我看永磁機構真空斷路器的是與非
王月 特瑞德電氣北京代表處
永磁機構已在我國制造部門和運行部門形成了熱潮，國家電網公司在“關于發布《國家電網公司重點應用新技術目錄》的通知”（國家電網科（2006）323號）中明確將永磁操動機構、小型化、免維護的真空技術列為配電與用電的新技術應用方向。
在2006年3月出版的《高壓開關》雜志上讀到大連電業局李陽修老師的文章《再談永磁機構問題》，從中看到這項技術在我國的應用與世界先進水平之間還存在著一定的差距。
因為工作原因，我有幸接觸到了永磁操動機構真空斷路器這一領域中的世界前沿技術，特瑞德電氣的單穩態永磁真空斷路器ISM，它的磁性材料配方和設計結構來自于前蘇聯軍事實驗室的尖端科研成果，不僅體現了這項技術的普遍優越性，而且是目前世界唯一的全部直動式操動機構的中壓真空斷路器，具有特殊的長壽命和高可*性。
下面根據李老師在文章中列舉的永磁機構在運行中的問題，談一點自己的淺顯認識：
一、永磁操動機構不同類型及結構的比較
永磁操動機構真空斷路器盡管被公認為中壓開關的換代產品，代表了中壓開關發展的方向，但是由于存在著不同結構和原理的永磁機構真空斷路器，因而在其應用過程中也存在著是是非非。
在永磁機構斷路器的研究和應用領域，從最初的永磁機構操動原理派生發展出來了各種不同原理和結構的永磁操動機構，歸納起來可以分為兩個類型：單穩態永磁操動機構和雙穩態永磁操動機構。其中雙穩態永磁操動機構的工作原理為分閘與合閘及保持都*永磁力；單穩態永磁操動機構的工作原理為在儲能彈簧的幫助下快速分閘，并保持分閘位置，只有合閘保持*永磁力。
從世界上第一臺永磁真空斷路器投入商業運行，到現在已超過17年。綜合比較各種結構永磁真空斷路器的應用情況，可以看到單穩態永磁機構真空斷路器通過電磁合閘、永磁保持及彈簧分閘，克服了彈簧操動機構和雙穩態永磁操動機構斷路器的不足之處，綜合體現了彈簧操動機構和磁力操動機構與真空滅弧室出力特性的良好配合，具有優異的機械特性及電氣特性，能給出適當的合閘速度和分閘速度。而且，單穩態機構斷路器所需的操作功率與雙穩態結構斷路器相比顯著減小，這種結構的斷路器具有更長的使用壽命和更高的可*性。這項技術穩定地發展到今天，已成為能經受住時間考驗的成熟技術。
但是，在中國國內的應用推廣上，由于某些較早進入中國市場的國際知名大公司選擇了雙穩態結構作為真空斷路器的研發方向，且不論這種選擇是否恰當，都 在一定程度上對中國市場，尤其對中國國內的生產企業起到了引導作用。今天，我們所看到的中國企業自行開發的永磁真空斷路器都是雙穩態結構的。
雙穩態永磁機構在中國問世以來，在實際應用中也出現了一些問題，其中，有些問題來自設計缺陷，有些則是產品質量問題；但是這些問題的出現給整個永磁機構的應用帶來了一些陰影。
左上圖中黃色部分為傳統彈簧操動機構真空斷路器的外形及結構簡圖，綠色部分為單穩態永磁真空斷路器，右上圖為雙穩態永磁真空斷路器。從中可以看出，雙穩態永磁真空斷路器并沒有解決傳統彈操斷路器機械零部件和傳動部件過多的問題。下面列表分析單穩態永磁操動機構真空斷路器與雙穩態永磁操動機構真空斷路器的特點，希望能為中國的開關用戶和制造企業提供一點啟示：
單穩態永磁操動機構真空斷路器
代表產品：ISM
特點 1）尖端材料科研成果，非NDB，穩定性不受充磁、去磁過程或溫度變化影響
2）操作所需要的能量小，合閘50W，分閘能量小于1焦耳
3）電磁合閘、永磁保持、彈簧分閘，剛合速度和剛分速度均為最大
4）每相一個操動機構；完全直線運動，傳動效率最高
5）結構簡單，直動式斷路器，可全面克服機械故障
6）可以手動分閘
7）不能進行手動合閘
雙穩態永磁操動機構真空斷路器
代表產品：大多數永磁機構斷路器
特點 1）從原理上可以實現手動合閘
2）只能使用矯頑力大于106 Am的稀土材料NDB。鐵芯材料需使用價格較貴的硅鋼片。生產成本高
3）結構復雜，零件較多，不能完全克服機械故障
4）分閘操作與合閘操作耗能相同，都比較大
5）分閘操作與合閘操作及保持都*永磁力，難以解決分閘速度呈馬鞍形問題；與真空開關的負載特性不匹配
二、單穩態永磁真空斷路器原理及結構簡介
2、1單穩態永磁真空斷路器操動機構的原理
2、1、1結構設計
新一代的單穩態永磁機構尺寸非常小，每相一個操動機構，這項成果被視為中壓真空開關誕生以來該領域中出現的最大突破。下圖為三相獨立單穩態永磁機構的結構設計。
三相獨立單穩態永磁機構的結構設計
2、1、2工作原理
單穩態永磁操動機構的運動部件在目前所有操動機構中最少，而且完全直線運動，因此可將機械部件的磨損減到最小，故障率降到最低。機構的中心部分有兩塊軟磁性合金材料，可提供超過230kg的觸頭壓力。合閘位置時，依*閉合磁路產生的觸頭壓力將機構保持在合閘位置，磁軛將單線圈封在中間，線圈為機構操作提供能源。
（1）合閘操作
在分閘位置，真空滅弧室的動觸頭由與驅動絕緣子連接的分閘彈簧保持在分閘位置。需要實行合閘操作時，控制模塊內的合閘電容器向機構線圈內注入一個脈沖電流，當動靜觸頭接觸后，動觸頭停止運動，但動鐵心繼續運動2mm，壓縮觸頭的壓力彈簧。動鐵心和磁軛之間通過磁力實現鎖扣，這時線圈電流進一步增大，磁性材料的磁通達到飽和狀態。因此，在合閘位置切斷控制模塊發出的線圈電流時，此飽和磁通使動鐵心保持在合閘位置。動鐵心運動的同時使分閘彈簧儲能，為下次分閘操作做好準備。
（2）分閘操作
分閘操作時，控制模塊內的分閘電容器向機構線圈注入一個反向脈沖電流，時間為15~20ms。該電流對機構中心的磁性材料產生部分消磁作用，減小了合閘保持力，這時已儲能的分閘彈簧和觸頭壓力彈簧的反向力使動鐵心釋放，向分閘方向加速運動，最終*分閘彈簧保持在分閘位置。
如上圖所示，ISM型單穩態永磁操動機構真空斷路器的所有開關元件軸向對稱布置，均為直線運動，省掉了電機、齒輪、連桿、鏈條和機械鎖扣等零件。
對真空斷路器的故障統計分析顯示：75%的斷路器故障為機械故障。三相獨立機構的使用是單穩態永磁機構斷路器最主要的優點，機構和真空滅弧室之間的大部分機械連接元件被去掉了，只剩下一個活動部件，相對于傳統斷路器至少有上百個活動零部件來說，它幾乎完全消除了產生機械故障的可能性。ISM進入中國市場幾年來，在中國運行的單穩態永磁機構斷路器已達到數千臺，未發生過一例機械或電氣故障。
而多數雙穩態永磁操動機構真空斷路器與傳統真空斷路器一樣，由一個機構操動三相開關，必須使用傳動件；在元件布置上只是用永磁機構代替了彈簧機構，拐臂連桿等傳動機構并沒有取消，無法實現完全直線運動，因此不能全面消除機械故障的產生。
2、1、3電氣控制
任何永磁機構都需要一個合適的電子控制單元，其作用是為機構線圈提供合適能量，并實現防跳、閉鎖以及與開關設備的接口等功能。作為斷路器的一部分，控制單元同樣需要高可*性，設計原則；精選元件，尤其是分合閘電容器；制造原則；軟件測試等幾方面保證其質量。其中，分閘電容器與合閘電容器作為儲能元件是最重要的，其壽命主要受溫度影響。另外，斷路器的低能耗設計也是保證電容器長壽命的一個因素，單穩態永磁機構斷路器控制模塊注入到操動機構線圈的最大合閘電流峰值只有10A（20kA型）、17A（31.5kA型），分閘電流只有1A。
2、2單穩態永磁機構斷路器的真空滅弧室技術
由于要與可*性高、壽命長并適于頻繁操作的永磁操動機構相匹配，真空滅弧室性能的改進顯得非常迫切。既需要提高其對故障電流的開斷能力，又需要改善其在負荷電流下的可*性。ISM型單穩態永磁機構斷路器的真空滅弧室在觸頭系統設計和密封性能兩方面實現的突破性改進，使其在可*性和使用壽命上完全與其操動機構的性能相匹配。
在真空滅弧室中利用縱磁場得到最優化的陰極斑點分布
縱磁場能改善真空電弧在觸頭表面的分布狀況，減輕觸頭在電弧下的燒蝕程度。真空電弧可被視為具有巨大能量的放電現象，它能將觸頭表面嚴重燒損，只有使電弧迅速而均勻地分布在觸頭表面，將觸頭表面上每個點的電流密度降至最低，才能最大程度地提高真空滅弧室觸頭系統的性能。
（1）均勻縱磁場下的大電流真空電弧
1967年，Ito和Okura第一次提出了關于縱磁場在控制大電流真空電弧上的應用，試驗中發現，采用縱磁場分布的真空滅弧室的開斷能力能夠顯著提高（約提高50%~100%）。
更多的研究顯示，縱磁場控制電弧的能力依賴于磁場的強度。如果磁場太弱，陰極斑點不穩定，甚至會脫離觸頭的水平表面；但磁場太強時，陰極斑點則不能分布于整個觸頭表面；只有當對于磁場強度達到一定區間值時，陰極斑點才能分布于整個觸頭表面。上圖為特瑞德的研究人員在真空滅弧室中利用縱磁場得到最優化的陰極斑點分布示意圖。
（2）非均勻縱磁場下的大電流真空電弧
商業用真空滅弧室一直致力于非均勻縱磁場的研究。首次將縱磁場應用于真空滅弧室產品是在20世紀70年代。80年代初期發現了非均勻縱磁場對真空電弧的影響。大量對不同磁場結構的試驗顯示，在特定電流和磁場結構下，無論磁場強弱，陰極斑點都會移動。研究發現，觸頭邊緣部位具有類似磁屏障的強磁場，觸頭中心區域強度最弱的磁場結構是最優化的磁場結構，通過測量觸頭陰極電流密度而得到證明。此外，在電極的中心區域不需要縱磁場來限制陰極斑點及穩定電弧。
（3）具有縱磁場結構和最佳觸頭材料的真空滅弧室
要將上述研究成果應用到真空滅弧室產品中，還需要做許多工作，包括確定最佳的觸頭形狀、選擇最適合的觸頭材料等。觸頭形狀能決定縱磁場的結構，并因此決定電弧的分布。觸頭材料則要同時滿足真空滅弧室苛刻的電氣性能要求和機械性能要求。例如，觸頭材料應具有極強的抗熔焊性能，因此它需要具有良好的導電性能和較低的熔焊機械強度；同時又要求觸頭材料具有較高的非電氣性能（這一點在很大程度上與機械強度相關）；還需要它具有良好的導熱、導電性能以提供高開斷能力。
特瑞德通過研究發現，幾種不同材料相配合產生的特殊合金材料可滿足以上要求。利用這種合金觸頭生產的真空滅弧室，在額定電流下的開斷次數很容易達到10萬次以上，在額定短路電流下能開斷100次。
（4）通過創新設計和工藝提高金屬波紋管的真空密封性能
除觸頭系統以外，金屬波紋管的密封性能是決定真空滅弧室壽命的另一個重要因素。傳統的金屬波紋管由不銹鋼沖壓而成（如下圖(a)所示），在滅弧室的分合過程中，極高的加
波紋管結構比較
速度會對波紋管產生巨大壓力，波紋管因疲勞產生漏氣是目前真空滅弧室故障的主要原因。
ISM單穩態永磁真空斷路器所用的波紋管由一組不銹鋼環片在內側和外側交替焊接而成。采用這種設計的波紋管，在分合操作過程中機械應力均勻分布到整個環片上，單點受到的壓力大大減小（如上圖(b)所示）。這項技術的應用，不僅使真空滅弧室實現外型小巧，而且其額定機械壽命可達到15萬次。
2、3 單穩態永磁操動機構斷路器的總結
這種新型的永磁操動機構斷路器可以被描述為一種不需要機械控制和閉鎖的單穩態開關。對于這種結構，可以輕易實現機械操作次數10萬次以上，同時不需要任何維護。
這種操動機構與一個基于微處理器技術的控制模塊配套使用，控制模塊的作用是為操動機構提供能量，并提供斷路器所必須的電氣接口；同時，控制模塊還具有實時監控功能并易于和SCADA系統結合。
使用先進觸頭及波紋管系統設計的獨特真空滅弧室，完全可以和操動機構的長壽命、高可*性相匹配。
新型單穩態永磁操動機構斷路器的應用，可以使配電系統在可*性大大提高的同時，成本也得到降低。這種斷路器幾乎適用于所有場合，包括需要斷路器進行頻繁操作的情況，如操作單組電容器和電弧爐等。
采用這種運動軌跡簡單的斷路器可以使設備的可*性顯著提高，維護工作顯然越來越不必要；特瑞德電氣因此愿意提醒用戶朋友考慮將這種斷路器應用在固定式開關柜里，不僅可以避免因抽出觸頭故障產生的問題，而且還可以提高空間的利用效率。
在中國，已有為數不少的開關企業利用單穩態永磁機構斷路器這個獨特的優點，開發出新型緊湊型固定柜，在應用中取得了非常好的效果。
但是，為了滿足抽出式開關柜的使用需要，特瑞德電氣還專門設計了將單穩態永磁機構斷路器應用于中置式開關柜的完整方案。 |
京公網安備11011102000836號
