永磁机构技术：发展现状与趋势

2023-07-02 理论教育版权反馈

【摘要】：在中压开关领域，国外永磁机构技术的研究开始于20世纪80年代末，欧洲以英国及德国为代表。西安森源公司在国内最早开发研制的VSm型配永磁机构的真空断路器已经推向市场，并在国内永磁机构真空断路器方面有很大影响力。国内相关厂家都积极开发24kV真空断路器，南京因泰莱配电自动化设备有限公司首先推出了24kV配永磁机构真空断路器，产品型号

由于永磁材料的独特特性，它在低压开关上早有应用。在中压开关领域，国外永磁机构技术的研究开始于20世纪80年代末，欧洲以英国及德国为代表。1989年英国曼彻斯特大学（The University of Manchester）系统与能量组为GEC公司设计了一台永磁机构模型。1992年前后永磁操动技术开始在英国工业应用，1995年英国的Whipp&Bourne公司进一步改进了结构，1997年ABB Calor Emag开关设备公司在德刊上介绍了它们最新研制的VM1型配永磁操动机构的真空断路器，接着于1998年在汉诺威博览会上展出了样品，引起了各制造公司的极大重视。ABB公司的VM1所配的永磁机构是一种双稳态双线圈结构，采用电容器作为充放电元件，可以实现重合闸操作。

采用同样工作原理、由英国IPEC公司（SCIENCE&TECHNOLOGY IN POWER ENGINEERING）开发制造的用于中压开关装置的电磁驱动器（MAGACT）也于几年前推向市场。该产品为系列化产品，保持力的范围为1000～10000N。它与ABB公司产品不同之处在于，该公司将永久磁铁由静铁心移到动铁心上，且操作时所需的电能大为降低。继ABB公司之后，国外其他一些开关制造企业也纷纷向市场推出了类似的产品，例如法国Alsthom T&D EIB S.A.公司推出的中压断路器用的非对称磁力操动机构，以及ABB公司又开发出的基于永磁机构的同步中压断路器。

图7-31 VM1型配永磁机构的真空断路器结构示意图

1—拐臂 2—接近传感器 3—合闸线圈 4—永久磁铁 5—动铁心 6—分闸线圈 7—应急分闸

图7-31所示为ABB公司的VM1型配永磁机构的真空断路器结构示意图。VM1型开关中的永磁机构采用双稳态双线圈方形结构，静铁心由硅钢片叠片制成。该真空断路器有两项重要创新：一是配用新型永磁机构，达到完全免维护；二是采用将真空灭弧室完全浇注在环氧树脂内技术，达到最佳耐压强度和防止受外界影响。VM1型真空断路器的设计参数如下：额定电压为24kV，额定电流为1250A，额定短路开断电流为31.5kA。永磁机构包括所有的操动功能，如力的产生、锁扣和脱扣。在开断和关合状态，动铁心被保持在终端位置。VM1型真空断路器用电容器作为储能元件，采用电子控制装置，用来控制运动过程并保证动作的可靠性。该机构采用感应的接近传感器，具有自监视、终端位置的检测功能。

图7-32 ISM系列单稳态永磁机构真空断路器结构示意图

1—绝缘套筒 2—真空灭弧室 3—触头 4—复合绝缘拉杆 5—机箱 6—永磁机构

图7-32所示为Tavrida公司的ISM系列单稳态永磁机构真空断路器结构示意图。ISM型真空断路器中的永磁机构采用单稳态永磁机构，该产品有三个特点：一是永磁体采用特殊的非钕铁硼合金材料，磁阻较小，分闸弹簧和触头弹簧置于动铁心内部，整体体积小；二是每相分别有一个独立永磁机构，三相通过一根同步轴连接在一起，此同步轴也可实现辅助开关的控制和机械联锁功能，所有开关部件按照纵向对称布置，所有机械运动均为直线线性运动，零部件较少，省去了分闸线圈、储能电动机、机械锁扣、齿轮、链条、轴承、连杆等；三是真空灭弧室里的新型金属波纹管采用新的工艺，由一组不锈钢环片在内测和外侧交替焊接而成。这种新的结构，在分合操作过程中，机械应力均匀地分布到整个环片上，每个点受到的压力大大减小。应用这种技术的真空灭弧室，不仅外形小巧，而且额定机械寿命可以达到15万次。新一代真空灭弧室在额定电流下的开断次数可达15万次，在额定短路开断电流下能开断100次。

西安森源公司在国内最早开发研制的VSm型配永磁机构的真空断路器已经推向市场，并在国内永磁机构真空断路器方面有很大影响力。该公司设计开发了配用永磁机构的真空灭弧室，该系列真空灭弧室采用中封式一次封排结构设计、开断性能优良的CuCr25触头材料、先进的杯状纵向磁场触头结构设计、陶瓷外壳及整体环氧树脂浇注，灭弧室本身机械寿命达到6万次以上，具有体积小、断流容量大、绝缘能力强、寿命长等特点和免维护、无爆炸危险、无污染、噪声低等优点。VSm型真空断路器采用固体绝缘结构，利用环氧固封技术将真空灭弧室、主导电回路、绝缘支撑等有机地组合成一个集成固封极柱，固封极柱结构如图7-33所示，解决了真空断路器的环境耐受问题。VSm型永磁机构是双稳态双线圈结构，零部件少、结构简单、可靠性高、寿命长（机构本身的机械寿命高达10万次）、免维护等。VSm型真空断路器的二次控制回路采用集成化电子控制模块，电源输入范围宽，传感器能够检测开关位置，输入输出采用光电隔离，功耗低，可靠性高。由于全面采用了免维护技术，同时二次采用了逻辑控制模块，使VSm型真空断路器成为免维护的智能化断路器。图7-33所示为VSm型真空断路器灭弧室固封极柱结构图。

将稀土永磁材料应用于断路器操动机构中是永磁机构区别于其他操动机构最显著的特点。由于我国占有世界蕴藏量80%以上的钕资源，所以在开发高磁场永磁材料（特别是钕铁硼永磁材料）方面具有得天独厚的有利条件。目前，我国的钕铁硼永磁材料特性水平达到了世界先进水平。同时，在许多领域稀土永磁材料已有很广泛的应用，已有较先进的加工制造能力和成熟的应用经验。随着永磁材料性能的不断提高和完善，特别是钕铁硼永磁材料的热稳定性和耐腐蚀性的改善和价格的逐步降低以及电力电子器件的进一步发展，永磁机构必将获得越来越广泛的应用。

图7-33 VSm型真空断路器灭弧室固封极柱结构图

1—上出线端子 2—真空灭弧室 3—封闭罩 4—导电夹软连接 6—下出线端子

目前永磁机构的研制主要集中于12kV级的真空断路器上，在将永磁机构技术成功应用于中压断路器的基础上可考虑进一步扩展永磁机构应用范围的可能性。应国家发展的需要，2007年国家电网公司下发“关于推广20kV电压等级通知”，将江苏省做为全国首个试点工程省。国内相关厂家都积极开发24kV真空断路器，南京因泰莱配电自动化设备有限公司首先推出了24kV配永磁机构真空断路器，产品型号为ZW32A-24/T1250。该断路器三相共用一个独特设计的单线圈单稳态永磁机构，所有开关部件轴向对称布置，因此具有极高的可靠性。开关操作功耗小，后备电源模块可供开关24h内进行操作。绝缘件（灭弧室套管、绝缘支柱）材料上采用硅橡胶与环氧树脂复合绝缘，结合了硅橡胶伸缩性能好和环氧树脂户外抗老化程度高的优点。对于日照强烈的地区，所有绝缘件的外表层由稳定的防紫外线聚合材料加工而成。结构上采用大爬距设计，提高绝缘子的自洁性，整体上提高了断路器的绝缘性能。图7-34所示为该产品外形。由于低压开关动作频繁，机械寿命是较严格的考核指标，鉴于永磁机构结构简单可靠、耐磨损的特点，永磁机构在低压开关领域应该具有优势。

图7-34 ZW32A-24型真空断路器外形

在40.5kV、72.5kV及126kV级真空断路器上配用永磁操动机构已经开始了研制，由于断路器触头开距较大，可考虑采用单相直动式操作，并将同步技术应用于较高电压等级，因此将永磁机构应用于高电压等级的断路器也具有很大的发展前景。

永磁机构技术：发展现状与趋势

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