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 1 均匀纵磁场下的大电流真空电弧 1967 年 Ito 和 Okura 第一次提出了关于纵磁场在控制大电流真空电弧 上的应用 试验中发现 采用纵磁场分布的真空灭弧室的开断能力能够显著提 高 约提高 50 100 更多的研究显示 纵磁场控制电弧的能力依赖于磁场的强度 如果磁场 太弱 阴极斑点不稳定 甚至会脱离触头的水平表面 但磁场太强时 阴极斑 点则不能分布于整个触头表面 只有当对于磁场强度达到一定区间值时 阴极 斑点才能分布于整个触头表面 上图为特瑞德的研究人员在真空灭弧室中利用 纵磁场得到最优化的阴极斑点分布示意图 2 非均匀纵磁场下的大电流真空电弧 商业用真空灭弧室一直致力于非均匀纵磁场的研究 首次将纵磁场应用于 真空灭弧室产品是在 20 世纪 70 年代 80 年代初期发现了非均匀纵磁场对真空 电弧的影响 大量对不同磁场结构的试验显示 在特定电流和磁场结构下 无 论磁场强弱 阴极斑点都会移动 研究发现 触头边缘部位具有类似磁屏障的 强磁场 触头中心区域强度最弱的磁场结构是最优化的磁场结构 通过测量触 头阴极电流密度而得到证明 此外 在电极的中心区域不需要纵磁场来限制阴 极斑点及稳定电弧 3 具有纵磁场结构和最佳触头材料的真空灭弧室 要将上述研究成果应用到真空灭弧室产品中 还需要做许多工作 包括 确定最佳的触头形状 选择最适合的触头材料等 触头形状能决定纵磁场的结 构 并因此决定电弧的分布 触头材料则要同时满足真空灭弧室苛刻的电气性 能要求和机械性能要求 例如 触头材料应具有极强的抗熔焊性能 因此它需 要具有良好的导电性能和较低的熔焊机械强度 同时又要求触头材料具有较高 的非电气性能 这一点在很大程度上与机械强度相关 还需要它具有良好的导 热 导电性能以提供高开断能力 特瑞德通过研究发现 几种不同材料相配合产生的特殊合金材料可满足 以上要求 利用这种合金触头生产的真空灭弧室 在额定电流下的开断次数很 容易达到 10 万次以上 在额定短路电流下能开断 100 次 4 通过创新设计和工艺提高金属波纹管的真空密封性能 除触头系统以外 金属波纹管的密封性能是决定真空灭弧室寿命的另一个 重要因素 传统的金属波纹管由不锈钢冲压而成 如下图 a 所示 在灭弧室 的分合过程中 极高的加 波纹管结构比较 速度会对波纹管产生巨大压力 波纹管因疲劳产生漏气是目前真空灭弧室 故障的主要原因 ISM 单稳态永磁真空断路器所用的波纹管由一组不锈钢环片在内侧和外侧交 替焊接而成 采用这种设计的波纹管 在分合操作过程中机械应力均匀分布到 整个环片上 单点受到的压力大大减小 如上图 b 所示 这项技术的应用 不仅使真空灭弧室实现外型小巧 而且其额定机械寿命可达到 15 万次 2 3 单稳态永磁操动机构断路器的总结 这种新型的永磁操动机构断路器可以被描述为一种不需要机械控制和闭锁 的单稳态开关 对于这种结构 可以轻易实现机械操作次数 10 万次以上 同时 不需要任何维护 这种操动机构与一个基于微处理器技术的控制模块配套使用 控制模块 的作用是为操动机构提供能量 并提供断路器所必须的电气接口 同时 控制 模块还具有实时监控功能并易于和 SCADA 系统结合 使用先进触头及波纹管系统设计的独特真空灭弧室 完全可以和操动机 构的长寿命 高可 性相匹配 新型单稳态永磁操动机构断路器的应用 可以使配电系统在可 性大大提高 的同时 成本也得到降低 这种断路器几乎适用于所有场合 包括需要断路器 进行频繁操作的情况 如操作单组电容器和