[00138477]配用于真空断路器的新型四线圈双稳态永磁操作机构关键技术的研究

“配用于真空断路器的新型四线圈双稳态永磁操作机构关键技术的研究”为山西省电力公司计划内科技项目。　　该研究首次提出了“四线圈双稳态永磁操作机构”的概念。分闸时，分闸侧线圈与合闸侧解锁线圈串联，由合闸侧解锁线圈的磁动势在合闸侧工作气隙中产生抵消永磁体作用的磁场，由分闸侧线圈的磁动势和永磁体在分闸侧工作气隙中共同产生的磁场提供对动铁心的分闸驱动力。合闸时，合闸侧线圈与分闸侧解锁线圈串联，由分闸侧解锁线圈的磁动势在分闸侧工作气隙中产生抵消永磁体作用的磁场，由合闸侧线圈的磁动势和永磁体在合闸侧工作气隙中共同产生的磁场提供对动铁心的合闸驱动力。理论分析和试验证明，在解决目前较普遍存在的配用永磁操作机构的真空断路器刚分速度不达标和永磁操作机构本身分、合闸始动电流及峰值电流过大的问题方面，这是一个可行的办法。关键在于一定要恰当设计分、合闸解锁线圈匝数的比例，不同的永磁操作机构需要的分、合闸解锁线圈匝数的比例是不同的。同时，该研究提出了比较容易实现的用四个绝缘栅双结晶体管（IGBT）作为这种四线圈双稳态永磁操作机构主控元件的主回路控制方案。为了确定储能放电电容的参数，该研究进行了相关的理论分析和储能放电电容不同电容量下永磁操作机构特性试验研究。永磁机构分、合闸过程在电路上表现为一个RLC串联电路的零输入响应问题。在永磁操作机构分、合闸过程中，为保证激磁线圈中的电流保持同一个方向，电容器的放电过程必须是阻尼情况。该研究计算和分析了永磁操作机构分、合闸激磁线圈的电感在分、合闸过程中随着铁梭位置的变化以及激磁电流大小的不同以致铁芯磁路的饱和程度不同而发生的变化情况，在此基础上确定了储能放电电容的参数基值。但由于真空断路器运动部分各环节的质量、惯量、变形、摩擦以及永磁操作机构激磁线圈的动态电感、反电势甚至动态电阻都是算不准的，所以，储能放电电容的参数终值，应在配上真实系统以后，在调试动态指标的过程中确定。在永磁操作机构中，驱使动铁心运动操作的能量来自于电容器的电场储能。电容器预先被充以一定的电压，当进行操作时，它向激磁线圈释放能量，这样电场储能被转换成磁场储能，磁场能量再被转换成动铁芯运动的机械能。电磁系统的通断过程不是处于稳态，而是处于动态，通过计算动态过程，能更合理确定电磁系统的结构参数和电容器的电气参数。该研究报告以分闸过程为例，建立了分闸激磁线圈回路等效电路及电路方程式、动铁心的运动方程式和动铁心电磁吸力方程式，并介绍了永磁操作机构动态仿真方法。根据四线圈双稳态永磁操作机构的主回路控制方案，该研究开发了具有开关驱动功能、手动控制功能、同保护装置接口功能、防跳功能、通讯功能和告警功能的开关控制器。为了开发配用于更高电压等级真空断路器的永磁操作机构，该研究报告提出了一种在四线圈结构基础上分闸侧端盖采用特殊的腔型结构的永磁操作机构设计思路。该研究对所开发研制的配用这种四线圈双稳态永磁操作机构的VSM型12kV户内真空断路器进行了机械特性、回路电阻、工频耐压、雷电冲击耐压和额定短路电流开断等试验，并获通过。试验在中国电力科学研究院进行。测试结果符合“GB/1984-2003高压交流断路器”的要求，且性能总体优于国内外同类产品。目前，在我国开关领域真空断路器的应用已越来越广泛。根据高压开关行业协会公布的统计数字，在12kV级，真空断路器已占绝对优势，1998年真空断路器占79.27%，2002年占92.27%，2003年达到95.76%。在40.5kV级，真空断路器与SF6断路器平分秋色。同时，用电系统对断路器的性能要求也越来越高，为向小型化，无油化，智能化方面发展，需要耐候性更好、免维护、高可靠性、高稳定性的真空断路器产品。采用永磁操作机构不仅可以大大简化断路器操作机构的零部件数量，提高可靠性，同时永磁操作机构出力特性能够很好地和真空断路器的开断特性相吻合，有利于电弧熄灭。另外采用固封极柱结构的真空断路器还可消除真空泡表面爬电现象。真空断路器用途宽广，应用领域遍及电力、冶金、石化、交通、建筑等行业。可以预见，配用永磁操作机构的真空断路器具有广阔的应用前景。