一體化永磁機構真空開關的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一體化永磁機構真空開關，將傳統永磁機構真空開關的結構重新設計，去掉波紋管，將永磁機構、動靜觸頭、驅動桿、滅弧系統等全部放置在陶瓷外殼包圍的真空環境中（所有運動部件集成在陶瓷真空外殼內部），兩端的接線端子與陶瓷真空外殼采用固定連接（不存在相對運動），其中一個接線端子與靜觸頭相接，另一接線端子與動觸頭端的導電桿通過軟連接實現電氣連接。
【專利說明】一體化永磁機構真空開關
【技術領域】
[0001]本發明屬于電力開關設備領域，涉及真空開關的操動機構和滅弧室結構，具體涉及一體化永磁機構真空開關。
【背景技術】
[0002]永磁機構真空開關是由永磁機構、真空滅弧室和其它必需的機構部件組成，具有分合閘操作功能，多用于對配電線路的控制和保護。永磁機構真空開關采用真空作為滅弧介質，其分斷能力高、環保性佳，在電力、采礦、石油、交通運輸、軍工等行業的中壓配電系統獲得了廣泛的應用。
[0003]目前永磁機構真空開關主要是采用永磁機構驅動開關本體，永磁機構動鐵芯通過驅動桿壓縮波紋管使動、靜觸頭閉合，外加控制器控制永磁機構。這種結構的真空開關，體積大、零部件多、可靠性差。傳統的真空開關的滅弧室由波紋管的形變來提供觸頭運動的行程，波紋管漏氣導致真空失效是其主要故障，其壽命很大程度上受限于波紋管的疲勞壽命，在一些特殊場合，例如礦場等，較多的灰塵容易造成真空開關運動機構的損壞。
【發明內容】
[0004]本發明的目的是解決現有的永磁機構真空開關結構分散、零部件多、機械壽命短等問題，提供一種結構緊湊、可靠性高的一體化永磁機構真空開關。
[0005]為達到上述目的，本發明采用的技術方案是:
[0006]一體化永磁機構真空開關，包括陶瓷外殼，陶瓷外殼內部為真空環境,第一接線端子、第二接線端子分別與陶瓷外殼的一端固定連接，陶瓷外殼內封裝有永磁機構、驅動桿、導電桿、動觸頭和靜觸頭；永磁機構通過驅動桿、導電桿與動觸頭相連接，第一接線端子與靜觸頭相連接，第二接線端子與導電桿之間通過軟連接線電性連接。
[0007]所述的永磁機構包括軛鐵以及設置在軛鐵內的永磁體，在永磁體內套裝有動鐵芯，永磁體的兩側還分別對稱的設置有合閘線圈和分閘線圈；設置在陶瓷外殼上的分閘線圈接線端子分別與分閘線圈相連接，設置在陶瓷外殼上的合閘線圈接線端子分別與合閘線圈相連接。
[0008]所述的陶瓷外殼上還設置有合閘狀態檢測接線端子、分閘狀態檢測接線端子，其分別與設置在軛鐵內的合閘磁敏開關元件、分閘磁敏開關元件相連接。
[0009]當永磁機構處于合閘狀態時，合閘磁敏開關元件處于閉合狀態，合閘狀態檢測接線端子之間的電路處于導通狀態；當永磁機構處于分閘狀態時，分閘磁敏開關元件處于閉合狀態，分閘狀態檢測接線端子之間的電路處于導通狀態。
[0010]所述的驅動桿的一端與動鐵芯的相連接，驅動桿的另一端與兩端開有滑槽的導向套的一端連接，導桿通過插銷與導向套的另一端連接，用于提供觸頭超行程的觸頭彈簧套在導桿上，導桿與導電桿之間用絕緣連桿連接。
[0011]所述的導電桿穿過隔離擋板與動觸頭相連接，隔離擋板設置在驅動桿與動觸頭之間，隔離擋板與陶瓷外殼固定連接；
[0012]永磁機構通過固定圓筒與陶瓷外殼或隔離擋板相連接；隔離擋板還與屏蔽動觸頭和靜觸頭的屏蔽罩相連接。
[0013]所述的永磁機構具有兩個穩定的工作位置，觸頭處于分閘、合閘狀態時由永磁機構中的永磁體提供保持力，通過分別對分閘線圈、合閘線圈通電產生不同方向的電磁力實現永磁機構分閘、合閘狀態的切換；永磁機構中內置的磁敏開關元件和相應接線端子，實現永磁機構分閘、合閘狀態的非接觸檢測。
[0014]當合閘線圈通入電流時，動鐵心在電磁吸力的作用下推動驅動桿、導電桿，使動觸頭和靜觸頭閉合；閉合后合閘線圈斷電，合閘線圈產生的磁通消失，永磁鐵產生的磁通保持，動靜觸頭在永磁力的作用下保持閉合狀態；磁敏開關元件處于閉合狀態；
[0015]當分閘線圈通入電流時，動鐵心在電磁吸力的作用下拉動驅動桿、導電桿,使動觸頭和靜觸頭分離，分離后分閘線圈斷電，分閘線圈產生的磁通消失，永磁鐵產生的磁通保持，動靜觸頭在永磁力的作用下保持分閘狀態；磁敏開關元件處于閉合狀態。
[0016]當合閘線圈通電時，驅動桿在動鐵心的作用下，帶動導向套向右端運動，壓縮觸頭彈簧，最終使動觸頭實現閉合；當觸頭閉合時，觸頭彈簧處于壓縮狀態，產生足夠的觸頭壓力，以保證良好的電接觸。
[0017]所述的軛鐵、動鐵心為電工純鐵材料，永磁體為釹鐵硼材料，驅動桿采用不銹鋼制成，合閘線圈和分閘線圈采用漆包銅線繞制，軟連接線采用復合結構，內部為細銅線編制，外層包覆絕緣材料。
[0018]與現有技術相比，本發明具有以下有益的技術效果:
[0019]本發明提供的一體化永磁機構真空開關，將傳統永磁機構真空開關的結構重新設計，去掉波紋管，將永磁機構、動靜觸頭、驅動桿、滅弧系統等全部放置在陶瓷外殼包圍的真空環境中(所有運動部件集成在陶瓷真空外殼內部)，兩端的接線端子與陶瓷真空外殼采用固定連接(不存在相對運動)，其中一個接線端子與靜觸頭相接，另一接線端子與動觸頭端的導電桿通過軟連接實現電氣連接。
[0020]為了監測開關的分合閘狀態，在永磁機構的軛鐵內，靠近分合閘線圈處分別裝有磁敏開關元件，利用磁敏開關元件的特殊性質，實現真空開關分合閘狀態的檢測。永磁機構等傳動機構在運動時會產生金屬碎屑，為了減小碎屑對滅弧室的影響，永磁機構及相應的傳動機構與滅弧室間用隔離擋板隔開。
[0021]該一體化永磁機構真空開關可應用于構成單相、三相三線制以及三相四線制的裝置。在三相系統中，每相均具有獨立的永磁操動機構，可以進行分相的合、分閘操作；當執行分、合閘操作時，由控制單元對各相電流、電壓進行檢測和分析，計算出線圈通電時刻，使得觸頭分別在各相電流過零時分離以及在電壓過零時閉合，從而實現無弧分斷和接通，減少觸頭燒蝕，提聞開關的電壽命。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0022]圖1是本發明的單相結構圖；
[0023]圖2是本發明觸頭閉合時的磁路圖；
[0024]圖3是本發明觸頭斷開時的磁路圖；[0025]圖4是本發明控制器硬件的結構圖；
[0026]圖5是本發明控制器的軟件流程圖；
[0027]圖6是本發明控制器中計算合閘前延時時間的軟件流程圖；
[0028]圖7是本發明控制器中計算分閘前延時時間的如見流程圖。
【具體實施方式】
[0029]下面結合具體的實施例對本發明做進一步的詳細說明，所述是對本發明的解釋而不是限定。
[0030]參見圖1，本發明的一體化永磁機構真空開關，包括陶瓷外殼2，陶瓷外殼2內部為真空環境，第一接線端子1、第二接線端子11分別與陶瓷外殼2的一端固定連接，陶瓷外殼2內封裝有永磁機構、驅動桿9、導電桿6、動觸頭5和靜觸頭4 ;永磁機構通過驅動桿9、導電桿6與動觸頭5相連接,第一接線端子I與靜觸頭4相連接,第二接線端子11與導電桿6之間通過軟連接線10電性連接。
[0031]所述的永磁機構包括軛鐵12以及設置在軛鐵12內的永磁體15，在永磁體15內套裝有動鐵芯17，永磁體15的兩側還分別對稱的設置有合閘線圈13和分閘線圈18 ;設置在陶瓷外殼2上的分閘線圈接線端子23、24分別與分閘線圈18相連接，設置在陶瓷外殼2上的合閘線圈接線端子25、26分別與合閘線圈13相連接。
[0032]具體的，所述的一體化永磁機構真空開關，包括電工純鐵材料制成的軛鐵12以及設置在軛鐵12內的釹鐵硼材料制成的永磁體15，軛鐵12內部設置有磁敏元件14和16。在永磁體15內套裝有電工純鐵材料制成的動鐵芯17，在永磁體15的兩側對稱設置有漆包銅線繞制的合閘線圈13和分閘線圈18,永磁機構的左邊和右邊設置有固定圓筒8。
[0033]動鐵芯17的一端與驅動桿9相連,驅動桿9的另一端與導向套27相連，導向套27兩端開有滑槽，它與導桿31通過插銷28相連，觸頭彈簧29套在導桿31上，導桿31與導電桿6之間用絕緣連桿30連接，絕緣連桿30起到機械傳動和電氣隔離的作用。接線端子11和導電桿6間用軟連接線10連接，軟連接線10采用復合結構，內部為細銅線編制，夕卜層包覆絕緣材料，軟連接線10繞過永磁機構的軛鐵12實現接線端子11和導電桿6的電氣連接。導電桿6的另一端設置有動觸頭5，靜觸頭4和另一接線端子I設置在動觸頭5的右邊，動、靜觸頭外設置有屏蔽罩3,永磁機構及相應的傳動機構與滅弧室間設置有隔尚擋板7，整個機構放置在陶瓷外殼2內部，陶瓷外殼2內部為真空環境。
[0034]陶瓷外殼2左邊設置有合閘狀態檢測接線端子19、20，分閘狀態檢測接線端子21、22，分閘線圈接線端子23、24，合閘線圈接線端子25、26。當機構處于合閘狀態時，磁敏開關元件14處于閉合狀態，合閘狀態檢測接線端子19、20之間的電路處于導通狀態；當機構處于分閘狀態時，磁敏開關元件16處于閉合狀態，分閘狀態檢測接線端子21、22之間的電路處于導通狀態。
[0035]本發明應用于三相三線制以及三相四線制的系統時，可由圖1所示的三套結構組合使用，由相應的控制單元配合實現分相操作。
[0036]參見圖2，當合閘線圈通入如圖中所示方向的電流i時，動鐵心17在電磁吸力的作用下向右方向運動，最終與軛鐵12右端吸合，合閘線圈所產生的磁通(pI方向如圖中201、203所示，永磁體所產生的磁通q>0萬向如圖中202、204所示。當動觸頭5和靜觸頭4閉合后,合閘線圈斷電,此時由合閘線圈產生的磁通201、203消失，永磁鐵產生的磁通202、204保持，動靜觸頭在永磁力的作用下保持閉合狀態。由于磁通密度主要集中在軛鐵12右端，磁敏開關元件14處于閉合狀態。
[0037]參見圖3，當分閘線圈通入如圖中所示方向的電流i時，動鐵心17在電磁吸力的作用下向左方向運動，最終與軛鐵12左端吸合，分閘線圈所產生的磁通q>I萬向如圖中301、303所示，永磁體所產生的磁通CpO方向如圖中302、304所示。當動觸頭5和靜觸頭4分離后，分閘線圈斷電，此時由分閘線圈產生的磁通301、303消失，永磁鐵產生的磁通302、304保持，動靜觸頭在永磁力的作用下保持分閘狀態。由于磁通密度主要集中在軛鐵12左端，磁敏開關元件16處于閉合狀態。
[0038]本發明采用永磁機構直接驅動觸頭的方案，減少傳動環節，提高機械效率。動觸頭
5、導電桿6與接線端之11之間采用軟連接方式實現電路連接。當相應的合閘線圈通電時，驅動桿9在動鐵心17的作用下，帶動導向套27向右端運動，壓縮觸頭彈黃29,最終使動觸頭5實現閉合。當觸頭閉合時，觸頭彈簧處于壓縮狀態，產生足夠的觸頭壓力，以保證良好的電接觸。
[0039]參見圖4，本發明控制器的硬件結構圖是采用以單片機為核心的控制電路。外圍電路包括信號調理和A/D轉換電路。配電線路的三相電壓、電流經過電壓、電流互感器變換為有效值分別為100V、5A的電壓、電流信號，再經過信號調理電路轉化為幅值不超過5V的電壓信號，然后經過A/D轉換電路采樣后被送入單片機，單片機中的處理軟件實時計算當前電壓、電流的值。單片機具有人機交互接口和通信接口。人機交互接口具有鍵盤和液晶顯示模塊，可以用于輸入分合閘操作指令或顯示系統運行的狀態信息；通信接口可以用于將系統運行的狀態信息傳輸至后臺系統或接收后臺控制系統發送的分合閘指令。
[0040]當接到合閘指令信號后，單片機給驅動電路發出相應的合閘動作指令，由驅動電路控制合閘線圈電路的接通，完成合閘過程。
[0041]當出現過流或短路、過壓、欠壓、缺相故障時，單片機給驅動電路發出相應的分閘動作指令，由驅動電路控制分閘線圈電路的接通，進行分閘操作，從而切除故障線路。
[0042]參見圖5，本發明控制器的操作流程如下:
[0043](I)開機上電后，對單片機及其外圍電路進行初始化設置并讀取系統設定值。然后到步驟(2)。
[0044](2)采集當前系統的電壓、電流信號，計算各相的電壓、電流有效值、瞬時值等以及儲能電容的電壓。然后到步驟(3)。
[0045](3)檢測儲能電容電壓是否正常，若不正常則到步驟(4)，若正常到步驟(5)。
[0046](4)啟動充電模塊，并用LED顯示，充電完成后，到步驟(5)。
[0047](5)若檢測到當前電流值超過預設的過流閾值則判定為過流故障，若當前電流值超過預設的短路閾值則判定為短路故障；在發生過流或短路故障的情況下，則到步驟
(11)。若未檢測到上述兩種故障，則到步驟(6)。
[0048](6)掃描鍵盤的按鍵狀態和通信接口的輸入緩沖區，檢測是否有操作指令，若接收到操作指令，則到步驟(7)。若未檢查到操作指令，則到步驟(14)。
[0049](7)檢測是否有合閘操作指令輸入，若沒有合閘操作指令輸入，則到步驟(8)，若有合閘指令輸入，則到步驟(9)。[0050](8)檢測是否有分閘操作指令輸入，若沒有分閘操作指令輸入，則到步驟(14)。若有分閘指令輸入，則到步驟(12 )。
[0051](9)計算當前系統電壓的相角、預期的合閘時刻和合閘前的延時時間，經過相應延時處理后到達預期的合閘時刻，向驅動電路發出合閘信號進行合閘操作，即向合閘線圈通以電流，使動鐵心向右運動最終到達合閘位置。然后到步驟(10)。
[0052](10)記錄合閘操作過程中的相關參數，然后到步驟(14)。
[0053](11)記錄當前檢測出的故障類型及相關信息，然后到步驟(12)。
[0054](12)計算當前系統電流的相角、預期的分斷時刻和分斷前的延時時間，經過相應延時處理后到達預期的分閘時刻，向驅動電路發出分閘信號進行分閘操作，即向分閘線圈通以電流，使動鐵心向左運動最終到達分閘位置，然后到步驟(13)。
[0055](13)記錄分閘操作過程中的相關參數，然后到步驟(14)。
[0056](14)更新顯示當前的開關狀態，并給出相應的電壓、電流以及故障信息，然后到步驟⑵。
[0057]參見圖6，計算合閘前的延時時間的操作流程如下:
[0058](I)計算電壓當前相角和距離預期合閘的一個電壓零點的時間Tl，然后到步驟(2)。
[0059](2)計算該相觸頭的固有合閘時間T2，然后到步驟(3)。固有合閘時間即從合閘線圈通電到動觸頭到達合閘位置所需的時間。理論上T2為固定值，可以通過預先的仿真計算或實驗方法測定。但在實際中，T2并非固定值，受儲能電容電壓、環境溫度、機構老化等多種因素影響，可以依據前一次合閘操作中記錄的動作時間，采用相應的補償算法進行修正，得到和實際更加相符的合閘時間T2。
[0060](3)合閘前的延時時間T3是指系統收到合閘操作指令到向驅動電路發出合閘信號以接通合閘線圈電路所需的時間。合閘前的延時時間可以按照T3=T1-T2計算，最后返回
計算結果。
[0061]參見圖7，計算分閘前的延時時間的操作流程如下:
[0062](I)計算電流當前相角和距離預期分閘的一個電流零點的時間Tl，然后到步驟(2)。
[0063](2 )計算該相觸頭的固有分閘時間Τ2，然后到步驟(3 )。固有分閘時間即分閘線圈通電到動觸頭到達分閘位置所需的時間。理論上Τ2為固定值，可以通過預先的仿真計算或實驗方法測定。但在實際中，Τ2并非固定值，受儲能電容電壓、環境溫度、機構老化等多種因素影響，可以依據前一次分閘操作中記錄的動作時間，采用相應的補償算法進行修正，得到和實際更加相符的分閘時間Τ2。
[0064](3)分閘前的延時時間Τ3是指系統檢測出過流或短路故障或者收到分閘操作指令到向驅動電路發出分閘信號以接通分閘線圈電路所需的時間。分閘前的延時時間可以按照Τ3=Τ1-Τ2計算，最后返回計算結果。
【權利要求】
1.一體化永磁機構真空開關，其特征在于，包括陶瓷外殼(2)，陶瓷外殼(2)內部為真空環境，第一接線端子(I)、第二接線端子(11)分別與陶瓷外殼(2)的一端固定連接，陶瓷外殼(2)內封裝有永磁機構、驅動桿(9)、導電桿(6)、動觸頭(5)和靜觸頭(4);永磁機構通過驅動桿(9)、導電桿(6)與動觸頭(5)相連接，第一接線端子(I)與靜觸頭(4)相連接，第二接線端子(11)與導電桿(6 )之間通過軟連接線(10 )電性連接。
2.如權利要求1所述的一體化永磁機構真空開關，其特征在于，所述的永磁機構包括軛鐵(12)以及設置在軛鐵(12)內的永磁體(15)，在永磁體(15)內套裝有動鐵芯(17)，永磁體(15)的兩側還分別對稱的設置有合閘線圈(13)和分閘線圈(18);設置在陶瓷外殼(2)上的分閘線圈接線端子(23、24)分別與分閘線圈(18)相連接，設置在陶瓷外殼(2)上的合閘線圈接線端子(25、26)分別與合閘線圈(13)相連接。
3.如權利要求2所述的一體化永磁機構真空開關，其特征在于，陶瓷外殼(2)上還設置有合閘狀態檢測接線端子(19、20)、分閘狀態檢測接線端子(21、22)，其分別與設置在軛鐵(12)內的合閘磁敏開關元件(14)、分閘磁敏開關元件(16)相連接。
4.如權利要求3所述的一體化永磁機構真空開關，其特征在于，當永磁機構處于合閘狀態時，合閘磁敏開關元件(14)處于閉合狀態，合閘狀態檢測接線端子(19、20)之間的電路處于導通狀態；當永磁機構處于分閘狀態時，分閘磁敏開關元件(16)處于閉合狀態，分閘狀態檢測接線端子(21、22)之間的電路處于導通狀態。
5.如權利要求1或4所述的一體化永磁機構真空開關，其特征在于，所述的驅動桿(9)的一端與動鐵芯(17)的相連接，驅動桿(9)的另一端與兩端開有滑槽的導向套(27)的一端連接，導桿(31)通過插銷(28) 與導向套(27)的另一端連接，用于提供觸頭超行程的觸頭彈簧(29 )套在導桿(31)上，導桿(31)與導電桿(6 )之間用絕緣連桿(30 )連接。
6.如權利要求5所述的一體化永磁機構真空開關，其特征在于，所述的導電桿(6)穿過隔離擋板(7)與動觸頭(5)相連接，隔離擋板(7)設置在驅動桿(9)與動觸頭(5)之間，隔離擋板(7)與陶瓷外殼(2)固定連接； 永磁機構通過固定圓筒(8)與陶瓷外殼(2)或隔離擋板(7)相連接；隔離擋板(7)還與屏蔽動觸頭(5 )和靜觸頭(4)的屏蔽罩(3 )相連接。
7.如權利要求1或4所述的一體化永磁機構真空開關，其特征在于，所述的永磁機構具有兩個穩定的工作位置，觸頭處于分閘、合閘狀態時由永磁機構中的永磁體提供保持力，通過分別對分閘線圈、合閘線圈通電產生不同方向的電磁力實現永磁機構分閘、合閘狀態的切換；永磁機構中內置的磁敏開關元件和相應接線端子，實現永磁機構分閘、合閘狀態的非接觸檢測。
8.如權利要求7所述的一體化永磁機構真空開關，其特征在于，當合閘線圈(13)通入電流時，動鐵心(17)在電磁吸力的作用下推動驅動桿(9)、導電桿(6)，使動觸頭(5)和靜觸頭(4)閉合；閉合后合閘線圈(13)斷電，合閘線圈產生的磁通消失，永磁鐵產生的磁通保持，動靜觸頭在永磁力的作用下保持閉合狀態；磁敏開關元件(14)處于閉合狀態； 當分閘線圈(18)通入電流時，動鐵心(17)在電磁吸力的作用下拉動驅動桿(9)、導電桿(6)，使動觸頭(5)和靜觸頭(4)分離，分離后分閘線圈斷電，分閘線圈產生的磁通消失，永磁鐵產生的磁通保持，動靜觸頭在永磁力的作用下保持分閘狀態；磁敏開關元件(16)處于閉合狀態。
9.如權利要求8所述的一體化永磁機構真空開關，其特征在于，當合閘線圈(13)通電時，驅動桿(9)在動鐵心(17)的作用下，帶動導向套(27)向右端運動，壓縮觸頭彈簧(29)，最終使動觸頭(5)實現閉合；當觸頭閉合時，觸頭彈簧(29)處于壓縮狀態，產生足夠的觸頭壓力，以保證良好的電接觸； 所述的軛鐵(12)、動鐵心(17)為電工純鐵材料，永磁體(15)為釹鐵硼材料，驅動桿(9)采用不銹鋼制成，合閘線圈(13)和分閘線圈(18)采用漆包銅線繞制，軟連接線(10)采用復合結構，內部為細銅線編制，外層包覆絕緣材料。
10.如權利要求1所述的一體化永磁機構真空開關，其特征在于，還包括控制器，控制器包括單片機及外圍電路，外圍電路包括信號調理和A/D轉換電路； 配電線路的三相電壓、電流經過電壓、電流互感器變換為有效值分別為100V、5A的電壓、電流信號，再經過信號調理電路轉化為幅值不超過5V的電壓信號，然后經過A/D轉換電路采樣后被送入單片機，單片機實時計算當前電壓、電流的值； 單片機還具有人機交互接口和通信接口，人機交互接口具有鍵盤和液晶顯示模塊，用于輸入分合閘操作指令或顯示系統運行的狀態信息；通信接口將系統運行的狀態信息傳輸至后臺系統或接收后臺控制系統發送的分合閘指令； 當接到合閘指令信號后，單片機給驅動電路發出相應的合閘動作指令，由驅動電路控制合閘線圈電路的接通，完成合閘； 當出現過流或短路、過壓、欠壓、缺相故障時，單片機給驅動電路發出相應的分閘動作指令，由驅動電路控制分閘線圈電`路的接通，進行分閘操作，從而切除故障線路。
【文檔編號】H01H33/66GK103779137SQ201410020182
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2014年1月16日 優先權日:2014年1月16日
【發明者】張國鋼, 李昌飛, 耿英三 申請人:西安交通大學