摘要：本文通过多次由于弹簧储能机构断路器未储能，使开关不能正常合闸，引起高压电动机不能正常运行，迫使生产停机的原因进行分析、讨论，针对断路器不能正常合闸原因提出改进措施，使用永磁式分合闸机构来代替弹簧储能分合闸机构，避免了类似事故的发生。
关键词：永磁式；弹簧储能；合闸；改进措施
前言
随着科技的发展，自动化控制已经普遍使用，包括煤炭、钢铁、化工、纺织及其他轻工业领域。必然对自动化系统中的各个部件提出了更高地要求。比如在高炉生产系统中，高压皮带上料电机的频繁启停，给断路器的质量也提出了更高的要求。真空断路器的分合闸机构有：电磁机构合闸，弹簧储能机构合闸、永磁式储能合闸等。现在我们要阐述的是，高压断路器的频繁启停使原来的弹簧储能机构的机械强度，拉力受到消耗，不能正常合闸，给生产带来影响或不安全事故。永磁式储能机构断路器不需用机械外力来完成断路器合闸。本文将介绍弹簧、永磁这两种储能机构在系统运行中各自的优点及永磁式断路器在频繁操作的上料系统中实践的效果。
1弹簧机构的特点
按合闸所用能源的不同，操作机构可划分为弹簧机构、电磁机构、液压机构和气动机构。目前，35KV及以下的断路器主要使用的是弹簧机构。弹簧操动机构是利用储能的弹簧为动力使开关实现合闸动作。但是由于弹簧操作机构比较复杂，使得机构本身故障点大为增加。另外，弹簧操作机构机构复杂的特点，势必存在滑动摩擦面较多，而且多在关键部位，在长期运行的过程中，这些零件的磨损、锈蚀以及润滑剂的流失，固化都会导致操作失误。给生产带来不必要的经济损失和事故影响。
2 永磁机构的构成及工作原理
2.1永磁机构的构成
传统的操作机构有电磁操作机构和弹簧操作机构。电磁操作机构结构较简单，但结构笨重，合闸线圈消耗功率很大。弹簧操作机构由弹簧储能、合闸、保持合闸和分闸几个部分组成。优点是不需要大功率的电源，缺点是结构复杂，制造工艺复杂，成本高，可靠性较难保证。在借鉴了以上两种操作机构的优缺点的基础上，永磁机构进行了改进设计。设计中使真空断路器分合闸位置的保持通过永久磁铁实现，取代了传统的机械锁扣装置。这种磁力机构主要由永久磁铁和分闸、合闸控制线圈组成，当合闸控制线圈通电后，它使动铁心向下运动，并由永久磁铁保持在合闸位置；当分闸控制线圈通电，动铁心向反方向运动，同样由永久磁铁将它保待在另一个工作位置即分闸位置上，也就是说，该机构在控制线圈不通电流时它的动铁心有两个稳定工作状态，（合闸和分闸）。也称双稳态电磁机构。
永磁机构的构成作为替代传统操动机构的一种新型机构，构成单元非常简单。主要由极化电磁铁、智能控制器、储能电容器、电源模块、位置传感器等五部分组成。
2.2永磁机构的动作原理
双线圈电磁铁结构
极化电磁铁是永磁机构的主要执行部件。 它由静铁心、动铁心、永磁体和激励线圈 组成, 双线圈电磁铁具有合闸和分闸两个 励磁线圈，如图1所示
图1 双线圈电磁铁结构
如图2 分闸状态所示，当断路器处于分闸位置时，动铁芯处于上部，动铁芯与上部的静铁芯之间间隙较小，相对应的磁阻也较小，而动铁芯与下部的静铁芯之间间隙较大，相对应的磁阻也较大，故永久磁铁所形成的磁力线大部分集中在上部，从而产生很大的向上吸引力，将动铁芯紧紧地吸附在上面。
图2 双稳态电磁铁工作原理
如图2 合闸过程所示，当断路器要合闸时，合闸线圈通过合闸电流，产生感应磁场，该磁场对动铁芯产生向下的吸引力，随着合闸电流的增大，该向下的吸引力由小变大，当合闸电流到达某一临界值时，动铁芯受到的合力方向向下，开始向下运动。 如图2合闸状态所示，当动铁芯到达下部时，永久磁铁和合闸线圈两者产生的磁场将动铁芯牢牢地吸附在下部。几秒钟以后，合闸电流消失，此时永久磁铁产生的磁场将动铁芯保持在下部位置。至此，断路器完成合闸操作。
基于同样的原理，当分闸线圈得电后，动铁芯向上运动，如图2分闸过程所示。同样由永久磁铁将它保持在分闸位置。
由以上动作原理可知，永久磁铁与分合闸线圈相配合，较好地解决了合闸时需要大功率能量的问题，因为永久磁铁可以提供磁场能量，作为合闸之用，合闸线圈所需提供的能量便相对可以减少，这就使我们可以减小合闸线圈的尺寸和工作电流。
2.3 永磁机构的控制部分
永磁机构智能控制器主要由五大部分组成：电源模块、信号输入模块、信号输出模块、专用控制芯片以及电力电子驱动模块，储能电容器用于储存能量，当合分闸时，它可向合闸线圈或分闸线圈提供高达 2600W的脉冲电能，使断路器完成合分闸操作。每次放电后，它能在10s内被重新充电。晶体管和晶闸管等电力半导体用于分合闸电流的控制。当分合闸线圈突然失电时，由于分合闸线圈属电感性元件，电流不能突变，会产生过电压，这时采用续流二极管可以很好地解决这一问题。 控制器由可编程元件FPGA组成，可以说FPGA是整个控制部分的灵魂。通过设定的预置程序，我们实现储能电容充电恒压，过充电截压保护，就地合分闸和远方合分闸，合分闸遥信输出，与电力系统自动综合保护联合实施各种保护合闸和重合闸操作等功能。
3 永磁机构优点
（1）永久磁铁与分闸、合闸控制线圈结合，解决了合闸时需要大功率能量的问题。
（2）真空灭弧室的动触头靠永久磁铁产生的力通过拐臂、绝缘拉杆使其保持在合闸、分闸位置上，取代传统的机械锁扣方式，机械结构大为简化，仅有几个活动部件，零件总数约为50件左右，耗材少，节能且成本低。
（3）操动机构无需机械锁扣和辅助电器，机械动作的可靠性大大
提高，能够实现免维护，节省维修费用。
（4）真空断路器采用永磁操动机构，永磁力可保证100年不消失，该机构寿命高达10万次，以电磁力进行分合闸操作，以永磁力进行双稳态保持，简化了传动链，降低了能耗和噪音。开断能力强，安全可靠。与传统的弹簧机构和电磁机构相比，机械寿命至少提高3倍。
（5）采用先进的真空灭弧室，额定电流为630A-3150A，额定短路开断电流为31.5kA—40kA，技术性能达到世界领先水平。
（6）断路器机构简单，布局合理。真空灭弧室纵向安装在绝缘筒内，即使在恶劣的环境下，仍能保持很高的抗爬电性能及绝缘性能。
4总结
永磁机构的性能与真空断路器很好配合，而且其零部件少、结构简单、可靠性高、无爆炸、无污染、噪音低、体积小、重量轻、寿命长、免维护，可用电子软件控制，因此在使用了永磁式断路器后，高炉上料系统得到了有效的改善，避免了由于开关拒动而造成的经济损失。
参考文献：
[1]林莘。永磁机构与真空断路器[M].北京：机械工业出版社，2002.
[2]谭东现，李岩，等.动态式双稳态永磁机构的研究[J].高压电器，2007，43.
作者简介
李辉（1984-06-29），男，汉族，学历：大专。
论文作者:李辉,马平产
论文发表刊物:《电力设备》2018年第18期
论文发表时间:2018/11/11
标签：永磁论文; 机构论文; 线圈论文; 永久磁铁论文; 断路器论文; 弹簧论文; 操作论文; 《电力设备》2018年第18期论文;