关于永磁真空断路器的应用

张惠军 马文清

1金山热电厂；2内蒙古第一电力建设工程公司

关于永磁真空断路器的应用

张惠军1马文清2

1金山热电厂；2内蒙古第一电力建设工程公司

目前常用的真空断路器一般均采用弹簧储能操作机构代替了以前的电磁操作机构，但由于弹簧储能操作机构结构复杂、零件较多，使机构故障成为断路器故障的主要原因。永磁机构的出现，克服了弹簧储能操作机构这一缺点，使断路器的使用更加安全稳定。

永磁；断路器；应用

引言

世界第一台真空断路器是美国GE公司于1961年研制成功的, 由于其采用了真空灭弧的特性，使断路器结构变得简单，体积减小，产品得到迅速地推广和发展。随后，在国际上逐渐形成了以ABB公司的VD4，德国西门子的3AF、3AG及3AH、日本三菱电机VRP、施耐德EV12S为主的一系列国际品牌。在我国电力工业上,真空断路器也逐渐取代了少油断路器。同时真空断路器的生产在引进技术的基础上，产品逐渐国产化，形成以VS1(ZN63A)、.ZN28等为主的一系列品牌产品。

1 存在的问题

由于现代科技的高速发展，触头的结构和材料不断研制，使真空灭弧室的性能和开断能力有了很大的提高，同时灭弧室用环氧树脂完全浇注成一体这一固封化技术的使用，使断路器真空灭弧室的故障率不断地减少，其电寿命得到充分保证。而在此同时，与之配合的操作机构的机械寿命及可靠性就成了影响真空断路器的突出问题。目前，真空断路器75%以上的故障出自于操作机构上。

断路器触头的分、合动作全是通过操动机构来实现的，因此操动机构的工作性能和质量的好坏，严重影响着断路器的工作性能和可靠性。目前常用的操作机构大多是弹簧储能机构，它是利用已储能的弹簧为动力使断路器动作的操动机构。弹簧储能是由电动机通过减速装置来完成。整个操动可分为弹簧储能、合闸、合闸维持和分闸四个过程。但缺点是结构比较复杂，零件数量多(约为200个)，且要求加工精度高，制造工艺复杂，成本高，机构的可靠性不易保证。

电磁操动机构的优点是结构简单，但其缺点是合闸线圈消耗的功率太大，触头的压力较小，加上机构的笨重，振动大，动作时间较长，要求用户配备价格昂贵的蓄电池组等。

2 永磁操作机构结构及原理

在1989年英国曼彻斯特大学系统与能量组设计出了第一台永磁操动机构模型起，永磁操动机构就成了世界各国开发的热点。永磁操动机构的显著优点是：结构简单零部件少，可靠性高及操作能耗小。

永磁操作机构是在电磁操作机构上进行研制的，是将永久磁铁应用于操动机构中，取代了传统的锁扣装置。ABB公司，在1997年开发了一种新型利用永磁操动机构的VM1型真空断路器。操动机构是永磁方形双线圈结构，这种真空断路器分合闸位置的保持是通过永久磁体来实现的机构，称为双稳态永磁机构。

而只有合闸位靠永磁体来实现的机构称为单稳态永磁机构。其机构的特点是：合闸、合闸保持和分闸的磁路是分开的，只有合闸位置靠永磁体保持，机构的终止位置是分闸位置，分闸操作仅靠开关触头的弹簧力和分闸弹簧力，通过合闸线圈使之释放能量。

图1 永磁断路器总装图

图2 永磁操作机构图

我们就以双稳态机构说明永磁机构的工作原理，其结构如图：缘拉杆 7 主轴 8 行程调节器 9 开关位置检测传感器子 10 合闸线圈 11 永铁芯 12 动磁铁 13 分闸线圈 14 手动紧急分闸装置 15 永磁机构外壳 16扭簧 17螺母 18合闸导向杆 19限位块20合闸导向杆 21分闸导向杆

工作原理：

当机构接到合闸命令时，合闸线圈10通过电流，产生磁场，在磁路上部抵消了永久磁铁11的磁力而使动铁芯12向下运动。当运动到约一半行程后，由于下部气隙减小，永久磁铁11磁力线转移到下部，形成了合闸线圈磁场与永磁磁场同向的情况，进而使动铁芯12加速向下运动，使合闸导向杆18、19向下运动，通过主轴7,带动绝缘拉杆6向上运动使断路器达到合位。当合闸电流消失后，永久磁铁11仍将动铁芯12保持在合位的稳态位置。在动作过程中，永久磁铁的磁力线在动铁芯中既可向上走，也可向下走，它总是随着上下部气隙大小而改变方向，这使合断路器后行程得到了加速, 同时永久磁铁11在行程完成后将动铁芯牢固地吸在分或合的位置。分闸过程与上述情况相反。这样,机构在控制线圈不通电流时它的动铁心有两个稳定工作状态，(合闸和分闸)。也称双稳态电磁机构。

如遇紧急情况，可用手动紧急分闸装置14强行将动铁芯往上拉，进行手动紧急分闸。

机构中的永磁材料采用钕铁硼，其具有磁性能高、稳定可靠、耐高温及耐冲击等特点，磁体磁性能非常稳定，线圈产生的磁场远不能使永久磁铁退磁。抗衰减性能强。

控制原理：

（1）、信号处理单元：是机构逻辑控制的核心，它接受各种电信号，如断路器的关合指令、关合状态、输入输出电压及指令控制单元的外部控制指令等，通过逻辑判断发出相应的指令，包括给出防止断路器“跳跃”的闭锁措施。如遇系统发生短路、过电流、欠压等故障，它发出故障信号和相应指令。

同时进行输入输出电压的检测，保证以稳定的电压向电容器充电，充电放电过程控制均由该装置完成。

（2）、控制单元：接受信号处理单元的指令，对电容器组进行充放电，并对电容器组状态信息反馈给信号处理单元。

（3）、电容器组：是断路器分合闸的储能单元，直接供给分合闸线圈电源。其特点是充电电流小(2A以内)，时间短（10s以内），对滤波、稳压要求不高，还能经受短路的冲击，可放电到任意电压不受损害。

3、永磁操作机构的特点及应用

从永磁机构的结构上可看出，其元件极少，动作过程简单，用其做的开关零件比弹簧机构减少80%，从而保证运行中的故障率极低，基本可达到免维护。另外其寿命特长，超过十万次。

随着可编程元件技术的发展，及在信号处理单元上的应用，永磁机构断路器其控制、保护可集中在断路器上实现。

同时信号处理单元中电子同步控制器能利用同步过零技术分合断路器的动作过程实现精确过零分合，防止在分合空载变压器、电容器或空载线路时，可能产生幅值很高的涌流和过电压，引起保护误动和系统不稳定。这是弹簧储能机构断路器所不能完成的。

目前，国内已具有生产永磁机构的能力，并在中压真空断路器上得到成功的应用。各个断路器厂家，在使用传统的弹簧储能机构的同时，纷纷也在采用不同的控制方法及手段实现向永磁机构方向的发展。在与弹簧机构并驾齐驱同时，逐步成为主流产品。

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.09.075