永磁机构真空断路器的机械特性受温度影响的研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)北京科锐配电自动化股份有限公司 作者:杨茜

  对永磁体、永磁机构和永磁机构真空断路器分别进行了高温试验和低温试验,通过试验验证了温度对永磁体的磁通量、永磁机构的静态吸合力和永磁机构真空断路器的机械特性参数的影响规律。结果表明:永磁体的磁通量和永磁机构的静态吸合力与温度为负相关;同时,永磁机构真空断路器的平均分闸速度、平均合闸速度、分闸线圈电流值和合闸线圈电流值与温度均为负相关。

  引言

  近年来,用于真空断路器的永磁保持、电子控制的永磁操动机构备受关注。与传统的断路器操动机构相比,永磁机构采用了一种全新的工作原理和结构,工作时主要运动部件只有一个,无需机械脱、锁扣装置,具有较高的可靠性。到了20 世纪90 年代,随着断路器及其机构制造水平的提高,永磁机构的操作稳定性越来越受到人们的极大关注,操动机构的操动精度问题一直是研究者们关注的焦点。

  提高永磁操动机构的操动精度,重要的是解决机构运动的离散性,即克服合闸时间和分闸时间的离散性。分合闸时间的离散性主要由电气和机械两方面的因素造成的。电气部分的分合闸时间的离散性主要由控制电压变化造成的;机械部分的分合闸时间的离散性主要由传动环节的能量损耗的分散性、触头表面烧损引起的触头间距离的变化和温度变化引起永磁体矫顽力变化所引起的。机构运动的分散性受前述诸多因素的影响,其中环境温度和控制电压是影响操作时间分散性的两个最主要的因素。

  目前许多学者对永磁机构进行了研究工作,这些工作大多针对如何提高永磁机构的运动稳定性进行研究,但对于环境温度对永磁机构运动离散性的影响基本没有研究。

  笔者对永磁体、永磁机构和完整的永磁机构真空断路器进行了一系列的高温试验和低温试验,揭示了环境温度对永磁体的磁通量、永磁机构的静态吸合力和永磁机构真空断路器的机械特性参数的影响规律。真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为笔者的研究内容对于如何进一步提高永磁操动机构的操动精度具有重要的指导意义。

  1、试验样品和方法

  文中, 高温试验和低温试验的试验对象为:尺寸和材料完全相同的钕铁硼NbFeB 永磁体3 块(a、b、c)、2 台型号一样的永磁机构(1、2 号)和1 台完整的12 kV 永磁机构真空断路器。试验依据GB1984-2003 中的6.101.3.4 高温试验和6.101.3.3 低温试验的试验大纲分别对试验对象进行高温试验和低温试验;高温试验和低温试验的初始温度均为常温25 ℃。高温试验过程中的温度依次为30 ℃和60 ℃;低温试验过程中的温度依次为-40、-30、-20、-10、0、10 ℃。试验过程中保持温度箱内的温度稳定,断路器高度上的最大温度偏差应不超过5 K。

  试验开始前1 号永磁机构处于分闸状态,2 号永磁机构处于合闸状态,断路器处于合闸状态。试验过程中3 块永磁体、2 台永磁机构和1 台永磁机构真空断路器均放入温度箱内,驱动器和放电电容放在外部环境中。由于在高低温试验中试验对象的热时间常数为

永磁机构真空断路器的机械特性受温度影响的研究

  式(1)中:C 为比热;m 为质量;α 为散热系数;F为散热表面积。

  由式(1)估算出试品中断路器的热时间常数最长,约为0.5 h;而一般认为经过4τ 时间后,温度试验就达到了热稳定状态。文中的试验样品在进行温度试验时,稳定时间均大于12 h,因此文中的试验样品在试验过程中已完全达到了热稳定状态。试验过程中,永磁体的磁通量用CTY-2 数字磁通仪进行测量;永磁机构的静态吸合力用测力仪测量;永磁机构真空断路器的机械特性由机械特性测试仪进行测量。为减少测量误差,在某一温度下测量永磁机构的静态吸合力和真空断路器的机械特性时均测量5 次,然后取其平均值作为此温度下的特性值。

  3、结论

  综合高温试验和低温试验的试验数据,可得出以下结论:

  1)永磁体的磁通量随着温度的升高而逐渐降低,但磁通量的数值变化微小;

  2)温度对永磁机构静态吸合力影响显著,静态吸合力随着温度的升高而降低;

  3)高温试验中,永磁机构断路器的平均分合闸速度和平均分合闸电流随着温度的升高均下降,但数值变化较小,即高温对断路器的分闸特性和合闸特性影响不大。

  4)低温试验中,永磁机构断路器的平均分合闸速度和平均分合闸电流随着温度的降低均增长,变化明显,即低温对断路器的分闸特性和合闸特性影响较大。

  综上所述,对于普通的断路器,由于对其分合闸时间要求较低,当环境温度变化时,其分合闸特性参数只要在技术指标的范围内,仍能保证断路器能正常的操作;对于对分合闸特性要求极高的相控操作的永磁真空断路器,环境温度的变化特别是低温条件会对断路器的机械特性造成不可忽视的影响, 应引起足够的重视并采取相应的补偿措施,以保证永磁真空断路器的运动稳定性。

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