新一代单稳态永磁机构真空断路器
Alexy M. CHALY 1) Oleg I. CHERVINSKYI2) Victor N. POLUYANOV 3)
俄罗斯IG Tavrada电气
E-mail: 1) , 2) , 3)
[摘要] 本文介绍了配新型永磁机构的新一代真空断路器的设计与参数。操作机构选用硬磁合金的磁系统，机构采用永磁磁通进行合闸保持，利用分闸弹簧进行分闸保持。单线圈可提供基于励磁电流方向的分合操作。断路器（VCB ）各相有单独的操作机构，机构通过同步操作轴连接，同步操作轴设有辅助开关与联锁控制。该设计使产品机械寿命长，整个寿命周期内免维护。
1 引言
真空开关技术的发展使VCB 具有如下众所周知的特点：
● 免维护的灭弧室设计； ● 绝缘强度高，灭弧室尺寸减小； ● 开断能力强[最高达100kA(有效值)]1）
； ● 触头烧蚀显著降低，电寿命增长； ● 触头行程减小，从而简化了操作机构，
降低了操作功；
由于老式弹簧机构的使用，上述特点在VCB 引入的前十年间并没有直接带来VCB 的免维护。在80年代末期，本文作者曾将单线圈永磁机构用于VCB 2）
，采用传统的磁性材料与体积较大的轭
铁，首次导入免维护VCB 理念，并申请了专利。但该设计由于受永磁机构保持力的限制，开断电流仅限于20kA 。后来出现了与之并行的永磁机构理念——双稳态永磁机构，该设计可以提供所需的保持力，但它需要使用稀土永磁体，层压轭铁以及双线圈结构。这些特点使机构成本增加，设计复杂。本文介绍了应用于VCB 的单线圈永磁机构的设计理念及其基本参数。
2 机构设计
机构的核心是两个硬磁合金制成的中等能量的永磁体——磁轭与衔铁，它能提供230千克以上的锁扣力。磁轭内设有给机构提供操作功的单线圈。在合闸位置，磁力集中在磁轭—衔铁的接触部位，并提供所需的锁扣力。见图1。
图1 装于VCB 的永磁机构剖面图
3 操作原理
3.1 分闸位置
在分闸位置，机构通过分闸弹簧的残余机械力实现分闸保持（见图1），此时无电能损耗。 3.2 合闸操作（见图2）
电气合闸指令可启动控制模块中预先充电的电容器组向机构线圈放电，当电磁力超过分闸簧的分闸保持力时，则衔铁开始运动（图2b ）。
当衔铁带动触头完成合闸规定的触头行程，
则灭弧室动触头停止运动，而衔铁继续运动，并超额运动2mm ，，压缩触头压力弹簧与分闸弹簧，为下一次分闸储能（图2c ）。
图2 合闸操作
储能完成后，衔铁自动锁定于磁轭上（图2d ）。
由于磁系统的闭合，线圈电流进一步增大，增强电磁场，以至使磁铁饱和，并提供足够的永磁体能量，在线圈断电的情况下将衔铁保持于合闸位置。
3.3 合闸位置
机构通过永磁体（磁轭和衔铁）磁通保持于合闸位置，永磁锁扣力远大于分闸弹簧力与触头
压力弹簧力之和。因此。在任何标准情况下（振动、有短路电流通过或周围存在短路电流而产生的强磁场）可将VCB 保持在合闸位置，此时无电能损耗。 3.4 分闸操作
断路器分闸时，控制模块中的分闸电容提供的反向电流将对线圈进行15/20ms的反向励磁，并降低衔铁的合闸保持力。当分闸弹簧力与触头压力弹簧力之和大于永磁锁扣力时，衔铁从磁轭脱扣（图3b ），并快速加速，使灭弧室触头分离（图3c ），断路器分闸。
图3 分闸操作
4 机构参数
图4 新型机构磁场的三维有限元分析实例 4.1 静态条件
每kg 机构质量可产生850N 的磁力，这几乎比文献[2、5]所述设计高2倍。这一结果可通过有限元法分析和机构优化设计获得，见图4。
分闸弹簧的选择满足下述要求：
1） 在VCB 允许的方向将其稳定地锁定于分
闸位置；
2） 合闸操作能量消耗最小化。
4.2 动态特性
机构线圈参数——铜线截面与砸数经过优化以达到能耗的最小化和灭弧室触头寿命的最大化。优化以机构的试验所得工作特性为基础。新型机构工作特性见图5。
作为上述优化结果，12kV/31.5kA VCB 一个“CO ”循环电容器组所需储能降低至150焦耳。值得注意的是该能量足以为全范围VCB 及其电子控制器提供一个“CO ”循环所需的能量。
5 新一代VCB
以上述机构为基础，本文开发了适用于更大电流的VCB 。其额定参数见表1，外形见图6。
图5 新型机构工作特性实例
图6 新型VCB 外形
表1 VCB主要技术参数
VCB 每相有单独的操作机构，机构通过同步操作轴连接，同步操作轴设有辅助开关与联锁控制。机构特性、灭弧室特性、以及VCB 各相其余元件特性设计均达到以下目的：
● 在产品整个寿命周期内免维护； ● 低能耗； ● 机械寿命长； ● 尺寸小、重量轻。
新一代VCB 完全达到了上述目的，机构标准
机械寿命可达到50000次“CO ”操作循环，特殊产品机构寿命可达到150000次“CO ”操作循环。12kV/2000A/31.5kA产品重量仅为46kg ，比市场同类产品约低2倍。体积比与重量比基本相同，假设新型VCB 的宽度与高度于传统产品相同，则其深度比传统产品约小2倍，配用于开关柜后可实现开关柜的小型化。
6 小结
单稳态单线圈永磁机构理念可将免维护VCB 规格扩展至额定电流2000A ，断路开断电流31.5kA 。同时可实现机械寿命长、小型化、轻量化。
参考文献：
王毅 译
[1] S. Yanabu et al., 1986 《纵磁场真空灭弧
室触头研究》，ISDEIV . P. 195 [2] 俄罗斯专利 2020631， 1991 [3] B. Mckean; D. Kenworthy, 1994 《双稳态
永磁机构》，世界专利WO 95/07542 [4] E. Dullni; H. Fink; G. Hǒrner; G. Leohardt;
Chr. Reuber, 1997, 《配永磁机构完全免维护真空断路器》， Elektrizi ätswirtschaft,
no. 11, pp 1205-1212
[5] A. Chaly, A. Gusev 1999 “新一代中压断
路器”第六届电气元件及其技术座谈会会议论文集，第二卷， 32-38。
新一代单稳态永磁机构真空断路器
Alexy M. CHALY 1) Oleg I. CHERVINSKYI2) Victor N. POLUYANOV 3)
俄罗斯IG Tavrada电气
E-mail: 1) , 2) , 3)
[摘要] 本文介绍了配新型永磁机构的新一代真空断路器的设计与参数。操作机构选用硬磁合金的磁系统，机构采用永磁磁通进行合闸保持，利用分闸弹簧进行分闸保持。单线圈可提供基于励磁电流方向的分合操作。断路器（VCB ）各相有单独的操作机构，机构通过同步操作轴连接，同步操作轴设有辅助开关与联锁控制。该设计使产品机械寿命长，整个寿命周期内免维护。
1 引言
真空开关技术的发展使VCB 具有如下众所周知的特点：
● 免维护的灭弧室设计； ● 绝缘强度高，灭弧室尺寸减小； ● 开断能力强[最高达100kA(有效值)]1）
； ● 触头烧蚀显著降低，电寿命增长； ● 触头行程减小，从而简化了操作机构，
降低了操作功；
由于老式弹簧机构的使用，上述特点在VCB 引入的前十年间并没有直接带来VCB 的免维护。在80年代末期，本文作者曾将单线圈永磁机构用于VCB 2）
，采用传统的磁性材料与体积较大的轭
铁，首次导入免维护VCB 理念，并申请了专利。但该设计由于受永磁机构保持力的限制，开断电流仅限于20kA 。后来出现了与之并行的永磁机构理念——双稳态永磁机构，该设计可以提供所需的保持力，但它需要使用稀土永磁体，层压轭铁以及双线圈结构。这些特点使机构成本增加，设计复杂。本文介绍了应用于VCB 的单线圈永磁机构的设计理念及其基本参数。
2 机构设计
机构的核心是两个硬磁合金制成的中等能量的永磁体——磁轭与衔铁，它能提供230千克以上的锁扣力。磁轭内设有给机构提供操作功的单线圈。在合闸位置，磁力集中在磁轭—衔铁的接触部位，并提供所需的锁扣力。见图1。
图1 装于VCB 的永磁机构剖面图
3 操作原理
3.1 分闸位置
在分闸位置，机构通过分闸弹簧的残余机械力实现分闸保持（见图1），此时无电能损耗。 3.2 合闸操作（见图2）
电气合闸指令可启动控制模块中预先充电的电容器组向机构线圈放电，当电磁力超过分闸簧的分闸保持力时，则衔铁开始运动（图2b ）。
当衔铁带动触头完成合闸规定的触头行程，
则灭弧室动触头停止运动，而衔铁继续运动，并超额运动2mm ，，压缩触头压力弹簧与分闸弹簧，为下一次分闸储能（图2c ）。
图2 合闸操作
储能完成后，衔铁自动锁定于磁轭上（图2d ）。
由于磁系统的闭合，线圈电流进一步增大，增强电磁场，以至使磁铁饱和，并提供足够的永磁体能量，在线圈断电的情况下将衔铁保持于合闸位置。
3.3 合闸位置
机构通过永磁体（磁轭和衔铁）磁通保持于合闸位置，永磁锁扣力远大于分闸弹簧力与触头
压力弹簧力之和。因此。在任何标准情况下（振动、有短路电流通过或周围存在短路电流而产生的强磁场）可将VCB 保持在合闸位置，此时无电能损耗。 3.4 分闸操作
断路器分闸时，控制模块中的分闸电容提供的反向电流将对线圈进行15/20ms的反向励磁，并降低衔铁的合闸保持力。当分闸弹簧力与触头压力弹簧力之和大于永磁锁扣力时，衔铁从磁轭脱扣（图3b ），并快速加速，使灭弧室触头分离（图3c ），断路器分闸。
图3 分闸操作
4 机构参数
图4 新型机构磁场的三维有限元分析实例 4.1 静态条件
每kg 机构质量可产生850N 的磁力，这几乎比文献[2、5]所述设计高2倍。这一结果可通过有限元法分析和机构优化设计获得，见图4。
分闸弹簧的选择满足下述要求：
1） 在VCB 允许的方向将其稳定地锁定于分
闸位置；
2） 合闸操作能量消耗最小化。
4.2 动态特性
机构线圈参数——铜线截面与砸数经过优化以达到能耗的最小化和灭弧室触头寿命的最大化。优化以机构的试验所得工作特性为基础。新型机构工作特性见图5。
作为上述优化结果，12kV/31.5kA VCB 一个“CO ”循环电容器组所需储能降低至150焦耳。值得注意的是该能量足以为全范围VCB 及其电子控制器提供一个“CO ”循环所需的能量。
5 新一代VCB
以上述机构为基础，本文开发了适用于更大电流的VCB 。其额定参数见表1，外形见图6。
图5 新型机构工作特性实例
图6 新型VCB 外形
表1 VCB主要技术参数
VCB 每相有单独的操作机构，机构通过同步操作轴连接，同步操作轴设有辅助开关与联锁控制。机构特性、灭弧室特性、以及VCB 各相其余元件特性设计均达到以下目的：
● 在产品整个寿命周期内免维护； ● 低能耗； ● 机械寿命长； ● 尺寸小、重量轻。
新一代VCB 完全达到了上述目的，机构标准
机械寿命可达到50000次“CO ”操作循环，特殊产品机构寿命可达到150000次“CO ”操作循环。12kV/2000A/31.5kA产品重量仅为46kg ，比市场同类产品约低2倍。体积比与重量比基本相同，假设新型VCB 的宽度与高度于传统产品相同，则其深度比传统产品约小2倍，配用于开关柜后可实现开关柜的小型化。
6 小结
单稳态单线圈永磁机构理念可将免维护VCB 规格扩展至额定电流2000A ，断路开断电流31.5kA 。同时可实现机械寿命长、小型化、轻量化。
参考文献：
王毅 译
[1] S. Yanabu et al., 1986 《纵磁场真空灭弧
室触头研究》，ISDEIV . P. 195 [2] 俄罗斯专利 2020631， 1991 [3] B. Mckean; D. Kenworthy, 1994 《双稳态
永磁机构》，世界专利WO 95/07542 [4] E. Dullni; H. Fink; G. Hǒrner; G. Leohardt;
Chr. Reuber, 1997, 《配永磁机构完全免维护真空断路器》， Elektrizi ätswirtschaft,
no. 11, pp 1205-1212
[5] A. Chaly, A. Gusev 1999 “新一代中压断
路器”第六届电气元件及其技术座谈会会议论文集，第二卷， 32-38。