永磁机构的结构及动作原理

永磁机构的结构及动作原理概述自1961年研制成功第一台真空断路器以来，真空断路器的技术水平迅速得到提高。随着新型触头结构和新材料的研制，真空断路器的开断能力不断提升，真空断路器作为控制和分配电能用的开关越来越广泛地应用于电力系统，并在中压领域保持着主导地位。而作为真空断路器的主要元件一一操动机构，也历经了几代的发展，从最初的电磁机构，发展到现在广泛应用的弹簧操作机构，以及现阶段正迈向成熟并逐渐普及的永磁操作机构。真空断路器由于其真空电弧无与伦比的特性，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性能及可靠性就成了较为突出的问题。真空断路器的分析及其发展目前，国内外电力系统中使用的中压真空断路器品种繁多，型号众多，其特点各异，但概括起来从绝缘角度来讲有空气绝缘和复合绝缘，从总体结构上讲，有断路器和机构一体式和分体式（国内居多），从操动机构上讲作为中压产品主要是电磁机构和弹簧机构操动机构的发展高压开关的一个最基本性能就是机械可靠性，电力运行和试验站的故障统计中表明，我国高压开关最突出的问题就是机械和绝缘问题，这与发达国家相比较为落后，在发达国家的先进公司，现在都纷纷提出并推出新一代免维护的电器产品。我国高压开关设备要真正做到产品免维护仍然很难。实际上，在产品设计上尽可能地简化结构，对提高产品的可靠性很有帮助。断路器的全部使命，归根到底是体现在触头的分、合动作使，而分、合动作又是通过操动机构来实现的，因此操动机构的工作性能和质量的优劣，对高压断路器的工作性能和可靠性起着极为重要的作用。最早的电磁机构，由于对电源要求较苛刻一一需要专用的大容量电源屏供电，并且操作时冲击大，操作时间长，而逐渐被市场所淘汰，取而代之的是弹簧操作机构。其利用交直流两用电动机对弹簧进行预储能，利用弹簧能进行分合闸操作，从而对电源要求低，交直流均可操作，对电源无冲击，因此在近些年得到广泛应用。但弹簧机构也有其自身不可刻服的缺点：零件数量多，要求加工精度高，制造工艺复杂，成本高，产品可靠性不易保证。研究表明,开关设备的故障率和其零件的数量成正比，弹簧操动机构的结构比较复杂，零件数量多（约为200个），要求加工精度高、制造工艺复杂，成本高，产品的可靠性不易保证。电磁力合闸的操动机构称为电磁操动机构，电磁操动机构的优点是结构简单，零件数量少（约为120个），工作可靠，制造成本低，其缺点是合闸线圈消耗的功率太大，因而要求用户配备价格昂贵的蓄电池组，加上电磁机构的结构笨重，动作时间较长。永磁操动机构真空断路器之所以如此迅速发展，在于其真空灭弧室优异的开断特性，使其电寿命大大增加。真空断路器的灭弧室动触头行程小，要求分闸速度高。动静触头合闸时为平面接触，为了防止真空断路器在短路时触头被强大的冲击力斥开，动静触头间要施以较大的触头压力，这样也有利于提高分闸速度。真空灭弧室的优异性，使其机械及电寿命从传统的两千次跃增为上万次，沿用传统断路器操动机构很难体现出其高寿命、高可靠性的优点。因此需要一结构高度简化、节能和高可靠性的机构来满足真空断路器的驱动要求。永磁操作机构的出现就是为了解决这一问题，为研制新一代免维护断路器奠定了基础。永磁机构是在真空灭弧被广泛应用后，人们为了克服传统机构的缺点，更充分发挥真空断路器的优点而研制开发的。4.1永磁机构的结构及动作原理下图1为双线圈永磁操动机构电磁系统的结构示意图。图示处于分闸位置，动铁心1上端气隙小，磁阻低;下端气隙大，磁阻高。永久磁铁2的磁场主要作用在动铁心的上端。图（a） 为在此位置时动铁心磁力线的分布图。永久磁铁的磁力线几乎全部穿过动铁心的上端，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，使其保持分闸状态。合闸线圈3通电后产生磁场，其磁力线主要集中在动铁心的下端，并在上端与永久磁铁的磁力线相抵消。随着激磁电流的上升，下端吸力增加，上端吸力减少。当下端吸力大于反力，即线圈电流达到触动值后，动铁心开始向下运动。图（b） 为动铁心移动之前磁力线的瞬态分布。当动铁心运动到终端位置时，位置传感器输出动作信号，切断线圈电流。动铁心位于下端时，其磁力线分布状况与图（a）上下相对称。4.2永磁机构的控制单元永磁操动机构的操作控制及故障监测和诊断功能全部由电子控制单元提供。图2所示为电子控制单元的方框图。电源2为电子控制单元提供工作电源，也为储能电容器3提供充电电能。储能电容器预先储备了足够的能量，在进行合闸或分闸操作时，它向合闸线圈6或分闸线圈7泄放高达数kW的脉冲电能，使断路器完成接通或分断操作。每次放电后，它能在数秒钟内被重新充电。分、合闸线圈的接通与分断由电子半导体器件10进行控制。并联于线圈两端的续流二极管8能降低线圈开断时的自感电势，以保证半导体器件不被损坏。动铁心的位置和电容器的充电状态分别由位置传感器8、9和电子电路进行监测，它们同合、分闸命令一起被送入逻辑模块1。逻辑模块对这些信号和命令进行识别，闭锁误操作命令，完成相应的操作。当永磁操动机构异常时，能给出报警信号。4.3永磁机构的优点及现阶段的应用从永磁机构的结构上可看出，其元件极少，动作过程简单，用其做的开关零件比弹簧机构减少8