永磁操动机构真空断路器技术详解

利用永磁体的磁能作断路器合、分闸操作动力可极大地简化传统的操动机构，其最大的优点在于零件数量非常少，并且各零件之间的摩擦力极小，所以机构能够频繁操作且寿命非常长，一般都能达到几万次。习惯上，这种驱动机构的真空断路器简称永磁真空断路器。

自20纪末ABB Calor Emag公司首创的VM1型12kV户内永磁真空断路器问世以后，英国、美国、德国、乌克兰等国的公司也相继开展了研究和推出了各自设计的永磁真空断路器。随后不久，永磁机构的开发在我国也成为热点，现在，已有一些厂家进行批量生产，有许多不同类型的12～40.5kV永磁真空断路器投运。

1.永磁操动机构的动作过程

永磁操动机构可分为单稳态和双稳态两种方式，图2-21绘出了双稳态机构动作的简要过程：

图2-21（a）所示为分闸状态。这时动、静铁芯之间的气隙很小，因而磁阻最小，永磁体的磁力线Ⅰ集中在该磁路中将动铁芯稳定地维持在此位置，即处于分闸保持状态。

图2-21（b）所示为合闸操作时，合闸线圈流过一强大的脉冲励磁电流，其磁力线Ⅱ的一部分抵消了上部磁路中永磁体的吸力，另一部分在下部大气隙高磁阻回路中产生足够的吸力驱使动铁芯向下运动。随着动铁芯的移近，下部气隙变小、磁阻降低，磁力线Ⅱ分布增多，动铁芯受力加大而做加速运动，直至到达终止位置对应断路器合闸完毕为止。这时下部磁路的磁阻最小，磁力线Ⅱ大部分转入此磁路，骤增的磁力将铁芯稳定地维持在这一位置，如图2-21（c）所示。这时合闸线圈断电，操作结束，机构处于合闸保持状态。

永磁操动机构的分闸操作与上述过程相反。

图2-21　双稳态永磁操动机构的合闸动作过程

（a）分闸状态；（b）合闸线圈通电；（c）合闸状态

2.永磁真空断路器的结构形式

图2-22（a）所示为户内永磁真空断路器的基本结构形式示意图，其操动机构采用双稳态设计。定铁芯由硅钢片叠制而成，在上、下部位分别安装有分闸线圈与合闸线圈；永久磁钢位于中部，由具有高磁能积和高剩余磁感应强度的钕铁硼合金制造。户内永磁操动机构真空断路器的极柱与通常弹簧操动机构真空断路器的相同——或固封、或采用绝缘筒结构。图2-22（b）所示为这种形式的实际产品图例，在其机构的顶部增设了手动弹簧分闸装置，投运前首先用小手柄将分闸弹簧储能，这样在故障状态下且断路器操作电源停电时，可紧急分闸，将故障负载切除。

图2-22　12kV户内永磁真空断路器

（a）户内永磁真空断路器主要结构示意图；（b）产品示例（已安装底盘车）
1—极柱；2—断路器机箱；3—合分闸操纵拐臂；4—紧急手动分闸装置；5—定铁芯；6—分闸线圈；7—永久磁铁；8—合闸线圈；9—接近式传感器；10—储能电容器；11—控制回路线的插头；12—电子控制装置；13—合、分闸状态显示器；14—辅助开关；15—合、分闸按钮；16—底盘车

（1）动作特性分析。永磁操动机构的动作特性与储能电容器放电电流产生的磁力有极大关系，电容器放电电流的波形分析如下：

当电阻、电感线圈串联回路接入直流电源时，电源输入的能量转换为导线电阻发热损耗和线圈的磁能，即

式中：i为回路电流；U为电源电压；r为回路导线与线圈电阻之和；WM是线圈通电后的磁能；L为线圈的电感；Φ为线圈中电流i产生的总磁通量；B为磁感应强度；S为线圈截面积；H为磁场强度；n为线圈匝数。

再将磁路的关系式（2-3）和式（2-4）代入式（2-2），得

式中：μr、μ0分别为相对导磁系数和真空中导磁系数。

在动铁芯运动过程中，磁能与线圈之间的气隙发生着变化。动铁芯离开线圈远时，气隙大，这时μr很小，即磁阻很大，而当它进入到线圈内时，气隙很小，即磁阻极小，μr变得最大，因而磁能相应地也发生着很大变化。分析式（2-1）可知，电流i的大小也相应发生着变化。

事实上，在永磁操动机构中，接通电磁铁线圈的不是恒定电压而是已充电的电容器C，它与r、L组成了振荡放电回路，i是一个初始值为0、升到一个最高幅值后振荡衰减逐渐到0的放电电流，其振荡频率由回路参数L和C决定。但随着动铁芯接近电磁铁的线圈，μr增大，导致电流的瞬时值骤然增大，这使原来振荡波形中在电流应该下降的时刻瞬时值突然增大很多，所以瞬时出现一个上升的波峰。这些因素合成的结果，使电容器对铁芯线圈放电电流成为图2-23所示的波形。

图2-23　永磁真空断路器操动机构电容器的放电电流

图2-24　改进设计的永磁真空断路器结构示意图

1—手动分闸装置；2—永磁操动机构；3—力输出轴；4—传动拐臂；5—分闸弹簧；6—固封极柱；7—绝缘操作杆；8—触头弹簧；9—合分闸操纵拐臂

基于合分闸操作需要很大的动力，储能电容器C和电磁铁线圈电感L都应很大才可储存足够的能量并感应强大的磁力，结果这两个参数使放电电流i的起始部分上升呈平缓状。对于分闸操作，电流过于平缓的上升率对应的磁力不利于提高刚分速度。为弥补这一缺点，有的设计增设了分闸弹簧，在触头刚分离时，由弹簧释能加速动触头的运动，将刚分速度提高。图2-24所示为这种改进的永磁操动机构。该设计的另一优点是：对于高电压等级的断路器，由于动触头行程长，在分闸时高速运动的铁芯在线圈中产生反电动势持续时间长，它阻碍了动铁芯自身的加速，刚分速度更不易提高。增设分闸弹簧后，也可有效地克服这一缺点。

（2）户内永磁真空断路器。户内永磁真空断路器的另一实例是德国-乌克兰Tavrida合资公司研发的ISM型，最大额定电气参数为24kV、25kA、1600A。它的极柱是用聚碳酸酯透明材料制作的绝缘套，便于观察极柱内元件的状况。断路器外形与极柱结构如图2-25所示，在结构上，每个极柱都有各自独立的一套操动机构，三个极柱之间用一根轴相连，以保持同步合、分闸动作。灭弧室的动触头连杆直接与动铁芯连接，省却了拐臂变直机构、转轴等，因而机件之间的磨损更小，寿命可长达50000次。在极柱内装有分闸弹簧，利于提高刚分速度。(www.xing528.com)

图2-25　ISM型户内永磁真空断路器

（a）断路器外形；（b）极柱结构
1—套管兼绝缘支撑；2—真空灭弧室；3—软连接导电带；4—绝缘操作杆；5—分闸弹簧；6—微动开关；7—同步轴凸轮；8—联锁销；9—铁轭；10—线圈；11—动铁芯（磁钢）；12—同步轴

图2-26　ISM型真空断路器合闸操作的磁路变化过程

（a）分闸状态；（b）动铁芯开始向上运动；（c）触头闭合；（d）合闸保持状态
1—铁轭；2—线圈；3—动铁芯

ISM型真空断路器采用单稳态永磁操动机构。其合闸动作过程中电容器对线圈的放电电流波形以及机构磁路的变化如图2-26所示。合闸操作时，储能电容器对线圈2瞬时的放电脉冲电流产生一强大磁场，使动铁芯与铁轭之间的引力足以克服分闸弹簧的阻力，于是吸引动铁芯向上运动，遂带动与动铁芯固定在一起的力输出杆、绝缘操作杆、动触头向上行进直至触头闭合并有一定的触头压力为止，此时，储能电容器立即被控制电路切断，放电停止。这时的动铁芯与铁轭1之间有着最小的气隙，磁阻极小，磁钢与铁轭之间的磁力达到了2300N以上，以致它牢固地静止在该位置不动，实现合闸保持。合闸后，分闸弹簧被压缩储能。

图2-27　ISM型真空断路器分闸操作的磁路变化过程

（a）合闸状态；（b）动铁芯开始向下运动；（c）触头分离；（d）分闸保持状态
1—铁轭；2—线圈；3—动铁芯

图2-27所示为分闸动作过程中储能电容器对线圈的放电电流波形以及机构磁路的变化过程。分闸开始，储能电容器对线圈2放电，流过一个与前述合闸时相反的放电脉冲电流，其极性与动铁芯3的极性相反，它产生的磁力与动铁芯与铁轭1之间的吸力相反，在其随放电电流上升的过程中逐渐增大到动铁芯与铁轭即将分离的时刻，分闸弹簧的储能得以释放，它推动动铁芯及与其固定在一起的力输出杆等向下迅速运动，于是动、静触头分离，完成了分闸操作。在达到分闸位置后，动铁芯与铁轭之间的气隙最大、磁阻也最大，因而它们的吸引力变得极小，于是动铁芯被伸展复位后的分闸弹簧张力所限制牢固地静止不动，使分闸状态得以保持[7]。

（3）户外柱上永磁真空断路器。永磁操动机构用于户外柱上开关的实例之一见NOVAC型户外真空断路器，这是美国Cooper（库柏）公司专门为中国市场设计制造的，其额定电气参数为12kV、400A、20kA，产品的结构如图2-28所示。机箱内左侧设置的是永磁操动机构，控制电源取自与高压线路连接的电压互感器。线圈通电后，动铁芯驱动一长操作杆在水平方向运动，在与前述ZW32同样的变直拐臂作用下，动铁芯的水平运动转变成极柱内动触头及连杆的垂直运动，实现合、分闸操作。另外，箱内还装有一套弹簧操动机构，以便在控制电源失电时手动进行合、分闸操作。

图2-28　NOVAC型户外柱上永磁真空断路器

（a）外形图；（b）底部视图（操动机构）
1—固封极柱；2—电流互感器；3—手动分闸手柄；4—操动机箱；5—永磁操动机构；6—控制器电子线路板；7—储能电容器；8—弹簧操动机构；
9—手动合闸手柄

永磁真空断路器控制电路的整流和稳压，储能电容器的充、放电，欠压、过流信号的汇集与保护操作的触发，触头防跳、合分闸指令的执行等所有功能均由其控制器的电子线路来实现，线路的主要零件包括电阻、各种介质的电容器、电感线圈、晶体管、稳压、运算放大器集成电路模块以及小型变压器、继电器等，它们焊接在印刷电路板上。通常，不同制造厂不同型号控制器元件的总量有几十个、二三百个甚至更多些，与弹簧操动机构的分立元件控制系统相比，控制器的构造十分复杂。图2-29所示为两种不同永磁真空断路器控制器的实物。其中，由于柱上断路器的功能较少，控制器的线路相对简单，元件数量也较少。

在机械设计方面，永磁操动机构有着其他操动机构无法比拟的优势，最大的优点是零件总数比原来弹簧操动机构减少了约60%甚至还略多一些，因此，机械零件的制造成本不但大幅度降低，且由于运动部分只有动铁芯一个零件而且它与相关部件之间的摩擦力极小，所以机构可频繁操作，寿命能够轻易地达到几万次甚至更高的次数并且免维护。它的合、分闸线圈所需电能来自储能电容器的放电电流；储能电容器的充电电流一般不大于2A，在10s内即可充足。极柱大都沿用弹簧操动机构断路器的固封形式，大电流断路器也有的采用绝缘套筒的结构，有利于热传导，降低灭弧室的温升。

图2-29　永磁真空断路器的控制器电子线路板实物

（a）某型号户外柱上永磁真空断路器的控制器电子线路板；（b）某型号户内永磁真空断路器的控制器电子线路板

3.永磁真空断路器技术研究要点

永磁真空断路器技术研究的要点之一是提高永久磁铁（钢）的磁能积BH和剩余磁感应强度Br，以减小操动机构的体积并降低成本，因为永久磁铁成分中的钕是价格很贵的稀土材料。据悉，国外近来最好的钕铁硼合金最大BH值已可接近460kJ/m3，Br最大值为1.6T。文献[8]介绍了一种改进磁路设计的永久磁铁。鉴于在断路器合闸位置动铁芯需要的保持力比分闸保持时大的现象，于是在改进设计的机构中永久磁铁如图2-30（a）所示被分为两块，它们分别固定在定铁芯的中部和靠近合闸线圈的位置，如图2-30（b）所示。在使用同等数量磁性材料的前提下，用2D有限元法对作者创立的改进前，后机构合闸状态等值磁路进行分析，对比结构的磁力线分布如图2-31所示。可见，改进后提供给合闸线圈保持力的磁通密度明显增强，由此证实了磁性材料的利用效率得到提高。计算表明，对于相同的合闸保持力，改进设计的机构所需的磁性材料比改进前少20%。

图2-30　磁路设计改进的示意图

（a）常见的永久磁铁布置方式；（b）改进后永久磁铁的布置方式

图2-31　磁路设计改进前后的磁力线对比图

（a）在常见的永久磁铁布置方式中，合闸线圈的磁力线分布图；
（b）永久磁铁布置方式改进后，合闸线圈的磁力线分布图

自永磁操动机构真空断路器投运以来，许多永磁操动机构真空断路器面临的最大技术障碍往往是电子控制器受潮发生功能故障的问题，尤其是对安装在户外和环境潮湿地区的断路器。因此，另一个特别需要予以重视的技术要点是研究电子控制器印刷电路板更为有效的表面处理工艺，以确保在长期运行过程中，电子线路不致因印制板吸潮表面电阻下降出现误动作。

同时，严格选择优质、长寿命的电子元件以及研发小体积、高容量的储能元件，提高元件在印制板上焊接点的质量，也都是保证电子线路长期工作的稳定性和可靠性不容忽视的问题。