基于永磁机构的真空断路器
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摘要：本文介绍了一种基于永磁机构的真空断路器。通过对影响真空断路器因素的分析，指出了真空断路器的核心元件是操动机构，通过对三种操动机构的分析，提出具有永磁机构的真空断路器满足新型要求，特别是永磁材料的使用，使永磁机构真空断路器成为真正意义上的免维护智能化断路器。
Abstract: This paper introduces a vacuum circuit breaker based on the permanent magnetic actuator. After analyzing the influence factor of the vacuum circuit breaker, actuator is the core element of the vacuum circuit breaker was pointed out. Analyzing three kinds of actuator, the paper presents that the permanent magnetic actuator meets new requirements. By using the permanent magnetic material, the vacuum circuit breaker based on the permanent magnetic actuator becomes the real maintenance-free intelligent breaker.
关键词：真空断路器；操动机构；永磁机构；永磁材料
Key words: vacuum circuit breaker；actuator；permanent magnetic actuator；permanent magnetic material
中图分类号：TP211+.53文献标识码：A文章编号：1006-4311（2010）35-0029-02
0引言
随着国民经济的发展和人民物质文化生活水平的不断提高，人们对供电质量和供电可靠性的要求越来越高[1]。断路器的分、合动作可靠性对供电可靠性有较大的影响，影响断路器可靠性的因素主要有以下几个方面[2]：①断路器的绝缘性能。②断路器的开断性能。③断路器机械性能的可靠性，一是开关本体的机械性能，二是操动机构的可靠性，而且实现操动机构的可靠性难度较大。从上面几个方面看，保证断路器在电力系统中可靠运行，操动机构在断路器中占有重要的地位。它不但要保证断路器长期运行中动作的可靠性，即机械可靠性，而且断路器分合闸所需时间和分合闸速度的主要决定因素是操动机构[3]，机构还影响着断路器开断性能的可靠性。从国际、国内断路器的故障统计数字来看，机械故障占大多数，高达总故障的70%，为进一步提高断路器的可靠性，满足当今社会对高质量、高可靠性产品的需求，有必要研制新的断路器操动机构。
1真空断路器的操动机构
真空断路器与其它型式的断路器例如空气断路器、油断路器和SF6断路器的动作特性有很大差别[4]。由于真空灭弧室优越的绝缘性能，使得真空断路器的行程很小，又由于真空灭弧室是对接式触头，所需的触头弹簧的压力较大，机构必须保证在开关合闸到位时，提供足够大的力来克服触头压力，而不允许发生断路器合不上或出现严重的触头弹跳。真空断路器对所配机构的要求是要提供较大的力以克服触头弹簧的反力，但行程较小，即操作功小[5]。
1.1 电磁机构早期设计的适合真空开关的机构为电磁机构[6]，开关合闸时，螺管式电磁铁逐渐接近端面，产生的吸力会增加，这样就与真空断路器的机械特性相匹配。然而传统的电磁机构也存在不容忽视的缺点。由于传统的电磁机构最早是为少油断路器设计的，而少油断路器的行程较长，CD10机构的行程为60mm，就是后来设计的专门用于真空断路器的电磁机构CD17，其动铁心的行程为55mm左右。根据磁路的特点，行程越长，同样安匝数的线圈的力越小。要提供足够的电磁力，就必须增加线圈的安匝数，一般电磁机构的稳态电流为100-140A，匝数为600-800匝。由于匝数较多，又使得磁路电感L在机构的合闸过程中变化较大，产生反电动势较大，从而抑制了合闸线圈动态电流的增长，而且这种抑制作用随着合闸速度的增加而增加。若想要进一步抵消这种抑制作用，就要提高线圈稳态电流，增加合闸电源的容量。并且，由于磁路电感L较大，线圈带电后电流上升的较慢，上升时间较长，合闸时间较长，又使合闸能量增加。另外，由于以前的标准要求电磁机构应能够实现自由脱扣，传统的电磁机构有一套复杂的自由脱扣装置和机械锁扣装置，零部件也较多，体积也大。零部件的增加会降低机构的可靠性。综上所述，电磁机构的最大缺点是操作电流大，机构体积大，机械锁扣装置较复杂。
1.2 弹簧操动机构弹簧操动机构以交流小功率储能，小功率电能供给脱扣线圈进行分、合闸操作，已广泛应用于少油、SF6开关。通过凸轮曲线及连杆传动变换，缓冲结构的改进，以满足真空灭弧室的特殊要求，并且可做到少维护的要求。它的操作功可以从数十焦耳到数千焦耳，机械寿命可从数千次到数万次。但是弹簧机构零件数较多，传动机构较为复杂，运动部件多，制造工艺要求高，弹簧机构的结构复杂，轴销与拐臂之间的摩擦面多，在长期运行过程中，这些零部件的磨损、锈蚀以及滑剂的流失、固化等都会导致操作失误，特别是锁扣部分的复位和闭锁，仍存在不可靠因素。
1.3 永磁机构随着真空断路器在中压领域的发展，永磁材料性能的提高，先进的二次技术在开关设备中的应用，近年来，一种用于中压真空断路器的永磁保持、电子控制的电磁操动机构（简称永磁机构）在户内、户外中压真空断路器领域对传统的弹簧机构提出了挑战，引起了开关行业的关注[7]。它的原理、结构特点、性能以及与其相配的免维护真空断路器的开发研制已成为电器制造企业和运行部门的热点。和传统内的断路器操动机构相比，永磁机构采用了一种新的工作原理，将电磁机构与永久磁铁有机地结合起来，避免了合闸位置机械脱扣、锁扣系统所造成的不利因素，无需任何机械能而通过永久磁铁产生的保持力就可使真空断路器保持在合、分闸位置上，引起故障的环节少，具有较高的可靠性，配以控制系统实现真空断路器的高可靠、免维护、智能化。
2真空断路器操动机构的原理
断路器的机构就是实现断路器进行分合闸操作，克服断路器的反力特性，保证断路器的动触头的分、合闸速度。于是，就存在一个机构的出力特性与断路器的反力特性的匹配问题，真空断路器的触头行程很小，合闸过程中在触头接触前只需很小的驱动力，一旦触头闭合，就需要很大的驱动力来压缩触头弹簧以获得足够的触头压力。因此，真空断路器合闸接近终了时的触头反力特性在触头接触瞬间有一大幅度的正向突变。
弹簧机构是依靠事先储存的弹簧能量的释放使断路器实现合闸操作的，弹簧释放时总是一开始出力大，以后逐渐减小。这与真空断路器的反力特性正好相反。为了使其与真空断路器的反力特性匹配，通常要通过凸轮和连杆的转换。这种力的转换伴随着连接机构的高速运动，这不仅降低机构的效率和可靠性，还减小了产品结构的刚性。例如，连杆与轴销之间的配合不当，易引起开关的弹跳、过冲等。
永磁机构的出力特性非常接近真空断路器的要求，正因为此，它可以与真空灭弧室直接相连，使零部件数降到最少，也能提高产品的结构刚性，有助于减小触头弹跳及刚分速度的提高[8]。永磁机构较其它机构的最大优势是可靠性高，例如由于只有一个运动部件，且又可以与灭弧室直接连接，零部件较弹簧机构减少了60%。它结构简单，零部件的大幅减少使开关机械系统可靠性大大提高，从而实现免维护运行。
3永磁材料
现在所用的永磁材料[9]主要有铝镍钴磁铁，氧化物磁铁（铁氧体磁铁），以及当前最引人注意的稀土永磁材料。表1列出了上述三种永磁材料性能。
可见，稀土永磁材料既有高的剩磁，又有强的矫顽力。例如钕铁硼（Nd2Fe14B）稀土永磁材料其剩磁Br约为1.2T，矫顽力Hc约为939kA/m，即有最大的磁能积。与传统的磁铁相比，有如下特点[10]：
3.1 当稀土钕铁硼磁铁与铁氧体磁铁的体积相同时，前者产生的磁场比后者要强的多，Nd2Fe14B的剩磁Br为1.22-1.25，铁氧体的剩磁Br为0.39-0.42，为此，当要求磁场强度一定时，Nd2Fe14B磁铁的体积可以缩小，可为使用磁铁的设备的小型化和轻量化提供条件。
3.2 由于有强的矫顽力，不容易受到外界磁场的影响，其稳定性好。例如Nd2Fe14B的矫顽力Hc=876-939，而铝镍钴磁铁的矫顽力Hc=54-60，只要反向激磁线圈的磁场小于矫顽力，就不会发生退磁现象。
3.3 充磁后的铝镍钴磁铁与铁磁物质接触时，会导致整齐排列的磁畴变乱，从而引起显著退磁。钕铁硼磁铁与铁磁物质接触时，基本上无此种退磁现象，所以可不考虑。
3.4 磁铁材料在受到机械冲击后，会引起退磁现象。多方面的研究和实践经验已证明这种材料的机械性能和磁性性能都较传统的永磁材料稳定。
4结语
永磁材料的独特性在低压、中压开关上已有研究和探索该断路器具有零件少、结构简单、可靠性高、寿命长（机械寿命高达10万次）、免维护等特点外绝缘采用固体绝缘，利用环氧树脂固封技术将真空灭弧室、主导电回路、绝缘支撑等有机地组合成为一个集成固封极柱，成功地解决了真空断路器的环境耐受问题。二次控制回路采用集成化电子控制模块，电源输入范围宽，传感器检测开关位置，输入输出光隔离，功耗低，可靠性高。由于全面采用上述高可靠技术，使永磁机械真空断路器成为真正意义上的免维护智能化断路器。
参考文献：
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[5]苑舜.真空断路器操动机构的设计与优化[M].北京：中国电力出版社，1997.
[6]陈德桂.低压电器的技术进展.低压电器，1998（5）：3-10.
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