参见图6，计算合闸前的延时时间的操作流程如下：

（1）计算电压当前相角和距离预期合闸的一个电压零点的时间T1，然后到步骤（2）。

（2）计算该相触头的固有合闸时间T2，然后到步骤（3）。固有合闸时间即从合闸线圈通电到动触头到达合闸位置所需的时间。理论上T2为固定值，可以通过预先的仿真计算或实验方法测定。但在实际中，T2并非固定值，受储能电容电压、环境温度、机构老化等多种因素影响，可以依据前一次合闸操作中记录的动作时间，采用相应的补偿算法进行修正，得到和实际更加相符的合闸时间T2。

（3）合闸前的延时时间T3是指系统收到合闸操作指令到向驱动电路发出合闸信号以接通合闸线圈电路所需的时间。合闸前的延时时间可以按照T3=T1-T2计算，最后返回计算结果。

参见图7，计算分闸前的延时时间的操作流程如下：

（1）计算电流当前相角和距离预期分闸的一个电流零点的时间T1，然后到步骤（2）。

（2）计算该相触头的固有分闸时间T2，然后到步骤（3）。固有分闸时间即分闸线圈通电到动触头到达分闸位置所需的时间。理论上T2为固定值，可以通过预先的仿真计算或实验方法测定。但在实际中，T2并非固定值，受储能电容电压、环境温度、机构老化等多种因素影响，可以依据前一次分闸操作中记录的动作时间，采用相应的补偿算法进行修正，得到和实际更加相符的分闸时间T2。

（3）分闸前的延时时间T3是指系统检测出过流或短路故障或者收到分闸操作指令到向驱动电路发出分闸信号以接通分闸线圈电路所需的时间。分闸前的延时时间可以按照T3=T1-T2计算，最后返回计算结果。

Claims (10)

1.一体化永磁机构真空开关，其特征在于，包括陶瓷外壳（2），陶瓷外壳（2）内部为真空环境，第一接线端子（1）、第二接线端子（11）分别与陶瓷外壳（2）的一端固定连接，陶瓷外壳（2）内封装有永磁机构、驱动杆（9）、导电杆（6）、动触头（5）和静触头（4）；永磁机构通过驱动杆（9）、导电杆（6）与动触头（5）相连接，第一接线端子（1）与静触头（4）相连接，第二接线端子（11）与导电杆（6）之间通过软连接线（10）电性连接。

2.如权利要求1所述的一体化永磁机构真空开关，其特征在于，所述的永磁机构包括轭铁（12）以及设置在轭铁（12）内的永磁体（15），在永磁体（15）内套装有动铁芯（17），永磁体（15）的两侧还分别对称的设置有合闸线圈（13）和分闸线圈（18）；设置在陶瓷外壳（2）上的分闸线圈接线端子（23、24）分别与分闸线圈（18）相连接，设置在陶瓷外壳（2）上的合闸线圈接线端子（25、26）分别与合闸线圈（13）相连接。

3.如权利要求2所述的一体化永磁机构真空开关，其特征在于，陶瓷外壳（2）上还设置有合闸状态检测接线端子（19、20）、分闸状态检测接线端子（21、22），其分别与设置在轭铁（12）内的合闸磁敏开关元件（14）、分闸磁敏开关元件（16）相连接。

4.如权利要求3所述的一体化永磁机构真空开关，其特征在于，当永磁机构处于合闸状态时，合闸磁敏开关元件（14）处于闭合状态，合闸状态检测接线端子（19、20）之间的电路处于导通状态；当永磁机构处于分闸状态时，分闸磁敏开关元件（16）处于闭合状态，分闸状态检测接线端子（21、22）之间的电路处于导通状态。

5.如权利要求1或4所述的一体化永磁机构真空开关，其特征在于，所述的驱动杆（9）的一端与动铁芯（17）的相连接，驱动杆（9）的另一端与两端开有滑槽的导向套（27）的一端连接，导杆（31）通过插销（28）与导向套（27）的另一端连接，用于提供触头超行程的触头弹簧（29）套在导杆（31）上，导杆（31）与导电杆（6）之间用绝缘连杆（30）连接。

6.如权利要求5所述的一体化永磁机构真空开关，其特征在于，所述的导电杆（6）穿过隔离挡板（7）与动触头（5）相连接，隔离挡板（7）设置在驱动杆（9）与动触头（5）之间，隔离挡板（7）与陶瓷外壳（2）固定连接；

永磁机构通过固定圆筒（8）与陶瓷外壳（2）或隔离挡板（7）相连接；隔离挡板（7）还与屏蔽动触头（5）和静触头（4）的屏蔽罩（3）相连接。

7.如权利要求1或4所述的一体化永磁机构真空开关，其特征在于，所述的永磁机构具有两个稳定的工作位置，触头处于分闸、合闸状态时由永磁机构中的永磁体提供保持力，通过分别对分闸线圈、合闸线圈通电产生不同方向的电磁力实现永磁机构分闸、合闸状态的切换；永磁机构中内置的磁敏开关元件和相应接线端子，实现永磁机构分闸、合闸状态的非接触检测。

8.如权利要求7所述的一体化永磁机构真空开关，其特征在于，当合闸线圈（13）通入电流时，动铁心（17）在电磁吸力的作用下推动驱动杆（9）、导电杆（6），使动触头（5）和静触头（4）闭合；闭合后合闸线圈（13）断电，合闸线圈产生的磁通消失，永磁铁产生的磁通保持，动静触头在永磁力的作用下保持闭合状态；磁敏开关元件（14）处于闭合状态；

当分闸线圈（18）通入电流时，动铁心（17）在电磁吸力的作用下拉动驱动杆（9）、导电杆（6），使动触头（5）和静触头（4）分离，分离后分闸线圈断电，分闸线圈产生的磁通消失，永磁铁产生的磁通保持，动静触头在永磁力的作用下保持分闸状态；磁敏开关元件（16）处于闭合状态。

9.如权利要求8所述的一体化永磁机构真空开关，其特征在于，当合闸线圈（13）通电时，驱动杆（9）在动铁心（17）的作用下，带动导向套（27）向右端运动，压缩触头弹簧（29），最终使动触头（5）实现闭合；当触头闭合时，触头弹簧（29）处于压缩状态，产生足够的触头压力，以保证良好的电接触；

所述的轭铁（12）、动铁心（17）为电工纯铁材料，永磁体（15）为钕铁硼材料，驱动杆（9）采用不锈钢制成，合闸线圈（13）和分闸线圈（18）采用漆包铜线绕制，软连接线（10）采用复合结构，内部为细铜线编制，外层包覆绝缘材料。

10.如权利要求1所述的一体化永磁机构真空开关，其特征在于，还包括控制器，控制器包括单片机及外围电路，外围电路包括信号调理和A/D转换电路；

配电线路的三相电压、电流经过电压、电流互感器变换为有效值分别为100V、5A的电压、电流信号，再经过信号调理电路转化为幅值不超过5V的电压信号，然后经过A/D转换电路采样后被送入单片机，单片机实时计算当前电压、电流的值；

单片机还具有人机交互接口和通信接口，人机交互接口具有键盘和液晶显示模块，用于输入分合闸操作指令或显示系统运行的状态信息；通信接口将系统运行的状态信息传输至后台系统或接收后台控制系统发送的分合闸指令；

当接到合闸指令信号后，单片机给驱动电路发出相应的合闸动作指令，由驱动电路控制合闸线圈电路的接通，完成合闸；

当出现过流或短路、过压、欠压、缺相故障时，单片机给驱动电路发出相应的分闸动作指令，由驱动电路控制分闸线圈电路的接通，进行分闸操作，从而切除故障线路。

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