永磁机构真空断路器的优缺点.doc

    一、永磁操动机构不同类型及构造的比较永磁操动机构真空断路器尽管被公觉得中压开关的换代产品，代表了中压开关发展的方向，但是由于存在着不同构造和原理的永磁机构真空断路器，因而在其应用过程中也存在着是是非非在永磁机构断路器的研究和应用领域，从最初的永磁机构操动原理派生发展出来了多种不同原理和构造的永磁操动机构，归纳起来可以分为两个类型：单稳态永磁操动机构和双稳态永磁操动机构其中双稳态永磁操动机构的工作原理为分闸与合闸及保持都*永磁力；单稳态永磁操动机构的工作原理为在储能弹簧的协助下迅速分闸，并保持分闸位置，只有合闸保持*永磁力  从世界上第一台永磁真空断路器投入商业运营，到目前已超过综合比较多种构造永磁真空断路器的应用状况，可以看到单稳态永磁机构真空断路器通过电磁合闸、永磁保持及弹簧分闸，克服了弹簧操动机构和双稳态永磁操动机构断路器的局限性之处，综合体现了弹簧操动机构和磁力操动机构与真空灭弧室出力特性的良好配合，具有优秀的机械特性及电气特性，能给出合适的合闸速度和分闸速度并且，单稳态机构断路器所需的操作功率与双稳态构造断路器相比明显减小，这种构造的断路器具有更长的使用寿命和更高的可*性。

这项技术稳定地发展到今天，已成为能经受住时间考验的成熟技术但是，在中国国内的应用推广上，由于某些较早进入中国市场的国际出名大公司选择了双稳态构造作为真空断路器的研发方向，且不管这种选择与否恰当，都  在一定限度上对中国市场，特别对中国国内的生产公司起到了引导作用今天，我们所看到的中国公司自行开发的永磁真空断路器都是双稳态构造的双稳态永磁机构在中国问世以来，在实际应用中也浮现了某些问题，其中，有些问题来自设计缺陷，有些则是产品质量问题；但是这些问题的浮现给整个永磁机构的应用带来了某些阴影   左上图中黄色部分为老式弹簧操动机构真空断路器的外形及构造简图，绿色部分为单稳态永磁真空断路器，右上图为双稳态永磁真空断路器从中可以看出，双稳态永磁真空断路器并没有解决老式弹操断路器机械零部件和传动部件过多的问题下面列表分析单稳态永磁操动机构真空断路器与双稳态永磁操动机构真空断路器的特点，但愿能为中国的开关顾客和制造公司提供一点启示：    单稳态永磁操动机构真空断路器    代表产品：ISM         特点            1）尖端材料科研成果，非NDB，稳定性不受充磁、去磁过程或温度变化影响    2）操作所需要的能量小，合闸50W，分闸能量不不小于1焦耳    3）电磁合闸、永磁保持、弹簧分闸，刚合速度和刚分速度均为最大    4）每相一种操动机构；完全直线运动，传动效率最高    5）构造简朴，直动式断路器，可全面克服机械故障    6）可以手动分闸    7）不能进行手动合闸    双稳态永磁操动机构真空断路器    代表产品：大多数永磁机构断路器                 特点            1）从原理上可以实现手动合闸    2）只能使用矫顽力不小于106 Am的稀土材料NDB。

铁芯材料需使用价格较贵的硅钢片生产成本高    3）构造复杂，零件较多，不能完全克服机械故障    4）分闸操作与合闸操作耗能相似，都比较大    5）分闸操作与合闸操作及保持都*永磁力，难以解决分闸速度呈马鞍形问题；与真空开关的负载特性不匹配        二、单稳态永磁真空断路器原理及构造简介            2、1单稳态永磁真空断路器操动机构的原理       2、1、1构造设计         新一代的单稳态永磁机构尺寸非常小，每相一种操动机构，这项成果被视为中压真空开关诞生以来该领域中浮现的最大突破下图为三相独立单稳态永磁机构的构造设计      三相独立单稳态永磁机构的构造设计         2、1、2工作原理          单稳态永磁操动机构的运动部件在目前所有操动机构中至少，并且完全直线运动，因此可将机械部件的磨损减到最小，故障率降到最低机构的中心部分有两块软磁性合金材料，可提供超过230kg的触头压力合闸位置时，依*闭合磁路产生的触头压力将机构保持在合闸位置，磁轭将单线圈封在中间，线圈为机构操作提供能源    （1）合闸操作          在分闸位置，真空灭弧室的动触头由与驱动绝缘子连接的分闸弹簧保持在分闸位置。

需要实行合闸操作时，控制模块内的合闸电容器向机构线圈内注入一种脉冲电流，当动静触头接触后，动触头停止运动，但动铁心继续运动2mm，压缩触头的压力弹簧动铁心和磁轭之间通过磁力实现锁扣，这时线圈电流进一步增大，磁性材料的磁通达到饱和状态因此，在合闸位置切断控制模块发出的线圈电流时，此饱和磁通使动铁心保持在合闸位置动铁心运动的同步使分闸弹簧储能，为下次分闸操作做好准备    （2）分闸操作         分闸操作时，控制模块内的分闸电容器向机构线圈注入一种反向脉冲电流，时间为15~20ms该电流对机构中心的磁性材料产生部分消磁作用，减小了合闸保持力，这时已储能的分闸弹簧和触头压力弹簧的反向力使动铁心释放，向分闸方向加速运动，最后*分闸弹簧保持在分闸位置    如上图所示，ISM型单稳态永磁操动机构真空断路器的所有开关元件轴向对称布置，均为直线运动，省掉了电机、齿轮、连杆、链条和机械锁扣等零件    对真空断路器的故障记录分析显示：75%的断路器故障为机械故障三相独立机构的使用是单稳态永磁机构断路器最重要的长处，机构和真空灭弧室之间的大部分机械连接元件被去掉了，只剩余一种活动部件，相对于老式断路器至少有上百个活动零部件来说，它几乎完全消除了产生机械故障的也许性。

ISM进入中国市场几年来，在中国运营的单稳态永磁机构断路器已达到数千台，未发生过一例机械或电气故障    而多数双稳态永磁操动机构真空断路器与老式真空断路器同样，由一种机构操动三相开关，必须使用传动件；在元件布置上只是用永磁机构替代了弹簧机构，拐臂连杆等传动机构并没有取消，无法实现完全直线运动，因此不能全面消除机械故障的产生    2、1、3电气控制         任何永磁机构都需要一种合适的电子控制单元，其作用是为机构线圈提供合适能量，并实现防跳、闭锁以及与开关设备的接口等功能作为断路器的一部分，控制单元同样需要高可*性，设计原则；精选元件，特别是分合闸电容器；制造原则；软件测试等几方面保证其质量其中，分闸电容器与合闸电容器作为储能元件是最重要的，其寿命重要受温度影响此外，断路器的低能耗设计也是保证电容器长寿命的一种因素，单稳态永磁机构断路器控制模块注入到操动机构线圈的最大合闸电流峰值只有10A（20kA型）、17A（31.5kA型），分闸电流只有1A    2、2单稳态永磁机构断路器的真空灭弧室技术         由于要与可*性高、寿命长并适于频繁操作的永磁操动机构相匹配，真空灭弧室性能的改善显得非常迫切。

既需要提高其对故障电流的开断能力，又需要改善其在负荷电流下的可*性ISM型单稳态永磁机构断路器的真空灭弧室在触头系统设计和密封性能两方面实现的突破性改善，使其在可*性和使用寿命上完全与其操动机构的性能相匹配          在真空灭弧室中运用纵磁场得到最优化的阴极斑点分布        纵磁场能改善真空电弧在触头表面的分布状况，减轻触头在电弧下的烧蚀限度真空电弧可被视为具有巨大能量的放电现象，它能将触头表面严重烧损，只有使电弧迅速而均匀地分布在触头表面，将触头表面上每个点的电流密度降至最低，才干最大限度地提高真空灭弧室触头系统的性能    （1）均匀纵磁场下的大电流真空电弧           1967年，Ito和Okura第一次提出了有关纵磁场在控制大电流真空电弧上的应用，实验中发现，采用纵磁场分布的真空灭弧室的开断能力可以明显提高（约提高50%~100%）          更多的研究显示，纵磁场控制电弧的能力依赖于磁场的强度如果磁场太弱，阴极斑点不稳定，甚至会脱离触头的水平表面；但磁场太强时，阴极斑点则不能分布于整个触头表面；只有当对于磁场强度达到一定区间值时，阴极斑点才干分布于整个触头表面。

上图为特瑞德的研究人员在真空灭弧室中运用纵磁场得到最优化的阴极斑点分布示意图    （2）非均匀纵磁场下的大电流真空电弧        商业用真空灭弧室始终致力于非均匀纵磁场的研究初次将纵磁场应用于真空灭弧室产品是在20世纪70年代80年代初期发现了非均匀纵磁场对真空电弧的影响大量对不同磁场构造的实验显示，在特定电流和磁场构造下，无论磁场强弱，阴极斑点都会移动研究发现，触头边沿部位具有类似磁屏障的强磁场，触头中心区域强度最弱的磁场构造是最优化的磁场构造，通过测量触头阴极电流密度而得到证明此外，在电极的中心区域不需要纵磁场来限制阴极斑点及稳定电弧    （3）具有纵磁场构造和最佳触头材料的真空灭弧室          要将上述研究成果应用到真空灭弧室产品中，还需要做许多工作，涉及拟定最佳的触头形状、选择最适合的触头材料等触头形状能决定纵磁场的构造，并因此决定电弧的分布触头材料则要同步满足真空灭弧室苛刻的电气性能规定和机械性能规定例如，触头材料应具有极强的抗熔焊性能，因此它需要具有良好的导电性能和较低的熔焊机械强度；同步又规定触头材料具有较高的非电气性能（这一点在很大限度上与机械强度有关）；还需要它具有良好的导热、导电性能以提供高开断能力。

          特瑞德通过研究发现，几种不同材料相配合产生的特殊合金材料可满足以上规定运用这种合金触头生产的真空灭弧室，在额定电流下的开断次数很容易达到10万次以上，在额定短路电流下能开断100次    （4）通过创新设计和工艺提高金属波纹管的真空密封性能         除触头系统以外，金属波纹管的密封性能是决定真空灭弧室寿命的另一种重要因素老式的金属波纹管由不锈钢冲压而成（如下图(a)所示），在灭弧室的分合过程中，极高的加    波纹管构造比较              速度会对波纹管产生巨大压力，波纹管因疲劳产生漏气是目前真空灭弧室故障的重要因素    ISM 单稳态永磁真空断路器所用的波纹管由一组不锈钢环片在内侧和外侧交替焊接而成采用这种设计的波纹管，在分合操作过程中机械应力均匀分布到整个环片上，单点受到的压力大大减小（如上图(b)所示）这项技术的应用，不仅使真空灭弧室实现外型小巧，并且其额定机械寿命可达到15万次         2、3 单稳态永磁操动机构断路器的总结         这种新型的永磁操动机构断路器可以被描述为一种不需要机械控制和闭锁的单稳态开关对于这种构造，可以容易实现机械操作次数10万次以上，同步不需要任何维护。

          这种操动机构与一种基于微解决器技术的控制模块配套使用，控制模块的作用是为操动机构提供能量，并提供断路器所必须的电气接口；同步，控制模块还具有实时监控功能并易于和SCADA系统结合           使用先进触头及波纹管系统设计的独特真空灭弧室，完全可以和操动机构的长寿命、高可*性相匹配    新型单稳态永磁操动机构断路器的应用，可以使配电系统在可*性大大提高的同步，成本也得到减少这种断路器几乎合用于所有场合，涉及需要断路器进行频繁操作的状况，如操作单组电容器和电弧炉等           采用这种运动轨迹简朴的断路器可以使设备的可*性明显提高，维护工作显然越来越不必要；特瑞德电气因此乐意提示顾客朋友考虑将这种断路器应用在固定式开关柜里，不仅可以避免因抽出触头故障产生的问题，并且还可以提高空间的运用效率         在中国，已有为数不少的开关公司运用单稳态永。