永磁机构工作原理

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永磁机构工作原理
随着电气化铁路运营里程的增长,高速、重载已成为电气化铁路发展的方向,这就要求牵引供电系统为电力机车提供更安全、经济、可靠和高质量的电能,自动过分相技术应运而生,但由于换相过程中极易产生过电压和合闸涌流,对牵引变压器的冲击很大,极大制约自动过分相技术的发展。

自动过分相转换装置的核心部件是真空负荷开关,而真空负荷开关的长寿命和可靠性是急需解决的问题。

从技术上讲,真空灭弧室技术的发展,使其电寿命大大增加。

其机械寿命从传统的两千次跃增为几万次,因此,与其配合的操动机构的机械寿命及可靠性成为较突出的问题。

传统的弹簧操动机构,结构复杂,零件数量多,且加工精度要求高;电磁机构虽然机构相对简单,零件数量少,但电源电压波动对合闸速度影响较大,操作电流大,无法调控分合闸速度和相位;使用寿命没有根本突破,对电力系统操作的过电压和合闸涌流的控制更无从谈起。

永磁机构采用一种全新的工作原理和结构,工作时主要运动部件只有一个,无需机械脱、锁扣装置,故障源少,可靠性较高,且使用寿命长,一般达十万次以上,同时控制分合闸相位,实现同步控制,从而减少过电压和涌流对系统的冲击,减少系统保护的投入,提高系统整体寿命。

因此永磁操作机构是智能选相真空开关的必然选择.
1 永磁机构工作原理
当该机构处于合闸位时,线圈中无电流通过,由永磁作用保持动铁心在上端。

分闸时,特定方向的电流通过操作线圈,该电流在动铁心上端产生与永磁体磁场相反的磁场,使动铁心受到的磁吸力减小,当动铁心受到的向上的合力小于弹簧的拉力时,动铁心向下运动,实现分闸。

当处于分闸位置,操作线圈中通过与分闸操作相反的电流。

该电流在静铁心上部产生与永磁体磁场方向相同的磁场,在动铁心下部产生与永磁体磁场相反的磁场,使动铁心下端所受到的磁吸力减小。

当操作电流增大到一定值时,向上的电磁合力大于下端的吸力与弹簧的反力,动铁心向上运动,实现合闸。

2 智能选相原理
智能选相(同步关合技术)就是开关在电流或电压的过零点进行分、合闸操作,断路器分合闸时间的稳定性是实现同步开断的基本要求.由于永磁机构的机构简单,传动部件少,相对弹簧机构而言,其分合闸时间的分散性较小,有利于发展为同步关合的断路器。

断路器在进行关合之前,因发生预击穿而使回路导通,即实现合闸,所以必须考虑预击穿对同步关合的影响,关合目标相位的选择应按一定的计算方法,根据断路器的关合速度进行确定断口间电压。

3 影响智能选相的因素及解决措施
智能选相(同步关合)技术的关键是操作精确性问题,影响开关操作精度的主要因素为合闸相位角精度。

合闸相位角精度主要取决于合闸时间的离散性、合闸控制信号的离散性和预击穿的影响,其中合闸时间的离散性又分为机械和电气两部分,具体原因分析和对应的措
施如下:
1)机械部分的合闸时间离散性主要由传动环节的能量损耗的离散性,多次开断后触头表面烧损和温度变化引起永磁体矫顽力变化造成。

传动环节过多使能量损耗和机构运动速度的影响因素增多,进而影响开关的关合速度离散性;触头烧损引起合闸时触头间距离发生变化导致合闸时间变化;永磁机构在使用中,永磁体的矫顽力随温度升高而降低,保持力相应由大变小,进而影响合闸起动时间和合闸速度。

解决措施:
①采用独立操动、永磁机构与真空灭弧室直线布置的操动方式,减少传动环节,降低运动部件动能损耗的离散性,使开关每相均具有较好的机械合闸特性;
②在永磁机构控制模块中加入一组自动校正单元,自动测量每一次操作,并依据这一测量结果,自动调整下一次操作的相关数据,使得开关的关合精度始终保持最佳状态。

③由于永磁机构合闸时,永磁体的吸力只有在机构静铁芯间距极小时起作用,对关合时末速度的影响很小,如采用单稳态机构,永磁体矫顽力的变化对关合起始速度无影响,故可降低至忽略不计。

2)电气部分的合闸时间离散性由控制电压变化造成。

永磁机构所采用的控制电压通常是电解电容充电后的电压,其大小直接影响合闸线圈中放电电流,因此必然对合闸时间产生影响。

控制电路的设计方案和环境温度变化均造成控制电压的波动。

不合理的电路设计使控制电压随电源电压的变化而波动;温度变化也将使电容器的电容量发生
变化。

解决措施:
①选择电容量随温度变化小的电解电容器;
②合理设置稳压电路,使电解电容两端电压有效值稳定在设计值;
③选择合适的大容量充电电容,以增大其放电电量,减小起始运动时放电电流的波动造成的起始运动时刻的波动。

3)控制信号的离散性是由测量误差和运算误差等因素构成。

解决措施:
①在设计永磁机构控制单元时采用全电子智能化控制,由主开关电源、控制电源、电容器组、推挽驱动MOSFET开关器件、分合闸位置检测器、光隔离器、开关电压检测器等组成。

②控制单元根据断口电压信号的采样,通过逻辑计算后发出分合闸指令。

③通过高性能的电子元器件选用、严格的工艺和调试控制、合理的测量电路及运算电路设计来减小控制信号的离散。

4)预击穿的影响对于低压真空开关来说,在关合容性负载和感性负载时触头的预击穿时间均忽略不计。

对于高压真空开关来说,在关合容性负载时,关合相位选在系统电压零点,由于在电压零点附近,电压较低,预击穿时间也可忽略不计;仅考虑高压时关合感性负载触头间预击穿的影响。

解决措施:
①采用高绝缘性能真空灭弧室,使灭弧室内电场分布均匀合理,提
高其耐压水平,减小灭弧室预击穿时触头间的距离;
②高压真空开关在关合感性负载时,合闸相位选择在电压峰值后某一时刻,使触头发生预击穿时,即电路导通时电压正好处于峰值。

4 结论
智能选相真空断路器是为电气化铁路27.5kV牵引变电所系统的要求而研制的,它采用永磁作机构,具有全新的工作原理和结构,工作时主要运动部件只有一个,无需机械脱、锁扣装置,故障源少,可靠性较高和长使用寿命,一般机械寿命达十万次以上,同时可以控制分合闸相位,实现同步控制,减少过电压和涌流对系统的冲击,减少系统保护的投入,提高系统整机寿命。

面向牵引变电所的新一代真空断路器,它以体积小、长寿命、免维护等特点,并通过选相投切来抑制过压、过流对电器设备的危害等贴近现场运行的实际需要为基本设计原则,为电气化铁路电容随机补偿,相分段自动转换技术,馈线智能保护提供设备基础。

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