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1、永磁机构在真空断路器上的应用 朱朝敏1，刘凯2，刘新广3 （1.瑞安供电局 浙江 瑞安325200;2.中国电力科学研究院，北京100085;3.中国兵器科学研究院，北京 100089） 摘要： 永磁机构是真空断路器的一种新型驱动机构。文章论述了永磁机构的原理、性能及其应用，以供企业在选择开关时参考。 关键词： 永磁机构；结构原理；应用 永磁机构是近几年发展起来的一种新型操作机构，在国内，中压配网系统已有部分应用。目前，国内大部分供电企业对该机构缺少了解，对其应用存在疑虑，对永磁机构断路器的选型、运行维护缺少经验。文章从永磁机构的原理、性能和应用方面进行论述，希望为供电企业在选择永磁机构断路器
2、时提供参考。1永磁机构的结构和动作原理永磁机构是采用永久磁力保持断路器合分闸位置，用电磁力驱动实现断路器分合闸动作的操作机构。永磁机构可分为双稳态机构和单稳态机构2种，它们的结构示意图分别见图1、图2。1壳体；2动铁心；3上端盖；4上端线圈；5永久磁铁；6下端线圈；7下端盖图1双稳态永磁机构结构示意图1 / 81壳体；2动铁心；3上端盖；4永久磁铁；5线圈；6下端盖；7弹簧图2单稳态永磁机构结构示意图现以双稳态永磁机构为例说明其动作原理。永久磁铁的磁场从N极出发，进入动铁心，分别穿入上下端盖，经上下端盖进入壳体，再回到磁铁S极，形成闭合磁路。在分闸位置时，由于动铁心与上端盖之间有一段气隙，磁阻
3、很大，所以经过上端盖的磁路强度远远小于经过下端盖的磁路强度，动铁心被吸于下端盖。进行合闸操作时，给上下绕组加正向直流电流，产生的电磁场见图3。该磁场削弱经过下端盖的永久磁铁磁场，加强经过上端盖的永久磁铁磁场，磁力推动动铁心向上运动，吸于上端盖。进行分闸操作时，给上下绕组加反向直流电流，产生的电磁场见图4。该磁场削弱经过上端盖的永久磁铁磁场，加强经过下端盖的永久磁铁磁场，磁力推动动铁心向下运动，吸于下端盖。图3分闸位置及合闸操作磁路示意图图4分闸操作磁路示意图单稳态机构合闸操作时给绕组加正向直流电流，动铁心受磁力作用向上运动，吸于上端盖。同时，弹簧被拉伸，为分闸储能；分闸操作时，给绕组加反向直流
4、电流，磁铁的磁场被削弱, 动铁心被弹簧拉下并保持。可见，永磁机构的关键技术是磁路设计。 2永磁机构的性能2.1操作电压 现以10 kV真空断路器永磁机构为例说明其性能。永磁机构的操作电压：10 kV户外柱上配电自动化开关设备通用技术条件（试行）中规定，额定操作电压一般为直流24、48、110、220V；交流为110、220V。永磁机构宜采用直流电压，不宜采用交流电压；永磁机构的操作电流：国外分体式永磁机构单相操作电流一般小于10 A，国内分体式永磁机构单相操作电流一般为1520A；永磁机构的分合闸速度一般大于1m/s，永磁机构的行程一般为728 mm，分合闸时间一般为4080ms，机械部分寿命
5、（动作次数）不小于5万次。由于国产真空泡触头开距比较大，操作力和触头压紧力也比较大，所以，国产永磁机构的体积和操作电流相对较大，这是必然的，并非永磁机构设计水平问题。实际上，永磁机构的操作电流可以设计得比较小，但机构的体积会相应增大。2.2操作电流 永磁机构中的永磁材料采用钕铁硼，钕铁硼具有磁性能高、稳定可靠、耐高温及耐冲击等特点。我国是稀土大国，原材料储存丰富，生产量大，技术水平已居于国际前列。现以一种10kV真空断路器的永磁机构所选用的钕铁硼材料为例说明材料特性。材料牌号为SH系列，磁场强度Hc约为1592kA/m=20000Oe，剩磁BR约为1.2T=12000G，最大磁能积BH约为47
6、7kJ/m3，退磁临界温度为150，温度退磁率为每升高1退磁0.1% ，温度降低时磁性可恢复，自然老化退磁率为100年退磁0.2%。绕组电磁场的磁感应强度小于17000奥斯特，电工纯铁动铁心的剩磁约为10余G，A3钢动 铁心的剩磁约为几十G。由以上参数可以发现，环境温度不超过 150 时,永磁机构能够稳定的工作。由于永久磁铁矫顽力很高, 其内禀矫顽力更高（大于20 000奥斯特），磁体磁性能比较稳定,不受冲击震动影响, 合、分闸时,绕组电磁场产生的磁场远不能使永久磁铁退磁。100年内的自然老化几乎不影响其磁性能。动铁心、壳体等铁磁性材料由于其剩磁特别小，不会产生磁化问题。3永磁机构的优缺点3.
7、1操作电压 从永磁机构的结构特点和使用情况分析，永磁机构比弹簧机构有很多优点：(1) 永磁机构结构简单，体积小；弹簧机构结构复杂,体积大。(2) 永磁机构的运动部件少，传动简单，可靠性高，噪声小；弹簧机构运动部件多，传动复杂，可靠性相对较低，噪声大。(3) 永磁机构能够稳定的保持分合闸状态，不会发生开关偷跳现象；弹簧机构则会由于机械故障而发生开关偷跳现象。(4) 永磁机构磁性材料性能稳定，几乎无机械磨损问题，机构本体动作次数高，寿命长，免维护；弹簧机构存在机械磨损问题，需要定期维护。3.2操作电流 (1) 永磁机构开关一般在操作电源失电时要求能够进行1次手动分闸操作，由于永磁机构无脱扣装置，手
8、动操作力很大，手动操作时分闸速度较慢。(2) 虽然永磁机构本体非常稳定可靠，但是，与之配套的驱动控制部分相对比较复杂，其电子元器件存在老化失效或大电流冲击失效问题。4永磁机构的适用场所永磁机构适用于动作比较频繁，要求电动或遥控操作的开关，如果开关动作次数很少，又采用手动操作，则不适选用永磁机构，应该选用弹簧操作机构。在城市配电网自动化系统中，需要进行故障隔离和网络重构，变电站出线开关和10 kV主干线路开关操作比较频繁，又要求进行遥控操作，所以，适合选用永磁操作的开关。实际工程中出现的开关问题大部分是弹簧机构问题，如机构卡死、储能不到位、开关偷跳、储能电机烧坏等，永磁机构不会出现此类问题。5永
9、磁机构的安装永磁机构按其安装方式可分为三相分体式和三相一体式2种。三相分体式的每一相直立安装一个永磁机构，单独驱动一相真空泡。国外几家知名公司的真空断路器都采用了这种安装方式。该安装方式要解决3个问题，真空泡触头超程补偿问题、三相同步问题和手动分闸问题。真空泡触头超程补偿方法是：通过触头压力弹簧压紧真空泡动触头，弹簧自动补偿触头磨损，永磁机构动铁心的行程=真空泡开距+超程。三相同步问题和手动分闸问题通过同步轴解决。三相一体式是用一个永磁机构驱动三相真空泡，卧式安装，通过简单的杠杆连接机构实现三相连动，不存在三相同步问题，超程补偿和手动分闸问题都在杠杆机构上解决。图5永磁机构安装示意图 6永磁机
10、构操作电源永磁机构本体非常可靠，但与之配套的操作电源容易出现故障，属于薄弱环节，电源问题是一个关键问题。操作电源的设计原则是简单、可靠、少用电子元器件，而且要方便维修更换。6.1操作电压 永磁机构设计时，操作电源应优先考虑采用直流低电压等级，如24 V和48 V。低电压等级电池组合数量少，所需的电压等级可直接采用电池组合得到，用电池组直接驱动永磁机构，不需要配置电源驱动模块，简化了操作电源。如果选用的操作电压比较高，则少量的电池组合不能实现，需要配直流升压模块，增加了操作电源的复杂性。由电池直接供电或电池并联电容器供电的方法是比较可靠的方法，直流电源只用于给电池充电而不用于驱动永磁机构。6.2
11、操作电流 设计永磁机构时，要求操作电流尽量小，最好控制在常规继电器触点容量范围内。如果操作电流太大，常规控制方法难以控制，会造成控制成本增大，而且电源系统受大电流冲击损坏的危险增大。当对永磁机构的电流要求与对体积的要求产生矛盾时，应优先满足电流设计的要求，适当增大永磁机构体积。6.3电源系统的安装 电源系统不能安装在开关本体内，应与开关本体分开安装，一般安装在开关控制箱内。这样，维修和更换比较方便。 7结论（1） 永磁机构结构简单，运行可靠，机械寿命长。与弹簧操作机构相比有很多优点。（2） 永磁机构适用于经常操作和比较重要的断路器，如城市配电网中采用的断路器。（3） 永磁机构的操作电源宜采用低压直流电源，驱动电流要小，控制电路要简单可靠。（4） 永磁机构的操作电源和控制电路要与开关本体分开安装，便于维护和更换。 （注：本资料素材和资料部分来自网络，仅供参考。请预览后才下载，期待您的好评与关注！）
