真空断路器永磁机构及其控制系统的设计

真空断路器永磁机构及其控制系统的设计
杨　剑，谢植飚，韦炳炎，梁兆庭，张　欢，杨炫曦
广西电网有限责任公司贺州供电局，广西贺州５４２８９９
摘　要　介绍了几种常用于真空断路器的操作机构，并从静态特性和动态特性方面对永磁操作机构的设计过程进行了简要描述。

通过对永磁机构驱动原理的分析，设计了一套基于微控制器的永磁机构控制系统。

它由恒功率直流电源对电容器组充电，信号采集处理模块完成内外部信号采集，ＩＧＢＴ控制电容对合分闸线圈放电，从而完成真空断路器的合分闸操作。

最后通过对实际样机的测试，验证了真空断路器永磁操作机构的实际性能。

关键词　真空断路器；永磁机构；ＩＧＢＴ
中图分类号　ＴＭ５６１．２　ＤＯＩ　１０．１９７６９／ｊ．ｚｄｈｙ．２０１９．０８．０１２
０引言
真空断路器的操作机构主要有三种：电磁操作机构、弹簧操作机构以及永磁操作机构，每种机构都各有特点。

电磁操作机构是最早在真空断路器中应用的机构，其利用合分闸线圈电流产生的电磁力驱动合分闸铁芯动作从而进行合分闸，结构简单、零部件少，但是其分／合闸需要大功率的直流电源，体积较大。

弹簧操作机构的应用范围比较广泛，为目前市面上真空断路器的主流操作机构，其采用小功率电机完成合闸弹簧的储能，通过驱动低功耗合分闸脱扣器，释放合分闸弹簧的能量，从而驱动真空断路器进行合分闸操作。

但其结构复杂，零部件较多，仍然存在很多不可控的因素［１］。

永磁操动机构是最近几年发展起来的一种应用于真空断路器的新型操作机构。

永磁机构巧妙地将永磁体与电磁铁结合在一起，其利用永磁体产生的永磁力将真空断路器保持在合闸或分闸位置，而利用线圈通电时产生的电磁力克服永磁力驱动铁芯运动，从而实现真空断路器的合分闸操作。

它不需要传统机构的机械脱扣以及锁扣装置，结构更加简单，且永磁机构的保持力和电磁力能设计得非常符合真空断路器的负载特性，从而使真空断路器的动作更加可靠［２］。

１永磁机构设计概述
永磁机构的设计需要满足灭弧室触头的基本要求：（１）在稳态时，永磁机构的永磁体提供保持力使动触头稳定保持在分合闸位置。

合闸位置主要克服波纹管自闭力，分闸位置主要克服触头弹簧反力。

（２）瞬态时，永磁机构动铁芯通过导杆带动动触头运动，运动速度要满足动触头对合闸速度和分闸速度的要求［３］。

永磁机构的特性分为静态特性和动态特性。

在永磁机构的设计和分析中，就是用静态特性和动态特性来衡量永磁机构的性能。

永磁机构的静态特性是指线圈电流保持稳定的状态下，机构的电磁特性和力学特性。

静态特性分析是对永磁机构各元件进行机构结构设计及优化的理论依据，同时也是动态特性分析的基础。

而永磁机构的动态特性是指机构在运动过程中，动铁芯位置和线圈电流不断变化时的运动特性和电磁特性及其相互关系。

在永磁机构设计时，除要求在给定条件下机构能够正常进行分合闸操作外，还会对其运动速度有所要求，以满足真空断路器灭弧室的成功开合。

永磁机构的研究可以采用磁路分析方法和场的分析法。

永磁机构的特性分析涉及电场、磁场和运动场，分析的理论基础包括麦克斯韦方程、电压平衡方程和达朗贝尔方程。

在利用麦克斯韦方程进行磁场分析时，通常采用有限元分析（ＦＥＡ）法进行数值求解。

而动态分析较为复杂，一般基于特定的时间或动铁芯的位置，将动态问题转化为静磁场问题，运用静态分析的方法逐点分析［４］。

本文采用ＡＮＳＦＯＴ软件对静态特性进行求解，得到不同气隙、不同电流下的磁力和磁链数据，为动态特性计算奠定基础。

采用ＡＤＡＭＳ多体动力学软件建立动态计算程序，进行动态模拟，计算机辅助设计框图如图１所示。

图１　计算机辅助设计框图
永磁机构的设计要从真空断路器对永磁机构特性的要求出发：（１）在稳态时，永磁机构的永磁体提供保持力使动触头稳定保持在分、合闸位置。

分闸位置主要克服波
收稿日期：２０１９－０７－０８
作者简介：杨剑（１９８０—），广西贵港人，本科，高级技师，研究方向为电力系统继电保护。

图２　
永磁机构的设计流程
图３　永磁机构结构图　
图４　永磁机构驱动过程图
纹管自闭力，合闸位置主要克服触头弹簧反力。

（２）瞬态时，永磁机构动铁芯通过导杆带动动触头运动，运动速度要满足动触头的合闸速度、分闸速度和刚分速度的要求，保证真空断路器可靠动作。

图２为永磁机构的设计流程，静态特性计算解决在稳态条件下，永磁体所产生的磁场分布和磁力大小以及线圈产生的电磁吸力与气隙之间的关系，由此确定永磁机构的基本结构和大小（如永久磁铁的大小、铁芯的大小及形状、磁轭的结构、非工作气隙的大小等），并为动态特性计算奠定基础。

动态特性计算分析运动过程中触头位移速度，机构线圈电流和控制电路的参数。

根据计算的结果优选出既能满足开关分、合闸速度要求，又能使励磁电流小的设计参数，减小控制电路的负担，降低设计成本。

通过静态特性和动态特性的计算，使设计的永磁机构尺寸与性能达到最优［５］。

２永磁机构驱动原理
永磁机构由合闸线圈、分闸线圈、永磁体、硅钢片、动铁芯等零部件所组成。

硅钢片一般为叠片结构，既为永磁体提供低阻磁路，也给永磁机构提供了结构框架。

永磁体位于硅钢片的中间位置，合分闸线圈位于永磁机构的左右两侧，而动铁芯则位于整个机构中间位置，其结构如图３所示。

当处于分闸位置时，动铁芯左边气隙小，磁阻低，而右边气隙大，磁阻高，因此永磁体的磁场主要作用在动铁芯的左边。

永久磁铁的磁力线几乎全部穿过动铁芯的左端，产生相应的吸力，该吸力通过传动机构传送至真空灭弧室的动触头上，使其保持在分闸位置。

当合闸线圈流过电流时，所产生的电磁力方向如图４（ａ）中虚线所示，作用在动铁芯上的电磁力由左向右，而永磁力的方向如图４（ａ）中实线所示，由右向左。

电磁力与永磁力方向相反，当电磁力大于永磁力时，两者的合力方向如动铁芯中间的实线箭头所示，从动铁芯左端指向右端，这样就会驱动动铁芯运动。

一旦离开分闸位置，由于左侧气隙的增大，永磁力就会大大减小，这样永磁力和电磁力的合力更大，就会驱动动铁芯快速地从左侧运动到右侧，从而达到合闸位置。

在合闸位置时，永磁体的磁力线全部穿过动铁芯的右端，此时永磁体产生的吸力通过传动机构使真空灭弧室保持在合闸位置。

当分闸线圈流过电流时，所产生的电磁力方向如图４（ｃ）中虚线所示，作用在动铁芯上的电磁力由右向左，而永磁力的方向如图４（ｃ）中实线所示，由左向右。

电磁力与永磁力方向相反，当电磁力大于永磁力时，两者的合力方向如动铁芯中间的实线箭头所示，从动铁芯右端指向左端，这样就会驱动动铁芯运动，一旦离开合闸位置。

由于右侧气隙的增大，永磁力就会大大减小，这样永磁力和电磁力的合力更大，就会驱动动铁芯快速地从右侧运动到左侧，从而达到分闸位置。

图５　
永磁机构控制系统图
图６　分闸过程曲线
３永磁机构控制系统的设计
根据永磁机构的驱动原理，所设计的控制系统主要包括以下几个部分：直流电源模块与电容器组、信号处理
采集模块、Ｉ
ＧＢＴ驱动模块、故障检测报警模块、对外通信模块以及微处理器模块等。

其结构如图５所示。

直流电源模块主要将外界输入的交流或直流电压转换为给电容器充电的直流电压。

为了对电容器进行快速安全的充电，本文采用了一种恒功率直流电源模块。

当电容电压很低时，电源模块能以很大的电流对电容器组进行快速充电，使电容电压快速升高；当电容快充满时，充电电流逐渐减小，直至电容电压达到其工作电压。

输入信号采集模块用于对所有的输入信号进行整体处理，使之满足微处理器模块对输入信号的电压要求。

输入信号采集模块主要分为模拟量采集模块和开关量采集模块，模拟量采集模块主要实现输入电源电压以及电容电压的采集，开关量采集模块外界输入的合分闸信号的采集，真空断路器合分闸状态的采集等，通过对这些信号的采集，可以判断出系统的故障以及闭锁状态，例如电容电压太低时闭锁合分闸操作。

ＩＧＢＴ驱动模块用于接收微处理器发出的脉冲信号，控制储能电容对合闸或分闸线圈的放电，使真空断路器执行合分闸动作。

当真空断路器动作完成之后关断ＩＧＢＴ，切断电容器的放电回路，直流电源模块给电容器继续充电，等待下次操作。

微处理器模块是整个控制系统的核心部分，其实现的主要功能为：分析判断断路器是否具备正常合／分闸的条件，如电容电压是否满足要求，断口位置是否一致，线圈是否断线等；分析判断真空断路器的状态，并给出相应的指示；根据外界合分闸输入命令，控制ＩＧＢＴ的导通与关断；在不具备操作条件或机构故障的情况下，给出报警并闭锁真空断路器的操作。

在基本的控制回路基础之上，出于安全可靠性方面的考虑，还需要对永磁机构本身以及控制系统的各个关键元器件进行监测和保护，如储能电容电压监测／告警、
控制回路断线监测、永磁机构线圈故障监测、控制器故障监测、操作电源监测、关键元件过压保护等；同时为了实现对常规继电保护装置的兼容，还必须在合分闸控制信号采集模块设计有常规脱扣线圈的模拟回路，常规的防跳回路等。

在微处理检测到有异常信号时，通过继电器输出相应的告警信号，且将告警信号以ＲＳ２３２通信的方式上传到主站系统。

４永磁机构控制系统的测试
永磁机构及其控制系统设计完成之后，对控制系统单元的逻辑控制功能的检验也是非常重要的内容。

首先，对控制单元的逻辑功能进行计算机仿真，即设定逻辑的高低电平后，给定各种不同的输入信号，检查逻辑控制功能是否正确。

在所设计的逻辑控制功能正确无误后，将程序下载到微处理器中。

然后，通电对控制系统进行试验，检查整个控制系统的工作情况。

最后在真空断路器的永磁操动机构上进行试验，测量有关参数。

如合分闸线圈的电流、电容电压、机构位移曲线、真空灭弧室的断口状态等，对一些不理想的测量结果，还需要对永磁机构和控制系统进行调整，使各个参数更加合理。

以下以分闸过程的测试来作简要说明。

图６给出了分闸过程中各个信号的波形图，其中通道１（黄色）为分闸线圈电流波形，通道２（蓝色）为断口状态波形，通道３（紫色）为位移曲线波形，通道４（绿色）为电容电压波形。

从图中可以看出，分闸线圈通电时间为４０ｍｓ。

当分闸线圈的电流达到最大值时，电磁力达到最大，动铁芯开始运动。

在运动过程中，随着动静铁芯之间气隙的增大，保持动铁芯运动所需的电磁力逐渐减小，电流也随之减小。

当到达分闸位置，铁芯停止运动，此时线
圈电流开始上升，电磁力增大，保证动铁芯可靠地处于分闸位置，而不产生分闸反弹。

但时间不宜太长，在保证分闸到位的情况下，此时间应控制在１０ｍｓ以内。

这样既能保证真空断路器正常分闸到位，又能在ＩＧＢＴ关断时不使线圈产生较高的过电压。

此过电压对ＩＧＢＴ的可靠性有较大影响。

因此控制系统对合分闸脉冲时间的控制对真空断路器的特性以及整个系统的可靠性起着决定性的作用。

５结语
本文首先介绍了真空断路器的三种操作机构及其各自特点，并对永磁机构的设计方法和设计过程进行了简要描述。

然后在阐述了永磁操作机构的工作原理之后，给出了永磁操作机构的控制系统方案，并按照此方案进行了样机的制作和测试。

测试结果表明，所设计的永磁驱动机构的控制系统能达到真空断路器合分闸操作要求。

参考文献
［１］徐国政，张节容，钱家骊，等．高压断路器原理和应用［Ｍ］．北京：清华大学出版社，２０００．
［２］游一民，郑军，罗文科．永磁机构及其发展动态［Ｊ］．高压电器，２０１１，３７（１）：４４－４８．
［３］付万安，宋宝韫．高压断路器永磁操动机构的研究［Ｊ］．中国电机工程学报，２０００，２０（８）：２１－２６．
［４］马少华，王季梅．７２．５ｋＶ高压真空断路器永磁操动机构的研究与设计［Ｊ］．中国电机工程学报，２００１（１２）：１６３－１６７．［５］周丽洁．永磁机构在中压真空断路器中的应用［Ｊ］．华电技术，２００８，３０（１０）：４８－５０．
（上接第２７页）
明。

（３）联锁时钟化和过程适时化的应用。

通过时钟记录适时状态，应用机器诊断来指导操作人员参与操作控制和故障排除，建立大数据分析数据库，提炼分析一线数据，总结模型，工艺优化生产指标［２］、故障类型及处理方法、资材、时间等，为后续管理和开发预留数据窗口。

２．２实现一键智能压滤
通过顺序逻辑控制方法应用，进行功能模块化分解，实现联锁时钟化精准过程控制，适时显示整个工艺过程的节点状态，使一键智能化压滤顺利在生产过程中实现。

配合周期化点检和周期化检修，保持良好的环境和设备运行状态，保障压滤机精准高效低故障运行。

３结语
通过实践应用，化工浆液一键智能压滤结合实际，解决生产难题，自动联锁控制，排查故障，实现压滤功能模块化，联锁时钟化，过程适时化，排故快速化，提高了生产效率，确保了设备长周期稳定生产。

参考文献
［１］陈尚松．电子测量与仪器［Ｍ］．北京：电子工业出版社，２０１２．
［２］涂植英，朱麟章．过程控制系统［Ｍ］．北京：机械过程出版社，１９８７．。