提高永磁操作機(jī)構(gòu)的操作性的探究

1、提高永磁操作機(jī)構(gòu)的操作性的探究提高永磁操作機(jī)構(gòu)的操作性的探究摘要:介紹了永磁操作機(jī)構(gòu)的發(fā)展歷史,歸納了現(xiàn)有永磁操作機(jī)構(gòu)的種類,總結(jié)了永磁操作機(jī)構(gòu)的性能優(yōu)勢(shì),分析了學(xué)者們近年來(lái)為提高永磁操作機(jī)構(gòu)的操作性能而做出的最新研究。鑒于典型永磁操作機(jī)構(gòu)采用電磁驅(qū)動(dòng),只有吸力沒(méi)有斥力,在分合閘過(guò)程中容易加速、不易減速,分合閘特性不理想,而改進(jìn)的永磁操作機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜、可靠性低,為此,從操作機(jī)構(gòu)的工作原理出發(fā),提出了一種永磁驅(qū)動(dòng)、永磁保持的新型操作機(jī)構(gòu)。關(guān)鍵詞:斷路器 操作機(jī)構(gòu) 發(fā)展歷史 初步研究Abstract:This paper introduces the developinghistory of

2、permanent magnetic operating mecha-nism(PMOM) for circuit breaker,summarizes thetypes of PMOM,investigates the performance ad-vantages of PMOM, and analyzes the recent re-search work by researchers on how to improve theperformance of PMOM.As the performance of thetypical PMOM is not ideal and the st

3、ructure of theimproved PMOM is complex, a new permanentmagnetic drived and permanent magnetic kept op-erating mechanism is proposed.Key words:circuit breaker; operating mecha-nism;developing history;preliminary study0引言隨著經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展,人類社會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)的安全性和可靠性要求越來(lái)越高1-2。斷路器作為電力系統(tǒng)的主要控制元件,它的性能將直接關(guān)系到電力系統(tǒng)的安全與穩(wěn)定3-6。但目前

4、斷路器依然是電力系統(tǒng)較為薄弱的一個(gè)環(huán)節(jié),而操作機(jī)構(gòu)又是斷路器較為薄弱的一個(gè)環(huán)節(jié),統(tǒng)計(jì)資料表明,操作機(jī)構(gòu)的故障占整個(gè)斷路器故障的70%90%7。為此,國(guó)內(nèi)很多學(xué)者都在操作機(jī)構(gòu)上進(jìn)行了大量研究,并取得了一定的成果8。但近年來(lái)很少有學(xué)者對(duì)最新研究成果進(jìn)行歸納總結(jié)。1永磁操作機(jī)構(gòu)的發(fā)展歷史永磁操作機(jī)構(gòu)是一種電磁操動(dòng)、永磁保持和電子控制的新型操作機(jī)構(gòu)9-10。20世紀(jì)60年代中期,國(guó)外就有人開(kāi)始研究永磁操作機(jī)構(gòu),但由于缺乏合適的永磁材料,并沒(méi)有制造出具有商業(yè)價(jià)值的永磁操作機(jī)構(gòu)。到了20世紀(jì)80年代,出現(xiàn)了高性能的釹鐵硼稀土永磁材料,這為永磁操作機(jī)構(gòu)的發(fā)展創(chuàng)造了必要條件8。1989年,英國(guó)曼徹斯特大學(xué)系統(tǒng)

5、與能量組為GEC公司設(shè)計(jì)了世界上第1臺(tái)永磁操作機(jī)構(gòu)模型,掀起了世界各國(guó)開(kāi)發(fā)永磁操作機(jī)構(gòu)的熱潮11。1997年,ABB Calor Emag開(kāi)關(guān)設(shè)備公司公開(kāi)介紹了VM1型配有永磁操作機(jī)構(gòu)的真空斷路器,從此永磁操作機(jī)構(gòu)開(kāi)始逐步運(yùn)用到實(shí)際工作之中8。目前,在40.5 kV以下的真空斷路器中,永磁操作機(jī)構(gòu)正在逐步取代傳統(tǒng)的操作機(jī)構(gòu)。2永磁操作機(jī)構(gòu)的性能優(yōu)勢(shì)永磁操作機(jī)構(gòu)能獲得如此迅速的發(fā)展在于它具有傳統(tǒng)操作機(jī)構(gòu)無(wú)法比擬的性能優(yōu)勢(shì)。a.永磁操作機(jī)構(gòu)只有一個(gè)主要運(yùn)動(dòng)部件,且又可以與滅弧室直接連接,零部件數(shù)量較傳統(tǒng)操作機(jī)構(gòu)減少了約50%,結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單,大大提高了操作機(jī)構(gòu)的可靠性12-13。b.永磁操作機(jī)構(gòu)采用

6、永磁保持,無(wú)需機(jī)構(gòu)脫扣、鎖扣裝置,通過(guò)永久磁鐵產(chǎn)生的保持力就可使斷路器保持在分、合閘位置上,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、故障源少、具有較高的可靠性14-15。c.永磁操作機(jī)構(gòu)壽命可長(zhǎng)達(dá)十多萬(wàn)次,為研制真正免維護(hù)、超長(zhǎng)壽命的真空開(kāi)關(guān)奠定了良好的基礎(chǔ)15。d.永磁操作機(jī)構(gòu)的輸出特性和真空斷路器的開(kāi)關(guān)特性比較匹配,配有永磁操作機(jī)構(gòu)的真空斷路器比配有傳統(tǒng)操作機(jī)構(gòu)的斷路器具有更好的分、合閘速度特性12,15-16。e.永磁操作機(jī)構(gòu)可配合真空斷路器使用,組成自動(dòng)重合器系統(tǒng),使配電網(wǎng)絡(luò)的可靠性和自動(dòng)化程度大大提高17。3永磁操作機(jī)構(gòu)及其研究進(jìn)展目前,國(guó)內(nèi)外用于電力系統(tǒng)斷路器的永磁操作機(jī)構(gòu),根據(jù)其分、合閘狀態(tài)保持方式的不同可分

7、為雙穩(wěn)態(tài)18和單穩(wěn)態(tài)192種。典型雙穩(wěn)態(tài)永磁操作機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。對(duì)于典型雙穩(wěn)態(tài)永磁電動(dòng)操作機(jī)構(gòu),給上線圈或下線圈通電,通電線圈會(huì)在其周圍產(chǎn)生一個(gè)電磁場(chǎng),這個(gè)電磁場(chǎng)與永磁體的永磁場(chǎng)矢量疊加,共同作用于固定在可動(dòng)軸上的動(dòng)鐵芯,并對(duì)動(dòng)鐵芯產(chǎn)生一個(gè)方向向上或向下的驅(qū)動(dòng)力,動(dòng)鐵芯在驅(qū)動(dòng)力的作用下帶動(dòng)可動(dòng)軸一起往上或往下運(yùn)動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)斷路器的合閘或分閘。當(dāng)斷路器完成分、合閘操作以后,斷開(kāi)線圈的輸入電流,電磁場(chǎng)消失,永磁體所產(chǎn)生的永磁場(chǎng)單獨(dú)作用于動(dòng)鐵芯,將其保持在分閘或合閘位置,從而實(shí)現(xiàn)斷路器分、合閘狀態(tài)的無(wú)功保持(雙穩(wěn)態(tài))。近年來(lái),為進(jìn)一步提高永磁操作機(jī)構(gòu)的分、合閘速度、縮短分、合閘用時(shí)、增加動(dòng)鐵芯

8、的有效工作行程,學(xué)者們對(duì)永磁操作機(jī)構(gòu)進(jìn)行了大量改進(jìn)型研究,并取得了一系列成果。參考文獻(xiàn)20提出了一種四線圈雙穩(wěn)態(tài)永磁操作機(jī)構(gòu);參考文獻(xiàn)21提出了一種設(shè)有磁分路的永磁操作機(jī)構(gòu);參考文獻(xiàn)22提出了一種配有磁短路環(huán)的永磁操作機(jī)構(gòu);參考文獻(xiàn)23提出了一種不對(duì)稱結(jié)構(gòu)的永磁操作機(jī)構(gòu)。上述最新研究成果的共同特點(diǎn)是:以增加結(jié)構(gòu)復(fù)雜性、犧牲可靠性為代價(jià),換取了比典型永磁操作機(jī)構(gòu)更強(qiáng)的分、合閘能力,而操作機(jī)構(gòu)可靠性的降低直接影響了斷路器的可靠性和整個(gè)電力系統(tǒng)的可靠性;同時(shí)這些改進(jìn)型研究也沒(méi)能改變典型永磁操作機(jī)構(gòu)因容易加速、不易減速而導(dǎo)致分、合閘特性不十分理想的現(xiàn)狀。4初步研究理想的斷路器要求合閘時(shí)間盡量短(減少動(dòng)觸頭與靜觸頭之間的高壓放電時(shí)間),并且要求合閘的末速度在一定范圍內(nèi)(防止動(dòng)觸頭與靜觸頭撞擊太劇烈)。要減小合閘時(shí)間,就要在合閘開(kāi)始的瞬間給操作機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)部件提供一個(gè)很大的吸力讓其迅速加速,