永磁机构真空断路器的优缺点

一、永磁操动机构不同类型及结构的比较永磁操动机构真空断路器尽管被公认为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结构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各种不同原理和结构的永磁操动机构，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帮助下快速分闸，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行，到现在已超过17年。综合比较各种结构永磁真空断路器的应用情况，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不足之处，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，具有优异的机械特性及电气特性，能给出适当的合闸速度和分闸速度。而且，单稳态机构断路器所需的操作功率与双稳态结构断路器相比显著减小，这种结构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知名大公司选择了双稳态结构作为真空断路器的研发方向，且不论这种选择是否恰当，都在一定程度上对中国市场，尤其对中国国内的生产企业起到了引导作用。今天，我们所看到的中国企业自行开发的永磁真空断路器都是双稳态结构的。

双稳态永磁机构在中国问世以来，在实际应用中也出现了一些问题，其中，有些问题来自设计缺陷，有些则是产品质量问题；但是这些问题的出现给整个永

磁机构的应用带来了一些阴影。

左上图中黄色部分为传统弹簧操动机构真空断路器的外形及结构简图，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传统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，希望能为中国的开关用户和制造企业提供一点启示：

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）每相一个操动机构；完全直线运动，传动效率最高

5）结构简单，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）只能使用矫顽力大于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）结构复杂，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同，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结构简介

2、1单稳态永磁真空断路器操动机构的原理

2、1、1结构设计

新一代的单稳态永磁机构尺寸非常小，每相一个操动机构，这项成果被视为中压真空开关诞生以来该领域中出现的最大突破。下图为三相独立单稳态永磁机构的结构设计。

三相独立单稳态永磁机构的结构设计

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最少，而且完全直线运动，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个脉冲电流，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。动铁心运动的同时使分闸弹簧储能，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个反向脉冲电流，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，最终*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统计分析显示：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主要的优点，机构和真空灭弧室之间的大部分机械连接元件被去掉了，只剩下一个活动部件，相对于传统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可能性。ISM进入中国市场几年来，在中国运行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传统真空断路器一样，由一个机构操动三相开关，必须使用传动件；在元件布置上只是用永磁机构代替了弹簧机构，

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个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，尤其是分合闸电容器；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，其寿命主要受温度影响。另外，断路器的低能耗设计也是保证电容器长寿命的一个因素，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进显得非常迫切。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进，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。

在真空灭弧室中利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程度。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，才能最大程度地提高真空灭弧室触头系统的性能。