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真空断路器的永磁操动机构的应用可靠性问题 |
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| 真空断路器的永磁操动机构的应用可靠性问题 |
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作者：佚名 文章来源：不详 点击数： 更新时间：2008-9-26 14:21:00  |
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摘 要：永磁操动机构是新一代真空断路器的操作系统，是由机械操动向电子操动转变的关键。首先，通过分析典型永磁操动系统等效电路，在一定的冗余下优化励磁电流波形，使所需的脉冲功率最小；然后对永磁操动机构的使用可靠性问题，即能源部分的失效问题、控制部分的电磁兼容问题和磁系统的磁性能劣化问题进行了讨论。
关键词：真空断路器；永磁操动机构；可靠性
在机械加工领域，人们引入电子和计算机技术，发展了数控机床和计算机控制的加工中心，使机械加工领域发生了一场革命，产生了新的学科——电子机械。在电气工程领域，高压真空断路器的操动机构是一个典型的机械系统，实行电子机械化是高压开关发展的必由之路，我们把电子机械化的操动机构称之为电子操动系统。传统操动机构的核心是连杆、锁扣和能量储存系统，环节多，累计运动公差大且响应缓慢；依靠弹簧、液压或压缩空气等力学手段提供操动能量，可控性差，可靠性和效率都比较低。由电力电子器件控制的永磁操动机构是典型的电子操动系统。由磁铁通过闭合的磁路提供了锁扣的力量，励磁线圈通电改变磁路中的合成磁通并驱动铁心运动形成另一闭合磁路，另一稳态仍依靠永磁铁提供的锁扣力量，操动能量直接来自磁能。新的运动控制形式使传统机构数以百计的传动零件减少到几个零件，大大提高了反应速度、精度以及整机可靠性。
永磁机构采用脉冲放电，取代传统的直流源，体积小，成本低，易于实用化；但从另一角度看，励磁波形的优化将决定脉冲源的效率和成本，成为新的技术难题。本文首先分析典型动态特性，在一定的冗余下优化励磁电流波形，使所需的脉冲功率最小。根据理想励磁电流波形，给出参考设计数据，使整个系统可直接用于新一代真空断路器，并为电子操动系统的进一步推广打下基础。
1典型永磁机构系统
一般的永磁操动系统包括能源、控制、电磁铁励磁及传动(输出)四部分，其基本电路和动作时序如图1所示。其中小电流充电电源G和电容器C(其电容为C)组成能源部分(也可以直接用大功率直流电源或电池)，Tr及其触发电路为电源控制系统，L为电磁铁线圈，其内阻为R，其电感L是铁心位置的函数。i为电磁铁励磁电流，l为运动轨迹(d为铁心总行程)。时刻t1时触发电路时延，ti为电磁铁开始运动时刻，tf是运动终了时刻。
由图1可见，对于可靠的励磁，i(tf)不能太小，尤其对于合闸，应i(tf)≥i(ti)。在满足这一条件下，(ti－t1)应越小越好，tf 以后的电流或者切断，或者限制其尽可能地衰减。因此，在电容器放电电流的频率和峰值、R/L 等方面都有最佳取值范围。如果采用达到tf 时切断电路的控制策略，保存C 中的剩余电荷，则可使用尽可能大容量的电容器，甚至是直流电源。如不回收C中的剩余电荷，则希望C中的剩余电荷尽可能少，减小L可同时减小(ti－t1)和增加电流下降速度，由此可能引起的励磁功率问题可通过适当提高C的充电电压来解决。
近年来国外已推出一批采用永磁操动的真空开关，显示出电子操动的发展趋势。进一步的设计和优化仍在制造厂家和科研院所的进行之中，包括高可靠性控制电路的设计以及机构运动特性分析与优化。后者要结合负载反力特性、电路与磁路的动特性(包括永磁体与励磁线圈互作用特性)等。
2永磁机构系统的应用可靠性问题
对于电子操动系统，可靠性体现在能源部分的失效问题，在控制部分是电磁兼容问题，在磁系统中则是磁性能劣化问题。
2.1能源部分的可靠性问题
电子操动的能源系统主要元件是储能电容器，其失效原因主要是过电压、高温运行，以及介质老化。在有一定过电压保护的情况下，长期使用中的主要问题是温升，这在设计电子器件的安装位置时加以充分考虑，避免造成较大的温升。
2.2磁系统的可靠性问题
永磁性材料磁性能的劣化是人们在接受永磁机构时所关注的另一个问题。其中工作条件造成的退磁劣化，如交变磁场下引起磁性能退化，应由工况设计解决；随时间推移的自然劣化则应在出厂工艺处理方面和冗余设计方面给予解决，如永磁铁充磁后出厂前，根据可能遇到的情况人工退掉10%左右的剩磁，可以提高磁稳定性。
2.3控制系统的可靠性问题
电子操动的控制系统涉及微电子器件，工作电压和信号传递电平低，耐压水平低，外界电磁场干扰很容易使其失效或损坏，而这种情况对于传统开关电器的影响是不大的，因此，电磁兼容是电子操动系统要添加的实验项目。国际电工委员会1990年发布了IEC 1000—4《电气与电子设备的电磁兼容性》的实验方法和标准，以后，在IEC 694《高压封闭开关设备和控制设备标准的共用技术要求》中又引用上述标准，要求相关的控制设备除满足例行实验要求外，还要进行电磁兼容实验。主要实验内容包括辐射电磁场干扰实验、振荡波干扰实验、舜变脉冲串实验和静电放电实验。
控制系统的电磁兼容与可靠性是除方案设计外的技术关键，人们在这一领域已做了大量的工作，有很多成熟而有效的措施可以借鉴。在组成系统时，元件的可靠性及使用寿命是至关重要的。从线路板的设计到元件的选型、筛选、老化及线路的焊接工艺，都要严格按照电子线路可靠性与电磁兼容的要求处理。
3结束语
真空断路器的永磁操动机构以及操动它的电子操动系统是新一代真空断路器质量保证和技术领先的基础，通过上述实践与论述，永磁操动机构用在真空断路器上是行之有效的。
参考文献
［1］邹积岩，王瑛，董恩源. 电子操动的概念与实践［J］. 高压电器，2000，36(5)：29—31，41.
［2］ 邹积岩，王毅. 开关智能化的概念与相关的理论问题［J］. 高压电器，2000，36(6)：43—46.
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