CN203690135U - 一种三断口双动式高速永磁斥力开关 - Google Patents
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Abstract
一种三断口双动式高速永磁斥力开关，属于直流开关技术领域。包括开关本体、高速电磁斥力机构、永磁操动机构、触头弹簧、绝缘拉杆、分闸驱动电路、合闸驱动电路、检测单元和控制单元；动触头通过触头弹簧连接到绝缘拉杆的一端，绝缘拉杆的另一端与驱动杆相连，驱动杆穿过高速电磁斥力机构中的金属盘与动铁芯相连；控制单元分别连接检测单元、分闸驱动电路和合闸驱动电路；分闸驱动电路连接分闸线圈，合闸驱动电路连接合闸线圈。本实用新型在短时间内形成大开距的断口距离，提高了开关的分闸速度；同时，开关采用两个动触头和两个静触头依次接触，分闸操作时式，解决了多台开关单独驱动的动作分散性等问题。
Description
技术领域
本实用新型属于直流开关技术领域，特别涉及一种三断口双动式高速永磁斥力开关。
背景技术
随着直流供电系统容量的不断增加，系统短路电流水平也不断增大，这就对直流断路器的工作性能提出了更高的要求。固态开关可在微秒时间级切断故障电流，具有开断过程无电弧的优点。但是其通态损耗大、带载能力差，而且耐压水平低。传统的有触点机械式断路器绝缘水平高、带负载能力强，但是其动作时间一般为几十到几百毫秒，而且受到机构固有动作时间限制，响应速度较慢。
混合型直流断路器由上述两种开关组成。正常工况下，工作电流由机械开关所在的旁路承担。发生短路故障时，旁路的辅助开关首先切断故障电流，将电流切换至主开关所在电路。同时高速机械开关迅速分闸动作，故障电流由主开关切断。开断过程产生的过电压和能量由吸能回路限制和吸收。混合型直流断路器综合了机械开关和固态电子开关的优点，可以实现快速无电弧开断短路电流，是直流开关技术发展的必然方向。其中，高速机械开关的研究是混合型直流断路器的关键技术之一。
传统的断路器操动机构，如液压机构和弹簧机构的响应速度较慢，难以达到直流断路器中高速机械开关的动作时间要求。而目前提出的高速机械开关的设计方案大多采用单动对接式的触头接触形式，即使操动机构具备了较高的分闸速度，也很难在短时间形成大开距的断口距离，这也是目前快速电磁斥力机构仅在中低压领域研究的主要原因；而采用多台开关进行串联的开断方式，虽然可以实现多断口分压，却带来了开关单独动作的分散性和开关之间动作配合的不稳定性等问题。
发明内容
本实用新型针对现有技术存在的不足，提出一种结构简单的三断口双动式高速永磁斥力开关及方法，通过两个触头的双向运动，在短时间内形成大开距的断口距离，提高了开关的分闸速度；同时，开关采用两个动触头和两个静触头依次接触，分闸操作时，可以在触头之间形成三断口的绝缘隔离，以一台开关来代替采用多台开关串联的开断方式，解决了多台开关单独驱动的动作分散性等问题。
本实用新型的技术方案是这样实现的：一种三断口双动式高速永磁斥力开关，包括：开关本体、高速电磁斥力机构、永磁操动机构、触头弹簧、绝缘拉杆、分闸驱动电路、合闸驱动电路、检测单元和控制单元；所述的开关本体中的动触头通过触头弹簧连接到绝缘拉杆的 一端，绝缘拉杆的另一端与驱动杆相连，驱动杆穿过高速电磁斥力机构中的金属盘，与永磁操动机构中的动铁芯相连；永磁操动机构中的永久磁铁对动铁芯的吸力，可以使两个动触头在分闸或合闸的后期，保持在各自的分闸或合闸终端位置；控制单元分别连接检测单元、两组分闸驱动电路和两组合闸驱动电路；分闸驱动电路再连接分闸线圈，合闸驱动电路再连接合闸线圈。
所述开关本体主要由金属封闭容器、两个静触头和两个可独立运动的动触头组成，其中，每个静触头的一端均与外部母线连接，每个静触头的另一端与动触头连接，在所述的金属封闭容器内充满SF6气体。
所述的两个静触头和两个可单独运动的动触头，在开关分闸时，高速电磁斥力机构驱动两个动触头同时向相反方向运动，与两个静触头分离，同时形成三断口大开距的绝缘隔离；在开关合闸时永磁操动机构驱动两个动触头相对运动，完成合闸操作。
所述高速电磁斥力机构主要由分闸线圈、金属盘和驱动杆组成；
所述的分闸线圈采用平行放置的铜排绕制而成；金属盘材料为紫铜，金属盘为中心穿孔的圆盘；分闸线圈与金属盘之间有一定的气隙距离；所述的驱动杆穿过该金属盘并与金属盘固定。
所述永磁操动机构由合闸线圈、永久磁铁、动铁芯和静铁芯组成，合闸线圈和永久磁铁分别固定在永磁操动机构的静铁芯上，动铁芯通过驱动杆与高速电磁斥力机构相连。
所述绝缘拉杆的一端连接动触头，另一端连接高速电磁斥力机构的驱动杆，在绝缘拉杆与动触头之间安装触头弹簧以防止合闸时的触头弹跳，并提供一定的合闸预压力。
所述每组分闸驱动电路由充电电容、可控硅元件和续流二极管组成，所述的充电电容在开关分闸时，为高速电磁斥力机构提供电能；每组合闸驱动电路由充电电容和可控硅元件组成，所述充电电容在开关合闸时，为永磁操动机构提供电能。
所述检测单元用来检测绝缘拉杆的分或合闸位置，并将位置信号传送给控制单元，控制单元根据接受到的位置信号来控制分闸驱动电路或合闸驱动电路的导通：当绝缘拉杆处于合闸终端位置，下次分闸操作时控制单元将导通高速电磁斥力机构的分闸驱动电路；当绝缘拉杆处于分闸终端位置，下次合闸操作时控制单元将导通永磁操动机构的合闸驱动电路。
所述的触头弹簧为动触头提供预压力，防止触头弹跳，同时触头弹簧还可以吸收运动部件的部分动能，减少在合闸后期运动部件对开关本体的冲击。
本实用新型的有益效果：本实用新型提出的三断口双动式高速永磁斥力开关，具有以下优点：
1）开关本体采用双动触头结构，每个动触头分别由各自的高速电磁斥力机构和永磁操动 机构进行驱动。开关动作时，两个动触头分别向相反方向运动，触头间的相对运动速度为传统开关速度的两倍。
2）采用两个静触头、两个动触头拍接式的接触形式，开关分闸动作时两个动触头同时运动，可以在短时间迅速形成三断口大开距的绝缘隔离，以一台开关代替采用多个开关串联的开断方式，解决了多台开关单独操作的分散性问题。
3）采用高速电磁斥力机构驱动开关进行分闸操作，具有结构简单、分闸速度快的优点。同时，由于高速电磁斥力机构的分闸线圈采用铜排绕制而成，线圈的电感和电阻非常小，电流上升速率极快，高速电磁斥力机构的响应快，可有效减小开关的固有动作时间，提高了开关的分断能力。
4）依靠永磁操动机构中永久磁铁对动铁芯的吸力，可以实现对开关触头分合闸终端位置的保持，省去了制动装置，具有结构简单，可靠性高的优点。
附图说明
图1为本实用新型的实施方式三断口双动式高速永磁斥力开关整体结构示意图；
图2为本实用新型的实施方式三断口双动式高速永磁斥力开关中开关本体结构图；
图3为本实用新型的实施方式单侧三断口双动式高速永磁斥力开关的内部结构示意图；
图4为本实用新型的实施方式分闸电磁斥力曲线示意图；
图5为本实用新型的实施方式合闸电磁吸力曲线示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型的实施方式作进一步详细的说明。
本实施方式采用的三断口双动式高速永磁斥力开关如图1所示，包括开关本体1、金属封闭容器2、动触头3(两组)、静触头4(两组)、触头弹簧5(两组)、绝缘拉杆6(两组)、高速电磁斥力机构7(两组)、永磁操动机构8(两组)、合闸驱动电路9(两组)、分闸驱动电路10(两组)、检测单元11和控制单元12。本实施方式中的开关是对称结构，其中每一个动触头都配有一个高速电磁斥力机构和永磁操动机构。
开关本体1的结构示意图如图2所示，包括金属封闭容器2、两个静触头(静触头4和静触头21)和两个动触头(动触头3和动触头20)。在金属封闭容器2内充满绝缘性能好的惰性气体，本实施方式中采用SF6气体。静触头21的一端连接外部母线，另一端连接动触头20的一端，动触头20的另一端连接动触头3的一端，动触头3的另一端连接静触头4的一端，静触头4的另一端连接外部母线。开关在合闸位置时，两个动触头分别与静触头以拍接的形式接触；当接收到分闸信号时，两个动触头同时向相反方向运动，在1ms内形成大开距的断口距离，实现开关的快速分闸。
本实施方式中以一组合闸驱动电路和分闸驱动电路为例，说明三断口双动式高速永磁斥力开关的详细结构，具体如图3所示。主要由单侧动触头3、触头弹簧5、绝缘拉杆6、合闸驱动电路9、分闸驱动电路10、检测单元11、控制单元12、分闸线圈13、铜盘14、驱动杆15、合闸线圈16、永磁操动机构的动铁芯17、永磁操动机构的永久磁铁18和永磁操动机构的静铁芯19组成。
检测单元11，用来检测绝缘拉杆位置，也可以检测开关分/合闸线圈电流。初始的时候，检测单元11开始工作，将初始状态下的绝缘拉杆状态(是处于合闸状态或是分闸状态)发送给控制单元12。经过初始状态后，持续检测绝缘拉杆的状态，并将绝缘拉杆的状态反馈给控制单元12，为控制单元12产生控制信号提供基础信息。
检测单元主要包括传感器和数模转换模块。其中位移传感器采用量程为100mm，型号为CWY100的直线位移传感器；电流互感器分别采用CHB-200P型号和CHB-8000S型号；数模转换模块采用6通道同时采样的16位ADS8364数模转换芯片，ADS8364的工作电压为+5V，最大时钟频率为5MHz。
CWY100型直线位移传感器安装在电磁斥力机构驱动杆与触头弹簧之间的绝缘拉杆处，用来检测拉杆的位置信号；CHB-200P型电流互感器安装在合闸驱动电路中，用来检测永磁操动机构的合闸电流；CHB-8000S型电流互感器安装在分闸驱动电路中，用来检测高速电磁斥力机构的分闸电流；位移传感器信号输出端与ADS8364芯片连接。
控制单元12，用来对开关分/合闸驱动电路进行控制。本实施方式中的三断口双动式高速永磁斥力开关安装于直流断路器当中。由用户根据需要自行设置。当安装好本实施方式的开关后，控制单元12首先接收来自直流断路器电流信号，检查绝缘拉杆6目前的状态，若直流断路器有故障，则向合闸驱动电路9发出合闸信号，进行合闸操作；若直流断路器故障排除，则向分闸驱动电路10发出分闸信号。
控制单元主要采用DSP28335芯片。ADS8364芯片输出端连接到DSP28335芯片的输入端。
本实施方式的分闸驱动电路和合闸驱动电路各有两组。其中，每组分闸驱动电路由900V充电电容、可控硅元件和续流二极管组成。所述900V充电电容在开关分闸时，为高速电磁斥力机构提供电能。每组合闸驱动电路由300V充电电容和可控硅元件组成。所述300V充电电容在开关合闸时，为永磁操动机构提供电能。
在图3中，合闸驱动电路9，用于驱动永磁操动机构8进行合闸操作，主要由永磁操动机构驱动电路中的预充电电容C2和合闸驱动电路中的可控硅元件SCR2组成。预充电电容C2的一端连接可控硅元件SCR2的负极，预充电电容C2的另一端连接合闸线圈16的一端(电 流输入端)，可控硅元件SCR2的正极连接合闸线圈16的另一端(电流输出端)。
在图3中，分闸驱动电路10，用于驱动高速电磁斥力机构7进行分闸操作。主要由高速电磁斥力机构驱动电路中的预充电电容C1、分闸驱动电路中的可控硅元件SCR1和续流二极管D1组成。预充电电容C1的一端连接可控硅元件SCR1的负极、可控硅元件SCR1的正极连接续流二极管D1的正极，再连接分闸线圈13的一端(电流输出端)；预充电电容C1的另一端连接续流二极管D1的负极，再连接分闸线圈13的另一端(电流输入端)。由于高速电磁斥力机构7的电流上升和下降速率极快，续流二极管D1在电流衰减时为分闸线圈续流，保护分闸驱动电路。
高速电磁斥力机构7主要由分闸线圈13，金属盘14和驱动杆15组成。分闸线圈13采用平行放置的铜排绕制而成。金属盘14材料为导电性能好的紫铜，金属盘为中心穿孔的圆盘。分闸线圈13与金属盘之间有一定的气隙距离。驱动杆穿过金属盘并与金属盘固定，驱动杆一端连接绝缘拉杆6，另一端连接永磁操动机构8的动铁芯17。
永磁操动机构8由合闸线圈16、永久磁铁18、动铁芯17和静铁芯19组成。合闸线圈16和永久磁铁18分别固定在永磁操动机构8的静铁芯19与。动铁芯17通过驱动杆与高速电磁斥力机构7相连。
绝缘拉杆6的一端连接动触头3，另一端连接高速电磁斥力机构7的驱动杆15，在绝缘拉杆6与动触头3之间安装触头弹簧5以防止合闸时的触头弹跳，并提供一定的合闸预压力。
开关本体1中的动触头3通过触头弹簧5连接到绝缘拉杆6的一端，绝缘拉杆6的另一端与驱动杆相连，驱动杆穿过高速电磁斥力机构7中的铜盘，与永磁操动机构8中的动铁芯17相连；永磁操动机构8中的永久磁铁18对动铁芯17的吸力，可以使两个动触头(动触头3和动触头20)在分/合闸的后期，保持在各自的分/合闸终端位置。
控制单元12分别连接检测单元、分闸驱动电路10和合闸驱动电路9；分闸驱动电路10再连接分闸线圈13，合闸驱动电路9再连接合闸线圈16。
三断口双动式高速永磁斥力开关的工作过程如下：
快速分闸操作过程如下：检测单元11检测到当前绝缘拉杆6处在合闸位置。开关分闸操作时，控制单元12控制分闸驱动电路10中的可控硅元件SCR1导通，驱动电路中的充电电容C1向高速电磁斥力机构的分闸线圈13放电，由于高速电磁斥力机构的分闸线圈采用铜排绕制而成，线圈的电感和电阻极小，因此线圈中电流的上升速率极快，在线圈周围会产生交变的高频磁场，在铜盘14中会感应生成涡流。由于感应生成涡流的方向与线圈电流方向相反，在涡流产生磁场与线圈产生磁场的相互作用下，铜盘14和分闸线圈13之间会产生电磁斥力，推动铜盘14和与之固定的驱动杆15高速运动，带动绝缘拉杆6和动触头3动作。在分闸末 期，永磁操动机构中的动铁芯17会被永久磁铁18吸合在分闸位置，实现开关的分闸保持。如图1和图2所示，两个动触头3是双动的，因此分闸过程中，两个动触头同时向相反方向运动，在1ms时间内形成大开距的断口距离，以实现开关的快速分闸操作。从图4可以看出，电磁斥力上升速度很快，在1.5ms时间内就上升到峰值，这有利于驱动开关快速分闸动作。
合闸操作过程如下：检测单元11检测到当前绝缘拉杆6处在分闸位置。开关合闸操作时，控制单元12控制合闸驱动电路9中的可控硅元件SCR2导通，驱动电路中的充电电容C2向永磁操动机构的合闸线圈16放电，合闸线圈16产生的磁场与永久磁铁18的磁场方向相反，永久磁铁在分闸位置处对动铁心的吸力减小，当电流逐渐增大，产生的电磁吸力大于机构反力和永久磁铁吸力时，动铁芯17开始由分闸位置向合闸位置运动，带动驱动杆15、绝缘拉杆6和动触头3动作。在合闸末期，合闸线圈16断电，动铁芯17会被永久磁铁18吸合在合闸位置，实现开关的合闸保持。触头弹簧5可以为动触头3提供一定的预压力，防止触头弹跳，同时触头弹簧还可以吸收运动部件的部分动能，以减少在合闸后期运动部件对开关本体的冲击。如图1、图2所示，与分闸过程相同，在合闸过程中，两个动触头3同时相对运动，以实现开关的合闸操作。从图5中可以看出，合闸电磁力在50ms达到峰值，电磁力峰值为5100N。
虽然以上描述了本实用新型的具体实施方式，但是本领域内的熟练的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，而不背离本实用新型的原理和实质。本实用新型的范围仅由所附权利要求书限定。
Claims (8)
1.一种三断口双动式高速永磁斥力开关，其特征在于：包括开关本体、高速电磁斥力机构、永磁操动机构、触头弹簧、绝缘拉杆、分闸驱动电路、合闸驱动电路、检测单元和控制单元；所述的开关本体中的动触头通过触头弹簧连接到绝缘拉杆的一端，绝缘拉杆的另一端与驱动杆相连，驱动杆穿过高速电磁斥力机构中的金属盘，与永磁操动机构中的动铁芯相连；永磁操动机构中的永久磁铁对动铁芯的吸力，可以使两个动触头在分闸或合闸的后期，保持在各自的分闸或合闸终端位置；控制单元分别连接检测单元、两组分闸驱动电路和两组合闸驱动电路；分闸驱动电路再连接分闸线圈，合闸驱动电路再连接合闸线圈。
2.根据权利要求1所述的三断口双动式高速永磁斥力开关，其特征在于：所述开关本体主要由金属封闭容器、两个静触头和两个可独立运动的动触头组成，其中，每个静触头的一端均与外部母线连接，每个静触头的另一端与动触头连接。
3.根据权利要求2所述的三断口双动式高速永磁斥力开关，其特征在于：在所述的金属封闭容器内充满SF6气体。
4.根据权利要求2所述的三断口双动式高速永磁斥力开关，其特征在于：所述的两个静触头和两个可单独运动的动触头，在开关分闸时，高速电磁斥力机构驱动两个动触头同时向相反方向运动，与两个静触头分离，同时形成三断口大开距的绝缘隔离；在开关合闸时永磁操动机构驱动两个动触头相对运动，完成合闸操作。
5.根据权利要求1所述的三断口双动式高速永磁斥力开关，其特征在于：所述高速电磁斥力机构主要由分闸线圈、金属盘和驱动杆组成；
所述的分闸线圈采用平行放置的铜排绕制而成；金属盘材料为紫铜，金属盘为中心穿孔的圆盘；分闸线圈与金属盘之间有一定的气隙距离；所述的驱动杆穿过该金属盘并与金属盘固定。
6.根据权利要求1所述的三断口双动式高速永磁斥力开关，其特征在于：所述永磁操动机构由合闸线圈、永久磁铁、动铁芯和静铁芯组成，合闸线圈和永久磁铁分别固定在永磁操动机构的静铁芯上，动铁芯通过驱动杆与高速电磁斥力机构相连。
7.根据权利要求1所述的三断口双动式高速永磁斥力开关，其特征在于：所述绝缘拉杆的一端连接动触头，另一端连接高速电磁斥力机构的驱动杆，在绝缘拉杆与动触头之间安装触头弹簧以防止合闸时的触头弹跳，并提供一定的合闸预压力。
8.根据权利要求1所述的三断口双动式高速永磁斥力开关，其特征在于：所述检测单元用来检测绝缘拉杆的分或合闸位置，并将位置信号传送给控制单元，控制单元根据接受到的位置信号来控制分闸驱动电路或合闸驱动电路的导通：当绝缘拉杆处于合闸终端位置，下次分闸操作时控制单元将导通高速电磁斥力机构的分闸驱动电路；当绝缘拉杆处于分闸终端位 置，下次合闸操作时控制单元将导通永磁操动机构的合闸驱动电路。
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