永磁真空断路器的研制总结

丁立科

摘 要：永磁操动机构体积小、结构简单、操作可靠、免维护、使用寿命长，所以，被广泛应用于真空断路器中。分析、计算了12 kV永磁真空断路器操动机构的磁场和操动力，在此基础上研制出了12 kV永磁真空断路器样机，并做了机械特性试验。通过对比、分析永磁机构的机械特性理论值和样机实测数据，明确了双稳态永磁操动机构与单稳态永磁操动机构的主要差别、永磁机构优于其他机构的地方。

关键词：永磁操动机构；断路器；机械特性；分合闸线圈

中图分类号：TM561.6 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.02.110

随着科学技术和我国电力系统的迅猛发展，社会各界对电力网络的安全性和可靠性提出了更高的要求，这是科学技术的进步和人类社会的发展对电力系统的需求。作为电力系统的主要开关元件——断路器，它既要实现正常电流的关合与分断，还要能切断过载、短路等故障电流。因此，断路器的可靠性主要表现为其使用量大、面广、操作频繁。真空灭弧室和操动机构作为断路器的核心部件，其性能是关键。近几年，电磁操动、永磁保持、电子控制的操动机构备受大家的关注。要想提高操动机构的可靠性，就要取消一些机械装置的脱、锁扣环节，采取永久磁铁实现终端位置的保持，进一步减少动作元件和零部件数目，为保证断路器的可靠性奠定基础。这种机构被称为永磁操动机构，被广泛应用于真空断路器中。

1 双稳态永磁断路器操动机构

1.1 工作原理

永磁断路器操动机构按照终端位置的保持方式可分为双稳态和单稳态2种。双稳态永磁机构的动铁芯处于终端位置，它依靠的是永磁体产生的磁力保持，不消耗其他任何能量；单稳态永磁机构合闸位置由永磁体磁力保持，分闸位置由弹簧保持。所谓“双稳态”，是指在分合闸时，动铁芯的动力由分合闸线圈的励磁提供；单稳态是指在分合闸时，动铁芯的动力由同一个线圈的励磁提供，只是改变线圈中电流的方向而已。本文主要介绍了12 kV真空断路器的永磁操动机构，它采用的是圆柱形双稳态结构。单稳态机构与其原理相似，只作简单的介绍。

1.2 磁缸

永磁机构的动力源及其驱动都来自磁缸，它是永磁机构的核心部件。双稳态永磁机构磁缸剖面如图1所示。永磁操动机构工作的基本原理是电磁操动，与弹簧操作机构不同，它是使用永磁体实现合闸和分闸保持（只用永磁体作合闸保持而不作分闸保持，即单稳态机构）的一种新型电磁操动机构；与传统断路器电磁操动机构相比，它充分利用了永磁铁的磁场。当断路器处于合闸或分闸位置时，线圈中无电流通过，永磁体通过动、静铁芯提供的低磁阻抗通道及其自身的磁场将动铁芯维持在合闸或分闸位置，不需要任何机械联锁、闭锁机构。当有动作信号时，分合线圈会产生相应的电流，产生的电磁动势使动铁芯和驱动杆动作驱动拐臂，实现断路器的合分闸。

1.3 分合闸磁场分布情况

当永磁断路器处于合闸（分闸）位置时，线圈无电流通过，永磁体利用动、静铁芯提供的低磁阻抗通道将动铁芯保持在合闸（分闸）的位置。分闸（合闸）的动作指令下达后，向分闸（合闸）线圈中通入电流，从而产生与永久磁体方向相反的磁通。当其达到一定值时，动铁芯会动作，实现分闸动作或合闸动作。将永磁场与线圈磁场叠加产生了如图2、图3所示的机构合分闸保持状态时的磁场（磁场为轴对称模型，图示只显示了1/2磁场线分布情况）分布示意图。

由图2、图3所示的磁场分布疏密程度可知，在合闸和分闸的过程中，先要利用合分闸线圈通电产生的电流构建磁场。通过线圈产生的磁场力（磁场力大于机械压力和永磁铁保持力之和）使得动铁芯运动。当动铁芯在一定位置（动铁芯与静铁芯上下间隙相同）时，永磁铁产生的磁场会从原来阻碍动铁芯运动转变为加速动铁芯运动。动铁芯在整个过程中做变加速运动。在合闸、分闸这两个状态下，可利用动铁芯与静铁芯之间的低磁阻抗磁路来保持合闸和分闸两种状态。

2 永磁断路器

2.1 工作原理

永磁断路器控制和工作原理如图4所示。储能电容储能后，通过控制器发出分合指令操作断路器的开断。在永磁操动机构的作用下，测试真空断路器的动态性能时，可将测试电路接在固封极柱处。在试验中，可利用机械特性测试仪显示出动铁芯位移与时间的关系图、分合闸速度等所需的断路器机械特性数值。通过分析这些数值是否符合断路器工作特性来改进断路器机构，从而设计出合理的设备。储能电容为合分闸线圈所共用，同样原理，合闸、分闸线圈可以各自使用一个储能电容分别连接在合闸、分闸线圈的支路上。

2.2 机械特性

通过测试研制的样机可知，在永磁操动机构的作用下，真空断路器的分闸、合闸速度与理论值有一定的差距。如果真空断路器的分闸、合闸速度不到位，就要作适当的调整——设计分闸弹簧。在动铁芯运动的过程中，分闸弹簧的作用是为动铁芯提供动力，并与分闸线圈励磁产生的分闸力一起作用于动铁芯，实现分闸操作；在合闸操作中，分闸弹簧始终为动铁芯施加阻力。除了使用弹簧外，也可以使用缓冲器来满足相关要求。将缓冲器布置在断路器的不同位置可以减缓合闸的速度，提高分闸速度，或是提高合闸速度，减缓分闸速度。

对比、分析试验测出的速度值与设计要求值可知，当合闸速度较慢、分闸速度较快时，需要加快合闸速度，适当降低分闸速度。另外，可以调整分闸弹簧的参数，从而转变分闸、合闸的速度。第一种方案是维持原分闸弹簧的高度和圈数，只改变分闸弹簧的线径。这是因为在其他条件不变的情况下，不同线径的弹簧伸缩相同长度时提供的力是不同的。分闸弹簧力的变化对改变分闸、合闸的速度有一定的影响——减小分闸弹簧的力，可以降低分闸速度，提高合闸速度。第二种方案是调整分闸弹簧的安装位置，通过减小分闸弹簧的预紧力来减小分闸弹簧的力。减小分闸力时，合闸力就会相应升高，以达到调节的效果。相反，当合闸速度较快、分闸速度较慢时，需要降低合闸速度，适当提高分闸速度。方法与方案一相反即可。

断路器机械特性参数测试的结果证明，研制的样机达到了12 kV户内真空断路器的设计要求，并且其永磁操动机构的配置是正确的。但是，样机测试数据也反映了双稳态永磁机构在分闸特性方面的不足，即分闸线圈与合闸线圈匝数不同，而磁缸分合闸位置对称；两线圈匝数一样，而磁缸分合闸位置不对称。这种不足可以采取改进内部零部件和优化磁回路的方法来解决，即合理改进永磁断路器核心部件磁缸，以满足灭弧室的分闸要求。总体来讲，改变分合闸的磁场分布能够满足断路器的工作要求。

3 结束语

对比、分析了试验样机所测数据可知，单稳态永磁操动机构与双稳态永磁操动机构的主要区别是：在相同的传动机构下，前者所需的保持力比后者要大，这样不利于减小机构和永磁体的尺寸。合闸时，两种机构动作特性很相近，分闸时，它们又存在较大的差异。双稳态永磁操动机构与断路器的负荷特性不同，单稳态永磁操动机构的分闸速度特性与弹簧操动机构较为相似，刚分点前加速，刚分点后减速，并且其分闸特性不易受电参数的控制。综上所述，双稳态永磁操动机构和单稳态永磁操动机构各有优劣。

与其他断路器机构相比，永磁断路器机构有很多优点，具体有：①利用双线圈分别控制分闸、合闸操作，即合闸线圈只控制合闸操作，分闸线圈只控制分闸操作，从而提高双稳态双线圈机构运行的可靠性。②正确设计磁路（合理设计断路器磁缸中分合闸线圈、永磁铁、动铁芯的尺寸和外形结构），增大分闸、合闸的保持力，降低分闸、合闸时对线圈电流的要求，从而减小能耗。③磁缸底端与主轴拐臂相连，而主轴同时控制三相灭弧室。这样做，不但保证了分合闸操作时三相的同期性，控制了首开相的燃弧时间（1 ms内），还简化了传动链，无需设置机械脱、锁扣装置，从而减少了故障源。④整个机构比弹簧机构的机械零部件要少，但其整体可靠性却大大提高了。与传统的电磁机构和弹簧机构相比，永磁断路器机构的机械寿命高达10万次以上，至少提高了3倍以上。⑤由于永磁机构比其他机构的机械零部件要少，而且现代电气元件也越来越小，所以，可以极大地缩小永磁断路器机构的外形尺寸，使其逐步朝着小型化机构的方向发展。⑥由于永磁机构有电磁场及其永磁场的存在，因此，它在向智能化发展的同时需要更好的结构基础和环境基础作保障。

参考文献

[1]李岩，王胜辉，林莘，等.永磁操动机构设计与分析软件[J].高压电器，2003，39（1）.

[2]林莘.永磁机构与真空断路器[M].北京：机械工业出版社，2002.

[3]裴海鹰.永磁机构与真空灭弧室运动特性的匹配分析[J].机械研究与应用，2007，20（2）.

[4]刘文胜，庹民红.永磁操动机构真空断路器的工作原理及应用前景[J].长江工程职业技术学院学报，2011，28（27）.

〔编辑：白洁〕