真空断路器永磁机构的模拟试验研究

王淑强

（山西潞安配售电有限公司， 山西 长治 046204）

引言

煤矿供电系统为煤矿生产的主要动力源，鉴于综采工作面相对复杂且恶劣的生产环境，煤矿供电网络时常会发生漏电、短路的故障，从而影响综采工作面的正常生产任务。若对煤矿供电网络中的故障无法进行及时、快速地排除，极易对现场作业人员和设备造成严重的后果。真空断路器为保护工作面电网的重要设备，其核心部件为操作机构，传统操作机构存在结构复杂、可靠性低且分散性较大的问题，使得真空断路器的性能降低[1]。因此，本文以永磁机构替换传统操作机构提高真空断路器的性能，重点解决传统真空断路器动作时间长、可靠性低以及分散性大的问题。

1 真空断路器永磁机构的设计

1.1 永磁机构结构形式的确定

基于永磁机构的真空短路器主要包括真空灭弧室、永磁机构和相关控制分系统。永磁真空断路器基于其内部的真空灭弧室的动触头和静触头的关闭和开合实现对永磁机构的智能化控制。为保证永磁式真空断路器充分保证供电网络的安全运行，要求永磁机构不仅可适应真空灭弧室的工作要求，而且还必须兼备便于控制的特点[2]。

目前，根据永磁机构结构的不同可分为单稳态永磁机构和双稳态永磁机构，二者的基本结构分别如图1、图2 所示。

图1 双稳态永磁机构结构示意图

图2 单稳态永磁机构结构示意图

综合对比单稳态永磁机构和双稳态永磁机构的优劣势，可总结为如下几点：

1）相比双稳态永磁机构，单稳态永磁机构合闸时还需克服弹簧的拉力，即单稳态永磁机构的合闸保持力要求较大；

2）单稳态永磁机构在实际应用过程中存在永磁体退磁的风险；

3）双稳态永磁机构相比单稳态永磁机构能够更好适应并满足断路器分闸特性较高的场合应用要求[3]。

综上，永磁式真空断路器应选用双稳态永磁机构为核心完成设计。

1.2 真空断路器双稳态永磁机构参数的确定

双稳态永磁机构的各项参数指标需要结合真空灭弧室的具体要求确定，包括触头行程、超行程、触头压力、分闸合闸速度等参数，最终完成双稳态永磁机构静动铁心、永磁体以及线圈等结构的确定[4]。本文所设计的双稳态永磁机构应用的真空灭弧室的相关参数如下页表1 所示。

结合表1 中真空灭弧室的相关指标要求，可得出双稳态永磁机构中永磁体的保持力应为3980 N，对应的动铁心行程为13 mm。结合相关理论计算公式，参照上述相关指标要求得出双稳态永磁机构静动铁心、永磁体以及线圈等结构的具体参数如下页表2 所示。

表1 真空灭弧室关键参数

表2 双稳态永磁机构结构参数

综合上述双稳态永磁机构各部件的结构尺寸得出双稳态永磁机构的基本结构。

2 永磁机构控制系统的设计与模拟试验研究

为验证所设计双稳态永磁机构的性能，本小节将针对双稳态永磁机构设计相应的控制系统的模拟试验平台对其关键性能进行测试。

2.1 双稳态永磁机构控制系统的设计

双稳态永磁机构控制系统由各种电路和DSP 中央控制器组成，控制系统结构如图3 所示。

图3 双稳态永磁机构控制系统结构框图

如图3 所示，双稳态永磁机构控制系统可分为信号采集单元、真空断路器、控制单元三部分。在信号采集单元，电压互感器对线路中的模拟电压信号进行采集，并经由处理器对其进行调理后得出符合范围要求的模拟信号；在控制单元中，储能电容的主要功能为对双稳态永磁机构的线圈进行供电。

在实际生产中，控制系统在初始化完成后首先检测储能电容是否完成充电任务；储能电容充电完成后永磁机构中的线圈可否正常工作。然后，信号采集单元对供电网络中的电压进行实时采集，重点对电压的相位角进行分析判断为真空断路器的分闸和合闸操作提供依据。最后，基于永磁机构的滞环控制算法判断分闸和合闸线圈是否断电，当断电后即一个控制流程结束。

2.2 真空断路器永磁机构模拟试验

在上述真空断路器永磁机构结构参数完成设计和相关控制系统完成设计的基础上搭建模拟测试试验平台对其性能进行验证，重点对真空断路器永磁机构合闸线圈的电流波形、合闸速度等指标进行验证；与此同时，基于MATLAB 软件建立仿真模型，从理论层面对真空断路器永磁机构的性能进行验证。试验和模拟的对比结果如表3 所示。

表3 真空断路器永磁机构试验与仿真结果对比

如表3 所示，基于MATLAB 仿真软件所得的数据在各方面均优于实测数据，这是由于在现场试验过程受到各方面因素的干扰使其存在一定的误差。但是，仿真数据与试验数据之间的误差在合理范围之内[5]。因此，所设计的真空断路器永磁机构能够在实际生产中推广应用，并从根本上解决了传统断路器操作机构可靠性低、反应速度慢，分散性大的问题。

3 结论

煤矿供电系统为保证工作面各类大中型设备安全、稳定、可靠运行的基础，煤矿供电网络的稳定运行需要各类设备提供保障。真空断路器为供电网路出现漏电、短路等故障的主要保护设备，本文针对其完成了永磁机构的设计并对其性能进行验证，总结如下：

1）双稳态永磁机构在合闸保持力、退磁风险以及断路器分闸特性要求等方面均优于单稳态永磁机构；

2）结合真空灭弧室的具体要求，并依据相关理论计算公式完成了双稳态永磁机构结构参数的设计；

3）基于设计好的永磁机构为其配置基于DSP 控制器的控制系统，并搭建模拟试验平台得出所设计的永磁机构能够满足实际生产的要求，并有效解决了传统操作机构可靠性低、反应速度慢，分散性大的问题。