双稳态永磁操动机构与真空断路器的特性探讨

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1　断路器与机构传动方式配合  
　　目前，国内外生产的永磁机构（双稳态） 动铁心行程（即动铁心与磁轭之间气隙） 都比较小（通常不大于25 mm） ，远小于常规电磁、弹簧、液压和空压操动机构的行程。因此，目前它还只能配用在触头行程较小的中压真空断路器上。  
　　如果单从满足断路器行程方面要求，可以通过放大传动机构的输出行程，满足大行程断路器要求。但是，目前国内外生产的永磁机构的分、合闸力也较小，通常在2 000～4 000 N ，最大也不大于6 000 N。在将它与断路器配用中，往往只能利用传动机构的行程缩小、作用力放大，而不能利用行程放大、作用力缩小的功能。  
　　12 kV 真空灭弧室的触头开距一般约为10 mm ，当触头弹簧直接设在动触杆上，超程约3 mm 时，真空灭弧室要求行程（触头开距加超程） 为13 mm 左右。如果选用行程为25 mm 的永磁机构，就需设计中间传动机构使行程匹配，而且在设计传动比时必须考虑行程损失因素。  
　　40. 5 kV 真空灭弧室触头要求行程约25 mm（开距约20 mm ，超程约4. 5 mm） ，正好与行程为25 mm的永磁机构相匹配，可采用操动机构与真空灭弧室动触杆同轴连接的传动方式。这样不仅可以减少行程损失，而且有利于抑制合闸弹跳。
　　
2 　永磁机构分、合闸状态保持力的选择  
　　永磁机构结构简单，动作可靠性高，无需合分闸位置机械保持和脱机装置，它是由永久磁铁产生的吸力使断路器保持在分、合闸位置[1 ] 。  
　　真空断路器要求一定的触头接触压力，因此，永磁机构的吸力不仅要能克服触头弹簧的反作用力和其他反力，而且还必须具有足够的合闸位置有效保持力，防止受到外界可能因素作用下（机械震动、电动力等） 出现自动误分闸。该保持力的大小不仅决定了断路器合闸保持性能，而且还决定了分闸功及分闸速度等重要参数。  
　　根据试验得出合闸有效保持力:当开断电流为20 kA 及以下者，宜选择在500～700N ；开断电流为31. 5 kA 及以上者，宜选择在700～1000 N。
　　因为双线圈永磁机构不需要装设全行程的分闸弹簧，操动机构只需要不太大的保持力就可使断路器可靠地保持在分闸状态。考虑永磁机构必须有足够大的合闸功才能保证断路器具有足够的关合能力。所以，永磁机构的分闸保持力也不能太小。根据试验得出永磁机构的分闸有效保持力宜选择在2 000～3 000 N。  
　　永磁机构的永久磁铁回路通常是按吸力要求最大的一侧（合闸侧） 设计的，而另一侧必须采取减小其吸力的措施，在动铁心与磁轭吸合面之间加隔磁片及减小其有效吸合面积；在分闸侧装设短程弹簧抵消一部分分闸保持力，才能同时满足断路器分、合闸的特性要求。  
3　断路器与永磁机构分、合闸功的选配
　　配用永磁机构的真空断路器所需要的合闸功如图1 中的oabcde 阴影部分面积。从合闸起始位置至触头刚闭合位置所需要的合闸力较小，一旦触头弹簧开始压缩，所需要的合闸力突然增大。abcd 是断路器需要的合闸力特性。  
　　它所输出的合闸功如图1 中的ofge 阴影部分面积；曲线A 为机构永久磁铁产生的合闸， B 为合闸电磁铁产生的合闸力， C 为A 和B 两方面力合成后的总合闸力输出特性。  
　　真空断路器与永磁机构两者理想的合闸配合，不仅要求C 始终高于abcd 曲线， 而且还要求ofge的面积适当大于oabcde 的面积。
　　
　　配用永磁机构的真空断路器所需要的分闸功为图2 中oabc 阴影部分的面积，它主要由断路器可动部分质量和真空灭弧室触头额定反力所构成， 呈均匀上升分闸力曲线，如图2 中的ab 曲线。释放出的分闸功如图2 中的ofgh 的阴影部分面积。  
　　永磁机构分闸操作时输出的分闸功如图2 中的odec 阴影部分面积。曲线A 为触头弹簧产生的分闸力， 曲线B 为操动机构永久磁铁产生的分闸力，曲线C 为分闸电磁铁产生的分闸力， D 是A 、B 、C合成后的总分闸力输出特性曲线。  
　　真空断路器与永磁机构两者理想的分闸配合，不仅要求曲线D 能够始终高于曲线ab ，使断路器能够完成分闸操作， 而且还要求odec 面积适当大于oabc 面积。  
4　如何获得理想的分、合闸速度特性  
　　永磁机构驱动真空断路器进行分、合闸操作的工作原理如图3 所示。分闸或者合闸线圈从a 点开始通电，线圈中电流经激磁时间t 上升到最大值，b 点为操动机构动铁心开始运动，驱动断路器分闸或者合闸，线圈中电流下降到c 点，断路器分闸或者合闸终了，线圈中电流又开始上升，直至电源被切断，断路器完成分闸或者合闸操作。
　　
　　试验表明，当操动机构的分闸或者合闸电磁铁回路结构、尺寸和形状，磁回路工作气隙，线圈的安匝数确定后，电流上升陡度已确定，电流i 值就取决于激磁时间t 的长短，激磁时间愈长，电流愈大，操动机构输出的分闸或者合闸功就愈大，断路器的分闸或者合闸速度也愈快，反之亦然。同时，断路器处于合闸或分闸状态时永磁机构必须提供合适的有效保持力。在通常情况下，有效保持力愈大，激磁时间愈长，电流也愈大。  
　　由于在分闸静态位置的有效保持力总是要比在合闸静态位置的有效保持力大得多（因为触头弹簧压力抵消了大部分合闸侧自保持力） ，如果不采取措施，断路器的合闸速度会偏大。  
　　根据实际工作经验，获得理想的分、合闸速度特性（不仅分、合闸速度在规定值，而且分闸速度不会出现明显的马鞍形） 具有很大难度。采取措施后才能获得相对理想的分、合闸速度特性（分闸速度仍有点呈马鞍形） 。  
　　提高永磁操动机构的分闸输出功是一个难以解决的问题，目前也只有将额定短路开断电流较大的真空断路器，每相配一台操动机构，解决提高永磁机构分闸输出功而不使外形尺寸增大的难题，但这毫无疑问使得断路器结构复杂、调试困难和产品成本增加。  
　　断路器传动部件（包括传动杆、触头弹簧装配、导电夹、真空灭弧室可动部分等） 的质量大小，对断路器分、合闸速度都有不同程度影响，在分、合闸操作过程中可动部件的惯性明显地起到了阻止运动的作用，即不管对分闸还是对合闸都起负作用。因此，在设计传动部件时应尽量优化结构和减轻部件质量。  
　　电源电压的降低对断路器的分、合闸速度影响远小于常规电磁操动机构，这是由于永磁机构在操作过程中，当电流未上升到一定值，电磁力尚未克服永久磁铁产生的有效保持力时，操动机构的动铁心根本不会运动。因此，电源电压虽然降低了，但只会使激磁时间延长，而不会使电流明显减小，操动机构输出的分闸或者合闸功不会明显减小。  
　　例如，对某型真空断路器进行低电压操作试验，当电源电压降低至额定电压的80 %时，断路器速度下降小于10 % ，电源电压降低至额定电压65 %时，断路器速度下降小于20 %。  
　　分闸速度出现严重马鞍形，除了前述原因外，还与断路器不装设全行程的分闸弹簧有关。断路器在分闸过程中，当触头弹簧释放结束后，操动机构的动铁心又尚未越过中间位置，永久磁铁回路的吸力仍是指向合闸方向，阻止铁心分闸运动，此时分闸速度就会明显下降；当动铁心越过中间位置，磁铁吸力指向分闸方向，使铁心加速分闸，分闸速度上升。  
　　当ZW□- 40. 5/ 2000 - 31. 5 断路器的触头弹簧超程调整在3 mm（弹簧终压力为3 200 N） 时测得的分闸速度特性。尽管断路器全开距内平均速度符合技术条件要求，但在6～9 mm 行程段（相当于操动机构可动铁心行程处在9～12 mm 行程段） 内速度明显下降，从10 mm 开始速度明显上升（相当于操动机构可动铁心行程13 mm） ，分闸速度呈现严重的马鞍形，显然这对断路器开断性能不利。
　　
　　当ZW□- 40. 5/ 2000 - 3. 15 断路器的触头弹簧超程调整到4. 5 mm 时（弹簧的终压力仍为3 200 N） 的分闸速度特性，分闸速度的马鞍形明显减小，说明在一定条件下适当增大触头弹簧超程可以有效地调整分闸速度特性。
　
　　当触头弹簧超程为3 mm 与4. 5 mm ，它们对分闸所做的功显然不一样，后者所做的功要比前者所做的功大40 % ，使运动部分获得更高的运动能量，正好使断路器在分闸过程6～9 mm 开距段的分闸功不足得到了弥补，速度不再明显下降。但必须指出，断路器的触头弹簧超程也不能设计太大，否则永磁操动机构输出的行程就满足不了真空断路器触头开距的要求。原则上超程占到操动机构动铁心行程的20 %左右为宜，当铁心行程为25 mm ，并采取直动式传动触头，超程在4. 5 ±0. 5 mm为好。  
　　试验结果说明，适当增大超程不仅可以减小断路器在分闸过程中速度的下降幅度，而且有利于减小合闸冲击力。  
5　真空断路器分、合闸时间的确定   
  
　　配用永磁机构的真空断路器分闸时间通常可达到30 ms （激磁时间25 ms 加触头超程运动时间5 ms）左右，从12～40. 5 kV 配电网络要求出发，无需断路器具有这么短的分闸时间，通常具有50 ms 分闸时间就足够了。  
　　当断路器分闸时间偏短时，很难在断路器或操动机构上采取延长分闸时间的措施，通常只有在分闸操作回路出口处增装延时继电器，使断路器分闸时间延长到50 ms 左右，断路器的合闸时间通常在40～45 ms （激磁时间30～35 ms 加触头开距运动时间15～20 ms） 。12～40. 5 kV 中压断路器具有这么短的合闸时间也是少见的。合闸时间短一些对断路器和电力系统都没有什么负面作用，无需采取措施将其延长。  
　　电源电压的降低对断路器的分、合闸时间影响很大， 因为电源电压低， 激磁时间就长。例如，
　　ZW□- 12/ 630 - 20真空断路器， 额定电压操作时分、合闸时间分别为30 ms 和48 ms ；当分闸电压为额定电压的65 %时，分闸时间增长到40 ms ；当合闸电压为额定电压80 %时，合闸时间增长到64 ms。因此，在测试断路器分、合闸时间时必须采用额定电压。
　　
6　断路器的分、合闸缓冲性能  
　　由于分、合闸操作过程中末速度都比较大（参见图4 和图5） ，机械冲击力很大，对断路器的机械寿命极为不利。  
　　（1） 分闸缓冲装置最好是直接设置在动铁心顶杆与基座箱之间，不仅结构简单、而且缓冲效果好。缓冲装置可采用碟形弹簧组成，操动机构处在分闸静态位置，碟形弹簧压缩约1 mm ，终压力可选择在800～1 000 N。碟形弹簧的终压力反作用到动铁心上，一方面使操动机构分闸保持力减小，另一方面在分闸接近终了位置吸收剩余动能，起到缓冲作用。  
　　（2） 真空断路器的触头弹簧在合闸过程中可以起到缓冲作用，只要触头弹簧参数设计合理，无需另外装设合闸缓冲装置。