一种中压快速机械开关及分合闸方法

1.本发明涉及电器开关技术领域，尤其涉及到柔性直流开关设备领域，具体是指一种中压快速机械开关及分合闸方法。


背景技术：

2.混合式和机械式直流断路器是目前直流开断技术的重要发展方向，该类型直流断路器主通流支路采用快速机械开关。由于直流断路器在开断瞬间，快速机械开关触头间隙需要有承受高幅值瞬态恢复电压的开距，故其机械开关分闸速度的快慢直接决定了直流断路器的开断性能，因此，快速机械开关是混合式和机械式直流断路器发展的关键技术。
3.现有中压快速机械开关产品技术中，一类是采用电磁斥力机构作为分合闸驱动装置、螺旋或蝶形弹簧作为分合闸保持装置，其动作零件少、体积小并且加速快，但是当额定电流较大时，电磁斥力机构需要克服的阻力增大，不利于分闸初期加速。另一类是采用电磁斥力机构作为分闸驱动装置、单稳态永磁机构作为合闸驱动和分合闸保持装置，其具有分合闸电流小，对操作电源要求相对简单等优点，但是在分闸时会造成电磁斥力机构与永磁保持机构的弹性碰撞，易造成反弹现象，严重情况下甚至导致分闸失败。


技术实现要素：

4.本发明针对现有技术的不足，提供一种中压快速机械开关及分合闸方法，分闸时，确保保持装置保持力的时间与电磁斥力机构驱动力的响应时间一致，可以快速降低保持装置带来的反作用力的影响，减小分闸时间，避免分闸反弹现象的出现，从而实现中压直流断路器快速、可靠及稳定开断的要求。
5.本发明是通过如下技术方案实现的，提供一种中压快速机械开关，包括主框架、静触头，以及位于静触头下方的动触头，还包括安装在主框架上的电磁斥力操动机构和基于半永磁材料的合闸状态/分闸状态保持装置，所述电磁斥力操动机构和基于半永磁材料的合闸状态/分闸状态保持装置均位于所述动触头的下方；电磁斥力操动机构包括位于基于半永磁材料的合闸状态/分闸状态保持装置上方的合闸部分，以及位于基于半永磁材料的合闸状态/分闸状态保持装置下方的分闸部分；所述合闸部分包括合闸线圈，以及与所述合闸线圈适配的合闸金属斥力盘；所述分闸部分包括分闸线圈，以及与所述分闸线圈适配的分闸金属斥力盘；基于半永磁材料的合闸状态/分闸状态保持装置包括与主框架固接的静铁芯，以及位于静铁芯下方且与主框架沿竖向滑接的动铁芯，静铁芯和动铁芯通过沿竖向设置的分闸弹簧连接，静铁芯和动铁芯相对的侧面设有极性相适配的半永磁材料；所述动触头通过绝缘拉杆固接运动导杆，所述运动导杆与主框架沿竖向滑接，运动导杆向下依次穿过合闸部分、基于半永磁材料的合闸状态/分闸状态保持装置和分闸部分，且运动导杆与合闸金属斥力盘、分闸金属斥力盘沿竖向相对固定设置，运动导杆与动铁芯通过沿竖向延伸的触头弹簧连接。
6.本方案的中压快速机械开关通过电磁斥力操动机构可以使开关快速分合闸，基于
半永磁材料的合闸状态/分闸状态保持装置可以在开关分合闸位置提供稳定的保持力。在合闸位置时，基于半永磁材料的合闸状态/分闸状态保持装置利用磁记忆材料的剩余磁场提供合闸所必须的保持力，并且保持力通过触头弹簧传递至灭弧室触头处。当分闸时，电磁斥力操动机构的分闸线圈和合闸线圈同时通流，保持机构的剩磁被快速褪去，电磁斥力机构和保持装置中的分闸弹簧提供快速的分闸操作力。在分闸位置时，利用基于半永磁材料的合闸状态/分闸状态保持装置中的分闸弹簧进行分闸位置保持。当合闸时，对电磁斥力操动机构中的合闸线圈通以反方向的电流，在提供合闸操作力的同时，对半永磁材料进行充磁，使得动静铁芯运动克服分闸弹簧和触头弹簧的阻力进行吸合。
7.作为优化，还包括位于运动导杆下方的液压变径缓冲装置。本优化方案通过设置液压变径缓冲装置，在分闸即将到位时，利用液压变径缓冲装置进行减速缓冲，从而给开关分闸提供有效缓冲，减小撞击动能。
8.作为优化，所述运动导杆上固设有位于触头弹簧上方的凸台，触头弹簧套设在运动导杆上，触头弹簧的下端顶至固定于动铁芯底面的固定板，触头弹簧的上端顶至所述凸台的底面。本优化方案通过设置凸台实现对触头弹簧的上限位，从而实现了运动导杆与动铁芯之间的连接，结构简单，避免触头弹簧影响动铁芯的移动，并且便于触头弹簧提供合闸时的保持力。
9.作为优化，所述静铁芯的底面设有上凹槽，所述动铁芯的顶面设有与所述上凹槽相对的下凹槽，所述分闸弹簧套设在运动导杆上，且分闸弹簧的内径大于凸台的外径，分闸弹簧的上端顶至上凹槽的顶部，分闸弹簧的下端顶至下凹槽的底部。本优化方案通过设置上凹槽和下凹槽，便于分闸弹簧的安装，且便于缩小静铁芯与动铁芯之间的距离，以提高动铁芯与静铁芯相互作用的响应及时性。
10.作为优化，所述凸台位于所述上凹槽内，触头弹簧的下端顶至下凹槽的底部。本优化方案的设置，便于触头弹簧的安装，同时便于增加触头弹簧的长度，提高了合闸保持的可靠性。
11.本方案还提供一种使用上述中压快速机械开关进行的分合闸方法，包括以下步骤：1、分闸时，电磁斥力操动机构与基于半永磁材料的合闸状态/分闸状态保持装置同时动作；电磁斥力操动机构的分闸金属斥力盘内产生与分闸线圈内励磁电流方向相反的感应电流，使分闸金属斥力盘朝着远离分闸线圈的方向运动，从而通过运动导杆和绝缘拉杆的传力，使动触头远离静触头移动；电磁斥力操动机构的合闸线圈中通以一定的脉冲电流，使得半永磁材料快速退磁，在分闸弹簧的作用下实现动铁芯向下运动，触头弹簧伸长，减小对运动导杆下移的阻力；在分闸即将到位时，利用液压变径缓冲装置进行缓冲；在分闸位置时，利用分闸弹簧进行分闸位置保持；2、合闸时，对电磁斥力操动机构中的合闸线圈通以反方向的电流，在提供合闸操作力的同时，对半永磁材料进行充磁，使得动铁芯克服分闸弹簧和触头弹簧的阻力而向静铁芯运动，进行吸合，同时合闸斥力盘带动运动导杆上移，使动触头与静触头接触；
在合闸位置时，基于半永磁材料的合闸状态/分闸状态保持装置利用磁记忆材料的剩余磁场提供合闸所必须的保持力，并且保持力通过触头弹簧传递至运动导杆，最终传至动触头处。
12.本发明的有益效果为：通过电磁斥力操动机构与基于半永磁材料的合闸状态/分闸状态保持装置的相互配合，在分闸时，利用半永磁材料快速退磁的特性，快速降低分闸时磁吸力对分闸运动的阻力，避免电磁斥力机构和永磁机构联合动作时出现的反弹现象引起分闸失败。在分闸即将到位时，利用液压变径缓冲装置进行缓冲，降低开关机构撞击的动能，提升开关的稳定性和寿命。
附图说明
13.图1为本发明中压快速机械开关整体结构示意图；图2为本发明分闸部分结构示意图；图3为本发明合闸部分和基于半永磁材料的合闸状态/分闸状态保持装置的结构示意图；图4为电磁斥力操动机构分闸时线圈中的电流波形；图5为基于半永磁材料的合闸状态/分闸状态保持装置分闸时的电磁斥力操动机构合闸线圈电流；图中所示：1、真空灭弧室，2、绝缘拉杆，3、合闸部分，3.1、合闸线圈，3.2、合闸金属斥力盘，4、基于半永磁材料的合闸状态/分闸状态保持装置，4.1、分闸弹簧，4.2、触头弹簧，4.3、动铁芯，4.4、静铁芯，5、分闸部分，5.1、分闸线圈，5.2、分闸金属斥力盘，6、液压变径缓冲装置，7、运动导杆，7.1、凸台，8、动触头， 9、静触头。
具体实施方式
14.本方案的中压快速机械开关具有高响应速度、高可靠性和稳定性，满足直流配电系统对开关设备快速、可靠及稳定开断的要求，为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，对本方案进行阐述。
15.如图1所示一种中压快速机械开关，包括主框架、静触头9，以及位于静触头9下方的动触头8，动触头8和静触头9为位于真空灭弧室1内的机械触头，动触头经由绝缘拉杆2连接至电磁斥力操动机构和基于半永磁材料的合闸状态/分闸状态保持装置4。
16.本实施例的中压快速机械开关还包括安装在主框架上的电磁斥力操动机构和基于半永磁材料的合闸状态/分闸状态保持装置4，所述电磁斥力操动机构和基于半永磁材料的合闸状态/分闸状态保持装置4均位于所述动触头的下方。
17.电磁斥力操动机构包括位于基于半永磁材料的合闸状态/分闸状态保持装置4上方的合闸部分3，以及位于基于半永磁材料的合闸状态/分闸状态保持装置4下方的分闸部分5。
18.如图3所示，合闸部分3包括合闸线圈3.1，以及与所述合闸线圈3.1适配的合闸金属斥力盘3.2。如图2所示，分闸部分5包括分闸线圈5.1，以及与所述分闸线圈5.1适配的分闸金属斥力盘5.2。电磁斥力操动机构工作过程，储能电容预充电至某一电压，放电回路的
电子开关合闸后对励磁线圈放电，励磁线圈周围快速变化的磁通量在处于其中的金属盘内产生感应电流，此感应电流与线圈内励磁电流方向相反，从而推动电磁斥力机构中金属斥力盘朝着远离分闸线圈的方向运动，实现快速分闸操作。
19.基于半永磁材料的合闸状态/分闸状态保持装置4包括与主框架固接的静铁芯4.4，以及位于静铁芯4.4下方且与主框架沿竖向滑接的动铁芯4.3，静铁芯4.4和动铁芯4.3通过沿竖向设置的分闸弹簧4.1连接，静铁芯4.4和动铁芯4.3相对的侧面设有极性相适配的半永磁材料，静铁芯和动铁芯吸合时，分闸弹簧4.1被压缩，半永磁材料退磁后，在分闸弹簧4.1的作用下，动铁芯远离静铁芯移动。其分闸工作过程为在电磁斥力操动机构的合闸线圈中通以一定的脉冲电流，使得半永磁材料快速退磁，在分闸弹簧的作用下实现动铁芯向下运动。根据图4所示的电磁斥力操动机构分闸时线圈中的电流波形和图5所示的基于半永磁材料的合闸状态/分闸状态保持装置分闸时的电磁斥力操动机构合闸线圈电流，可以看出电磁斥力操动机构分闸线圈电流到达峰值时间为1ms，而基于半永磁材料的合闸状态/分闸状态保持装置分闸时的电磁斥力操动机构合闸线圈电流到达峰值时间为0.65ms，所以其半永磁材料退磁时间很短，不会影响分闸过程，所以在分闸时可以有效降低磁吸力对于分闸带来的阻力。
20.动触头通过绝缘拉杆2固接运动导杆7，动触头8、绝缘拉杆2和运动导杆7同轴设置，通过设置绝缘拉杆，避免运动导杆带电。所述运动导杆与主框架沿竖向滑接，运动导杆向下依次穿过合闸部分、基于半永磁材料的合闸状态/分闸状态保持装置和分闸部分，且运动导杆与合闸金属斥力盘、分闸金属斥力盘沿竖向相对固定设置，运动导杆与动铁芯通过沿竖向延伸的触头弹簧4.2连接，合闸金属斥力盘、分闸金属斥力盘上下移动时，带动运动导杆上下移动，从而通过绝缘拉杆的传力，实现动触头靠近或远离静触头移动。
21.为了方便实现触头弹簧4.2对运动导杆7的作用，实现合闸保持，运动导杆上固设有位于触头弹簧上方的凸台7.1，触头弹簧4.2套设在运动导杆上，触头弹簧4.2的下端顶至固定于动铁芯底面的固定板，动铁芯内开设有供触头弹簧通过的通孔，固定板位于通孔的下端，触头弹簧4.2的上端顶至所述凸台7.1的底面。
22.静铁芯的底面设有上凹槽，所述动铁芯的顶面设有与所述上凹槽相对的下凹槽，所述分闸弹簧套设在运动导杆上，且分闸弹簧的内径大于凸台的外径，分闸弹簧的上端顶至上凹槽的顶部，分闸弹簧的下端顶至下凹槽的底部。所述凸台位于所述上凹槽内，触头弹簧的下端顶至下凹槽的底部固定板。上凹槽和下凹槽分别形成空心部分，运动导杆向下穿过静铁芯空心部分，分闸弹簧和触头弹簧设置在静铁芯空心部分并串入运动导杆凸台上下两侧，分闸斥力盘上方连接处穿过电磁斥力操动机构的分闸线圈空心部位。
23.为了减小分闸时的撞击，本实施例还包括位于运动导杆下方的液压变径缓冲装置6，所述液压变径缓冲装置6为一种可以调节阻尼的缓冲装置，可以根据缓冲的需要进行调节，使得开关的分闸缓冲达到最佳的效果，液压变径缓冲装置采用现有技术，具体结构不再赘述。液压变径缓冲装置的工作原理为：依靠液压（例如，油压）阻尼对作用在其上的物体进行缓冲，并且这种阻尼是可调节的，使物体减速至停止，并且将吸收的能量通过热能的形式散发掉。投入液压变径缓冲装置进行减速缓冲。
24.使用本实施例中压快速机械开关进行的分合闸方法，包括以下步骤：1、分闸时，电磁斥力操动机构与基于半永磁材料的合闸状态/分闸状态保持装置
同时动作，电磁斥力操动机构分闸线圈电流到达峰值时间要大于基于半永磁材料的合闸状态/分闸状态保持装置分闸时的电磁斥力操动机构合闸线圈电流到达峰值的时间，使得半永磁材料快速退磁，有效降低磁吸力对于分闸带来的阻力，保证开关分闸的快速性、可靠性和稳定性；电磁斥力操动机构的分闸金属斥力盘内产生与分闸线圈内励磁电流方向相反的感应电流，使分闸金属斥力盘朝着远离分闸线圈的方向运动，从而通过运动导杆和绝缘拉杆的传力，使动触头远离静触头移动；电磁斥力操动机构的合闸线圈中通以一定的脉冲电流，使得半永磁材料快速退磁，在分闸弹簧的作用下实现动铁芯向下运动，触头弹簧伸长，减小对运动导杆下移的阻力；在分闸即将到位时，利用液压变径缓冲装置进行缓冲，降低开关机构撞击的动能，提升开关的稳定性和寿命；在分闸位置时，利用基于半永磁材料的合闸状态/分闸状态保持装置中的分闸弹簧进行分闸位置保持；2、合闸时，对电磁斥力操动机构中的合闸线圈通以反方向的电流，在提供合闸操作力的同时，对半永磁材料进行充磁，使得动铁芯克服分闸弹簧和触头弹簧的阻力而向静铁芯运动，进行吸合，同时合闸斥力盘带动运动导杆上移，使动触头与静触头接触；在合闸位置时，基于半永磁材料的合闸状态/分闸状态保持装置利用磁记忆材料的剩余磁场提供合闸所必须的保持力，并且保持力通过触头弹簧传递至运动导杆，最终传至灭弧室动触头处。
25.当然，上述说明也并不仅限于上述举例，本发明未经描述的技术特征可以通过或采用现有技术实现，在此不再赘述；以上实施例及附图仅用于说明本发明的技术方案并非是对本发明的限制，参照优选的实施方式对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换都不脱离本发明的宗旨，也应属于本发明的权利要求保护范围。

技术特征：
1.一种中压快速机械开关，包括主框架、静触头，以及位于静触头下方的动触头，其特征在于：还包括安装在主框架上的电磁斥力操动机构和基于半永磁材料的合闸状态/分闸状态保持装置，所述电磁斥力操动机构和基于半永磁材料的合闸状态/分闸状态保持装置均位于所述动触头的下方；所述电磁斥力操动机构包括位于基于半永磁材料的合闸状态/分闸状态保持装置上方的合闸部分，以及位于基于半永磁材料的合闸状态/分闸状态保持装置下方的分闸部分；所述合闸部分包括合闸线圈，以及与所述合闸线圈适配的合闸金属斥力盘；所述分闸部分包括分闸线圈，以及与所述分闸线圈适配的分闸金属斥力盘；所述基于半永磁材料的合闸状态/分闸状态保持装置包括与主框架固接的静铁芯，以及位于静铁芯下方且与主框架沿竖向滑接的动铁芯，静铁芯和动铁芯通过沿竖向设置的分闸弹簧连接，静铁芯和动铁芯相对的侧面设有极性相适配的半永磁材料；所述动触头通过绝缘拉杆固接运动导杆，所述运动导杆与主框架沿竖向滑接，运动导杆向下依次穿过合闸部分、基于半永磁材料的合闸状态/分闸状态保持装置和分闸部分，且运动导杆与合闸金属斥力盘、分闸金属斥力盘沿竖向相对固定设置，运动导杆与动铁芯通过沿竖向延伸的触头弹簧连接。2.根据权利要求1所述的一种中压快速机械开关，其特征在于：还包括位于运动导杆下方的液压变径缓冲装置。3.根据权利要求1所述的一种中压快速机械开关，其特征在于：所述运动导杆上固设有位于触头弹簧上方的凸台，触头弹簧套设在运动导杆上，触头弹簧的下端顶至固定于动铁芯底面的固定板，触头弹簧的上端顶至所述凸台的底面。4.根据权利要求3所述的一种中压快速机械开关，其特征在于：所述静铁芯的底面设有上凹槽，所述动铁芯的顶面设有与所述上凹槽相对的下凹槽，所述分闸弹簧套设在运动导杆上，且分闸弹簧的内径大于凸台的外径，分闸弹簧的上端顶至上凹槽的顶部，分闸弹簧的下端顶至下凹槽的底部。5.根据权利要求4所述的一种中压快速机械开关，其特征在于：所述凸台位于所述上凹槽内，触头弹簧的下端顶至下凹槽的底部。6.使用权利要求1~5任一项所述的一种中压快速机械开关进行的分合闸方法，其特征在于，包括以下步骤：1）分闸时，电磁斥力操动机构与基于半永磁材料的合闸状态/分闸状态保持装置同时动作；电磁斥力操动机构的分闸金属斥力盘内产生与分闸线圈内励磁电流方向相反的感应电流，使分闸金属斥力盘朝着远离分闸线圈的方向运动，从而通过运动导杆和绝缘拉杆的传力，使动触头远离静触头移动；电磁斥力操动机构的合闸线圈中通以一定的脉冲电流，使得半永磁材料快速退磁，在分闸弹簧的作用下实现动铁芯向下运动，触头弹簧伸长，减小对运动导杆下移的阻力；在分闸即将到位时，利用液压变径缓冲装置进行缓冲；在分闸位置时，利用分闸弹簧进行分闸位置保持；2）合闸时，对电磁斥力操动机构中的合闸线圈通以反方向的电流，在提供合闸操作力的同时，对半永磁材料进行充磁，使得动铁芯克服分闸弹簧和触头弹簧的阻力而向静铁芯
运动，进行吸合，同时合闸斥力盘带动运动导杆上移，使动触头与静触头接触；在合闸位置时，基于半永磁材料的合闸状态/分闸状态保持装置利用磁记忆材料的剩余磁场提供合闸所必须的保持力，并且保持力通过触头弹簧传递至运动导杆，最终传至动触头处。

技术总结
本发明涉及一种中压快速机械开关及分合闸方法，其结构包括：真空灭弧室、绝缘拉杆、电磁斥力操动机构、基于半永磁材料的合闸状态/分闸状态保持装置和液压变径缓冲装置。电磁斥力操动机构可以使开关快速分合闸，基于半永磁材料的合闸状态/分闸状态保持装置可以在开关分合闸位置提供稳定的保持力，液压变径缓冲装置为开关分闸提供有效的缓冲。分闸时，电磁斥力操动机构和基于半永磁材料的合闸状态/分闸状态保持装置同时动作，电磁斥力操动机构分闸线圈电流到达峰值时间要大于基于半永磁材料的合闸状态/分闸状态保持装置分闸时的电磁斥力操动机构合闸线圈电流到达峰值的时间，使得半永磁材料快速退磁，有效降低磁吸力对于分闸带来的阻力。带来的阻力。带来的阻力。


技术研发人员：兰剑 刘博 武建文 冯英 肖风良 王承玉 李伟 李炜 罗佳旺 张瑞达 胡启昊
受保护的技术使用者：中国电力科学研究院有限公司 北京航空航天大学
技术研发日：2023.08.04
技术公布日：2023/9/23