第05讲 永磁操动机构

永磁操动机构的分类
• 永磁机构按照外形可分为圆柱形和方形两种. • 按照机构在终端位置的保持方式大体可以分为单稳态
和双稳态两大类。 所谓双稳态是指动铁心在行程终止的两个位置，不需 要除永磁体以外的任何外界能量或锁扣即可保持，而 单稳态永磁机构中永久磁铁只用于保持合闸位置，分 闸过程中利用弹簧的储能。目前永磁机构形式主要有 双线圈式永磁机构、单线圈式永磁机构和分磁路式永 磁机构等几种
永磁操动Baidu Nhomakorabea构
permanent magnetic actuator
中压断路器的现状
• 断路器属于保护类电器，归根结底是体现在触头的分合动 作上，而分合动作又是通过操动机构来实现的，因此操动 机构的工作性能和质量的好坏直接影响断路器的工作性能 和可靠性。
• 在中压领域，目前使用的断路器主要有三种类型：少油断 路器、SF6断路器、真空断路器。少油断路器采用变压器 油作为灭弧介质，10KV级的行程为 150mm左右，由于开 端时油会被碳化，且燃弧时间稍长、动静触头烧损严重， 所以不能频繁开端，而且需要经常检修；SF6断路器采用 具有特殊灭弧性能的SF6气体作为灭弧介质，加上灭弧方 式的独特设计，具有电寿命长、开断性能好的优点；真空 断路器是利用真空作为灭弧介质和绝缘保护的一种断路器， 绝缘强度高，灭弧性能强，10KV的开距可控制在10mm左 右，消耗功率小，开断可靠性高。
传统中压断路器的操动机构
• 中压断路器的操动机构主要有 弹簧式 电磁式两种
• 弹簧操动机构的关键部件为合闸弹簧和分闸弹簧。它将电动机的机械 功在短时间内储存于合闸弹簧中，然后将合闸弹簧能量释放进行合闸。 在合闸过程中，分闸弹簧储能，用作分闸动力。这种操动机构工作特 性受外界影响的因素较少，维修的要点也容易明确，在中压断路器中 已经普遍采用。但是其传动机构复杂，故障率较高，运动部件多，制 造工艺要求也较高。
永磁操动机构的发展及其优势
• 永磁操动机构是近年来发展起来的一种新型操动 机构，它将电磁机构和永久磁铁特殊地结合在一 起，利用永久磁铁产生的磁力将真空断路器保持 在分/合闸位置，而无需任何传统的机械脱扣和锁 扣装置，主要用于中压真空断路器。是一种永磁 保持、电子控制的高可靠性的操动机构。该机构 的输力特性可以设计到很接近真空断路器的负载 特性，因此可以直接和灭弧室相连，使零部件减 到最少，较弹簧机构减少了80%以上，提高了产 品的机构刚性，有助于减少触头弹跳、提高刚分 速度。简单的结构和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
• 2、永磁操动机构采用永磁来产生保持力，由于永磁材料 的良好工作性能，不会产生传统操动机构的漏油、失效等 故障，易实现免维护运行。
• 3、永磁操动机构输出特性和真空断路器的开关机械负载 特性吻合，从而能够达到良好的速度特性。
• 4、永磁操动机构传动机构非常简单，由分合闸线圈的励 磁电流产生的磁场直接驱动动铁心，动铁心又直接和断路 器的主轴相连。由于运动部件少和中间传动部件少，使其 具有更好的可控性，为断路器实现智能控制打下基础。
永磁操动机构和液压式、电磁式、弹簧式等
传统的断路器相比具有以下优点
• 1、永磁操动机构结构简单，运动部件只有一个动铁心， 零部件也很少。和传统的弹簧机构相比，永磁操动机构的 零部件减少了大约百分之四十，这就使它的可靠性大大提 高。同时由于它没有容易出现机械故障的锁扣装置，所以 其机械可靠性非常高，发生机械故障的概率几乎为零。
真空断路器对操动机构的要求
• 1、操作的可靠性。真空断路器由于采用真空灭弧，灭弧 时间短，电弧电压低，电弧能量小，触头磨损少，因而分 断次数多，使用寿命长，且适用于频繁操作，其机械寿命 从传统的两千次跃增为几万次
• 2、与真空断路器的反力特性的配合。真空断路器的反力 特性与少油断路器和SF6断路器有很大差异。真空断路器 的触头行程很小，合闸过程中在触头接触前只要很小的驱 动力，一旦触头闭合，就需要很大的永磁保持力来压缩弹 簧以获得足够的触头压力。而且真空断路器所要求的平均 合闸速度并不太大，因为合闸速度太高容易引起触头合闸 弹跳。合闸时要求操动机构不给运动系统附加过多的运动 惯量，以提高分闸初始加速度。
国内外对永磁操动机构的研究现状
• 在中压开关领域围绕永磁操动技术的研究开始于20世纪80 年代末。
• 欧洲以英国及德国为代表。1989年英国曼彻斯特大学系统 与能量组为GEC公司设计了一台永磁操动机构模型 。 1992年前后永磁操动技术开始在英国工业应用。1995年 英国的Whipp&Bourne公司进一步改进了结构。1997年 ABB Calor Emag开关设备公司在德刊上介绍了它们最新 研制的VM 1型配永磁操动机构的真空断路器，接着于 1998年在汉诺威博览会上展出了样品，引起了各制造公司 的极大重视。ABB公司的VM1所配的永磁机构是一种双稳 态双线圈结构。采用电容器作为充放电元件，可以实现重 合闸操作。VM1型配永磁机构的真空断路器其机械寿命达 到10万次，我国研制生产的VSm型配永磁机构的真空断 路器机械寿命为6万次，其永磁机构的机械寿命为10万次. 而采用传统的操动机构很难达到这一指标。
• 电磁操动机构在真空断路器发展的初期得到了广泛的应用，这是由于 电磁操动机构较好的迎合了真空灭弧室的要求：一是行程短（812mm），二是合闸位置需要很大的保持力（2000-4000N/相）。但 是电磁机构本身的缺点限制了合闸速度的提高而且合闸时间较长，电 压波动对合闸速度影响较大。因此一般用于对分合闸速度要求较低的 10KV等级及分合闸速度要求不太高的35KV等级的真空断路器中。
断路器永磁操动机构
VM1型真空断路器机构外形
断路器永磁操动机构与触头剖面图
永磁操动机构的原理与分类
• 永磁操动机构是将电磁机构和永久磁铁特 殊地结合在一起，利用永久磁铁产生的磁 力将真空断路器保持在分/合闸位置。传动 机构简单，动铁心直接和断路器的主轴相 连，由分合闸线圈的励磁电流产生的磁场 直接驱动动铁心。由于工作原理的改变， 整个机构的零部件总数大幅减少，使机构 的整体可靠性得到大幅提高。