【正文】 雙穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性 永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性取決于電磁機(jī)構(gòu)和機(jī)械部分的綜合過渡過程，即由電磁吸力和負(fù)載反力的配合過程決定。若設(shè) Fr=0,則 F1=F2。 永磁機(jī)構(gòu)的始動(dòng)安匝 當(dāng)真空斷路器處于合閘狀態(tài) , 永磁機(jī)構(gòu)的動(dòng)鐵心與靜鐵心上部吸合 ,要實(shí)現(xiàn)對(duì)真空斷路器的分閘操作 ,要在分閘線圈中通過直流勵(lì)磁電流 ,增大上部氣隙磁 16 阻削弱其磁通 ,從而使動(dòng)鐵心受到的向上的合力 F1 減?。慌c此同時(shí) ,下部氣隙磁阻減小磁通增加 ,動(dòng)鐵心受到的向下的合力 F2 增大。動(dòng)鐵心無論在合閘還是分閘過程中都要經(jīng)過這種不平衡狀態(tài) ,但是只要上下氣隙稍有變化 ,就會(huì)破壞這種不穩(wěn)定的平衡狀態(tài) ,過渡到上述兩種狀態(tài)。在通電的瞬間， 1IN =0, 2IN = 32 可得出上下氣隙的磁通為 1 21 1m? ? ???； 2 22 2m? ? ??? （ 213） 15 將式 (27)、式 (28)、式 (211)、式 (212)代入得 1 1 []MmINR IN R?? ??? （ 214） 2 0 01 [ ( ) ]MmIN R R IN R? ? ? ?? （ 215） (2)當(dāng)動(dòng)鐵心處于下端極限位置，真空斷路器出于分閘狀態(tài)，可動(dòng)鐵芯下端與靜鐵芯下磁極接觸，要使可動(dòng)鐵心向上運(yùn)動(dòng)進(jìn)行合閘，應(yīng)在合閘線圈中通過電流產(chǎn)生勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)。 為了便于對(duì)磁路的分析和求解 ,若磁路為線性磁路 ,可采用疊加定理可將圖31 的磁路分解為圖 24三個(gè)磁路的疊加。 雙穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)的磁路 雙穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)的磁路圖如圖 23所示 I N 1I N 2I N mR mR 1R 2 圖 23雙穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)的磁路圖 Magic circuit of bistable PMA 這是一種典型雙穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)磁路，由磁動(dòng)勢(shì) INm 及磁阻 Rm 組成 ,由于常 13 用于永磁機(jī)構(gòu)的永磁材料的去磁曲線幾乎是一條直線 ,因此可將 INm 與 Rm 取為常數(shù) ,圖中 I 為通過分、合閘線圈勵(lì)磁電流 ,Nm 為線圈匝數(shù)。 永久磁體在處于強(qiáng)烈的反向磁場(chǎng)中時(shí)，它自身的磁性能會(huì)降低，即永磁體的退磁。這時(shí)，動(dòng)鐵心和永磁體重新吸合，處于新的穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)即使切斷分閘線圈中的電流，動(dòng)鐵心也不能恢復(fù)到原來的狀 態(tài)。動(dòng)鐵心受到的由下向上的合力增大，使動(dòng)鐵心加速向上運(yùn)動(dòng)。一旦動(dòng)鐵心向上運(yùn)動(dòng)，動(dòng)鐵心的下端與靜鐵心的下磁極之間就會(huì)出現(xiàn)空氣間隙，導(dǎo)致下端的磁阻增 12 大，上端的磁阻減小。 當(dāng)雙穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)處于合閘狀態(tài)時(shí)，永磁體產(chǎn)生的磁力線的分布如圖 22合閘狀態(tài)圖中 I 所示 .此時(shí)要使其進(jìn)行分閘操作，只要在分閘線圈中通以直流電流為勵(lì)磁電流，該勵(lì)磁電流產(chǎn)生的磁力線方向和永磁體在靜鐵心下端的磁力線方向相反，見圖 23 分閘過程圖中的回線 m。所以動(dòng)鐵心實(shí)際工作時(shí)只存在兩種平衡狀態(tài)，即分閘狀態(tài)和合閘狀態(tài)。第三個(gè)平衡狀態(tài)是對(duì)于上下結(jié)構(gòu)對(duì)稱的機(jī)構(gòu)而言的，動(dòng)鐵心位于靜鐵心的正中間，永磁體通過上部和下部空氣隙的磁阻相等，此時(shí)靜鐵心的上端和下端受靜鐵心的吸力完全相等，動(dòng)鐵心處于一種不穩(wěn)定的平衡狀態(tài)。永磁體的磁通絕大部分會(huì)通過上部磁路，將動(dòng)鐵心牢固地吸引在靜鐵心的上磁極 8 上。其二為動(dòng)鐵心位于靜鐵心的最下方，動(dòng)鐵心的下端與靜鐵心的下磁極 7 接觸，見圖 23 左下方合閘狀態(tài)圖。此驅(qū)動(dòng)桿可直接用來驅(qū)動(dòng)斷路器作合閘或分閘運(yùn)動(dòng)。動(dòng)鐵心 2 位于永久磁體和靜鐵心上下磁極之間。其靜鐵心 1 的中部鑲有永久磁 11 體 4 和 5，兩個(gè)永磁體的同名磁極向著中心線。 結(jié)合上述優(yōu)點(diǎn)，在中高壓領(lǐng)域較常采用的是雙穩(wěn)態(tài)的永磁機(jī)構(gòu)?，F(xiàn)代化的電子控制系統(tǒng)不僅可以控制真空斷路器完成分、合閘控制，而且可以完成某些繼電保護(hù)、通信、遙控、在線檢測(cè)等功能?？梢杂媒?jīng)過整流的小功率交流電源對(duì)儲(chǔ)能電容進(jìn)行充電儲(chǔ)能，用門極關(guān)斷 (GTO)晶閘管控制它對(duì)分合閘線圈的放電，簡(jiǎn)化了控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)并且節(jié)省了電能。 （ 3)永磁機(jī)構(gòu)可 以用儲(chǔ)能電容器或蓄電池做操作電源，也可采用小功率交流電源。永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的機(jī)械傳動(dòng)部分機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，僅由通以勵(lì)磁電流的分、合閘線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)與永磁體的磁場(chǎng)共同作用下的合成磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)可動(dòng)鐵心，動(dòng)鐵心直接連接于執(zhí)行機(jī)構(gòu)的主軸，直接推動(dòng)高壓真空斷路器的主軸作分合、閘運(yùn)動(dòng)，這種傳動(dòng)方式簡(jiǎn)單且直接，中間環(huán)節(jié)少，故障率大大降低。由于沒有容易出現(xiàn)機(jī)械故障的機(jī)械鎖 扣裝置和其它高速運(yùn)動(dòng)部件，永磁機(jī)構(gòu)幾乎不會(huì)發(fā)生機(jī)械性故障。 雙穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)具有如下優(yōu)點(diǎn) （ 1)機(jī)械壽命長(zhǎng)，可靠性高。而對(duì)于傳統(tǒng)的電磁式操動(dòng)機(jī)構(gòu)，在可動(dòng)觸頭的行程一端，在彈簧的作用下使其保持，而 在行程的另一端，需要靠復(fù)雜的機(jī)械鎖扣裝置保持或利用電磁能量進(jìn)行保持。當(dāng)接收到分閘或者合閘信號(hào)時(shí)，在分閘或合閘線圈中將通過直流勵(lì)磁電流，并產(chǎn)生勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)，動(dòng)、靜鐵心中的磁場(chǎng)是一個(gè)合成磁場(chǎng)，該合成磁場(chǎng)由分閘或合閘線圈勵(lì)磁電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)與永久磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)疊加而成，可動(dòng)鐵芯在合成磁場(chǎng)的作用力下運(yùn)動(dòng)，并通傳動(dòng)機(jī)構(gòu)推動(dòng)斷路器的動(dòng)觸頭運(yùn)動(dòng)完成分閘或合閘操作。7 是驅(qū)動(dòng)桿 ,連接著操動(dòng)機(jī)構(gòu)與斷路器傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。 4 是永久磁體 ,為機(jī)構(gòu)提供永磁保持時(shí)所需要的吸 9 力 。 圖 21雙穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)剖面圖 profiles of permanent magic actuator 在上面的剖面圖中， 1 是靜鐵心 ,是操動(dòng)機(jī)構(gòu)的磁路通道 。 永磁機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu) 永磁機(jī)構(gòu) 分為單穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)和雙穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)。 （ 4）永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的機(jī)械傳動(dòng)方式非常簡(jiǎn)單，在分合閘線圈中通以直流勵(lì)磁電流，由勵(lì)磁產(chǎn)電流生的磁場(chǎng)直接驅(qū)動(dòng)著可動(dòng)鐵芯，而可動(dòng)鐵芯直接連于執(zhí)行機(jī)構(gòu)的主軸。 （ 2）永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的保持力為永磁體的磁力，不會(huì)產(chǎn)生傳統(tǒng)操動(dòng)機(jī)構(gòu)那樣的操作失誤，便于實(shí)現(xiàn)免維護(hù)運(yùn)行。 永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn) 永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)是一種用于中高壓真空斷路器的永磁保持、電子控制的電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)，它在工作時(shí)主要運(yùn)動(dòng)部件只有一個(gè)，無需傳統(tǒng)電動(dòng)彈簧式機(jī)構(gòu)的機(jī)械脫扣、鎖扣裝置，其故障源少，具有較高的可靠性 .采用永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的高壓真空斷路器在開關(guān)機(jī)械性能上具有較高可靠性，可實(shí)現(xiàn)少維護(hù)甚至免維護(hù)并可實(shí)現(xiàn)操作性能上的智能化。 2 永磁操的機(jī)構(gòu) 永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)作為一種新型的操動(dòng)機(jī)構(gòu)，自已產(chǎn)生就因?yàn)槠錈o可比擬的優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛應(yīng)用。性能卓越的 MS1 型永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)可長(zhǎng)期頻繁操作，并真正做到永久性免維護(hù)。 MS1 型 7 永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)以為全新的機(jī)械機(jī)構(gòu)取代了傳統(tǒng)操動(dòng)機(jī)構(gòu)復(fù)雜易損的儲(chǔ)能、鎖扣等故障率較高機(jī)械裝置，簡(jiǎn)化了機(jī)械結(jié)構(gòu)，也就大大提高了其機(jī)械性能的可靠性，從而延長(zhǎng)了真空斷路器的使用壽命。激發(fā)其中一個(gè)激磁線圈使之產(chǎn)生大于剩余保持力的驅(qū)動(dòng)力，即可使永磁機(jī)構(gòu)的動(dòng)鐵芯動(dòng)作。 VSm 真空斷路器采用 MS1 型永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)。配用永磁操 動(dòng)機(jī)構(gòu)的 VSm 型戶內(nèi)高壓真空斷路器是國(guó)內(nèi)第一個(gè)實(shí)現(xiàn)免維護(hù)概念的斷路器。但是如何使永磁機(jī)構(gòu)更加智能化、小型化就成為目前研究的熱點(diǎn)問題。 2021 年 6 月 ,其聯(lián)合研制的首批樣品在西高所國(guó)家高壓電器質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)中心順利通過 12kV,1250/3lkA 規(guī)格 VSm 的試驗(yàn)測(cè)試 ,整機(jī)也通過了 EMC 試驗(yàn) ,達(dá)到了國(guó)際領(lǐng)先先進(jìn)水平。 我國(guó)對(duì)永磁機(jī)構(gòu)的 研究起步較晚 ,但發(fā)展迅猛，自從引進(jìn)后，很快得到了國(guó)內(nèi)眾多科研院所和高等院校的重視 ,并做了大量深入的研究工作。世界上第一臺(tái)永磁操作機(jī)構(gòu)模型誕生于 1989 年 ,它是由英國(guó)曼徹斯特大學(xué)系統(tǒng)與能量組為 GEC 公司設(shè)計(jì)開發(fā) ,也因此掀起了 6 世界各國(guó)開發(fā)永磁操作機(jī)構(gòu)的熱潮。 智能型斷路器有許多傳統(tǒng)斷路器所無法比擬的優(yōu)點(diǎn) ,從一產(chǎn)生，就受到了國(guó)內(nèi)外的普遍重視。智能高壓真空斷路器包括對(duì)斷路器外圍控制電路和檢測(cè)智能化 以及分合閘操作智能化，智能控制系統(tǒng)通過采集和分析斷路器的運(yùn)行數(shù)據(jù)，提供動(dòng)作信號(hào)或斷路器能夠根據(jù)檢測(cè)到的不同故障電流信號(hào)，自動(dòng)選擇操動(dòng)機(jī)構(gòu)及滅弧室預(yù)先設(shè)計(jì)的設(shè)定的工作條件獲得實(shí)際開斷時(shí)電氣和力學(xué)性能上的最佳效果。真空斷路器的發(fā)展主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：真空滅弧室研制水平和操動(dòng)機(jī)構(gòu)技術(shù)水平。并為下一代實(shí)現(xiàn)同步關(guān)合、抑制操作過電壓和提高開斷能力奠定基 礎(chǔ)。盡管國(guó)外已有配備永磁機(jī)構(gòu)的真空斷路器產(chǎn)品問世，但永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)技術(shù)涉及了電工學(xué)、力學(xué)、計(jì)算方法、電力電子技術(shù)、微機(jī)技術(shù)、控制理論及新型材料科學(xué)等多學(xué)科，這一領(lǐng)域系統(tǒng)的理論還尚未成熟，實(shí)質(zhì)性的反映技術(shù)關(guān)鍵之處的理論研究成果還未被公開報(bào)道。但為了適應(yīng)當(dāng)前電力系統(tǒng)自動(dòng)化發(fā)展新要求，特別是考慮了永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可電子控的特點(diǎn)，結(jié)合當(dāng)前日益發(fā)達(dá)的各種傳感技術(shù)，采用電子式控制方式，開發(fā)具有自診斷功能的智能化真空開關(guān)。通過采用現(xiàn)代化的微機(jī)系統(tǒng)控制斷路器的分合閘線圈，為實(shí)現(xiàn)真空開關(guān)的智能操作和同步開合創(chuàng)造了條件。因此，斷路器實(shí)現(xiàn)智能化操作是智能開關(guān)電器追求的目標(biāo)。 其次，永磁機(jī)構(gòu)還可實(shí)現(xiàn)斷路器控制技術(shù)的智能化。由于永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)可認(rèn)為是傳統(tǒng)電磁式操動(dòng)機(jī)構(gòu)與永久磁鐵特殊結(jié)合，這種特殊結(jié)合不僅可以實(shí)現(xiàn) 傳統(tǒng)斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)的分合閘功能，還可以實(shí)現(xiàn)滿足對(duì)斷路器智能化操作要求的其它功能。 IEC(國(guó)際電工委員會(huì) )標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)“設(shè)計(jì)成在其預(yù)期的使用期間，主回路中開斷用的零件不需要維護(hù)，其它零件只需要很少維修”的一種斷路器定義為“ E2 級(jí)少維 4 護(hù)斷路器”，國(guó)際上也統(tǒng)稱為“免維護(hù)斷路器”。 永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)自一出現(xiàn)，因其自身的優(yōu)勢(shì)迅速取代了傳統(tǒng)的操動(dòng)機(jī)構(gòu)而在斷路器中獲得廣泛應(yīng)用。 同步關(guān)合技術(shù)，就是斷路器的動(dòng)、靜觸頭在現(xiàn)代化智能控制系統(tǒng)的控制下，于電力系統(tǒng)電壓波形的指定相角處關(guān)合，使得空載變壓器、電容器和空載線路等電力設(shè)備在對(duì)自身和系統(tǒng)沖擊最小的情況下投入電力系統(tǒng)的一種智能控制技術(shù)。斷路器作為電力系統(tǒng)繼電保護(hù)的重要終端設(shè)備，它的智能化的水平與電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和自動(dòng)化程度息息相關(guān)。 本論文對(duì)高壓真空斷路器的永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)及其國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行詳細(xì)介紹，闡述永磁機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)及其工作原理，針對(duì)雙穩(wěn)態(tài)真空斷路器的工作原理與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)提出了智能控制器的基本結(jié)構(gòu)框架。本設(shè)計(jì)介紹和分析了永磁機(jī)構(gòu)獨(dú)特的工作機(jī)理與機(jī)械結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選用單片機(jī)為核心的測(cè)控系統(tǒng)配以其他外圍電路與模塊，設(shè)計(jì)出一款高壓真空斷路器的智能型控制器，不僅可對(duì)高壓真空斷路器的永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行分、合閘控制，還可以具有一些自診斷與報(bào)警與系統(tǒng)過壓過流和欠壓保護(hù)功能，此外還對(duì)針對(duì)于永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的同步關(guān)合技術(shù)進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹。由電磁線圈提供操動(dòng)能量，永磁機(jī)構(gòu)的合、分閘能量是由經(jīng)過充電和穩(wěn)壓的電解電容對(duì)合、分閘線圈放電提供的。近來，在國(guó)內(nèi)外中高壓領(lǐng)域相繼采用了永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)來取代傳統(tǒng)的電磁式或電動(dòng)彈簧式操動(dòng)機(jī)構(gòu)。根據(jù)上述規(guī)劃設(shè)想要求 ，當(dāng)前電力系統(tǒng)建設(shè)任務(wù)對(duì)作為重要開關(guān)設(shè) 2 備之一的真空斷路器的智能控制功能提出了更高更新的要求，比如要求分合閘的實(shí)時(shí)、高可靠性以及運(yùn)行免維護(hù)等。 2021 年，國(guó)家電網(wǎng)公司開始推行電力用戶用電信息采集系統(tǒng) ，規(guī)劃用 3 到 5 年時(shí)間實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)的電能信息采集。我國(guó)關(guān)于智能電網(wǎng)方面的研究進(jìn)展緩慢，起步較晚。智能電網(wǎng)是現(xiàn)代社會(huì)電力系統(tǒng)發(fā)展變革的最前沿，也被廣泛認(rèn)為是 21 世紀(jì)電力系統(tǒng)的重大科技創(chuàng)新和發(fā)展方向。電力系統(tǒng)是由電能的生產(chǎn)、輸送、分配和消費(fèi)的各個(gè)環(huán)節(jié)組成的整體。t cause pollution to the environment, so once used, the rapid development of the mainstream in the field of high voltage switch. Traditional high voltage vacuum circuit breaker according to its operation mechanism can be divided into electromagic and electric spring type, early, electromagic operating mechanism of the well to meet the demand of the vacuum arcing chamber, obtained the development and application, but due to the plexity of its mechanical structure high failure rate and the emerging of the permanent magic operating main use of permanent magic actuator magic force of permanent mag that kept the breaker in the open or closed position to reduce the use of mechanical parts, reduce the volume of circuit breaker, already makes the machine failure filter greatly reduced. The circuit breaker and permanent magic actuator can be mutual