永磁操动机构基本原理与二次接线设计.docx

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永磁操动机构基本原理与二次接线设计

永磁操动机构基本原理及二次接线设计

西安森源配电自动化设备有限公司

钱昱澎

【摘要】本文介绍了永磁操动机构的基本原理及特点，并对开关柜二次接线以及应用中有关问题进行了分析，提出了应注意的几点建议。

【关键词】操动机构永磁弹簧储能二次接线紧急跳闸

近年来，科技飞速发展，人们对新事物的研究也在不断探索中前进。

稀土永磁材料的问世，很快便以性能优越、价格低廉等特点被迅速应用到各个领域。

在真空开关向前发展的过程中，我们碰到许多诸如：

故障率高、零部件繁多、维修不便等和现代化工业不和谐的因素。

本着安全、简便、实用的原则和“开发国产电器精品，振兴民族电器工业”的宗旨，西安森源电气有限责任公司一九九八年起致力于永磁真空开关的开发研究，以满足国内外电力市场的新需求，提高真空开关的整体应用水平，促进其不断地向前发展。

配永磁机构的真空断路器，从一开始设计，便引起了普遍的关注。

2000年西安森源配电自动化设备有限公司率先自行研发设计出第一代配永磁机构的VSm型户内高压真空断路器，并于2000年5月至8月，在具有国家级断路器检测资格的西安高压电器研究所，按照国家标准完成了断路器开断试验、EMC试验、机械寿命、温升测试等一系列试验，在国内电器行业引起了普遍的关注，谱写了国内配永磁机构真空断路器的新篇章。

随后几年，西安森源配电自动化设备有限公司集中科研技术人员致力于永磁机构的研究，不断的更新完善产品，并进行了更加广泛的应用，在2001年又推出配永磁机构的VS2型户外高压真空断路器，2002年在西安高压电器研究所，按照国家标准完成了断路器开断试验、EMC试验、机械寿命、温升测试等一系列试验，在国内电器行业又一次引起了普遍的关注。

2000年配永磁机构的VSm型户内高压真空断路器所配备的控制单元是ZKS-1系列，2000年底西安森源配电自动化设备有限公司装配出两台配ZKS-1控制单元的第一代VSm断路器，在福建省石狮市挂网运行，主要用于切电容。

2000年底至2001年，又相继设计出ZKS-2、ZKS-3系列控制单元，随后几年不断地改进及完善，在ZKS-3基础上派生出一系列规格新产品。

2001年下半年配ZKS-3控制单元的第三代VSm断路器37台销往山东99集团，运行情况良好。

2001年至今，配永磁机构的VSm真空断路器，在钢铁行业、水泥行业、变电站、铁路交通行业等多种行业中都得到了广泛的应用，反应良好。

特别是配新改进设计出的第四代控制器iSPM300的VSm真空断路器，应用更加可靠，功能更加齐全，抗震性能高，性价比高，使用寿命更长，推广应用后，得到广大用户好评。

VS2型户外高压真空断路器所配备的控制单元在2001年至2004年是iSM1、iST1、iST2系列，经过近几年及用户的交流，总结了许多的经验，对产品进行了完善改进，2004年下半年西安森源配电自动化设备有限公司研发出配新改进设计出的第二代控制器iSM2的第二代VS2型断路器，功能更加齐全，性价比高，使用寿命更长，目前在湖南推广应用55台，得到用户好评。

一、配永磁机构的真空断路器基本工作原理

配永磁机构的真空断路器，改变了传统的固定模式，吸收了大量的先进理论，如：

卡扣、脱扣方式的突变，利用新近发现的稀土永磁材料的特殊性能及新颖的磁通布置方式，取代了传统的机械式挚子卡扣、脱扣，从而解决了机械挚子易磨损的缺陷。

储能部分完成了由弹簧储能到电储能的转换，辅以全新的电子控制系统，不仅使能量的消耗降到了最低，而且作到了智能化控制，符合现代国际发展潮流。

新的操动机构-永磁机构的负载特性及真空灭弧室的完美匹配，也是其迅速占领真空开关的原因之一。

如图1所示，弹簧机构的弹簧在合闸过程中释放能量，它的特性及真空断路器刚好相反，因此必须通过弹簧的特性转换来满足力及行程关系曲线。

这种转换伴随着连接机构的高速运动，不仅降低机构的效率和可靠性，还减小了产品结构的刚性。

而永磁机构的出力特性非常接近真空开关的要求，正因为此，它可以及真空灭弧室直接相连，使零部件数降到最少，同时提高了产品结构的刚性，有助于减小触头弹跳及刚分速度的提高。

永磁机构是断路器的主体，来驱动灭弧室动触头合分动作。

VSm型户内高压真空断路器由两个E型铁心作为静铁心，VS2型户外高压真空断路器由一个圆柱型铁心作为静铁心，永磁体处在铁心的中间凸起部分，和夹在中间的动铁心组成一个特殊的双稳态对称磁路。

如图2所示。

当动铁心处在某一极限位置时，在这一端形成主磁回路，大部分磁通流经此端，因而在这一端和动铁心之间产生一个很大的吸引力，就是触头保持力。

当机构需要动作时，通过电容组放电，给线圈通过一个瞬态电流，产生一个反向磁场，消弱主磁通，同时增大了另一端的磁通。

当主磁通消弱到一定数量时，动铁心动作。

它一直运动到另一极限位置才停止，然后在这一位置形成主磁回路，产生保持力。

由于其特殊的磁路结构，动铁心只在两个极限位置机构才处于稳态，故称为双稳态对称磁路。

智能化操作单元由电源模件、CPU模件、分合闸位置采样模件、分合闸信号采样模件、驱动模件、电容器模件等组成。

永磁机构中的分、合闸线圈必须受电励磁，从而产生电磁吸力方可驱动动铁芯运动，而且必须达到一定的激磁安匝数，才能满足真空断路器的分、合闸速度要求。

而要在较短的时间内获得较大的脉动电流，单纯靠设计电源是不经济的，而且电源线路复杂，体积庞大。

永磁机构中的电源最经济的方法是采用电容器模件。

用电容器作为电源具有许多潜在的优点。

例如电容器的充电时间较短，可采用具有滤波或非滤波、稳压或非稳压的直流输出的任何一种常规电源装置对其充电。

因不必考虑充电过量的危险，所以不要求对精确的充电电流和充电时间进行监视。

电容器的充、放电周期也几乎是无限的。

电容器作为电源，在使用中不存在化学污染或电极氧化问题，可以经受无数次短路，并可放电至任意电平都不会受损坏。

除此之外，电容器还可以很容易地并联使用，而不会产生并联电池之间的偏置电流那样的侧流效应问题。

因此永磁机构中的电源最经济的方法是采用电容器放电的方式。

当然，用电容器作为电源也要充分考虑电容器的质量及寿命。

现代的电解质电容器具有很高的质量及相当长寿命。

图（4）给出了国外现代电解电容使用年限t及环境温度T的关系。

即使在相对较高的运行温度55℃时，其运行寿命至少可达5至8年。

计算电容器使用寿命常用的阿雷尼厄斯法则：

电解电容器在额定温度下的寿命，每降10℃寿命翻一翻。

例如：

电解电容在技术指标中标称105℃时，寿命为2000小时，那麽，在55℃时寿命为多少小时？

按照阿雷尼厄斯法则计算如下：

温度差值:

105–55=50（℃）

因为每降10℃寿命翻一翻，

那麽，50÷10=5

则在55℃时寿命为：

2000×2

=64000（小时）

合计为：

64000÷（365×24）=7.3（年）

电解电容在技术指标中所标称的寿命2000小时只是按国家标准进行测试合格后所标注的，但并不是说，2000小时后电解电容就损坏不能用了，相反电解电容在2000小时后基本都还能正常使用，而且2000小时的测试是在高温105℃下进行的，如若在常温下其寿命还会翻翻。

因此，只要选用优质电容器，我们完全没必要担心电容器的使用寿命。

但值得提醒的是，电容器只有在频繁使用下寿命可保证，而长久搁置，则对电容器的使用寿命有影响。

长期搁置的电容器，技术指标会发生变化，漏电流会增大，要正常使用，必须进行老练和检测。

电容器上充以恒定的DC100V操作电压，可为操动机构的分、合闸线圈激励提供所需的脉冲电能。

但它每提供一次分或合闸线圈激励所需的脉冲电能，如果不及时切断分、合闸线圈中的脉动电流，电容器模件分或合闸一次功耗就会很大，电容器模件上的电压就会下降到不能在为下一次合或分闸时提供所需的脉冲电能，亦即不能完成一次CO操作，更谈不上完成一次O-0.3S-CO操作。

因此必须及时切断分、合闸线圈中的脉动电流，这就要靠分、合闸位置采样模件及CPU模件、驱动模件等共同完成。

配永磁机构的真空断路器采用电子接进开关来检测开关的分、合闸位置状态。

电子接进开关具有安装方便，结构简单，响应速度快，体积小，功耗低，抗干扰性强等优点，已广泛应用于各行各业中。

配永磁机构的真空断路器的分、合闸位置采样模件示意图如图（5）所示。

图（5）

采样模件是将电子接进开关检测到的分、合闸位置信息输入CPU模件，通过逻辑分析后分别送至分、合闸逻辑驱动电路，及时切断分、合闸线圈中的脉动电流，既能保证可靠动作，又能降低功耗，还能避免分合闸线圈因长期通电而烧损。

真空断路器的就地手动、远方电动控制电路结构原理示意图如图（6）所示。

图（6）

当接收到来自就地手动、远方电动控制模件的分、合闸命令时，送至CPU模件，则逻辑控制器会根据分、合闸位置采样模件发出的高、低电平自动检测此时真空断路器所处的位置是分闸位置还是合闸位置，以决定是否执行分、合闸命令。

若分、合闸命令同时接收到，则CPU模件会通过逻辑控制器及时闭锁合闸命令而响应分闸命令；若合闸信号响应后，合闸信号始终未撤销，此时接受到分闸信号并响应分闸后，CPU模件亦会通过逻辑控制器及时闭锁合闸命令，避免机构出现弹跳现象。

辅助电源监测模件及电容器监测模件均是采样辅助电源或电容器上的电压,通过比较器及基准电压比较,将比较的结果（高或低电平）输入CPU逻辑模件进行逻辑运算。

结构原理示意图如图（7）所示。

图（7）

二、配永磁机构的真空断路器特点

配永磁机构的高压真空断路器较配弹操机构的真空断路器，零部件少，操作更简单，性能更稳定，故障率更低，操作频率更高，使用寿命更长，基本达到少维护免维修的概念。

控制单元经过几年的改进完善，更加智能化，可靠性更高，功耗更小，采用交直流两用，更加方便于用户，工作电源初次供电电流峰值小于等于1A，稳定后供电电流小于等于0.5A；分合闸远方操作电流小于0.01A（7毫安～10毫安），这样更加有利于用户，特别是采用直流屏蓄电池，容量可以减小，降低成本。

配永磁机构的高压真空断路器可广泛应用于发电厂、变电站以及各种监控和使用环节。

例如：

化工厂、炼钢厂、自动化工厂、飞机场、大型建筑物的供电部分。

配永磁机构的高压真空断路器非常适合以下状况的开合：

a）短路电流；

b）负载或空载的电缆及架空线；

c）负载或空载的变压器及发电机；

d）谐波控制系统；

e）电容器组（包括并联切换）及电动机。

三、应用中应注意的几个问题

配永磁机构的VSm型户内高压真空断路器较VS1等配弹操机构的真空断路器更具优越性，可靠性更高，维护更简单。

但也存在一些使用上的不方便，如没有机械手动合闸功能。

要想在无工作电源又要合闸的情况下，必须使用临时电源，没有临时电源，也可采用便携式大于350KVA的UPS电源供电。

配永磁机构的VS2型户外高压真空断路器较户外弹操机构同样更具优越性，可靠性更高，维护更简单，道理等同于VSm型户内高压真空断路器。

另外，配永磁机构的VSm型户内高压真空断路器及VS2型户外高压真空断路器虽然配备机械手动分闸功能，从安全角度考虑，机械手动分闸功能仅限于断路器检修时使用。

确实要在工作运行时进行分闸操作，应按规程进行操作，除正常操作外，在工作电源消失时需要紧急分闸，必须使用紧急分闸开关进行操作，并注意及时复位。

断路器如正常运行，平时不需要短期检修，按正常年检即可。

检修时，只要断路器机构内无任何松脱零部件，分合闸操作一切正常，即表明断路器机构及电源控制部分工作正常，如果此时真空灭弧室绝缘耐压实验也正常，则表明断路器基本正常。

如若有条件，再采用机械特性测试仪，如西安森源设计生产的SBT测试仪进行检测，更能说明问题。

配永磁机构的高压真空断路器较配弹操机构的真空断路器使用寿命更长，永磁机构寿命可达10万次，真空灭弧室寿命及使用电流、环境、操作频繁程度等有关，这及配弹操机构的真空断路器相近。

四、开关柜二次图设计

配永磁机构的VSm型户内高压真空断路器工作电源为交直流两用，这就给开关柜二次设计带来很大方便。

因为工作电流不超过2A，所以在直流供电操作的场合，直流屏蓄电池容量可选40A，这样可减少蓄电池串并连个数，节约投资；在交流供电操作的场合，可选用1～3KV的UPS或EPS电源。

配永磁机构的VSm型户内高压真空断路器内部已具备防跳功能，而且更符合永磁机构的特性，因此建议二次接线可不考虑防跳设计。

采用微机保护或变电站综合自动化装置时，因为防跳继电器本体工艺及性能决定其电流线圈一般为0.5～1A才能正常启动，这样在应用过程中，不仅功耗大，资源浪费，而且应用于分合闸线圈回路中，相当于始终有一个小的电烙铁在工作，既不安全，也易损坏分合闸线圈，是造成故障的隐患。

配永磁机构的VSm型户内高压真空断路器在这方面进行了优化改进，将防跳功能紧密结合于断路器，使断路器性能更加可靠，而且从降低功耗角度考虑，配永磁机构的VSm型户内高压真空断路器的分合闸操作电流均小于0.1A，此时若使用防跳继电器进行保护，就显得过时且不实用，防跳继电器也会起不到真正的防跳保护。

因此建议在使用继电保护装置时取消继电器防跳功能。

配永磁机构的VSm型户内高压真空断路器的分闸及合闸输入信号电压为交直流220V两用（若为交直流110V操作电源，应在定货时注明），电流小于0.1A。

因此开关柜分合闸指示信号灯应选用低功耗的指示灯。

分合闸位置指示灯不能接在分合闸回路中，对分合闸位置进行监测，应单独采用断路器内部辅助接点来进行分合闸指示，分合闸位置指示灯型号可根据需要选用。

配永磁机构的VSm型户内高压真空断路器紧急分闸功能的设置，是为了方便在工作电流由于某种原因消失时，便于分断开关而采用的一个紧急手段。

要求非特殊情况不允许使用，若在紧急情况下使用也要求瞬时动作，即操作完后要求开关立即复位。

二次接线设计时可以单独配置一个KK开关或选用一个小型的单极低压断路器，平时很少操作，只是在工作电流由于某种原因消失，需要进行紧急分闸时才使用一次。

柜体二次接线图中应根据实际需要考虑设计连锁，此时二次接线图中必须体现出连锁关系。

断路器手车柜在工作及实验位置均有辅助开关切换，用户可使用辅助开关的五常开及五常闭接点进行连锁设计，也可用这些接点进行工作位置及实验位置状态指示。

如有特殊需求，用户在订货技术要求中应提出。

配永磁机构的VSm型户内高压真空断路器有电容储能指示输出转换干接点一对，外接储能指示灯可以指示当前储能状态，也可以连接到微机保护或变电站综合自动化装置的开关量输入端子上。

五、结论

综上所述，配永磁机构的VSm型户内高压真空断路器及VS2型户外高压真空断路器各有其独特的优点，再结合先进的电力电子技术，更加安全可靠，更具市场竞争力。

从智能化的角度看，CPU控制单元直接接受来自控制开关（现场）或远方控制室输出的控制命令，经过必要的逻辑电路后可直接操作并实现自动监测保护，一旦接收到故障异常状态信息即刻进入自动保护状态。

因而可省去旧式的继电保护中的一些环节，简化了设备，提高了可靠性，增加了效益。

从无人职守角度看，永磁机构中的电源控制器智能化程度越高，真正做到高可靠性和免维护性，变电站自动化系统和无人职守的运行模式才能真正实现。