我看永磁机构真空断路器的是与非

                      王月 特瑞德电气北京代表处

      永磁机构已在我国制造部门和运行部门形成了热潮，国家电网公司在“关于发布《国家电网公司重点应用新技术目录》的通知”（国家电网科（2006）323号）中明确将永磁操动机构、小型化、免维护的真空技术列为配电与用电的新技术应用方向。
 
      在2006年3月出版的《高压开关》杂志上读到大连电业局李阳修老师的文章《再谈永磁机构问题》，从中看到这项技术在我国的应用与世界先进水平之间还存在着一定的差距。
 
     因为工作原因，我有幸接触到了永磁操动机构真空断路器这一领域中的世界前沿技术，特瑞德电气的单稳态永磁真空断路器ISM，它的磁性材料配方和设计结构来自于前苏联军事实验室的尖端科研成果，不仅体现了这项技术的普遍优越性，而且是目前世界唯一的全部直动式操动机构的中压真空断路器，具有特殊的长寿命和高可*性。
 
     下面根据李老师在文章中列举的永磁机构在运行中的问题，谈一点自己的浅显认识：
 
一、永磁操动机构不同类型及结构的比较
 
     永磁操动机构真空断路器尽管被公认为中压开关的换代产品，代表了中压开关发展的方向，但是由于存在着不同结构和原理的永磁机构真空断路器，因而在其应用过程中也存在着是是非非。
 
    在永磁机构断路器的研究和应用领域，从最初的永磁机构操动原理派生发展出来了各种不同原理和结构的永磁操动机构，归纳起来可以分为两个类型：单稳态永磁操动机构和双稳态永磁操动机构。其中双稳态永磁操动机构的工作原理为分闸与合闸及保持都*永磁力；单稳态永磁操动机构的工作原理为在储能弹簧的帮助下快速分闸，并保持分闸位置，只有合闸保持*永磁力。
 
     从世界上第一台永磁真空断路器投入商业运行，到现在已超过17年。综合比较各种结构永磁真空断路器的应用情况，可以看到单稳态永磁机构真空断路器通过电磁合闸、永磁保持及弹簧分闸，克服了弹簧操动机构和双稳态永磁操动机构断路器的不足之处，综合体现了弹簧操动机构和磁力操动机构与真空灭弧室出力特性的良好配合，具有优异的机械特性及电气特性，能给出适当的合闸速度和分闸速度。而且，单稳态机构断路器所需的操作功率与双稳态结构断路器相比显著减小，这种结构的断路器具有更长的使用寿命和更高的可*性。这项技术稳定地发展到今天，已成为能经受住时间考验的成熟技术。
 
     但是，在中国国内的应用推广上，由于某些较早进入中国市场的国际知名大公司选择了双稳态结构作为真空断路器的研发方向，且不论这种选择是否恰当，都  在一定程度上对中国市场，尤其对中国国内的生产企业起到了引导作用。今天，我们所看到的中国企业自行开发的永磁真空断路器都是双稳态结构的。
 
      双稳态永磁机构在中国问世以来，在实际应用中也出现了一些问题，其中，有些问题来自设计缺陷，有些则是产品质量问题；但是这些问题的出现给整个永磁机构的应用带来了一些阴影。
 
 
 
      左上图中黄色部分为传统弹簧操动机构真空断路器的外形及结构简图，绿色部分为单稳态永磁真空断路器，右上图为双稳态永磁真空断路器。从中可以看出，双稳态永磁真空断路器并没有解决传统弹操断路器机械零部件和传动部件过多的问题。下面列表分析单稳态永磁操动机构真空断路器与双稳态永磁操动机构真空断路器的特点，希望能为中国的开关用户和制造企业提供一点启示：
单稳态永磁操动机构真空断路器
代表产品：ISM
  特点 1）尖端材料科研成果，非NDB，稳定性不受充磁、去磁过程或温度变化影响
2）操作所需要的能量小，合闸50W，分闸能量小于1焦耳
3）电磁合闸、永磁保持、弹簧分闸，刚合速度和刚分速度均为最大
4）每相一个操动机构；完全直线运动，传动效率最高
5）结构简单，直动式断路器，可全面克服机械故障
6）可以手动分闸
7）不能进行手动合闸
双稳态永磁操动机构真空断路器
代表产品：大多数永磁机构断路器
  特点 1）从原理上可以实现手动合闸
2）只能使用矫顽力大于106 Am的稀土材料NDB。铁芯材料需使用价格较贵的硅钢片。生产成本高
3）结构复杂，零件较多，不能完全克服机械故障
4）分闸操作与合闸操作耗能相同，都比较大
5）分闸操作与合闸操作及保持都*永磁力，难以解决分闸速度呈马鞍形问题；与真空开关的负载特性不匹配

（1）均匀纵磁场下的大电流真空电弧
       1967年，Ito和Okura第一次提出了关于纵磁场在控制大电流真空电弧上的应用，试验中发现，采用纵磁场分布的真空灭弧室的开断能力能够显著提高（约提高50%~100%）。
      更多的研究显示，纵磁场控制电弧的能力依赖于磁场的强度。如果磁场太弱，阴极斑点不稳定，甚至会脱离触头的水平表面；但磁场太强时，阴极斑点则不能分布于整个触头表面；只有当对于磁场强度达到一定区间值时，阴极斑点才能分布于整个触头表面。上图为特瑞德的研究人员在真空灭弧室中利用纵磁场得到最优化的阴极斑点分布示意图。
（2）非均匀纵磁场下的大电流真空电弧
    商业用真空灭弧室一直致力于非均匀纵磁场的研究。首次将纵磁场应用于真空灭弧室产品是在20世纪70年代。80年代初期发现了非均匀纵磁场对真空电弧的影响。大量对不同磁场结构的试验显示，在特定电流和磁场结构下，无论磁场强弱，阴极斑点都会移动。研究发现，触头边缘部位具有类似磁屏障的强磁场，触头中心区域强度最弱的磁场结构是最优化的磁场结构，通过测量触头阴极电流密度而得到证明。此外，在电极的中心区域不需要纵磁场来限制阴极斑点及稳定电弧。
（3）具有纵磁场结构和最佳触头材料的真空灭弧室
      要将上述研究成果应用到真空灭弧室产品中，还需要做许多工作，包括确定最佳的触头形状、选择最适合的触头材料等。触头形状能决定纵磁场的结构，并因此决定电弧的分布。触头材料则要同时满足真空灭弧室苛刻的电气性能要求和机械性能要求。例如，触头材料应具有极强的抗熔焊性能，因此它需要具有良好的导电性能和较低的熔焊机械强度；同时又要求触头材料具有较高的非电气性能（这一点在很大程度上与机械强度相关）；还需要它具有良好的导热、导电性能以提供高开断能力。
      特瑞德通过研究发现，几种不同材料相配合产生的特殊合金材料可满足以上要求。利用这种合金触头生产的真空灭弧室，在额定电流下的开断次数很容易达到10万次以上，在额定短路电流下能开断100次。
（4）通过创新设计和工艺提高金属波纹管的真空密封性能
     除触头系统以外，金属波纹管的密封性能是决定真空灭弧室寿命的另一个重要因素。传统的金属波纹管由不锈钢冲压而成（如下图(a)所示），在灭弧室的分合过程中，极高的加
波纹管结构比较
 
     速度会对波纹管产生巨大压力，波纹管因疲劳产生漏气是目前真空灭弧室故障的主要原因。
ISM单稳态永磁真空断路器所用的波纹管由一组不锈钢环片在内侧和外侧交替焊接而成。采用这种设计的波纹管，在分合操作过程中机械应力均匀分布到整个环片上，单点受到的压力大大减小（如上图(b)所示）。这项技术的应用，不仅使真空灭弧室实现外型小巧，而且其额定机械寿命可达到15万次。
 
2、3 单稳态永磁操动机构断路器的总结
     这种新型的永磁操动机构断路器可以被描述为一种不需要机械控制和闭锁的单稳态开关。对于这种结构，可以轻易实现机械操作次数10万次以上，同时不需要任何维护。
      这种操动机构与一个基于微处理器技术的控制模块配套使用，控制模块的作用是为操动机构提供能量，并提供断路器所必须的电气接口；同时，控制模块还具有实时监控功能并易于和SCADA系统结合。
       使用先进触头及波纹管系统设计的独特真空灭弧室，完全可以和操动机构的长寿命、高可*性相匹配。
新型单稳态永磁操动机构断路器的应用，可以使配电系统在可*性大大提高的同时，成本也得到降低。这种断路器几乎适用于所有场合，包括需要断路器进行频繁操作的情况，如操作单组电容器和电弧炉等。
       采用这种运动轨迹简单的断路器可以使设备的可*性显著提高，维护工作显然越来越不必要；特瑞德电气因此愿意提醒用户朋友考虑将这种断路器应用在固定式开关柜里，不仅可以避免因抽出触头故障产生的问题，而且还可以提高空间的利用效率。
     在中国，已有为数不少的开关企业利用单稳态永磁机构断路器这个独特的优点，开发出新型紧凑型固定柜，在应用中取得了非常好的效果。
     但是，为了满足抽出式开关柜的使用需要，特瑞德电气还专门设计了将单稳态永磁机构断路器应用于中置式开关柜的完整方案。