35kV真空开关永磁机构操作控制器的设计与实现

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1 绪论

1.1 课题研究背景

真空断路器，即利用真空的高介质强度来达到灭弧效果的一种电气设备。世界上第一台真空断路由美国人1961年研发成功，此后的真空断路器便在此基础上有了飞跃的发展。

为了实现小康生活，人民的生活水平越来越高，人们对美好生活有了更好的憧憬，而这就对电力系统的供电质量提出了更高的要求。其中，断路器作为供电系统的一个电力系统的保护和控制的终端设备，其可靠性和智能化水平对电力系统的稳定性和自动化程度具有很大的影响。 1.2 课题研究目的和意义

实际上断路器在电网中主要起着两个方面的作用：一个是控制作用，另一个就是保护作用。断路器可以按照电网运行要求将一些电力设备或线路投入或者退出运行，并在电力线路或设备在发生故障的时侯将故障部分从电网讯速切除，以保证电网中没有故障部分正常运行。

真空断路器主要由真空灭弧室、操动机构、底座等组成。真空灭弧室根据开关构造又分多种形式，而操动机构的主要动作是完成断路器触头分合闸的开合。其中，操动机构的可靠性对整个断路器具有重要的意义。为了达到更高的可靠性，人们加快了研究操作机构的步伐。有一种用于中压真空断路器永磁保持的新型电磁操作机构即永磁机构便孕育而生了。它是一种全新的智能选相真空开关，它的优点是其主要运动部件只有一个，可靠性较高，且使用寿命长而运用广泛。操动机构的主要作用就是为断路器提供动力并使其动作。由前面的叙述可以知道操动机构在断路器中起着很重要的作用，它质量的好坏会直接影响到断路器。所以，要求操动机构具有良好的性能，当其能在允许变化的范围内时应当迅速可靠的动作。 1.3 国内外发展现况

在国外很早就有人研究过永磁机构，因为当时条件的限制，永磁材料的缺乏，导致最终以失败的结果告终。在20世界80年代发现了一种具有优异磁性能的磁铁，其中含有大量的钕、铁和硼，被称为钕铁硼稀土永磁材料。钕铁硼永磁材料相对于传统的铝镍钻和铁氧体材料而言，稳定性更高，退磁现象不明显，性价比高，引起了人们的高度重视，它特有的性能为永磁机构的发展研究提供了条件。以英国和德国为代表的国外研究中压开关永磁机构始于1980年。最早的永磁机构样机在英国产生，三年之后就被应用在英国的工业领域。英国Whipp&Bourne公司经过一段时间的技术改进，制造出比较完

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善的永磁机构并投入市场。在同一时期，德国的ABB公司也紧跟其后，将操作能耗作为目标进行技术改进，1997年，德国的ABB Calor Emag公司将研制出的双稳态双线圈结构的VM 1型永磁机构真空断路器样机展示出来，引起了各制造公司的极大重视。采用同样工作原理，其他公司也紧跟其后将类似的产品推向市场。在ABB公司研发出永磁机构真空断路器之后，国内很快就相继研发V错误！未找到引用源。型永磁机构真空和断路器。

我国资源众多，地大物博，钕资源占世界的80%以上，所以在研发永磁机构真空断路器的过程中，材料方面有很大的优势。我国钕铁硼产业早期在1984年就开始发展，永磁材料的产量越来越多，从2001年到2012年这期间的11年，产量就大约增加了10倍左右。企业规模也越来越大，现在的钕铁硼稀土永磁材料的工业体系也逐渐完善，各地区的钕铁硼产业随着技术的增进，好多都发展成为规模较大的、高技术水平的大公司。这类用稀土永磁原料的产品研发及应用也越来越成熟。 1.4 论文的主要工作

本论文是针对35kV真空断路器永磁机构控制器的设计方案的研究，主要内容是掌握真空断路器的特点、作用和使用条件的理论知识，以双稳态永磁操动机构为研究对象，深入分析永磁操动机构的结构构成、驱动过程中相关部件的工作和动作行为，研究并制定真空断路器双稳态永磁操动机构控制装置的技术路线，研制开发试验样机，实现真空断路器的本地和远程分合闸控制操作，进行必要的样机功能验证和实验。

本论文的第一章介绍了真空断路器永磁操动机构的研究背景、目的和意义还有国内外发展状况。第二章叙述了永磁机构的几种结构，基本工作原理和常用的三种控制方法，对比选取其中一种控制方法。第三章分模块详细叙述了此课题的硬件设计。第四章叙述了此课题的软件设计。第五章介绍了电路硬件模块的部分仿真和软硬件调试。第六章总结。 1.5 本章小结

本章主要介绍了真空断路器的作用及其发展，永磁机构的重要性及其国内外发展现 状和本课题的主要研究内容。

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2 真空开关永磁机构的研究

真空断路器在电力系统中有着极其重要的作用，真空断路器的实质就是动静触头相互接触产生电弧，电弧过零就熄灭，而触头的相互接触是靠操动系统实现的。可见其操动机构的重要性，永磁机构是利用永磁体实现分合闸保持的一种新型电磁操作机构，具有免维护、可靠性高、装置少等优点被广泛应用于现在的中压领域中。永磁机构的两种形式分别为双稳态形式和单稳态形式[1]。 2.1 永磁机构的结构

在电网应用中，永磁机构有很多不同的结构形式，它们的工作原理却是大致一样的。 归根到底就是一种利用永磁体来保持铁心分合闸的新型电磁操动机构。

永磁机构的合闸是依靠电磁操动实现的，但永磁机构的分闸却不是，根据永磁机构的分闸可将永磁机构分为两种形式，第一种为电磁操动即我们常说的双稳态，第二种是弹簧操动即我们常说的单稳态。还可以从线圈数目分类，一种为双线圈，另一种为单线圈。从外形结构上分类，也可以分为两种结构，一种为方形结构，另一种为圆形结构。永磁机构的方形和圆形结构这两种结构有相同点也有不同点，相同之处是它们的工作原理相同，除了外形不同外，它们的铁心材料和加工工艺是不相同的。方形结构的永磁机构中的静铁心的组成材料是硅钢片，具有良好的导磁性，制作过程中需要开模具；圆形结构的永磁机构的静铁心为保证具有良好的导磁性采用的材料是电工纯铁，这种静铁心材料不仅导磁性好，加工工艺也很简单，所以现在一般应用的是圆形结构的永磁机构。图2-1为双稳态永磁机构方形结构外形简图，图2-2为双稳态永磁机构圆形形结构外形简图。

图2-1 永磁机构方形外形简图 图2-2 永磁机构的圆形外形简图 永磁机构的双稳态和单稳态工作原理极其相似，合闸都是一样的，两种状态的合闸都是依靠永磁体，分闸则不同，单稳态还需要弹簧才能分闸。本课题着重研究双稳态的永磁操动机构。

双稳态永磁操动机构按照永磁体安装方式的不同可分为两种，如图2-3 a 、b所示。因为永磁体的位置不同会导致永磁机构的动铁心产生不同的保持力。所以针对不同永磁体的位置会有相应的分析方法，本论文研究的对象是2-3 a图。

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a 永磁体在静铁心左边位置图 b 永磁体在静铁心右边位置图

图2-3 永磁体在永磁机构中安装位置图

双稳态双线圈的永磁机构剖面图如图2-4所示。

1-静铁心 2-动铁心 3、4-永磁体 5-分闸线圈 6-合闸线圈 7-驱动杆

图2-4 双稳态永磁机构剖面图

从双稳态永磁机构剖面图中可以看出，永磁操动机构有7个主要的零件构成：其中1是静铁心，其目的是为操动机构提供磁路通道，不同的外形的永磁机构其静铁心结构也是不同的，现在的方形结构大多数应用的是硅钢片叠型结构，圆形结构则应用电工纯铁或低碳钢；2是动铁心，是最重要的部件，一般应用电工纯铁和低碳钢结构；3、4是永久磁铁，永磁操动会有不同的状态，如分合闸状态，为了保持当前的状态，需要永久磁铁提供保持力；5、6分别是分闸线圈和合闸线圈，对分合闸线圈充电可以使永磁机构处于分合闸状态；7是驱动杆，是将操动机构和断路器的另一个机械操动即传动机构相连的重要纽带[2]。

当线圈中没有电流通过的时候，即断路器保持在分闸状态或者合闸状态，动铁心因为永久磁铁带动动铁心和静铁心产生的低磁通道被固定在上端或者下端，这个过程中不需要其他任何的机械器件发挥作用。当需要执行分合闸操作时，给其相应的分合闸线圈通电，电流会产生相应的磁动势，线圈也会产生相应的磁场，永磁机构中动铁心和静铁心产生的磁场和永磁机构中永磁体产生的磁场一起作用，会促使动铁心和其连着的驱动杆在新的磁场作用下，朝着相应的分合闸状态运动以完成分合闸指令操作。当完成相应的任务时，直到接到下一个指令前，动铁心始终保持相应指令下的状态即始终停留在两个位置，最上端或者最下端，因此永磁操动机构也被称为两位式双稳态原理结构。传统