浅谈永磁机构真空断路器的性能指标

 司正生1 夏平畴2 祝振鹏3 邹积岩4 
                    1北京龙源开关设备有限责任公司，2中科院， 3 四方华能，4大连理工大学，

一 概述
    真空断路器的驱动机构，从最初的电磁操动机构，发展到现在广泛应用的弹簧操动机构，带动了真空开关的发展。弹簧机构利用交直流两用电动机对弹簧进行预储能，利用弹簧能进行分合闸操作，从而对电源要求低，交直流均可操作，电源丢失仍可完成一个合分循环，因此得到广泛应用。但弹簧机构也有其自身不可克服的缺点：零件数量多，要求加工精度高，制造工艺复杂，成本高，产品可靠性不易保证，限制了真空开关向电气寿命、免维护等要求更高的方向发展。因此，近年来出现了永磁机构真空断路器，为高参数真空开关开辟了一条新的路径。
    从永磁机构的结构上可看出，其动作过程简单，机构零件比弹簧机构减少80%以上，大大降低了故障率，基本可达到免维护。因此近年来，国内外有众多的厂家相继推出了多种多样的永磁机构真空断路器。由于永磁机构是一个涉及多学科较复杂的高技术产品，若达到IEC及GB等国际和国家标准尚需进行细致的工作。2001年起北京龙源开关公司联合大连理工大学、四方华能、中科院等单位，吸取了国际上最先进的永磁技术开始永磁机构的研发，相继推出了MDS-12系列户内、户外永磁机构真空断路器，并通过了全部的型式试验。特别是短路分断40kA大电流试验也按照自动重合闸操作顺序进行并顺利通过，更加充分证明了永磁机构与真空断路器配合能更好的发挥真空断路器的电气性能。为推动永磁机构技术的发展，将我们在永磁机构真空断路器的研发经验作以介绍。 
  
  
 永磁机构真空开关产品简单划分有以下三大类：
    一种结构形状为圆柱型（见图1），采用单稳态设计，合闸位置采用永磁锁扣，分闸位置采用弹簧锁扣，用一个电磁线圈来完成分合闸操作；另一种是垂直布置的带有储能电容的双稳态永磁结构（见图3）；再一种是横置式的带有手分装置的双稳态永磁结构（见图5）。

二 机构本体相关问题的讨论
   1） 关于励磁线圈的工作电压
    永磁机构的工作电压关系到用户使用成本与可靠性。目前我们国内的继电保护及操作电源多采用直流操作电源，电源电压为DC220V和DC100V，电池容量从几Ah到几百Ah。所以我们认为永磁机构的工作电压应为DC220V 和DC100V ，这样用户可以用已有的电源系统，节省开支。工作电压确定为DC220V+10-15和DC100V+10 -5后，我们着手重点解决永磁机构的效率问题，因为只有高效率才能解决低电压下的自动重合闸问题。要在DC187V和DC95V自动重合闸，不会造成电源压降，从而可靠的 
  
  

自动重合，动态特性非常关键。我们经过上千次的设计、验证、修改、再验证，最终使横置式永磁机构能可靠的完成低电压下自动重合闸功能，其工作电压电流如下：分断容量20~25KA断路器，DC220V /10A（合闸 线圈电流）/12A（分闸线圈电流），分断容量31.5KA断路器，DC220V /16A（合闸线圈电流）/25A（分闸线圈电流），分断容量40KA断路器，DC220V /40A（合闸线圈电流）/56A（分闸线圈电流）。合闸脉冲宽度为50ms，分闸脉冲宽度为30ms。合闸平均速度为0.6~0.8m/s，分闸初速度为0.95~1.1m/s。 
  

2) 合分闸弹跳与磁保持力
        永磁机构结构简单,无缓冲器、储能装置、分闸弹簧脱扣器、分合闸挚子等。如何保持合闸弹跳≤1.5ms，分闸反弹≤1.0mm等这些重要参数，这就要求合分闸超行程与触头弹簧很好的配合。永磁机构由于其自身特点在接近顶端时有个加速过程（见特性曲线图7），这对合闸十分有利，大大提高了预击穿速度，增大了关合短路电流能力。但如果调配不当，就会造成大幅度弹跳，将造成严重的不良后果，为此必须与触头弹簧和超行程很好的调配，才能很好解决合闸弹跳问题，在这点我们已达到的数值为：合闸弹跳，直动式结构≤1.5ms、杠杆结构≤0.5ms；分闸反弹，直动式结构、杠杆结构均为0ms。为了能够满足动稳定的需要，使开关有一定的剩余保持力，通过型式试验验证，其剩余保持力，应不小于30％为宜。

3）电磁饱和特性
        永磁机构电磁设计，必须考虑动态特点，启动电流与结束电流差值应在15~30%之间，过大就就会造成失控，产生不应有的弹跳，甚至烧坏线圈，由永磁机构的电气特性可知（见图8,图9），动作电流自a点上升到b点时，铁芯开始动作，由于反电动势的作用，电流开始下降，当电流降至c点时，机构铁芯运动到位停止，电流升到e点进入饱和区，一般用位置传感器与电子控制开关控制，在d点切断线圈电流，而用直流接触器则要到e点才能切断线圈电流。 我们在此设计时考虑到，光靠位置  

传感器检测出分合闸位置，用功率模块切断d点电流，这个方法看上去可行，但由于机械、温度、电源波动等都会影响其分合闸可靠性，因此在控制上我们给出了两个条件，一是固定给出分合闸时间，在此时间内检测到位置信号，经短延时断开电源；没检测到位置信号，经长延时快速分闸并报警输出故障信号，这样就可避免上述故障，提高了可靠性。要这样作其前提必须保证d点至e点的电流差值在15~30%以内，小则不可靠，大则对控制装置有影响，我们经过多次修改线圈参数，最终使几种永磁机构的电流差值控制在15~30%范围以内，这样无论是用电子或直流接触器控制操作，均能可靠运行。 
4）机械寿命
        永磁机构的机械寿命很长，我们做过5万次寿命验证。但我们认为应把断路器灭弧室以及机构控制系统配合在一起讲开关的寿命才有意义。从目前的国内外真空灭弧室生产厂家提供的参数看，3万次的机械寿命指标已是上限，因此我们认为机械寿命定为3万次为宜。要保证整个开关3万次寿命，除了机械零件加工精度要高外，对于控制单元、传感器、辅助开关也要优选、老炼。这样我们几种产品均达到了3万次的机械寿命，并全部顺利的通过了型式试验。
5） 钕铁硼永磁体的寿命
        钕铁硼永磁体在操动机构中起着至关重要的作用，其机械损坏、磁性劣化是大家十分关注的问题。
        振动失磁：在操动机构中,可以设计永磁体不承受机械撞击，通过磁导体传递过来的震动也很小，也不存在温度变化引起的热应力。所以从机械方面造成的损坏和失磁，对于良好的设计来说是不存在的。
        高温失效：我们了解到钕铁硼永磁体的温度曲线如图10、11所示，在120℃以上容易退磁，造成磁保持力下降。因此我们在设计时，首先选用耐高温的钕铁硼永磁体，并将其工作温度控制在≤60℃以下，退磁效应可以忽略不计。
   
        反向励磁的影响： 单线圈永磁机构的分闸动作依靠线圈反向励磁完成。在合闸状态下，操动机构铁芯由永磁体产生的磁场锁定,永磁材料的工作点处在图12的p点。分闸时线圈通反向电流，其目的是削弱永磁磁通至接近于零，则永磁材料的工作点由p点顺去磁曲线下滑到K点。如设计反向电流过大，就会造成工作点就降至pˊ点。撤去电流以后,工作点不能再回到p造成失磁。因此设计时必须保证撤去电流工作点仍然要返回到P点。这样才能保证机构的可靠性。 
三 永磁机构控制器
        永磁机构控制器的发展经历了从普通接触器控制方式向大功率电力电子器件控制方式转变的过程。普通接触器控制方式采用直流继电器控制分合闸线圈，存在体积大、寿命短、延迟时间长、接点粘连等问题，因此其使用受到了很大的限制。
大功率电力电子器件控制方式从器件的应用上看又分为：MOSFET、IGBT开关管和高参数晶闸管方式，具有体积小、功能强大、延迟时间短、寿命长等优点。但是，由于电力电子器件耐受电压电流冲击的能力较低，如果保护电路不完善这些器件是非常容易损坏的。在当前永磁机构断路器出现的故障中该器件损坏占据了较大的比例。我们采用多种方法来保护该类器件，保证了永磁机构控制器的高可靠性。包括以下几个问题：
A、可靠性
永磁机构控制要解决的首要问题是可靠性的问题。当前永磁开关推广的一个比较大的制约因素就是控制回路的可靠性问题。通过电路的优化、器件的筛选、保护电路的完善等手段解决控制回路中大功率电力电子元件损坏的问题，必须通过几方面的协调才可能达到理想的效果。   
                       （图12）
B、抗干扰性
        永磁机构控制器有的安装于断路器本体内部，在开断故障电流时控制器所受到的电磁干扰是非常恶劣的，因此作为断路器的控制设备必须具有很高的抗干扰性，才能保证断路器的正常动作。一般要求控制器产品因该满足下列标准中较为严酷的干扰等级。
        ①脉冲群干扰
          GB/T 14598.13(IEC255-22-1)标准
          共模： 2.5kV/1MHz(100kHz)/2s
          差模： 1.0kV/1MHz(100kHz)/2s
        ②静电放电干扰
          GB/T 14598.14(IEC255-22-2)标准
        ③辐射电磁场干扰
          GB/T 14598.9(IEC255-22-3) 标准
        ④快速瞬变干扰
          GB/T 14598.10(IEC255-22-4)标准
        ⑤浪涌试验
          GB/T 17626.5(IEC 61000-4-5)标准
        ⑥传导电磁场干扰试验
          GB/T 17626.6(IEC 61000-4-6)标准
C、抗震性
        对于永磁控制器的抗震性的要求，可以分为两个等级。内置于断路器本体内的永磁控制器必须具有非常高的抗震性，因为断路器在分合过程中的震动还是相当大的，如果忽视了对于抗震性的要求，断路器产品的可靠性肯定会受到很大的影响。对于同断路器本体分离安装的控制器来讲，其抗震性的要求要低一些，一般情况满足通常设备的抗震性即可。
D、小型化、模块化
        小型化是当前控制设备的发展的必然趋势，同时为了满足控制器内置的要求也必须小型化。小型化就要求采用新的控制方式、新的器件、新的控制原理。采用集成度较高的单片机和大功率电力电子器件，是控制器小型化的主要手段。
        我们在控制器的设计过程中充分结合了机构本身的特性，从而保证了永磁机构特性的体现。在同行业有一个不太正确的观念认为：“永磁机构配上控制器就可正常工作。”其实每种规格永磁机构的参数、特点差别还是挺大的，很难保证控制器同机构之间的配合。因此，应当根据机构本身的参数、特点调整控制器相应的参数，才能保证充分发挥永磁机构的优越性能。

四 结束语
        真空开关采用永磁机构是一个更新换代的工作，因为涉及很多新的概念，要求我们做很多深入细致的工作。很多试验和考验是必须的，结合必要的理论计算和计算机仿真可以大大推进研究开发工作。对于真空开关生产厂，我们希望通过采用新技术，不断提高产品的档次和技术含量，提高开关的智能化水平，赶超国际先进水平；对于电力系统的用户，我们希望能采用智能化开关，积极扶持新产品，从根本上解决电力系统的硬件水平问题，加速电力系统的现代化步伐。只要我们生产厂、科研工作者以及应用领域密切结合，携手共进，我国的开关智能化水平就一定能达到国际前沿水平。