矿用双线圈双稳态永磁真空断路器的设计

郭倩，包敬华，李桂材

(1．徐州煤矿机械厂，江苏 徐州 221000;2．璐安新疆哈密一矿，新疆 哈密 839000)

矿用双线圈双稳态永磁真空断路器的设计

郭倩1，包敬华1，李桂材2

(1．徐州煤矿机械厂，江苏 徐州 221000;2．璐安新疆哈密一矿，新疆 哈密 839000)

主要介绍了双线圈双稳态永磁真空断路器的静态分析及控制器设计原理。

双线圈;双稳态;永磁;真空断路器

1 引言

永磁断路器操作机构技术的研究始于20世纪80年代末，随着技术的发展，永磁操作机构的优点越来越明显，煤矿井下电网中也越来越多的采用永磁断路器，与电磁操动机构和弹簧操动机构相比，永磁操动机构具有如下优点:

(1)结构简单，运动部件少，机械可靠性大大提高。(国际大电网会议组织的国际调查表明，机械故障高达总故障的70.3%，如果包括辅助电器和控制回路的故障，则为89.4%)。

(2)采用永磁作为保持力，不会产生传统机构的操作失误，方便实现免维护运行。

(3)输出特性和真空断路器的开关机械特性相匹配，能够达到良好的速度特性。

(4)传动机构十分简单，由分合闸线圈的励磁电流产生的磁场直接驱动动铁芯，动铁芯又直接和主轴相连。由于动作部件少，具有更好的可控性。

本文主要介绍了矿用双线圈双稳态真空磁断路器的设计。

2 永磁操动机构简介

(1)永磁操动机构是用永磁体实现合闸保持和分闸保持(有时只用永磁体作合闸保持而不作分闸保持)的一种新型的电磁操动机构。

(2)按原理可分为单稳态和双稳态两种。

①双稳态永磁操动机构是指开关无论在分闸位置还是合闸位置，其保持力都由永久磁铁提供，它可分为对称式结构(双线圈式)和非对称式结构(单线圈式)。

②单稳态永磁机构是指开关在合闸位置，其保持力由永久磁铁提供，而在分闸位置则由分闸弹簧提供。

3 双线圈双稳态永磁断路器操作机构及静态分析

双线圈式永磁机构的特点是采用永久磁铁使真空断路器分别保持在分闸和合闸的极限位置上，使用一个激磁线圈将机构的铁芯从分闸位置推动到合闸位置，使用另一激磁线圈将机构的铁芯从合闸位置推动到分闸位置。

当断路器处于合闸位置时，如图1(a)所示，永久磁铁利用动、静铁芯及工作气隙I提供的低磁阻抗通道将动铁芯保持在合闸位置。当机构接到分闸命令时，分闸线圈7通电。分闸线圈在工作气隙I产生的磁感应强度的方向与永磁材料所产生的磁感应强度的方向相反。当分闸线圈的电流达到某一值时，使动铁芯在工作气隙II处产生的向下的吸力大于在工作气隙I处向上的吸力时，动铁芯开始向下运动，并且随着位移的增加，工作气隙II的磁阻逐渐减小，磁感应强度越来越大，动铁芯向下呈加速运动。当动铁芯运动至超过运动行程一半以后，如图1(b)所示，永磁体在工作气隙II处产生的磁感应强度大于在工作气隙I处的磁感应强度，于是进一步加速了动铁芯的运动速度，直到分闸到位，如图1(c)所示。当切断分闸线圈中的电流后，动铁芯在永磁体的单独作用下将自动保持在分闸位置上。

图1 双线圈永磁机构的结构简图

图2 机构的吸反力特性图

永磁体单独作用时，对三维模型进行计算，其机构整体的磁感应强度矢量分布和衔铁中的磁感应强度矢量分布图结果如图2所示(闭合和d=10mm时)。从三维结果图中可以清楚的看出在不同开距下，永磁操动机构中的整体磁感应强度和衔铁中的磁感应强度的变化情况。随着开距的增加，衔铁中的磁感应强度越来越小，也就是说衔铁的受力越来越小。由此，可进一步分析出永磁操动机构吸反力特性曲线，如图2所示。了保证有效熄弧及不引起重燃，触头的动作速度应适当快些，这就要求在规定的行程下机构动铁心要有较高的运动速度。这将引起碰撞能量的增加，从而对电气和机械寿命的提高不利。由此可见，加快动作与减轻碰撞两个技术要求是有矛盾的，必须在研究动态过程中统筹考虑。同时由于永磁机构行程较大，动静铁心之间的气隙较大，在线圈通电时漏磁在总磁通中占有很大比例，忽略漏磁的影响将会造成较大的计算误差。进一步精确计算与分析永磁机构动态特性对合理设计机构并进行机构与开关本体间特性配合具有重要理论和现实意义。采用方法:对ANSYS软件进行二次开发，利用C语言和APDL语言编制动态特性计算程序。

4 永磁机构的智能控制器的设计

永磁机构动态特性是由电磁和机械综合的过渡过程决定的，或者说是由电磁吸力和负载反力配合过程决定的。关注永磁机构的动态过程的目的在于:一是可以计算机构的动作时间，进而计算开关触头的动作时间及触头的运动速度;二是确定动作过程中吸力与反力的合理配合，使之既保证动作的可靠性，又能改善机械碰撞，提高电气和机械寿命。对于断路器而言，为

通过智能操作单元对电网参数进行采集和处理，对自身状态进行监测和判断，然后根据预先确定的程序动作。并可根据需要调整断路器的操动机构的运动参数，从而获得合适的分合闸速度和最佳分合闸时间。永磁机构的控制系统接受光电信号，并通过逻辑判断最终给出指令控制操动机构动作，其性能的好坏直接关系到整个断路器的性能。它可采用电子控制，以实现真空断路器的所有功能，同时还可具有智能化功能，可融合在线检测技术来最大限度地体现永磁机构的优越性。

图3 断路器智能控制的工作原理图

图3中为断路器智能控制的工作原理图，由数据采集、智能识别和执行机构(调节装置)三个基本模块构成。

(1)智能识别控制模块:它是智能控制单元的核心，由微控制器构成微机控制系统，能根据操作前所采集到的电网信息和主控制室发出的操作信号，自动识别当次操作时断路器所处的电网工作状态。显示断路器是否具备可以操动的条件、断路器的合分闸状态、断路器动作执行情况，给出系统电压、操作电压的信息，以及断路器操动机构故障报警信号，供运行人员了解断路器的工作状态。并根据事先程序，决定对执行机构发出调节信息，从而使断路器发出相应的动作。

(2)数据采集模块:它由小型电压、电流转换装置和高速多通道模/数转换器组成，随时接收断路器的合闸命令、分闸命令、失压跳闸信号、过流跳闸信号，接收传感器提供的断路器合分状态信号、断路器位置信号，接收系统电压、断路器的操动电源信号以及复位信号等。并对这些信号进行整形、处理，把数据由模拟量转换为数字量，供智能识别模块进行处理分析，使之满足智能控制模块的要求。

(3)执行机构(调节装置):它由能接收定量控制信息的部件和驱动执行器组成，作用是用来控制合闸与分闸线圈的励磁。

5 结论

永磁操作断路器具有别的机械断路器所不具有的特点，在煤矿生产机械中的应用越来越多。永磁操作机构简单、可靠、成本低，动态响应快、优势已经被认同，近年永磁操作机构在快速发展，在煤矿生产机械方面会有更大的应用和发展。

［1］ 林莘．永磁机构与真空断路器［M］．机械工业出版社．

Design of the M ine Dual-Coil Bistable Permanent Vacuum Breaker

GUO Qian1，BAO Jing-hua1，LIGui-cai2
(1．Xuzhou Coal Mine Machinery Factory，Xuzhou 221000，China;2．The Coal Minel of Lu'an in Xinjiang Hami，Hami839000，China)

This paper introduces the static analysis and controller design principle of the dual coil bistable permanent vacuum breaker.

double coil;bistable;permanent;vacuum breaker

TM56

B

1004－289X(2013)05－0052－03

2012－12－18