永磁机构的设计与同步开关

研发中心Xi'an

HignVoltageApparatusResearchInstitute技术交流Research&Development永磁机构的设计与同步开关::9/25/2023一、永磁机构的原理二、永磁机构设计步骤三、永磁机构静态力的计算四、永磁机构动态计算五、永磁机构的优化设计六、同步开关（选相开关）双线圈式永磁机构利用永久磁铁使真空断路器分别保持在分闸和合闸极限位置上

激磁线圈将机构的铁心从分闸位置推动到合闸位置，使用另一激磁线圈将机构的铁心从合闸位置推动到分闸位置

一、永磁机构原理双线圈永磁机构在分闸位置的结构简图1—静铁心；2—动铁心；3、4—永久磁铁；5、6—分、合闸线圈；7—驱动杆

双线圈永磁机构在合闸位置的结构简图

确定产品的整体结构

确定产品的传动方式，传动比；确定机构的合闸保持力；确定机构的形式，结构等；确定机构动铁心的体积；二、永磁机构的设计步骤永磁机构静特性的计算（合闸保持力的计算）永磁机构动特性的计算确定永磁机构动铁心的截面积；气隙磁场(或磁通)不变化的磁路，称为静态磁路必须考虑机构的合闸保持力足以克服真空开关触头弹簧的反力

三、永磁机构静态特性的计算F--气隙1处产生的吸力，即永磁机构的合闸保持力；

S1--气隙1处的截面积S1=St-

Sg，即动铁心的截面积减去驱动杆的截面积；

B1--气隙1处的磁通密度；

双稳态永磁机构的原理简图采用磁路的方法进行计算几点假设认为磁场分别在动铁心、磁轭及永久磁铁的截面上均匀分布动铁心在合闸位置时,铁心与磁轭看起来是紧密接触的，由于零件表面总是粗糟的，实际上存在一个小间隙，如图中的气隙1，设小间隙的长度为d1当动铁心在合闸位置时，由于分闸端较合闸端的磁阻大20多倍，可以认为磁通全部通过合闸端，而在分闸端，磁通为零

磁路中包括三部分，永久磁铁，气隙部分和磁轭与动铁心的铁磁部分根据克希霍夫第一定律，磁路中各处的磁通相等，即磁通和为零。=0等效磁路图根据克希霍夫第二定律，磁路中各处的总磁动势的代数和等于各部分的磁压降的代数和左边表示永久磁铁的磁动势

等式右边第一项表示各部分铁磁材料所产生的磁位降第二项表示各部分气隙产生的磁位降di气隙长度，Si为磁通通过的有效截面积，μ0为空气磁导率

Φ1=2Φ2

B1=Φ1/S1Bｍ=Φ2/SｍHmLm=H1L1+H2L2+H3L3+Φ1R1+Φ2R2H1为动铁心平均磁场强度；L1为动铁心平均长度；H2与H3为磁轭各部分的磁场强度；L2与L3为磁轭各部分的平均长度；S1

为气隙1的截面积；B2为气隙2的磁感应强度，也近似等于永久磁铁中的磁感应强度；Sm为气隙2的截面积；Φ1为通过动铁心的磁通；Φ2为通过磁轭的磁通；B1

为气隙1的磁感应强度R1与R2分别为气隙1和气隙2的磁阻：由于铁磁材料的非线性，无法从式中求出铁磁材料的磁场强度和永久磁铁中的工作点的位置，此时，则需要采用迭代法进行求解先设一个B1Φ1=B1xS1Φ1xR1,Φ2xR2

B1→Bm→Hm

Φ2→B3=Φ2/S3→H3

→H1'

H1'L1=HmLm-H2L2-H3L3-Φ1R1-Φ2R2→B1'比较B1与

B1‘,B1与

B1’差值在所规定的误差范围内，则认为B1就是所求的值。如果B1与

B1‘差值超过了误差范围，再将B1’作为下一步计算的初试值进行迭代计算直到B1与

B1'差值在小于所规定的误差，此时，可以认为所求出的B1为永磁机构动铁心中的磁感应强度

永磁机构计算值与测量值的比较

1号机构F/N2号机构F/N计算值47007488测量值41516710误差(%)1312利用场的方法计算永磁机构的静态力圆形的永磁机构磁场分布行程/mm永磁力/NI/A永磁机构的力/N1.动态特性计算的目的减小永磁机构的体积与成本提高开关的平均刚分速度减小控制单元的电流（提高控制单元的可靠性，降低控制单元的成本)四、永磁机构动态特性的计算动特性计算是电路方程，动力学方程以及永磁机构运动过程中的磁场变化的综合永磁机构动特性计算软件及试验验证永磁机构的动特性计算

（直流电源）

（电容器放电）

初始条件为|t=0=0,

υ|t=0=0,|t=0=0开关及永磁机构的动作原理图开始输入真空断路器的负载特性参数输入传动装置的几何参数输入分、合闸线圈，电源或电容器等的参数调用有限元计算子程序，计算出电磁力F动与X调龙格库塔法将动力学与电路联立求解计算i,v判断机构是否合、分闸到位结束动铁心运动△xYN21时间/ms电流/A电流时间的变化曲线开关合闸行程—时间曲线五、永磁机构的优化

非工作气隙的引入及参数优化

机构的动铁心与静铁心之间有一间隙δ，即本文提出的非工作气隙机构在分闸位置结构示意图行程/mm永磁力/Nδ=2时永磁保持力随行程的变化δ/mmI合max/Aυ合/米/秒I分max/Aυ1分/m/sυ分/m/s分闸保持力/N086.00.5550.10.951.127500264.40.5453.30.921.0184215357.30.5154.10.820.902919452.10.4955.90.800.882122非工作气隙对机构特性的影响线圈参数的优化选择线径/mm匝数电阻R/ΩI

cmax/A合闸时间t/msυ合/m/s1.127597.1715.439.90.4231.26615.3918.735.60.4651.35633.9123.431.50.4951.355223.3626.129.80.5031.44862.8829.028.30.524线圈参数对开关合闸特性的影响线径d/mm电流I/A合闸线圈的线径与线圈峰值电流的关系

线径d/mm合闸时间t/ms

线径与断路器合闸时间的关系

线径d/mm合闸速度υ/m/s线径与断路器平均合闸速度的关系

国内及国外的永磁机构的产品可以看出，永磁机构的形状大致有两种，一种为圆形，另一种为方形。英国的Whipp&Bourne

公司生产的GVR柱上真空断路器上的永磁机构，其形状为圆形。

不同形状的永磁机构之间的比较及优化选择假设两种机构的合闸，分闸保持力相同其分、合闸线圈的窗口截面积分别相等传动比相同（以传动比为1.57:1为例）机构动铁心的行程相同非工作气隙相同形状dNRIυ1分υ2分m1/kgm2/kg产品尺寸m/kg圆形1.34321.6318.310.660.731.670.5112DxH12.841.43751.2121.850.720.80Ф140x1321.53360.9425.140.760.861.62860.7130.760.820.941.72520.5636.350.871.00方形1.34322.0919.210.650.713.280.6142LxHxM（N）20.231.43751.5623.050.70.78161x179x83(153)1.53361.2226.720.750.851.62860.9133.160.820.931.72520.7139.810.881.0方形机构与圆形机构的分闸特性形状dNRIυ1合m1/kgm2/kg产品尺寸m/kg圆形1.34321.6318.860.511.670.5112DxH12.841.43751.2123.240.55Ф140x1321.53360.9427.50.58方形1.34322.0920.610.453.280.6142LxHxM（N）20.231.43751.5624.970.51161x179x83(153)1.53361.2229.230.54方形机构与圆形机构的合闸特性电流I/A分闸速度υ1分/m/s图中—△—为圆形机构的曲线，—□—为方形机构的曲线分闸线圈峰值电流与平均分闸速度的关系电流I/A合闸速度υ1合/m/s图中—△—为圆形机构的曲线，—□—为方形机构的曲线合闸线圈峰值电流与平均合闸速度的关系灭弧室行程与机构行程传动比的优化传动比＝灭弧室行程：永磁机构的行程（L2：L1

）F保持力=3（F+∆F）L2/L1

传动比越小——永磁机构所需的力越小——永磁机构的外型也越小——永久磁铁的体积也越小——永磁机构的成本也越低。传动比影响断路器动特性表5-1传动比与永磁机构合闸保持力及其外形尺寸传动比L2/L1合闸保持力/N外形尺寸/mm（直径高度）1:15771158×1421:1.573676140×1321:22886132×132不同传动比真空断路器的分闸特性序号传动比d/mmNR/ΩI分max/A电容器残余电压/Vυ2/(m/s)11:11.34051.7815.4776.761.0121:11.43501.3318.2476.511.0731:11.53121.0320.8476.261.1341:1.571.34321.6318.3176.160.7351:1.571.43751.2121.8575.720.8061:1.571.53360.9425.1475.310.8671:1.571.62860.7130.7674.580.9481:1.571.72520.5636.3573.871.0091:21.34321.6320.2875.150.58101:21.43751.2124.4974.550.65111:21.53360.9428.5573.990.71121:21.82200.456.7770.720.94注：d—线圈的线径；N—线圈的匝数；R—线圈的电阻；

I分max—分闸过程中通过分闸线圈的峰值电流；υ2—断路器刚分6mm时的平均分闸速度电流I/A分闸速度/(m/s)不同传动比分闸速度随线圈电流的变化1—传动比为1:1；2—传动比为1:1.57；3—传动比为1:2能量W/J分闸速度/(m/s)一次分闸消耗的能量与分闸速度的关系1—传动比为1:1；2—传动比为1:1.57；曲线3—传动比为1:2电流I/A合闸速度m/s不同传动比合闸速度随合闸线圈峰值电流的变化1—传动比为1:1；曲线2—传动比为1:1.57；3—传动比为1:2传动比的选择（与结构有关）设计真空断路器及永磁机构时，如果机构有足够的位置，并且传递环节也能够比较方便实现，尽量选择大传动比，例如1:1。大传动比的永磁机构的体积较大，保证断路器的分、合闸动特性的情况下，它的线圈的驱动电流较小，断路器进行分、合闸时所需要的能量也较小。电源及控制部分的元器件的额定容量较小，成本较低，同时，也提高了控制单元的可靠性。传动比的选择（与结构有关）如果机构位置比较紧张，或者，由于传递环节无法实现小传动比，可以考虑折中的情况，例如1:1.57的传动比。在保证断路器的分、合闸动特性的情况下，它的线圈的驱动电流较1:1传动比要大，较1:2传动比的电流要小，断路器进行分、合闸时所需要的能量也是处于中间。它的体积要小于传动比为1:1的永磁机构，永久磁铁也小于传动比为1:1的永磁机构，因此，机构本体部分的成本较低，但电源及控制部分的元器件的额定容量较大，成本也相应会提高。传动比的选择（与结构有关）对于传动比为1:2，此机构的体积较小；断路器在分、合闸的过程中，线圈的峰值电流最大；动作一次所需的能量也最大。除非机构的位置太小，否则尽量不选取此种传动比。永磁机构合闸电流的示意图永磁机构及其开关运动特性的晴雨表户外柱上真空断路器(尤其是配网自动化用的产品)铁路电气化断路器(例如，车载开关等动作比较频繁的场所)操作比较频繁的场所要求免维护的场所同步开关七、国内永磁机构应用与发展优化前优化后车载开关车载开关运行时的照片

同步开关的定义同步断路器是一台断路器，它可以在电网电压或电流的同步下执行操作，其操作不受起始信号发出时间的影响，也不管该信号是就地发出或是遥控发出的。六、同步开关（选相开关）同步开关的应用2.1串联电容器组操作电容器关合：在电压零点关合电容器，能够抑制涌流和过电压电容器分断:在电流过零前7-9ms分断可以避免重燃同步开关的应用2.2串联电抗器操作在电源电压零点关合电抗器会在第一周波内产生100%的直流分量,这将导致涌流和过多零序电流出现,并且导致继电保护误动,对电抗器铁心和线圈也产生很大机械应力。同步开关的应用2.3空载变压器操作空载变压器关合与电抗器类似,其关合涌流大小与剩磁有关。同步开关的应用2.4空载线路同步操作关合时可能产生2倍甚至大于2倍的过电压，对线路以及与线路相连的设备的绝缘构成潜在威胁，尤其对于超高压线路，危害更加严重。同步开关的应用2.5短路电流开断常规同步操作的目的是减小操作冲击，短路电流受控开断CFI(controlledfaultinterruption)的目的则是最大程度地减少燃弧时间同步开关的应用2.5短路电流开断减少灭弧室的电磨损，延长断路器电寿命。可能提高断路器开断能力可能导致新的灭弧技术影响同步操作的因素3.1预击穿的影响同步关合相位角的选择与真空断路器的预击穿特性有关。同时，合闸速度直接影响着断路器预击穿时间，因此合闸速度是很重要的参数。可能导致新的灭弧技术U/kVt/ms断路器的预击穿对同步关合的影响

影响同步操作的因素3.1预击穿的影响较低的关合速度会使断口耐受电压对时间的特性曲线的斜率较低较高的关合速度会使断口耐受电压对时间的特性曲线的斜率较高考虑到开关关合的分散性，在预期关合点为电源电压过零后0.5ms关合，涌流最小。影响同步操作的因素真空断路器的关合速度对同步关合的影响系统电源电压