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高快速永磁机构开发高压低压开关断路器接触器框架单稳态双稳态电磁阀永磁保持力机构7500N(牛)]
永磁开关开发单稳态双稳态永磁机构双稳态电磁阀机构保持力1000N/1500N/4000N/6000N/7500N(牛)概述
永磁机构高压低压开关断路器接触器开发
ZW32 ZN VS1 VSM  永磁框架单稳态双稳态永磁保持力机构7500N
   我公司研发的YCG永磁机构,用以取代原有的弹操机构,已经为国内数十家开关厂家研制了永磁操动机构技术成熟、可靠, 配套ZW型、ZN型、VMS型等各种真空断路器 , 广泛应用于电力、煤矿、钢铁、石油、铁路等系统.
 
 
 
优点
 
  · 整个寿命期间免维护
  · 电寿命和机械寿命长
  · 快速重合能力 
  · 适合安装于各种柜型(如固定柜,手车柜) 
  · 操作电源范围广 
  · 易于与SCADA兼容 
  · 功耗低
  · 体积小,重量轻 
 
    我公司的永磁操动机构由于运动部件非常少,取消了复杂的机械锁扣及脱扣系统,因而具有无法替代的优势:故障少、可靠、寿命长(可达到10万次以上)、无需润滑,非常适用于一些要求可靠性高、操作频繁的场合,如供电、煤矿、炼钢、铁路等。
    使用我公司的永磁操动机构,配合我公司的YCK380系列永磁开关控制器,可以实现断路器的分合闸操作、过流速断保护、失压保护、无线遥控操作、重合闸操作,以及配网自动化功能等,使开关成为智能型断路器。
    注意几点:
    1、不提倡用简单的接触器来作为永磁机构的控制单元,因为:
    (1)使用接触器会导致能耗大,放电电容要求容量更大;
    (2)容易烧毁永磁机构的线圈;
    (3)接触器的触点断开回路时会产生强电磁场干扰,导致保护、控制装置误动作;
    (4)接触器的触点在通过大电流时,寿命短,这样永磁机构的主要优势之一就不存在了。而我公司的YCK380永磁开关控制器可以达到10万次以上不损坏。
    2、关于永磁机构的手动分、合闸问题:永磁机构必须配备紧急手动分闸,其作用是在控制单元失电、损坏的情况下,使用紧急手动分闸对断路器进行分闸操作。紧急手动分闸必须是纯机械操作,不能使用电气、电子元件来操作。紧急手动分闸用于断开额定电流,短路情况下一般不使用此功能。
    目前,有些厂家为永磁机构配备了手动合闸功能。其实,永磁机构的手动合闸功能并不实用,一是操作者有安全风险,二是永磁机构的手动合闸速度较慢,合不上的几率较大,三是在双线路供电的情况下,可能会发生闭环、反送电,威胁电力检修人员的人身安全,甚至导致重大伤亡事故。因此,有些用户明确要求永磁机构禁止配备手动合闸功能,如煤矿系统。
    3、我公司还研制出应急分合闸控制器,用于对永磁断路器进行应急控制:当永磁开关安装于电杆上后没有电源(包括后备电源)时,可用本控制器临时控制开关合分;当永磁开关配套的控制部分出现故障时,也可用本控制器应急控制开关动作。本装置结构小巧,携带方便,在对线路上的永磁开关进行巡检时及在车间对永磁开关进行检修时非常适用。
 
第二章  永磁机构的基本工作原理
一、分类
    按照不同的标准,永磁机构划分为不同的类型,主要有单稳态和双稳态、单线圈和双线圈、圆形和方形之分,它们之间没有明显的优劣之分,各自有各自的优势。以下简略介绍一下单稳态和双稳态永磁机构的区别。
    所谓双稳态永磁机构,指的是在合闸端、分闸端均采用永久磁铁保持,分、合闸的动作是分别通过两个激磁线圈通电驱动动铁心来完成;所谓单稳态永磁机构,指的是在合闸端采用永久磁铁保持,在分闸端则采用弹簧保持,合闸动作是通过合闸激磁线圈通电驱动动铁心来完成,同时在合闸的过程中对分闸保持弹簧储能,分闸动作是靠释放分闸保持弹簧来完成。
    单稳态和双稳态永磁机构没有优劣的区分,具有各自的优势
   
双稳态
    优势:在同样条件下,双稳态永磁机构合闸电流峰的值较小,对于控制部分而言,电流越小,意味着控制越简单可靠,控制器损坏的几率也越小。另外,分合闸电流较小,放电电容不用太大,一般用一个100V/10万微法的电解电容就可以实现断路器的重合闸操作。
    劣势:基于双稳态的设计原理,双稳态永磁机构的刚分速度低于全开距平均速度,但是通过我公司的恃特殊设计,可以加速分闸并减少分闸弹振
   
 
 

    单稳态
优势:由于单稳态永磁机构的分闸动作是靠分闸弹簧来完成,因此其分闸的刚分速度和平均分闸速度优于双稳态永磁机构,与断路器的分闸反力特性曲线能较好匹配。
劣势:由于单稳态永磁机构在合闸时同时要给分闸保持弹簧储能,因此同样条件下,合闸电流峰值比双稳态永磁机构大很多,并且分闸时弹振较大
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
二、基本原理
    永磁机构的基本工作原理可以用三个词概括:永磁保持、电磁驱动、电子控制。
    永磁保持:合闸状态是通过永久磁铁来保持,克服触头簧的反力;
    电磁驱动:通电的激磁线圈产生电磁能量来驱动铁心运动,完成分合闸动作;
    电子控制:永磁机构的控制系统采用电子装置,包括电力电子开关(即IGBT、MOSFET、晶闸管)、集成电路板、CPU芯片等。
图1、2是双稳态线圈结构的永磁驱动机构的原理图
    以双稳态、双线圈永磁操动机构为例介绍永磁机构动作原理:
    藉助通电的分、合闸线圈产生的磁能来驱动铁心上、下运动,完成分、合闸动作,依靠动铁心和静铁心通过低磁阻通道所产生的磁场能量,将动铁心保持在分闸或合闸两个位置,不需要任何附加能量。图1、2是双稳态线圈结构的永磁驱动机构的原理图。它由静铁心、动铁心、永磁体、顶杆、合闸线圈、分闸线圈及辅助连杆组成。动铁心和静铁心是通过低磁阻通道所产生强大的磁能,将动铁心保持在下端或上端位置;通有电流的合闸线圈、分闸线圈产生的磁能使动铁心向上或向下运动,完成合、分闸操作。
 
 
 
 

图3:双稳态永磁机构        图4:单稳态永磁机构
         1-静铁心 2-动铁心 3-合闸线圈        1-静铁心 2-动铁心 3-操作线圈
         4-分闸线圈 5、6-永磁体 7-驱动杆     4-永磁体 5-驱动杆
 
第三章  永磁机构类型及其典型实例
一、    我公司设计研发的永磁操动机构类型
 

序号
类别
已有的设计
1
断路器电压等级
6kV,10kV,35kV
2
断路器额定短路电流
12.5kA,20kA,25kA,31.5kA,40kA,50kA
3
适配的断路器型号
户外ZW型,户内ZN型,Vm型等等
4
机构外形
圆形结构  方形结构
5
机构合闸保持力
达到7kN
6
结构
双稳态双线圈,单稳态单线圈
7
操作类型
三相一机构一体操作
三相三机构独立操作:多用于选相开关
单相单机构操作:多用于铁路开关


二、典型实例
    以下是我公司几种典型永磁操动机构的设计实例
(1)ZW32-12/630-20型
 
 
第四章 永磁机构的基本参数
 
    永磁机构的特性参数与所适配的断路器有关,特别是真空灭弧室的参数。不同系列的真空灭弧室,对分合闸速度、机械寿命、触头压力、开距、超行程、弹跳、不同期等有不同的要求,与之相对应,需要对永磁机构进行最优设计,以达到灭弧室的要求。因此,对用户来说,选用永磁机构,并不是保持力越大越好、速度越快越好,速度太快,一方面降低真空灭弧室的寿命,另一方面是以增大操作电流为代价的,导致控制部分可靠性下降。
    下表是我公司设计的ZW32-12/630-20型永磁机构的相关参数
ZW32永磁机构外形图
 
 
 
相关参数

序号
参数名称
单位
数值
1
合闸保持力
N
5000
2
机构分合闸线圈动作电流(峰值)
A
分闸:35
合闸:25
3
分合闸时间
ms
分闸:≤45
合闸:≤65
4
机械寿命
 
10万次(型式试验实测值)
5
机构动作电压
V
DC100V~DC120V
6
弹跳
ms
≤2
7
同期
ms
≤2
8
分合闸速度
m/s
分闸:0.7-1.2
合闸:0.4-0.8
9
储能时间
S
≤8(每循环)
10
电源电压
V
交直流110V、 220V
11
触头行程
mm
8-10
12
触头超行程
mm
3.5-4.5

 
 
(2)VMS(VS1)(□-12/1250-31.5)型-圆形机构

 
 
1.概述:
    VMSVS1(ZN63A))圆型户内交流高压永磁机构真空断路器适用于12kV空气绝缘的户内开关设备,作为电网设备、工矿企业动力设备的保护和控制单元,用于开合各种不同性质的电力负荷,适用于城网、农网、矿山及铁道等电网建设和改造工程中,尤其是用于在工作电流范围内频繁操作和对短路开)(ZN63A)断操作次数有一定要求的场合。该产品吸纳国内外先进技术及工艺,具有智能化、高可靠、寿命长、免维护等特点,使用时对周围环境无污染,是绿色环保产品。
    VMSVS1)圆型户内高压真空断路器可进行频繁的操作,具有多次开断和快速重合闸的能力。
    断路器既可做为固定安装单元,也可配用专用推进机构,组成手车单元使用。
    VMSVS1)圆型真空断路器的永磁操动机构和真空灭弧室采用前后布置,主导电回路为落地式结构,上、下出线座及真空灭弧室被安装在一个管状的绝缘筒内。绝缘筒用环氧树脂以APG工艺浇注而成,这种结构使得真空灭弧室表面不会发生粉尘聚集,避免其遭受外部因素的破坏,可以确保在湿热及严重污染环境下,产品仍具有良好的绝缘性能。
    本产品符合GB1984《高压交流断路器》、JB3855-85《10kV户内交梳高压真空断路器》、DL403-91《l0-35kV户内高压真空断路器订货技术条件》和相关的IEC标准,并具有可靠的联锁功能。
2.技术参数:
2.1.技术参数见表1
表1   技术参数

序号
参数名称
单位
参数规格
1
额定电压
kV
12
2
额定电流
A
630
1000、1250
1250、1600、2000、2500、3150
3
额定短路开断电流
kA
20
25
20
25
31.5
31.5
40
4
额定峰值耐受电流
kA
50
63
50
63
80
80
100
5
额定短时耐受电流
kA
20
25
20
25
31.5
31.5
40
6
额定短路关合电流
kA
50
63
50
63
80
80
100
7
额定短路持续时间
S
4
8
短路电流开断次数
50(40kA为30次)
9
额定操作顺序
 
O-0.3s-CO-180s-CO,O-180s-CO-180s-CO(40kA)
10
额定单个/背对背电容器组开断电流
A
630/400(40kA为800/400)
11
额定电容器组关合涌流
KA
12.5(频率不大于1000Hz)
12
机械寿命
20000
13
额定电流开断次数
20000
14
额定雷电冲击耐受电压(全波)
kV
75
15
额定短时工频耐受电压
kV/min
42
16
燃弧时间
ms
≤15
17
全开断时间
ms
≤80

2.2.机械参数见表2
表2   机械参数

序号
参数名称
单位
参     数
2
触头行程
mm
11±1
3
触头超行程
mm
4±1
4
合闸速度
m/s
0.6±0.2
5
分闸速度
m/s
1.0±0.2
6
触头合闸弹跳时间
ms
≤2(40kA为≤3)
8
三相触头合、分闸同期性
ms
≤2
9
合闸时间
ms
≤80
10
分闸时间
ms
≤50
11
储能时间(首次充电)
s
<10
12
合闸控制电压
V
110、220
13
分闸控制电压
V
110、220
14
主回路电阻
μΩ
≤60(630A), ≤45(1250A),
≤35(1600~2000A), ≤25(2500以上)
15
相间距
mm
210(20~31.5kA),275(40kA)
16
合闸触头接触压力
N
2000±200(20kA), 2400±200(25kA),
3100±200(31.5kA), 4250±250(40kA)
17
动、静触头允许磨损累计厚度
mm
 
3

3.结构及永磁机构工作原理:
3.1.真空断路器极柱结构
    VMSVS1)圆型系列户内真空断路器配用陶瓷真空灭弧室,为中间封接或一次封排灭弧室,均选用铜铬触头材料,杯状纵磁场触头结构。其触头的电磨损速率小,电寿命长,触头耐压水平高,介质绝缘强度稳定。弧后恢复迅速,截流水平低,开断能力强。
    VMSVS1)圆型系列户内真空断路器总体结构采用操动机构和灭弧室前后布置的形式,主导电回路为三相落地式结构。真空灭弧室纵向安装在一个管状的绝缘筒内,绝缘筒由环氧树脂采用APG工艺浇注成型,因而特别抗爬电。这种结构设计,同时减少粉尘在灭弧室表面聚积。有效的防止真空灭弧室受外部因素的影响。
    VMSVS1)圆型系列户内真空断路器根据用户要求也可以安装固封式灭弧室极柱,它将真空灭弧室通过特殊工艺固定在绝缘极柱内部,减少了装配调整环节,提高了机械可靠性,有效防止了对地绝缘易污秽、凝露影响的缺陷,保护了真空灭弧室不受外界撞击。
3.2.永磁操动机构的结构
    VMSVS1)圆型系列户内真空永磁断路器机构部分采用模块化设计,其中主要包括永磁操作机构、控制部分、储能部分。永磁操作机构的结构如图1所示。该采用双稳态结构,应用先进的永磁设计理论、高磁能的钕铁硼稀土材料,并结合完善的制造工艺。
    与断路器的常规弹簧操动机构相比,永磁机构的零件数减少了70%,随着零件数量的减少,发生故障的几率降低,可靠性进一步提高;另外,永磁机构非常适于进行智能控制和操作,便于断路器的智能化。
    永磁操动机构由于运动部件非常少,取消了复杂的机械锁扣及脱扣系统,因而具有无法替代的优势:故障少、可靠、寿命长(可达到10万次以上)、无需润滑,非常适用于一些要求可靠性高、操作频繁的场合,如供电、煤矿、炼钢、铁路等。
 
 
 
(3)VMS(VS1)(□-12/1250-31.5)型-方形机构
 
 
 
 
 
1.概述:
    VMSVS1户内交流高压永磁机构真空断路器适用于12kV空气绝缘的户内开关设备,作为电网设备、工矿企业动力设备的保护和控制单元,用于开合各种不同性质的电力负荷,适用于城网、农网、矿山及铁道等电网建设和改造工程中,尤其是用于在工作电流范围内频繁操作和对短路开断操作次数有一定要求的场合。该产品吸纳国内外先进技术及工艺,具有智能化、高可靠、寿命长、免维护等特点,使用时对周围环境无污染,是绿色环保产品。
    VMSVS1户内高压真空断路器可进行频繁的操作,具有多次开断和快速重合闸的能力。断路器既可做为固定安装单元,也可配用专用推进机构,组成手车单元使用。
    VMSVS1真空断路器的永磁操动机构和真空灭弧室采用前后布置,主导电回路为落地式结构,上、下出线座及真空灭弧室被安装在一个管状的绝缘筒内。绝缘筒用环氧树脂以APG工艺浇注而成,这种结构使得真空灭弧室表面不会发生粉尘聚集,避免其遭受外部因素的破坏,可以确保在湿热及严重污染环境下,产品仍具有良好的绝缘性能。
    本产品符合GB1984《高压交流断路器》、JB3855-85《10kV户内交梳高压真空断路器》、DL403-91《l0-35kV户内高压真空断路器订货技术条件》和相关的IEC标准,并具有可靠的联锁功能。
2.技术参数:
2.1.技术参数见表1
表1   技术参数

序号
参数名称
单位
参数规格
1
额定电压
kV
12
2
额定电流
A
630
1000、1250
1250、1600、2000、2500、3150
3
额定短路开断电流
kA
20
25
20
25
31.5
31.5
40
4
额定峰值耐受电流
kA
50
63
50
63
80
80
100
5
额定短时耐受电流
kA
20
25
20
25
31.5
31.5
40
6
额定短路关合电流
kA
50
63
50
63
80
80
100
7
额定短路持续时间
S
4
8
短路电流开断次数
50(40kA为30次)
9
额定操作顺序
 
O-0.3s-CO-180s-CO,O-180s-CO-180s-CO(40kA)
10
额定单个/背对背电容器组开断电流
A
630/400(40kA为800/400)
11
额定电容器组关合涌流
KA
12.5(频率不大于1000Hz)
12
机械寿命
20000
13
额定电流开断次数
20000
14
额定雷电冲击耐受电压(全波)
kV
75
15
额定短时工频耐受电压
kV/min
42
16
燃弧时间
ms
≤15
17
全开断时间
ms
≤80

2.2.机械参数见表2
表2   机械参数

序号
参数名称
单位
参     数
2
触头行程
mm
11±1
3
触头超行程
mm
4±1
4
合闸速度
m/s
0.6±0.2
5
分闸速度
m/s
1.0±0.2
6
触头合闸弹跳时间
ms
≤2(40kA为≤3)
8
三相触头合、分闸同期性
ms
≤2
9
合闸时间
ms
≤80
10
分闸时间
ms
≤50
11
储能时间(首次充电)
s
<10
12
合闸控制电压
V
110、220
13
分闸控制电压
V
110、220
14
主回路电阻
μΩ
≤60(630A), ≤45(1250A),
≤35(1600~2000A), ≤25(2500以上)
15
相间距
mm
210(20~31.5kA),275(40kA)
16
合闸触头接触压力
N
2000±200(20kA), 2400±200(25kA),
3100±200(31.5kA), 4250±250(40kA)
17
动、静触头允许磨损累计厚度
mm
 
3

3.结构及永磁机构工作原理:
3.1.真空断路器极柱结构
    VMSVS1系列户内真空断路器配用陶瓷真空灭弧室,为中间封接或一次封排灭弧室,均选用铜铬触头材料,杯状纵磁场触头结构。其触头的电磨损速率小,电寿命长,触头耐压水平高,介质绝缘强度稳定。弧后恢复迅速,截流水平低,开断能力强。
    VMSVS1系列户内真空断路器总体结构采用操动机构和灭弧室前后布置的形式,主导电回路为三相落地式结构。真空灭弧室纵向安装在一个管状的绝缘筒内,绝缘筒由环氧树脂采用APG工艺浇注成,因而特别抗爬电。这种结构设计,同时减少粉尘在灭弧室表面聚积。有效的防止真空灭弧室受外部因素的影响。
    VMSVS1系列户内真空断路器根据用户要求也可以安装固封式灭弧室极柱,它将真空灭弧室通过特殊工艺固定在绝缘极柱内部,减少了装配调整环节,提高了机械可靠性,有效防止了对地绝缘易污秽、凝露影响的缺陷,保护了真空灭弧室不受外界撞击。
3.2.永磁操动机构的结构
    VMSVS1系列户内真空永磁断路器机构部分采用模块化设计,其中主要包括永磁操作机构、控制部分、储能部分。永磁操作机构的结构如图1所示。该永磁机构采用双稳态结构,应用先进的永磁设计理论、高磁能的钕铁硼稀土材料,并结合完善的制造工艺。
    与断路器的常规弹簧操动机构相比,永磁机构的零件数减少了70%,随着零件数量的减少,发生故障的几率降低,可靠性进一步提高;另外,永磁机构非常适于进行智能控制和操作,便于断路器的智能化。
    永磁操动机构由于运动部件非常少,取消了复杂的机械锁扣及脱扣系统,因而具有无法替代的优势:故障少、可靠、寿命长(可达到10万次以上)、无需润滑,非常适用于一些要求可靠性高、操作频繁的场合,如供电、煤矿、炼钢、铁路等。
图1 永磁机构结构图(略)
3.3.双稳态永磁机构的工作原理
双稳态机构原理(略)
    藉助通电的分、合闸线圈产生的磁能来驱动铁心上、下运动,完成分、合闸动作,依靠动铁心和静铁心通过低磁阻通道所产生的磁场能量,将动铁心保持在分闸或合闸两个位置,不需要任何附加能量。图示是双稳态线圈结构的永磁驱动机构的原理图。它由静铁心、动铁心、永磁体、顶杆、合闸线圈、分闸线圈及辅助连杆组成。动铁心和静铁心是通过低磁阻通道所产生强大的磁能,将动铁心保持在下端或上端位置;通有电流的合闸线圈、分闸线圈产生的磁能使动铁心向上或向下运动,完成合、分闸操作。
3.4 .永磁机构控制器
 
NKY300永磁开关控制器
 
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一、控制器概述
NKY300永磁开关控制器,内置电容/12V to 300V升压板/永磁机构驱动板,主要应用于10KV、35KV配电线路中的各种永磁真空接触器、断路器、重合器,以及矿用真空断路器中,对永磁开关的合闸、分闸过程进行控制。交直流通用。
外型尺寸为长300*宽200mm*高160mm,重量1kg
   
 
二、型号说明  NKY-300  单线圈(单双稳态)、双线圈(单双稳态) 可按用户要求定制各种特殊功能。
三、主要特点
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
结构原理
由外部直流DC12V2A (最大12V3A)给升压板供电,40w升压板把12V升压到300V给电容充电
驱动板在收到12V(1A以下) 分闸或合闸信号后,输出300V 20ms 直流脉冲给永磁机构线圈
 
特点
1、1us高速启动,从输入信号触发到电容输出能量给线圈1us。
 
2、定时输出 20ms 脉冲, 单次信号输入后,给线圈输出一次定时300V 20ms脉冲。
 
3、短路保护 防堵转,内置检测电流元件,在线圈电流大于500A时,3us内停止输出
 
4、PWM 启动 关断 ,可以有效保护控制元件。
 
5、过电压反馈充电,可以有效防止过电压。
 
6、高效率充放电控制,电容电量低损耗,可满足开关重合的要求。
 
7、可调输出功率,可通过调整升压板的W503,可调整输出电压,以达到调整机构出力的目的。
 
8、分合闸信号输入 互锁 防双通,分合闸信号输入禁止同时输入,否则烧坏信号输入端。
 
            
接线说明:
禁止分闸信号和合闸信号同时加载。
DC12V电源及信号脚只能输入直流电源,电压范围+-10%
                  (不能输入交流)。
注意控制器内部线路有300V,即使在12V电源及信号断开后,电容内仍然有300V,请不要触摸,注意安全。
 
    本断路器采用我公司YCK380永磁机构控制器,该开关控制器应用于高压真空断路器控制操作机构,对断路器合闸、分闸过程进行控制,为合闸、分闸线圈提供合适的操作电压和电流。
    该控制器采用先进的电力电子控制技术、具有较高电压电流裕量的IGBT,同时控制器具有自动检测功能,对于装置内部故障和开关本体故障能够实时检测并及时告警和封锁开关操作。该控制器还具有完善的逻辑闭锁和防跳功能,根据我们国内的特殊要求,还设计有自由脱扣逻辑,完全满足我们国标的要求。当合闸回路电压低于要求值时,闭锁合闸出口并发出告警信息,尽可能防止误动作的发生。该控制器具有以下特点:
3.4.1.灵活的定值设定。通过通讯接口可以便的设定:控制脉冲的限制时间、合闸到位延时、控制电压欠压值等。
3.4.2.智能通讯接口。装置具有智能通讯接口,可以完成三遥功能,满足电气设备智能化的要求。
3.4.3.符合国际标准的抗干扰能力。控制器能够承受Ⅳ级快速瞬变,浪涌、冲击耐压等EMI试验,具有较强的就地工作能力。
3.5永磁机构的储能模块
    储能模块采用电容储能,具有储能时间短,使用寿命长的特点,其使用寿命可长达10年以上。
3.6过电流保护:本断路器可配可靠的过流保护装置,由电流互感器整定。
4.外形尺寸及电气接线原理图
4.1手车式外形尺寸见图2a,2b。(略)
4.2固定式外形尺寸见图3。(略)
4.3手车式电气接线原理图见图4。(略)
4.4固定式电气接线原理图见图5。(略)
 
 
 
(4)VBM-12/1250-31.5型 
 
 
 
(5)ZNL –10/630-12.5型(矿用断路器)