永磁真空斷路器

1、根據(jù)我國目前使用的 0.6-35kV 真空斷路器的操作機(jī)構(gòu)都是彈簧機(jī)構(gòu)和電磁機(jī)構(gòu)的現(xiàn)狀， 鑒于彈 簧機(jī)構(gòu)存在零部件多， 制造工藝復(fù)雜， 運(yùn)行容易引起機(jī)械故障， 而電磁機(jī)構(gòu)存在驅(qū)動功率較大， 接觸力較小且合閘時容易引起觸頭跳動等問題，嚴(yán)重影響真空斷路器的性能和可靠性。為了克 服彈簧機(jī)構(gòu)和電磁機(jī)構(gòu)的不足， 提高 6-35kV 系列真空斷路器的可靠性、 安全性及使用壽命， 降 低驅(qū)動功率。MDS 系列 0.6-35Kv 永磁機(jī)構(gòu)真空斷路器具有高可靠性、結(jié)構(gòu)簡單、安全性、使用壽命長、 低驅(qū)動功率、性價比高等技術(shù)特點(diǎn)，可以滿足電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的要求。永磁機(jī)構(gòu)是一種用于中壓真空斷路器的永磁保持， 電子控制

2、的電磁操作機(jī)構(gòu)， 與斷路器使用 的傳統(tǒng)彈簧機(jī)構(gòu)和電磁機(jī)構(gòu)相比，永磁機(jī)構(gòu)采用了一種全新的工作原理和結(jié)構(gòu)，工作時主要運(yùn) 動部件極少，無需機(jī)構(gòu)脫、鎖扣裝置，故障源少，具有較高的可靠性，因而已成為開關(guān)制造企 業(yè)與電網(wǎng)企業(yè)及高新重工企業(yè)關(guān)注的熱點(diǎn)，具有非常廣闊的市場前景?？朔鹘y(tǒng)彈簧機(jī)構(gòu)和電磁機(jī)構(gòu)的不足， 將永久磁鐵應(yīng)用于操動機(jī)構(gòu)中， 使真空斷路器分、 合 閘位置的保持通過永久磁鐵實現(xiàn)，取代傳統(tǒng)的鎖扣裝置。這種磁力機(jī)構(gòu)具有永久磁鐵和分閘、合閘控制線圈，這種機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)是：（1）永久磁鐵與分閘、合閘控制線圈結(jié)合，解決了合閘時需要大功率能量的問題。（2）真空滅弧室的動觸頭靠永久磁鐵產(chǎn)生的力通過拐臂、絕緣拉桿使

3、其保持在合閘、分閘 位置上，取代傳統(tǒng)的機(jī)械鎖扣方式，機(jī)械結(jié)構(gòu)大為簡化，僅有幾個活動部件，零件總數(shù)約為 50 件左右，耗材少，節(jié)能且成本低。（3）操動機(jī)構(gòu)無需機(jī)械鎖扣和輔助電器，機(jī)械動作的可靠性大大提高，能夠?qū)崿F(xiàn)免維護(hù)， 節(jié)省維修費(fèi)用。（4）真空斷路器采用永磁操動機(jī)構(gòu)， 永磁力可保證 100年不消失， 該機(jī)構(gòu)壽命高達(dá) 10萬次， 以電磁力進(jìn)行分合閘操作，以永磁力進(jìn)行雙穩(wěn)態(tài)保持，簡化了傳動鏈，降低了能耗和噪音。開 斷能力強(qiáng)，安全可靠。與傳統(tǒng)的彈簧機(jī)構(gòu)和電磁機(jī)構(gòu)相比，機(jī)械壽命至少提高 3 倍。（5）采用先進(jìn)的真空滅弧室， 額定電流為 630A-3150A ，額定短路開斷電流為 31.5kA 40kA

4、 ， 技術(shù)性能達(dá)到世界領(lǐng)先水平。（6）斷路器機(jī)構(gòu)簡單，布局合理。真空滅弧室縱向安裝在絕緣筒內(nèi)，即使在惡劣的環(huán)境下， 仍能保持很高的抗爬電性能及絕緣性能。本產(chǎn)品無爆炸、無污染、噪音低、體積孝重量輕、壽 命長。真空斷路器作為控制和分配電能的開關(guān)元件越來越廣泛的應(yīng)用于電力行業(yè)。達(dá)到提高6-35kV 系列真空斷路器可靠性、安全性及使用壽命的目的。隨著社會科技程度的提高， 電力行業(yè)及廣大終端用戶對開關(guān)設(shè)備的性能要求愈來愈高。目前，6-35Kv 系列永磁機(jī)構(gòu)真空斷路器在發(fā)達(dá)國家作為中壓斷路器已被廣泛使用， 國內(nèi)已開始進(jìn)口永 磁機(jī)構(gòu)真空斷路器，并投入財力、人力進(jìn)行相關(guān)的研究和開發(fā)，一些國際知名企業(yè)（如：AA

5、B公司，日本三菱，東芝公司）已經(jīng)開始銷售他們的產(chǎn)品。由于永磁機(jī)構(gòu)真空斷路器具有高可靠 性、長壽命、免維護(hù)等突出優(yōu)勢，相信 6- 35kV 系列永磁機(jī)構(gòu)真空斷路器將逐步取代傳統(tǒng)的電 磁機(jī)構(gòu)和彈簧機(jī)構(gòu)斷路器。真空斷路器永磁機(jī)構(gòu)的發(fā)展自 1961 年美國 GE 公司研制成功第一臺真空斷路器以來， 真空斷路器的技術(shù)水平迅速提高， 其中，隨著觸頭新結(jié)構(gòu)及材料的研制，真空斷路器的開斷能力不斷提高，真空斷路器作為控制 和分配電能用的開關(guān)元件越來越廣泛地應(yīng)用于電力系統(tǒng)，并在中壓領(lǐng)域保持著主導(dǎo)地位。 真空斷路器由于其真空滅弧室具有無與倫比的特性，使其電壽命大大增加，由于操作機(jī)構(gòu)技術(shù) 水平的不斷提高，其機(jī)械壽命也

6、從傳統(tǒng)的兩千次躍增為幾萬次。真空斷路器由于采用了真空滅 弧室這一先進(jìn)技術(shù)產(chǎn)品，其電壽命得到充分保證。與之配合的操作機(jī)構(gòu)的機(jī)械壽命及可靠性就 成了影響真空斷路器綜合特性的突出問題。開關(guān)設(shè)備的一個最基本性能的要求就是操作機(jī)構(gòu)的可靠性， 我國中壓開關(guān)設(shè)備最突出的問題 就是操作機(jī)構(gòu)可靠性不高和絕緣問題，這方面與發(fā)達(dá)國家相比有較大的差距。目前，在發(fā)達(dá)國 家紛紛提出并推出新一代免維護(hù)的高壓開關(guān)產(chǎn)品。真空斷路器的發(fā)展?fàn)顩r目前，國內(nèi)外電力系統(tǒng)中使用的中壓真空斷路器品種繁多，型號眾多，其特點(diǎn)各異，但概括 起來，從絕緣角度來講，有空氣絕緣和復(fù)合絕緣，從總體結(jié)構(gòu)上講，有斷路器和機(jī)構(gòu)一體式和 分體式 （國內(nèi)居多 ），

7、從操動機(jī)構(gòu)上講作為中壓開關(guān)產(chǎn)品主要是電磁機(jī)構(gòu)和彈簧機(jī)構(gòu)。目前， 國際上真空斷路器的設(shè)計、 制造領(lǐng)域逐步形成了以德國西門子公司為代表的空氣絕緣 產(chǎn)品和以 ABB 公司為代表的復(fù)合絕緣產(chǎn)品的兩大派別。 西門子公司的產(chǎn)品有 3AF 、3AG 及 3AH 等系列產(chǎn)品，其操動機(jī)構(gòu)均為彈簧機(jī)構(gòu)。從 3AF 到 3AH ，其操動機(jī)構(gòu)在設(shè)計上日趨合理，調(diào)整 環(huán)節(jié)減少，更有利于提高初分速度，機(jī)構(gòu)也更加省力，但制造精度要求更高。ABB 公司的代表產(chǎn)品有 VD4 ，它采用復(fù)合絕緣方式，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)緊湊，其操動機(jī)構(gòu)為彈簧機(jī) 構(gòu)。日本三菱電機(jī) VPR 型真空斷路器，其滅弧室由一澆注的支架絕緣，該支架將三相分開，相 間距小，

8、結(jié)構(gòu)緊湊，采用彈簧機(jī)構(gòu)驅(qū)動，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，零部件比老式機(jī)構(gòu)少，采用具有 單向離合器的正齒輪機(jī)構(gòu)使儲能過程平穩(wěn)，能耗低，噪聲校國內(nèi)生產(chǎn)的真空斷路器歸納起來大致可分為三類：1）引進(jìn)技術(shù)并國產(chǎn)化的產(chǎn)品。如引進(jìn)西門子3AF，產(chǎn)品技術(shù)生產(chǎn)的 ZN12-12 , ZN18-12，引進(jìn)日本東芝公司 VK系列產(chǎn)品技術(shù)，生產(chǎn)的 ZN21-12，弓I進(jìn)比利時 EIB公司的產(chǎn)品技術(shù)；生產(chǎn)的 ZN67-12等。2）在借鑒國外同類產(chǎn)品的基 礎(chǔ)上開發(fā)的產(chǎn)品，如如: ZN63-12和ZN65-12分別效仿ABB公司的VD4產(chǎn)品和西門子公司的 3AH 產(chǎn)品，其操動機(jī)構(gòu)為彈簧機(jī)構(gòu)。 3）自行設(shè)計的產(chǎn)品，如： ZN15-12

9、 ， ZN28-12 ， ZN30-12 等，其 操動機(jī)構(gòu)為電磁機(jī)構(gòu)或彈簧機(jī)構(gòu)。操動機(jī)構(gòu)斷路器的全部使命，歸根到底是體現(xiàn)在觸頭的分、合動作上，而分、合動作又是通過操動機(jī) 構(gòu)來實現(xiàn)的，因此操動機(jī)構(gòu)的工作性能和質(zhì)量的優(yōu)劣，對斷路器的工作性能和可靠性起著極為 重要的作用。開關(guān)設(shè)備的操動機(jī)構(gòu)需要較多的機(jī)械零件組成，這不僅成本高，而且可靠性低， 因為故障率上升的可能性是和零件的數(shù)量成正比的。目前常用的操作機(jī)構(gòu)有彈簧機(jī)構(gòu)和電磁機(jī) 構(gòu)兩種。彈簧操動機(jī)構(gòu)是利用已儲能的彈簧為動力使斷路器動作的操動機(jī)構(gòu)。彈簧儲能通常是 由電動機(jī)通過減速裝置來完成。整個操動機(jī)構(gòu)大致可分為彈簧儲能、維持合閘與合閘維持和分 閘四個部分

10、。彈簧操動機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是不需要大功率的直流電源，電動機(jī)功率小，交直流兩用， 適宜交流操作；其缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，零件數(shù)量多（約為 200 個），且要求加工精度高，制造工藝復(fù)雜，成本高，機(jī)構(gòu)的可靠性不易保證。電磁操動機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，零件數(shù)量少（約為 120 個） ，工作可靠，制造成本低，但其缺點(diǎn)是合閘線圈消耗的功率太大，觸頭的壓力較小，加上機(jī)構(gòu)的笨重，動作時間較長要求用戶 配備價格昂貴的蓄電池組等。永磁操動機(jī)構(gòu)永磁機(jī)構(gòu)是在彈簧機(jī)構(gòu)和電磁機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上，克服其不足，將永久磁鐵應(yīng)用于操動機(jī)構(gòu)中。 設(shè)計中使真空斷路器分合閘位置的保持通過永久磁鐵實現(xiàn)，取代了傳統(tǒng)的鎖扣裝置。這種磁力 機(jī)構(gòu)具有永久磁鐵和

11、分閘、合閘控制線圈，當(dāng)合閘控制線圈通電后，它使動鐵心向下運(yùn)動，并 由永久磁鐵保持在合閘位置；當(dāng)分閘控制線圈通電，動鐵心向反方向運(yùn)動，同樣由永久磁鐵將 它保待在另一個工作位置即分閘位置上，也就是說，該機(jī)構(gòu)在控制線圈不通電流時它的動鐵心 有兩個穩(wěn)定工作狀態(tài)， (合閘和分閘) 。也稱雙穩(wěn)態(tài)電磁機(jī)構(gòu)。這種機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)是：(1) 其吸力特性可以較為理想地滿足真空滅弧室的工作需要真空斷路器操動機(jī)構(gòu)與其他類型如：空氣、油、 SF6 斷路器的操動機(jī)構(gòu)有著明顯不同，真空 斷路器的滅弧室動觸頭行程小(812mm)，動靜觸頭為平面接觸，合閘時，動靜觸頭為碰撞接觸，為了防止真空斷路器在短路時，觸頭被巨大的電動力斥開，采

12、用觸頭彈簧以使觸頭間有較 大壓力 (20kA,2000N ； 31.5kA,3100N ；40kA,5000N), 同時有利于提高分閘速度。(2) 永久磁鐵與分、合閘控制線圈結(jié)合，解決了合閘時需要大功率能量的問題，因此，降低 了分、合閘控制線圈的電流。也減小了操作機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和物理尺寸。(3) 真空滅弧室靠永久磁鐵產(chǎn)生的力使其保持在合閘、分閘位置上，取代了傳統(tǒng)的機(jī)械鎖扣 方式，機(jī)械結(jié)構(gòu)大為簡化， (僅有幾個活動部件，零件總數(shù)約為 50 個)。(4) 操動機(jī)構(gòu)無需機(jī)械鎖扣和輔助電器，機(jī)械動作的可靠性大大提高，真正實現(xiàn)了免維護(hù)。(5) 由 ABB 在英國和美國的工程師聯(lián)合開發(fā)了一種新型 VM1 型真

13、空斷路器，采用了僅有7 個活動元件組成的磁力驅(qū)動裝置代替有數(shù)百個零件組成的傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)。其分合閘位置均靠永久 磁鐵的磁能保持。 采用這種無磨損的真空斷路器機(jī)構(gòu)在其 10 萬次的操作壽命中不需維修， 是傳 統(tǒng)真空斷路器壽命的三倍， 可節(jié)省維修費(fèi)用。 VM1 的創(chuàng)新還包括將真空滅弧室用環(huán)氧樹脂完全 澆注形成一體，這樣可不受外界因素的影響。真空滅弧室額定短路開斷電流的次數(shù)為100 次。VM1真空斷路器的額定電壓目前為12kV、17kV和24kV，額定電流為630-1250A，額定短路開斷電流為20kA或25kA。更高電壓等級和大開斷能力的產(chǎn)品正在研制中。(6) 荷蘭Holec的MMS型真空斷路器采用永磁

14、機(jī)構(gòu)驅(qū)動，其短路開斷電流為31.5kA。該操動機(jī)構(gòu)中，合閘、合閘保持和分閘的磁路是分開的，且只有真空滅弧室的合閘位置是靠永久 磁鐵保持的，機(jī)構(gòu)的終止位置是分閘位置，其分閘動作基本上是被動的，不需要提供額外的能 量，僅靠觸頭彈簧和分閘彈簧的力完成。來源:高壓開關(guān)網(wǎng) 永磁材料的發(fā)展及應(yīng)用1983 年，被稱為 "磁王 "的第三代稀土永磁材料 -釹鐵硼材料的問世， 震動了與永磁材料有關(guān) 的許多技術(shù)領(lǐng)域。釹鐵硼材料優(yōu)異的磁性能是其他永磁材料所望塵莫及的，且其資源豐富、便 宜，因而被廣泛推廣應(yīng)用。這種新的永磁材料的出現(xiàn)，對工業(yè)技術(shù)領(lǐng)域產(chǎn)生了革命性的影響， 被全世界各國重視。我國近年永磁

15、材料技術(shù)也獲得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展， 與世界先進(jìn)國家的差距正在日益縮校我國 稀土資源非常豐富，儲藏量居世界之最，其價格隨著生產(chǎn)技術(shù)的提高，工藝的改進(jìn)，也在大幅 度降低。雖然我國擁有永磁材料的生產(chǎn)技術(shù)， 但永磁材料在中壓真空斷路器操動機(jī)構(gòu)中的應(yīng)用尚屬空 白。新型的永磁機(jī)構(gòu)就是運(yùn)用這些新材料、新工藝及新原理，使真空斷路器的磁力驅(qū)動裝置實 現(xiàn)低能耗、高可靠性。永磁機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵性技術(shù)解析：目前，真空斷路器在 635kV 輸配電系統(tǒng)中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。現(xiàn)在真空滅弧室技術(shù)應(yīng)該說已經(jīng)相當(dāng)成熟，比如世界上現(xiàn)在已經(jīng)有了可開斷 100kA 短路電流的斷路器，因此沒有更 多的必要考慮去提高真空斷路器的開斷容量。或者說

16、，對于中壓開關(guān)設(shè)備，目前迫切需要的不 是提高開斷容量而是降低造價、提高可靠性及免維護(hù)設(shè)計。就目前的制造水平而言，包括我國 自行設(shè)計和生產(chǎn)的真空滅弧室，其可靠性已經(jīng)達(dá)到了相當(dāng)高的水平，但在實際運(yùn)行中，開關(guān)設(shè) 備的可靠性卻不容樂觀。統(tǒng)計資料表明，設(shè)備故障中約有 70%90%以上為操作機(jī)構(gòu)機(jī)械故障。因此，提高真空斷路器可靠性的主要途徑就是改進(jìn)真空斷路器的操作機(jī)構(gòu)。永磁機(jī)構(gòu)真空斷路 器在真空滅弧室和操作機(jī)構(gòu)上采用了新設(shè)計，它可以使真空斷路器的電氣特性更好、機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu) 更簡單。這種設(shè)備由以下部分組成：（1）固態(tài)聚碳酸脂制成的固體絕緣；（2）密封于固體絕緣中的主回路部件 （ 真空滅弧室和接線端子 ）； （3

17、）通過絕緣拉桿與真空滅弧室動觸頭連接，采用永磁 閉鎖的操作機(jī)構(gòu)； （4）利用同步軸實現(xiàn)三相聯(lián)動和機(jī)械互鎖。永磁機(jī)構(gòu)的技術(shù)難點(diǎn)： （1） 驅(qū)動功率要小，體積也要??； （2 ）電子控制系統(tǒng)的高可靠性； （3） 手動分閘的初分速度要足夠大；MDS （ 0.6-35Kv ）系列永磁機(jī)構(gòu)真空斷路器已經(jīng)解決了上述難題。主要技術(shù)路線是： 北京龍源開關(guān)設(shè)備有限責(zé)任公司聯(lián)合中科院磁能研究所、 大連理工大學(xué)等 科研機(jī)構(gòu)， 進(jìn)行了永磁真空技術(shù)的研發(fā)， 經(jīng)過幾年不斷的探索和努力， 于 2004 年初成功研制了 MDS 系列新一代永磁真空斷路器， 并在當(dāng)年順利通過了型式試驗。 由于我公司在研制之初就針 對永磁機(jī)構(gòu)真空斷

18、路器可能出現(xiàn)的問題，做了大量的試驗和不斷的改進(jìn)，使我公司的永磁真空 系列產(chǎn)品廣泛的應(yīng)用于鋼鐵、石油、化工、電廠等變電所、配網(wǎng)自動化改造及建設(shè)中，作為主 要的開關(guān)設(shè)備，深受用戶好評，實現(xiàn)降低機(jī)構(gòu)的驅(qū)動功率（< 2kW,提高可靠性，保證手動分閘的速度足夠大（0.9m/S，機(jī)構(gòu)壽命5-10萬次，電壽命5萬次，短路開斷電流31.5kA或40kA 等技術(shù)指標(biāo)。永磁操動機(jī)構(gòu)所具有的特點(diǎn)：（ 1 ）采用雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)設(shè)計。這種磁力機(jī)構(gòu)具有永久磁鐵和分閘、合閘控制線圈。當(dāng)合閘控 制線圈通電后，它使動鐵心向下運(yùn)動，并由永久磁鐵保持在合閘位置。當(dāng)分閘控制線圈通電后， 動鐵心向反方向運(yùn)動， 同樣由永磁鐵將它保持在另一個工作位置即 分閘位置上。合閘和分閘位置均采用永磁鎖扣。（ 2）由動鐵心的上下運(yùn)動，通過拐臂桿，絕緣拉桿作用于真空滅弧室的動觸頭，實現(xiàn)合閘 或分閘。（ 3）雙線圈分別控制分合閘操作。即分閘通過分閘線圈控制，合閘通過合閘線圈控制。提 高了機(jī)構(gòu)的可靠性。（ 4）新的磁路設(shè)計。增大合、分閘的保持力，減小對合、分閘時線圈電流的要求。（ 5）解決合閘彈跳問題