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本公开揭示了一种永磁和斥力相结合的快速开关操动机构，包括：用于短路分闸的电磁斥力单元以及用于额定分闸、额定合闸的永磁保持单元。本公开还揭示了一种断路器，包括进线铜排、出线铜排、真空泡、操动机构、缓冲机构和支撑固定组件。本公开利用永磁机构和斥力机构相结合，在快速分闸时采用斥力分闸，在额定分闸时采用永磁机构分闸，合闸时可以采用永磁机构合闸，增加了高速操动机构的使用寿命。

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中压直流断路器是制约中压直流配网快速发展的关键瓶颈设备之一，其分断性能需要满足直流配网短路电流上升快、短路电流峰值高等特点，技术实现难度大。斥力机构具有响应时间短、分闸速度快和结构简单等优点，充分匹配直流系统的短路分断快速建立绝缘间隙的需求，广泛应用于中压直流断路器中。目前现有的研究大部分集中在2kA及以下电流等级的系统，5kA电流等级的系统涉猎较少，同时现有斥力机构机械寿命大部分在2000次以下，无法满足频繁使用场合对机械寿命的要求。本文在已有的研究基础上，提出了一种10kV/5kA直流断路器的双稳态永磁斥力机构，并针对永磁保持机构、斥力机构开展静磁学和动力学研究，并根据研究结果，搭建实验样机，完成了样机实验，通过实验验证了双稳态永磁斥力机构功能的可靠性。 首先，根据10kV/5kA直流断路器的分断需求，提出了一种双稳态永磁斥力机构的整体设计方案。根据电磁场理论，搭建了永磁机构部分的静磁学模型和动力学模型，研究了关键结构参数对静态保持特性的影响，选择20mm，15mm，40mm，25mm和60mm分别作为静铁芯厚度，永磁体厚度，永磁体宽度，动铁芯半径和动铁芯高度。通过永磁机构动力学模型的研究，确定了电容放电的驱动方案，并选择4mF电容，预充电压311V，限流电阻5Ω作为驱动电路参数。 其次，在永磁机构仿真的基础上，搭建了永磁斥力机构联合仿真模型，研究了关键结构参数和电路参数对快速分闸特性的影响。确定了线圈匝数17匝，线圈厚度2mm，线圈宽度10mm的线圈结构参数，以及驱动电容5mF和预充电压650-750V的电路参数。并通过实验测试，获得了油缓冲器的出力特性曲线，通过仿真计算确定了缓冲器安装位置应在距离机构分闸起始位置10mm处。 最后，根据仿真计算得出的参数，搭建了双稳态永磁斥力机构实验样机。设计了样机额定分闸实验，快速分闸实验和寿命实验的实验方案，获得了样机额定分闸特性曲线、快速分闸响应时间曲线和快速分闸特性曲线。对比实验结果和断路器需求，斥力机构分闸特性能够满足断路器额定分断和短路分断两种分断需求，样机具有6000次以上的额定分合闸机械寿命，能够满足断路器频繁分合闸的需求，验证了斥力机构样机方案的可行性。仿真结果与实验结果对比，均方根误差在8%以内，验证了仿真模型的准确性和实用性。

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双稳态永磁斥力机构 永磁保持机构 永磁-斥力联合仿真 直流断路器

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断路器通过分合闸操作保证电力系统的正常运行。目前中压永磁断路器相比传统中压弹簧操作断路器 在操作机构方面取得了很大的进步， 但是， 中压永磁断路器的控 制方式存在不可靠和不智能的弊端， 采用定期检修的方式存在无法及时发现断路器缺陷的问题，另外中压永磁断路器的继电保护存在规格型号多，性价比不高等问题。 因此，开发 具有 综合保护、在线监测和 智能控制功能 的 中压永磁断路器保护监测控制装置十分必要。 本文阐述了中压永磁断路器原理及动作特性，分析了操作线圈电流波形的形成过程，确定了评估断路器健康状态的机械特性参数，得出了中压永磁断路器保护监测控制装置的设计方案。装置的硬件基于分布式总线平台，以 Cortex M4 系列的微控制器为核心，设计了通用的 CPU 插件，另外，硬件设计还包含多功能切换电路、防误动的驱动 IGBT 电路、行程采集处理电路及操作线圈电流监测电路。装置的软件设计基于RT-Thread 嵌入式实时操作系统，采用分层和模块化的方法。研制的中压永磁断路器保护监测控制装置，不但实现了对中压永磁断路器的智能控 制及状态的在线监测，而且解决了目前中压继电保护存在型号种类多及调试维护复杂的问题。 为了验证研制的微机永磁机构 控制装置、微机断路器在线监测装置和微机综合保 护装置的准确性和可靠性，进行了基本性能测试、电磁兼容测试和动模试验，经过试验验证， 装置的所有性能指标均符合国 标 或行业标准的要求。

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分布式总线 微机综合保护 永磁机构控制 在线监测 中压永磁断路器

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随着直流电网技术的高速发展，混合式直流开关的应用愈加广泛，对混合式直流接触器的可靠性及寿命的要求也不断提高。机械开关作为混合式直流接触器的核心单元，其性能对提高混合式开关的可靠性和寿命有重要意义。本文对混合式直流接触器用永磁机构真空开关进行研究，采用了基于6 Sigma的设计方法对永磁机构真空开关的稳定性与可靠性进行了优化，并搭建实际样机进行了实验验证。 本文首先通过理论计算完成了混合式直流接触器用机械开关的结构设计，设计了一种基于单稳态永磁机构的紧凑型真空开关。其次通过有限元仿真软件分析了该机构的静态特性，建立参数化模型计算出电磁吸力和电感的三维网格数据。然后构建永磁机构动态特性的数学模型，通过MATLAB Simscape的多体动力学仿真平台分析了开关的分、合闸动态特性，完成了机械开关的初步设计。 研究了基于6 Sigma方法的单稳态永磁机构优化设计方法。基于6 Sigma设计方法，结合试验设计法对影响永磁机构工作性能和成本的结构参数及电气参数等因子进行多步优化。首先以合闸保持力为目标函数优化了结构参数，分析出影响显著因子和非影响显著因子，选取了最佳因子水平组合；再以动态特性最优为目标函数，优化激磁线圈参数，同时保证成本最低，最终得到了最佳的电容预充电压和线圈线径的参数；进一步对永磁机构进行了容差设计，确定了结构参数的合适容差，降低质量特性波动，以提高开关的可靠性，使容差设计达到了6 Sigma水平。 最后搭建了实验平台对机械开关样机的合闸保持力进行了测试和机械特性测试，通过实验验证了分合闸特性满足预期设计要求，并通过关断实验验证了真空开关样机能够满足混合式直流接触器的要求。

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6 Sigma设计 单稳态永磁机构 混合式直流接触器 容差设计 试验设计

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往复式迷宫压缩机是活塞式压缩机中科技含量最高的产品，它的活塞与气缸内壁、活塞杆与活塞之间均采用先进的迷宫封存结构。这种非接触式的结构使得往复式迷宫压缩机具有使用寿命长、气缸内清洁无杂质、运行安全可靠等优点。但是实际运行中，为了避免活塞由于偏心运行而与气缸之间产生碰撞，通常将活塞与气缸壁之间的单边间隙设计为气缸直径的1-2‰，这将会造成严重的气体泄漏。为解决这一问题，本文设计了一套基于永磁机构的磁悬浮控制系统，以实现对活塞的精确定心从而减小气隙的设计值。 本文首先介绍了往复式迷宫压缩机的运行原理及偏心特性，以此为设计依据提出了磁悬浮控制系统的整体设计方案。接着，本文详细描述了机械结构的设计过程，包括对迷宫压缩机结构的改造以及对永磁机构的设计优化，并且利用有限元法分析了永磁机构的磁场分布和力学特性。然后完成了硬件电路设计，包括功率电路和控制电路两部分，与机械装置共同组成磁悬浮控制系统的实验平台。针对该实验平台，本文设计了基于位移和电流反馈的两环PID控制策略，利用控制模型分析了各环的频率特性和动态响应曲线，并且采用特征根聚类法分析了反馈延时对系统稳定性的影响。根据两环PID控制策略，本文完成了DSP程序设计，详细阐述了主函数的流程以及PWM信号的输出原理。最后，本文在实验平台上测试了磁悬浮控制系统在扰动力作用下的动态性能，同时与仿真结果作比较。在控制模型的正确性得以验证后，再利用控制模型测试该控制系统对实际扰动力的抑制效果。 仿真和实验结果表明，施加本文提出的磁悬浮控制后，活塞杆的稳态偏心位移不到活塞与气缸壁之间单边间隙的4%；活塞杆在100N阶跃扰动力作用下的最大偏心位移仅占单边间隙的20%，在实际压缩机扰动力作用下的最大偏心位移占单边间隙的30%，不到实施控制前最大偏心位移的1/2。可见，本文设计的磁悬浮控制系统能够实现对活塞杆位移的精确控制，并且对其受到的径向扰动力有明显的抑制作用。

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PID控制 磁悬浮 偏心运行 往复式迷宫压缩机

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相控开关又称同步开关，基于其特殊的工作原理，可以有效抑制电路中存在的涌流及操作过电压现象，以保证电力系统性能稳定。其原理就是根据用电负载的不同，利用永磁机构的机械特性稳定性和分合闸过程的可控性特点，对开关的合闸和分闸过程进行控制，实现电压和电流最有利的相位角分合闸。尽最大可能消除关合并联电容器组、电抗器、空载变压器以及空载线路时产生的幅值、频率很高的涌流和过电压，避免对开关自身和电力系统其他一次设备的性能带来负面影响(如电气设备寿命缩短、绝缘击穿或破坏，继电保护的误动作), 实现电力系统的有效开断，提升用户电能质量和系统可靠性。 本文对目前智能化相控开关具体发展状况进行了详细的阐述，对于其具体工作原理进行了深入的分析。首先借助于12kV真空断路器，进行了真空相开关的总体设计，着重研究了单线圈永磁机构技术。随后针对相控开关的相关研究成果，结合当前已有的使用范围较广的元器件及编程技术，进行了12kV相控开关控制器的研制，研究了其实现的最佳算法。最后，完成12kV相控开关的性能测验，对于本文所研制的相控开关的各种性能参数进行了检测，详细记录了其检测过程。 同步开断技术的核心在于提取电压或电流过零点的时刻以及开关合分闸时间和相位延时的预算。本文采用FIR数字滤波器提高电压或电流的零点的检测精度，误差达到0.1ms，实时测量电压或电流零点信号的实际时间，作为后续操作的基础。建立自适应闭环控制系统，实时跟踪理想曲线，减小磁力机构在触头磨损等外界条件影响下动作时间的分散性，开关分合闸时间的分散性控制在0.2ms范围内。通过以上研究，最终所研制的12kV永磁机构相控开关的控制精度达到±18°。

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单线圈永磁机构 相控开关 真空断路器

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随着柔性直流输电的迅速发展，为了保障直流电网的安全运行，迫切需要可靠、快速的直流断路器。而操动机构的性能好坏直接影响着直流断路器的开断性能，因此本文针对高速电磁斥力机构展开研究。 本文提出了基于电磁斥力驱动、永磁保持的快速操动机构的总体设计方案，该方案利用电磁斥力实现分、合闸，利用单稳态永磁机构配合弹簧实现分、合闸保持。同时，利用油缓冲器与电磁缓冲相结合的方式来避免分闸速度过快所带来的冲击。 本文利用有限元软件ANSYS Workbench建立了一种电磁-结构耦合的仿真模型，计算出了保持力等各项静态参数，分（合）闸过程、电磁缓冲过程中的电流、电磁力等动态曲线。为了增加金属盘的结构强度，本文分析了金属盘的应力分布，并对其形状进行了改进。通过参数化分析，阐明了电磁斥力和满行程时间与各种因素（线圈匝数、结构尺寸、储能形式等）之间的关系。 针对机构运动过程中的碰撞问题，本文利用多体动力学软件Adams建立了电磁-机械运动耦合的仿真模型，对该碰撞过程进行了仿真研究。通过多物理场的耦合仿真分析，为之后设计电磁斥力机构的实验样机提供了理论依据。 基于以上电磁斥力机构的设计方案和仿真分析，本文设计完成了电磁斥力机构的实验样机，并针对机构的分闸、合闸和电磁缓冲过程分别开展了实验研究。通过将分（合）闸的实验结果与仿真结果进行对比发现，实验测量结果与仿真结果较为吻合。本文还通过实验分别探究了延时长短和充电电压高低对于电磁缓冲过程的影响。

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电磁斥力机构 电磁缓冲 多物理场耦合分析 直流开断装置

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随着微电网可再生能源系统的并网需求，为了实现微电网与传统大电网的无缝切换，对连接微电网和大电网系统的开关也提出了更高要求，需要它能够在故障电流的上升期实现快速分断，而采用传统灭弧方式的机械式交流断路器，分断周期通常在几十毫秒，分断能力和分断速度均难以满足。本文提出了一种新型低压交流限流高速开关总体方案，采用高速机械开关、电力电子器件和能量吸收元件并联组成，兼具机械开关可靠性高、通流能力强和固态开关动作速度快的优点，具有限流分断的功能，为进一步解决微电网并网的瓶颈问题起到推动作用。该高速开关适用于微电网与传统公共配电网的连接端口，也适用于其他场合下的两个低于690V 交流电网之间的连接。 首先，对新型交流限流高速开关总体方案的拓扑结构进行原理分析，结合系统电压690V、预期额定短路电流50kA的系统参数，在Simulink中建立三相仿真模型，针对不同故障工况下开关的分断性能进行验证，获得了关键元器件参数的影响规律，验证开关限流分断功能的快速性和可靠性。 随后，对交流限流高速开关的核心组成部件——高速机械开关进行设计，采用三相斥力-永磁组合式操作机构方案，其中额定分、合闸功能由永磁机构实现，故障快速分闸功能由电磁斥力机构实现。基于有限元分析软件Maxwell，对高速机械开关进行建模仿真，获得了它的运动特性，并归纳了可动部件质量、电容容值、电容预充电压、三相空间分布等基本参数的影响规律，为原理样机的搭建提供理论指导和参考依据。 最后，根据拓扑结构和高速机械开关的仿真计算结果，确定了交流限流高速开关原理样机的具体设计参数，搭建了满足设计指标的原理样机，并对原理样机分别进行了空载额定分、合闸，空载快速分闸，以及故障电流快速限流分断实验测试，获得了额定分、合闸时间、快速分闸机械延时、电流转移能力、快速限流分断时间等关键结果。将实验结果与仿真结果进行比较，验证了仿真模型的正确性。

Keyword ：

电磁斥力机构 微电网 限流高速开关 样机实验 永磁机构

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有载调压变压器是电网中重要的电器设备，随着智能电网的建设发展，电力系统对有载调压变压器也提出了更高的要求。有载分接开关作为有载调压变压器的核心部件，其结构性能的优化和功能的完善有着重要的意义，本文针对配电变压器小型化智能化的发展要求，设计了一种永磁操动机构控制的智能有载分接开关。 本文对有载分接开关的总体结构和接线方案进行了设计。通过对不同电路参数进行仿真，确定主回路使用的真空灭弧室型号，对其过渡电路中过渡电阻的阻值进行了理论分析与计算。 本文完成了智能有载分接开关控制器的硬件设计以及软件的开发。控制器以DSP28335为核心，从变压器二次侧取电，用整流电路对电容充电，并用AC-DC电源模块给CPU供电，对控制板的电源模块做出了系统的分配，将控制板的电源侧和主电路模块进行了电气隔离，设计了电容充电回路、电压电流测量电路以及MOSFET驱动与过电压吸收电路，对控制板的控制信号进行了测量与分析。应用FIR滤波对AD采样结果进行处理，设计了相应的选相控制分合闸程序。 对永磁机构分合闸进行实验，确定了分闸操作采用单脉冲信号，合闸操作采用双脉冲信号，实现了预期的分合闸速度。分析了电容电压、弹簧反力对分合闸时间的影响，对永磁机构分合闸操作时的过零点预测进行了实验，确定了最佳的分合闸控制策略，使永磁机构在过零点进行分合闸控制。 对智能有载分接开关样机进行实验。结果表明，能在系统预测的过零点可靠分断相应电路，使有载分接开关切换到相应的分接头，达到了预期的设计要求。

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变压器 控制器 永磁操动机构 有载分接开关

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真空断路器以其体积小、寿命长、环境友好、免维护、适应恶劣工况等诸多优点，已在3.6~40.5 kV中压配电领域得到广泛应用，并正在向输电等级（72.5 kV及其以上电压等级）发展。操动机构是真空断路器的关键驱动部件，其性能好坏直接决定了真空断路器的总体性能指标。永磁操动机构因其结构简单、可靠性高、操作寿命长、与真空灭弧室配合良好等特点而受到关注。目前永磁机构的研究主要集中在中压（3.6~40.5 kV）领域，126 kV真空断路器因要求操动机构需要更长的运动行程（80 mm左右）、更高的运动速度（刚分速度＞3.0 m/s）、与灭弧室良好配合，仅依靠传统的永磁机构和控制方法难以满足要求。因此，为实现永磁机构在输电等级真空断路器中的应用，本文针对126 kV真空断路器新型永磁操动机构设计和控制方法进行了深入的研究。 针对126 kV真空断路器长行程、高速度的要求，提出了一种适用126 kV真空断路器的新型分离磁路式永磁操动机构，通过将永磁保持部分和电磁操动部分磁路进行分离，减少了两部分磁路在工作时的相互干扰，有效提高了机构保持力和运动速度；采用非工作气隙设计，使永磁保持力在机构运动后迅速降低，减少了保持力对机构动作的影响，进一步提高其分闸速度；以动触头刚分速度最大为目标确定了动铁芯质量，建立了新型机构的电磁场-运动参数化动态仿真模型，分析了永磁机构设计参数对其静态以及动态特性的影响，并对其可靠性进行评估。设计得到断路器在保证所需的分合闸保持力的同时，触头刚分20 mm开距内平均速度V1达到3.3 m/s。计算结果表明，该新型机构能获得较高的刚分速度，满足了126 kV真空断路器长行程、高速度的要求。 基于电弧模式的分闸特性理论，以及同步操作和预击穿电弧能量对合闸特性的要求，提出了永磁机构双线圈变电流控制方法，通过计算双线圈不同通电时间、不同通电时长下的机构分合闸特性，得到双线圈变电流控制策略下断路器分/合闸速度与通电时间的函数关系。对于分闸过程，在保证短燃弧平均分闸速度V1≥3.3 m/s的情况下，长燃弧平均分闸速度V2可在2.9 ~3.2 m/s范围内调整；对于合闸过程，合闸速度VC可在1.8~2.9 m/s范围内调整。通过双线圈变电流控制方法，实现了机构分合闸速度的灵活调整，满足了126 kV真空断路器长行程条件下与真空电弧特性相匹配的分合闸速度特性。 提出了基于云理论的永磁机构动作时间预测方法，建立了多因素影响的永磁机构动作时间二维云预测模型，综合反映了电容初始电压、电容容量和环境温度等影响因素对机构动作时间的非线性影响。采用模拟退火算法实现了对云预测模型参数的智能优化，并利用仿真所得样本数据对该预测模型进行验证。实验结果表明，基于模拟退火算法的二维云理论预测模型得到的机构动作时间误差在0.05~0.92 ms范围内，该算法实现了在较小数据样本条件下的高精度预测，满足了断路器同步操作的要求。 在对所提出的新型永磁机构的设计与分析的基础上，研制开发了126 kV真空断路器新型分离磁路永磁操动机构及126 kV智能单相开关，设计开发了集开关状态检测、网络通讯、选相分合闸等功能于一体的智能控制器。实验研究了该新型机构的静态特性、动态特性、碰撞特性和选相控制方法。实验结果表明该新型操动机构满足126 kV智能真空断路器长行程、高速度和同步操作的要求。

Keyword ：

分离磁路 控制方法 永磁操动机构 真空断路器

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