126kV真空斷路器分離磁路式永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)

孫麗瓊 王振興 何塞楠 馬立超 耿英三 劉志遠(yuǎn)

（電力設(shè)備電氣絕緣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（西安交通大學(xué)） 西安 710049）

0 引言

真空斷路器（Vacuum Circuit Breaker,VCB）因其優(yōu)異的開斷性能及可靠性，在中壓領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用[1]，而SF6斷路器在72kV 以上電壓等級(jí)市場(chǎng)占主導(dǎo)地位[2]。為減少SF6氣體所帶來的強(qiáng)溫室效應(yīng)，研究和開發(fā)環(huán)境友好型輸電等級(jí)真空開關(guān)具有重要意義[3]。

操動(dòng)機(jī)構(gòu)通過絕緣拉桿驅(qū)動(dòng)真空滅弧室動(dòng)觸頭運(yùn)動(dòng)，是真空斷路器的關(guān)鍵部件。通過調(diào)節(jié)操動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性曲線可以有效提高真空滅弧室的滅弧性能[4,5]。由于126kV 電壓等級(jí)的輸電系統(tǒng)對(duì)真空斷路器有很高的要求，因此相應(yīng)的操動(dòng)機(jī)構(gòu)應(yīng)配合滅弧室達(dá)到最優(yōu)的動(dòng)態(tài)特性。

永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)（Permanent Magnetic Actuator,PMA）具有較強(qiáng)可控性，在分合閘位置，通過永磁體產(chǎn)生的永磁保持力將永磁機(jī)構(gòu)可靠地保持在分合閘位置，在分合閘操作時(shí)，通過通電線圈產(chǎn)生的電磁力驅(qū)動(dòng)動(dòng)觸頭運(yùn)動(dòng)，從而達(dá)到關(guān)合或開斷線路的目的。永磁機(jī)構(gòu)一般分為單穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)和雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)兩種。但是，傳統(tǒng)的永磁機(jī)構(gòu)由于動(dòng)作速度較低，目前報(bào)導(dǎo)僅限于較小開距（8～22mm）的中壓（3.6～40.5kV）真空斷路器中。

為了提高永磁機(jī)構(gòu)的速度特性，國(guó)內(nèi)外的研究者開展了大量的研究工作[6-10]。Lequesne B 為滿足速度要求，提出了一種大開距下雙彈簧螺線管結(jié)構(gòu)[6]。R.Jong-Suk 等人提出了一種分離磁路的永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)以提高線圈工作效率[7]，但未實(shí)現(xiàn)磁路完全分離，分合閘保持或分合閘線圈通電時(shí)磁路會(huì)存在干擾。Cai Z.Y.等人嘗試通過在傳統(tǒng)雙穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)形式下，引入輔助線圈方式提高速度特性[8]。Kang 等人采用三連桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)提高永磁機(jī)構(gòu)速度特性[9]。Wang Z.X.等人采用分合閘線圈同時(shí)通電方式提高機(jī)構(gòu)分閘速度特性[10]。但是，126kV 真空斷路器的開距（約80mm）遠(yuǎn)高于中壓真空斷路器（＜30mm），而且126kV 真空斷路器對(duì)動(dòng)觸頭運(yùn)動(dòng)速度較高，要求分閘時(shí)動(dòng)靜觸頭在分開后 6～7ms 內(nèi)開距達(dá)到18～20mm（對(duì)應(yīng)分閘速度約2.5～3.3m/s），在12～13ms時(shí)開距達(dá)到36～40mm（對(duì)應(yīng)分閘速度約2.7～3.3m/s）。因此要滿足126kV 真空斷路器的速度特性具有很大的難度。

本文的研究目標(biāo)是提出一種分離磁路永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)以滿足126kV 真空斷路器速度特性要求。該永磁機(jī)構(gòu)為雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)形式，具有獨(dú)立的永磁保持磁路和電磁驅(qū)動(dòng)磁路。本文采用數(shù)值仿真方法計(jì)算了永磁機(jī)構(gòu)的靜態(tài)及動(dòng)態(tài)特性，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果制作了樣機(jī)。樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果具有較好的一致性，并證明了本設(shè)計(jì)的可行性。

1 分離磁路永磁機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)及工作原理

傳統(tǒng)永磁機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。永磁體安置于靜鐵心中，永磁體產(chǎn)生的磁力線與線圈產(chǎn)生的磁力線共用磁路，這樣的設(shè)計(jì)可以減小機(jī)構(gòu)的體積。但是，由于它們共用磁路，在分閘操作起始階段，永磁體產(chǎn)生的磁力會(huì)部分抵消線圈的電磁力，造成剛分速度難以提高。同時(shí)，線圈產(chǎn)生的電磁力既通過動(dòng)鐵心的上端面（見磁力線Ⅱ），也通過動(dòng)鐵心的下端面（見磁力線Ⅰ），造成線圈產(chǎn)生的電磁力一個(gè)拉動(dòng)鐵心運(yùn)動(dòng)，另一個(gè)阻礙鐵心運(yùn)動(dòng)，降低線圈的工作效率。

圖1 傳統(tǒng)永磁機(jī)構(gòu)原理圖Fig.1 Schematic of conventional PMA

本文提出的新型永磁機(jī)構(gòu)采用軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，具有獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)部分和保持部分，結(jié)構(gòu)原理如圖2所示，通過不導(dǎo)磁墊片7 將保持部分和驅(qū)動(dòng)部分磁路進(jìn)行隔離；同時(shí)，磁軛部分通過不導(dǎo)磁墊片12 將分閘和合閘過程的磁路進(jìn)行隔離。

圖2 分離磁路永磁機(jī)構(gòu)原理圖Fig.2 Schematic of separated magnetic PMA

當(dāng)真空斷路器處于分閘或合閘位置時(shí)，保持靜鐵心中的永磁體提供磁力即保持動(dòng)鐵心可靠保持在分/合閘位置。當(dāng)斷路器需要合/分閘操作時(shí)，電磁操動(dòng)部分給合/分閘線圈通電，產(chǎn)生的電磁力驅(qū)動(dòng)動(dòng)鐵心與保持動(dòng)鐵心一起運(yùn)動(dòng)，一旦保持動(dòng)鐵心與保持靜鐵心間氣隙的大小超過靜鐵心中開槽所開氣隙的寬度，則永磁體的磁力線會(huì)通過鐵心中的氣隙形成回路。這能快速降低保持動(dòng)鐵心所受的保持力，同時(shí)也降低了分、合閘初始階段的反力，可以有效提供剛分速度。同時(shí)，由于合閘線圈和分閘線圈之間存在用非鐵磁材料填充的氣隙，可以保證磁力線只通過動(dòng)鐵心的上端面或下端面，克服了傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)在動(dòng)鐵心的上、下端面均存在兩個(gè)磁力線回路問題，因此能有效提高線圈的工作效率。

此外，設(shè)計(jì)中考慮了緊急分閘的需要。當(dāng)緊急情況發(fā)生時(shí)，按下緊急分閘去磁環(huán)9 可以有效降低合閘保持力，幫助實(shí)現(xiàn)手動(dòng)分閘，解決了傳統(tǒng)永磁機(jī)構(gòu)手動(dòng)分閘困難的問題。

2 仿真方法

永磁機(jī)構(gòu)特性仿真包含靜態(tài)特性仿真和動(dòng)態(tài)特性仿真。永磁機(jī)構(gòu)靜態(tài)特性分析是永磁機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的理論依據(jù)，同時(shí)也是動(dòng)態(tài)特性分析的基礎(chǔ)。本文采用Ansoft 有限元電磁仿真軟件完成靜態(tài)特性計(jì)算，分析了各參數(shù)對(duì)永磁機(jī)構(gòu)電磁場(chǎng)的影響，從而選擇工作性能最佳的參數(shù)，完成了永磁機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

永磁機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)過程包含了電路、磁場(chǎng)和機(jī)械運(yùn)動(dòng)等多個(gè)物理過程。永磁機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過程是電磁和機(jī)械綜合的過渡過程決定的，它在電路上必須遵循電壓平衡方程，在運(yùn)動(dòng)上遵循達(dá)朗貝爾方程，在磁場(chǎng)上遵循麥克斯韋方程，通過對(duì)這些動(dòng)態(tài)方程的耦合求解，如式（1）所示，得到機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性[11,12]。

式中，ψ是永磁機(jī)構(gòu)線圈產(chǎn)生的磁鏈；UC是放電電容器兩端的電壓；R是線圈電阻；i是線圈電流；v是運(yùn)動(dòng)部分的運(yùn)動(dòng)速度；F是電磁力；m是運(yùn)動(dòng)部分質(zhì)量；x是運(yùn)動(dòng)部分的位移；C是電容器的容量。

為求解機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性，首先，借助Ansoft 有限元分析軟件輔助設(shè)計(jì)，建立機(jī)構(gòu)靜態(tài)特性計(jì)算的仿真模型，得到永磁機(jī)構(gòu)動(dòng)鐵心在不同位置和不同線圈電流下所對(duì)應(yīng)的電磁力和磁鏈數(shù)據(jù)，建立的數(shù)據(jù)網(wǎng)格。

然后，在Adams 軟件中建立動(dòng)態(tài)仿真模型，如圖3所示。模型中包含真空滅弧室、永磁機(jī)構(gòu)及觸頭簧。觸頭簧將動(dòng)觸頭和永磁機(jī)構(gòu)連接在一起，并且僅在動(dòng)觸頭與靜觸頭接觸時(shí)才起作用。在合閘過程中，觸頭簧起阻力作用；在分閘過程中，觸頭簧起助力作用。

圖3 126kV 真空斷路器動(dòng)態(tài)仿真模型Fig.3 Simulation model of 126kV VCB

動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型中的運(yùn)動(dòng)是依靠永磁機(jī)構(gòu)提供的電磁力驅(qū)動(dòng)的，通過永磁機(jī)構(gòu)靜態(tài)特性求解得到的動(dòng)鐵心在不同位置和不同線圈電流下所對(duì)應(yīng)的電磁力和磁鏈數(shù)據(jù)，F(xiàn)=f(i,x)、ψ=ψ(i,x)，在Fortran編譯器中編寫求解程序，通過Runge-Kutta 求解偏微分方程組（1），計(jì)算電壓UC、磁鏈ψ值；應(yīng)用二元二次插值法，根據(jù)氣隙x、磁鏈ψ查表插值求出電磁力F和電流i值。利用Adams 軟件的用戶自定義功能將求解程序?qū)階dams 模型中，仿真中通過調(diào)用電磁力求解程序?yàn)槟Ｐ图虞d力約束，電磁力驅(qū)動(dòng)模型運(yùn)動(dòng)部件不斷改變狀態(tài)，從而完成整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程仿真。

3 仿真結(jié)果

3.1 靜態(tài)特性

永磁機(jī)構(gòu)在分閘位置和合閘位置的磁力線分布如圖4所示。因?yàn)樵跈C(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)將保持部分和驅(qū)動(dòng)部分磁路進(jìn)行了完全分離，因此，在仿真中，將保持部分和驅(qū)動(dòng)部分作為獨(dú)立部分進(jìn)行考慮。分離磁路設(shè)計(jì)方法對(duì)永磁體和線圈參數(shù)的設(shè)計(jì)更靈活。

圖4 永磁機(jī)構(gòu)磁力線分布Fig.4 Flux distribution of PMA

永磁體作用下機(jī)構(gòu)的靜態(tài)吸力隨機(jī)構(gòu)行程的變化關(guān)系如圖5所示。從圖中可以看出，機(jī)構(gòu)分閘保持力約為2 000N，合閘保持力為7 300N。從永磁體的吸力特性曲線還可以看出當(dāng)保持動(dòng)鐵心離開分、合閘位置時(shí)，永磁體的磁力隨氣隙的變化急劇下降，也就是說，一旦動(dòng)鐵心開始運(yùn)動(dòng)，保持力對(duì)動(dòng)鐵心運(yùn)動(dòng)的阻礙將迅速減小，在幾個(gè)毫米內(nèi)幾乎不再起作用。因此，動(dòng)鐵心初始運(yùn)動(dòng)速度將被提高。

圖5 永磁體作用下靜態(tài)吸力隨機(jī)構(gòu)行程的變化Fig.5 Permanent magnetic force vs.stroke

3.2 動(dòng)態(tài)特性

126kV 真空斷路器仿真參數(shù)見表1。

表1 仿真參數(shù)Tab.1 Simulation parameters

圖6 合分閘過程的動(dòng)觸頭位移及線圈電流曲線Fig.6 Displacement of movable contact and coil current curves during a closing and opening operation

圖6a 給出了合閘過程中的動(dòng)觸頭位移曲線及線圈電流曲線，從曲線可以看出，動(dòng)觸頭平均合閘速度為2.0m/s（剛合前20mm 平均值）。而126kV真空斷路器對(duì)此速度的要求為1.5m/s。從電流曲線可以看出，線圈通電后，電流開始指數(shù)上升，到達(dá)峰值后，動(dòng)觸頭開始運(yùn)動(dòng)，電流隨之下降。線圈電流的峰值時(shí)為82A 左右。

分閘過程中的動(dòng)觸頭位移曲線及線圈電流曲線如圖6b 所示。從圖中的分閘曲線可以看出，動(dòng)觸頭的剛分速度為2.8m/s（剛分點(diǎn)后6ms 平均值），平均分閘速度為3.0m/s（剛分點(diǎn)后12ms 平均值），滿足126kV 真空斷路器速度要求。在分閘過程中電流到達(dá)峰值時(shí)觸頭還沒有開始運(yùn)動(dòng)，這是因?yàn)殡娏鬟_(dá)到峰值時(shí)動(dòng)鐵心即開始運(yùn)動(dòng)，然而，動(dòng)觸頭要等觸頭簧釋放完超程后才開始運(yùn)動(dòng)。線圈電流的峰值為70A 左右。

3.3 供電電源影響

采用電容器組供電的方式作為勵(lì)磁電路，選擇不同的電容器充電電壓和容量，對(duì)新機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性計(jì)算。線圈電阻R=1.52Ω，線圈的通電時(shí)間都為150ms，計(jì)算結(jié)果見表2 和表3，表中UC0為電容充電初始電壓，UC為動(dòng)作結(jié)束后電容電壓，ΔU為電容壓降，C為供電電容容量，t1為從線圈通電到永磁機(jī)構(gòu)動(dòng)鐵心開始動(dòng)作的時(shí)間，t2為機(jī)構(gòu)動(dòng)作結(jié)束的時(shí)間，Δt=t2?t1為機(jī)構(gòu)整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程的時(shí)間，v分為剛分點(diǎn)后12ms 平均值。

表2 電容器電壓對(duì)動(dòng)態(tài)性能的影響（C=0.13F）Tab.2 The relationship between dynamic performance and capacitor voltage（C=0.13F）

表3 電容器容量對(duì)動(dòng)態(tài)性能的影響（UC0=220V，R=1.52?）Tab.3 The relationship between dynamic performance and the capacitor capacitance

從表中數(shù)據(jù)可以看出，在其他參數(shù)不變的情況下，電容充電電壓越高，分閘速度越高；電容容量越大，分閘速度越高。

3.4 線圈參數(shù)影響

永磁機(jī)構(gòu)中，勵(lì)磁線圈的參數(shù)對(duì)機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)性能的影響很大，在永磁機(jī)構(gòu)其他結(jié)構(gòu)參數(shù)及永磁體體積大小不變時(shí)，永磁機(jī)構(gòu)的動(dòng)作速度主要由線圈參數(shù)決定。選擇不同的線圈線徑和線圈匝數(shù)，就能獲得不同的永磁機(jī)構(gòu)動(dòng)作和電流特性。表4 為不同的線圈參數(shù)對(duì)機(jī)構(gòu)分閘特性的影響。表中IOmax為通過分閘線圈的峰值電流，t0為觸頭的啟動(dòng)時(shí)間，t為觸頭分閘時(shí)間，v分為機(jī)構(gòu)的平均分閘速度。

表4 線圈參數(shù)對(duì)機(jī)構(gòu)分閘特性的影響（UC0=220V，C=0.13F）Tab.4 The relationship between dynamic performance and coil parameters

當(dāng)線圈匝數(shù)一定時(shí)，線圈的線徑越大，由于線圈電阻越小，從而分閘時(shí)線圈中流過的電流越大，分閘的時(shí)間越短，速度越快。而當(dāng)線圈線徑保持不變，線圈匝數(shù)越多，線圈電阻越大，線圈的電感也增大，使通過分閘線圈的電流增長(zhǎng)變緩，電流峰值減小，分閘的時(shí)間變長(zhǎng)，分閘速度降低。因此為提高分閘速度，一般采取減少線圈匝數(shù)、增大線圈線徑的方法。但是如果選擇較粗的導(dǎo)線線徑，同時(shí)線圈匝數(shù)太少，線圈峰值電流較大，對(duì)控制系統(tǒng)的要求也越高，成本相應(yīng)增加。而選擇較細(xì)的導(dǎo)線，線圈電阻變大，雖然流過線圈中的電流變小，對(duì)控制系統(tǒng)電力電子元器件的參數(shù)要求也較低，但是以犧牲機(jī)構(gòu)速度特性為代價(jià)的，可能會(huì)導(dǎo)致機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)性能無法滿足斷路器要求。所以，要根據(jù)動(dòng)態(tài)計(jì)算結(jié)果以及相關(guān)因素綜合考慮，選擇適當(dāng)?shù)膶?dǎo)線匝數(shù)和線徑，以達(dá)到機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。根據(jù)勵(lì)磁線圈參數(shù)仿真結(jié)果的比較分析，選擇合閘線圈線徑1.62mm，分閘線圈線徑2.10mm。分、合閘線圈匝數(shù)均為500 匝。

4 實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

126kV 真空斷路器永磁機(jī)構(gòu)樣機(jī)及動(dòng)態(tài)性能測(cè)試系統(tǒng)如圖7所示。永磁機(jī)構(gòu)操作的供電電源為并聯(lián)電容器組。電容參數(shù)為：250V，22 000μF。將6 個(gè)電容器并聯(lián)起來，總?cè)萘繛?.13F。電容充電模塊輸出100～240V 電壓。

圖7 126kV 真空斷路器永磁機(jī)構(gòu)樣機(jī)及 動(dòng)態(tài)性能測(cè)試系統(tǒng)Fig.7 Dynamic performance test system of PMA prototype for a 126kV VCB

為保障電網(wǎng)安全、可靠和經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行，智能控制器除具備基本分、合閘功能外，還需具備諸如運(yùn)行參數(shù)測(cè)量、故障判斷與處理及通信等功能。本文設(shè)計(jì)控制器總體框圖如圖8所示，由信號(hào)調(diào)理模塊、通信模塊、控制模塊、計(jì)算模塊、驅(qū)動(dòng)模塊和人機(jī)交互模塊組成。信號(hào)采集模塊集成了所需測(cè)量信號(hào)的傳感器，傳感器輸出由信號(hào)調(diào)理模塊處理后進(jìn)行A-D 轉(zhuǎn)換，輸出數(shù)字信號(hào)，并對(duì)一些開關(guān)量通過光電耦合器進(jìn)行隔離。由計(jì)算模塊對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，配合控制模塊實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能。通信模塊通過以太網(wǎng)與上位機(jī)通信，同時(shí)將部分狀態(tài)通過指示燈與顯示屏進(jìn)行顯示。控制模塊主要通過向IGBT 發(fā)出時(shí)間長(zhǎng)度可控的導(dǎo)通信號(hào)而實(shí)現(xiàn)對(duì)分合閘操作的控制。本文選用 Altera 公司生產(chǎn)的Cyclone Ⅱ系列FPGA，DSP 選用TI 公司推出的TMS320C2000 系列。

圖8 智能控制器硬件框圖Fig.8 The block diagram of intelligent controller

驅(qū)動(dòng)部分原理圖如圖9所示。驅(qū)動(dòng)電路的工作過程是通過IGBT 的導(dǎo)通將分、合閘線圈與相應(yīng)電容接通，依靠分、合閘線圈流過電流產(chǎn)生的電磁力驅(qū)動(dòng)鐵心運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，在IGBT 關(guān)斷后提供續(xù)流回路，防止線圈能量無法釋放產(chǎn)生的高電壓損壞器件。

圖9 驅(qū)動(dòng)部分原理圖Fig.9 The schematic of driving part

圖10a 給出了動(dòng)觸頭合閘位移曲線的實(shí)驗(yàn)及仿 真結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的平均合閘速度為1.8m/s（觸頭閉合前20mm平均值），此速度略高于要求的1.5m/s，可以通過調(diào)節(jié)控制回路將其降低。

動(dòng)觸頭分閘位移曲線的實(shí)驗(yàn)及仿真結(jié)果如圖10b 所示。實(shí)驗(yàn)測(cè)得的剛分速度為2.8m/s（剛分點(diǎn)后6ms 平均值），平均分閘速度為2.9m/s（剛分點(diǎn)后12ms 平均值）。

圖10 動(dòng)觸頭合閘、分閘位移曲線實(shí)驗(yàn)及仿真結(jié)果Fig.10 Displacement curves of the movable contact in a closing and opening operation compared with the calculated results

5 討論

5.1 傳統(tǒng)永磁機(jī)構(gòu)與新型永磁機(jī)構(gòu)靜態(tài)特性比較

傳統(tǒng)永磁機(jī)構(gòu)和新型永磁機(jī)構(gòu)靜態(tài)特性仿真結(jié)果如圖11所示。為保證兩種機(jī)構(gòu)性能的可比性，兩個(gè)機(jī)構(gòu)提供的合閘保持力（約7 300N）和分閘保持力（約2 000N）相同。但是，兩個(gè)機(jī)構(gòu)中永磁力隨氣隙的變化曲線卻不同。從圖中可以看出，當(dāng)永磁機(jī)構(gòu)接近合、分閘位置時(shí)，新型永磁機(jī)構(gòu)提供的永磁力快速上升。這意味著永磁力對(duì)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)影響較傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)更小，因?yàn)楫?dāng)動(dòng)鐵心離開合、分閘位置后，永磁保持力迅速減小。

圖11 傳統(tǒng)永磁機(jī)構(gòu)和新型永磁機(jī)構(gòu)永磁力隨氣隙變化曲線（兩種機(jī)構(gòu)合閘保持力約為7 300N，分閘保持力約2 000N）Fig.11 The static forces vs.gaps of conventional PMA and proposed PMA(the holding force in the closing position is～7 300N,and～2 000N in the opening position)

5.2 傳統(tǒng)永磁機(jī)構(gòu)與新型永磁機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性比較

在仿真得到兩種機(jī)構(gòu)靜態(tài)特性數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步通過仿真得到其動(dòng)態(tài)特性。兩種機(jī)構(gòu)分合閘保持力幾乎一致。仿真結(jié)果位移曲線和電流曲線分別如圖12和圖13所示。如圖12所示，仿真得到傳統(tǒng)永磁機(jī)構(gòu)平均分閘速度為2.5m/s，而新型機(jī)構(gòu)平均分閘速度為3.0m/s。從圖13可以看出，新型機(jī)構(gòu)的最大電流較傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)大。更大的電流意味著線圈能在機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)中能提供更大的電磁力，這也是新型機(jī)構(gòu)能提高分閘速度的另一個(gè)原因。

圖12 傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)和新型機(jī)構(gòu)分閘動(dòng)觸頭位移曲線Fig.12 The movable contact displacements of a conventional PMA and a proposed PMA during opening operations

圖13 傳統(tǒng)永磁機(jī)構(gòu)和新型永磁機(jī)構(gòu)分閘線圈電流曲線Fig.13 The opening currents of a conventional PMA and a proposed PMA during opening operations

6 結(jié)論

本文提出了一種具有分離磁路的126kV 真空斷路器永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)為雙穩(wěn)態(tài)、軸對(duì)稱永磁機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)部分、保持部分具有獨(dú)立磁路。本文計(jì)算了本機(jī)構(gòu)的靜態(tài)特性及動(dòng)態(tài)特性，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果制作了樣機(jī)。樣機(jī)的合閘速度可達(dá)到1.8m/s（觸頭閉合前20mm 內(nèi)平均速度），剛分速度為2.8m/s（觸頭分開后6ms 內(nèi)平均速度），平均分閘速度為2.9m/s（觸頭分開后12ms 內(nèi)平均速度）。此速度特性滿足126kV 真空斷路器的要求。同時(shí)對(duì)比傳統(tǒng)永磁機(jī)構(gòu)和新型分離磁路永磁機(jī)構(gòu)靜態(tài)特性及動(dòng)態(tài)特性，新型機(jī)構(gòu)較傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)分閘速度更高，電流更大。

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