德国特瑞德ISM单稳态永磁断路器出力特性比较合闸

永磁机构断路器的工作原理时间:2009-01-14 来源:徐州机电工程高等职业学校编辑:朱思河自1961 年美国GE 公司研制成功第一台真空断路器以来,真空断路器的技术水平迅速得到提高。

随着新型触头结构和新材料的研制,真空断路器的开断能力不断提升。

而作为真空断路器的主要元件———操动机构,也历经了几代的发展,从最初的电磁机构,发展到现在广泛应用的弹簧操作机构,以及现阶段正迈向成熟并逐渐普及的永磁操作机构。

真空断路器及操动机构的分析真空断路器之所以如此迅速发展,在于其真空灭弧室优异的开断特性,使其电寿命大大增加。

真空断路器的灭弧室动触头行程小,要求分闸速度高。

动静触头合闸时为平面接触,为了防止真空断路器在短路时触头被强大的冲击力斥开,动静触头间要施以较大的触头压力,这样也有利于提高分闸速度。

真空灭弧室的优异性,使其机械及电寿命从传统的2000次跃增为上万次,沿用传统断路器操动机构电磁机构和弹簧机构很难体现出其高寿命、高可靠性的优点。

因此需要一结构高度简化、节能和高可靠的机构来满足真空断路器的驱动要求。

永磁机构以其结构简单、运行可靠、经久耐用等优点被广泛应用于真空断路器的驱动,它克服了传统机构的缺点,充分发挥了真空断路器的优点,为研制新一代免维护断路器奠定了基础。

它已成为电力系统选型热点,具有良好的经济效益和市场前景。

本文以ZNY1-10P630-12.5型永磁真空断路器为例来分析永磁断路器的结构及工作原理。

永磁机构断路器工作原理及主要技术参数主要技术参数该真空断路器采用双稳态内设欠压脱扣器永磁机构,并与机械手动脱扣器结为一体化设计,使手动分闸轻便可靠。

永磁机构分闸与弹簧分闸相结合,使分闸速度的分配更理想。

与弹簧操作机构断路器比较,可动部件大大减少,使其可靠性和机械寿命大幅提高,是弹簧操作机构类型断路器的理想替代产品。

ZNY1-10P630-12.5型永磁真空断路器的主要技术参数如下:额定电压PkV 10最高电压PkV 12额定电流PA 630额定频率PHz 50额定短路开断电流PkA 12. 5动稳定电流PkA 31.5热稳定电流PkA 12.5额定短路关合电流PkA 31. 5短路电流持续时间Ps 41min 工频耐压PkV 42雷电冲击耐压PkV 75永磁机构断路器工作原理永磁机构断路器的工作原理如图1 所示:图1 永磁机构断路器的工作原理图其工作过程如下:接通控制电源,首次接通电源要等待60s,此时储能电容已充满电(充电指示灯亮),同时欠压脱扣器电源也准备接通,断路器处在准备操作状态。

新一代单稳态永磁机构真空断路器Alexy M. CHAL Y1)Oleg I. CHERVINSKYI2)Victor N. POLUY ANOV3)俄罗斯IG Tavrada电气E-mail: cam@1), coi@2), pvn@tavrad3)[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VCB2），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。

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。

产品简介概述产品简介概述系列介绍德力西电气生产的低压断路器产品在国内具有广泛的影响CDB9系列低压终端电气产品，代表了当今国内低压终端配电的最高水平CDB9系列低压终端电气产品，可以广泛应用于工业，民用住宅，商业建筑等领域，对所在电路进行短路保护，过载保护，漏电保护；同时还能起到隔离及控制作用产品外观介绍左视图绿色；表示触头断开 状态位置红色：表示触头闭合 安装孔，用于安装 电气附件正视图右视图热塑外壳强抗冲击性 可回收 有弹性 自熄性 脱扣曲线和额定电流 分断能力和限流等级触头位置状态手柄指示"I-ON"表示触头闭合状态位置 "O-OFF"表示触头断开状态位置 紧固螺钉安装孔，用于 安装漏电模块 安装孔，用于 安装漏电模块拔线指示拔线指示顶视图工作频率额定电压符合标准认证标志12In±20%产品简介产品简介额定电流 1，2，4，6，10，16，20，25，32，40，50，63A 额定工作电压 230/400V AC 极数 1/2/3/4P 最大工作电压 440 V AC 分断能力 6 kA / 10kA 冲击耐受电压 4 kV 限流等级 3隔离功能 切实分断指示快速闭合 保证冲击性负载的可靠工作，延长断路器的电气寿命机械寿命 20000次 电气寿命 10000次环境: 使用环境温度: -30°C 至 +70°C抗湿热性: 2类 (温度55°C 时，相对湿度95%)参考重量 (克)重量121242363484接线 隧道式接线端子可采用上进线下出线方式或下进线上出线方式且无需降容 端子接线面积2及以下导线安装 模块化结构，可方便地安装在DIN 标准导轨上 可垂直、水平或背部安装，特性不受影响 额定扭矩 附件 OF 辅助触头，SD 报警触头，MX+OF 分励脱扣器，过、欠压脱扣器符合标准 IEC/EN 60898-1,GB10963.1 符合认证 CCC 、KEMA 、CE 、CB 、RoSH脱扣特性B 型曲线保护短路电流较小的负载（如电源、长电缆等）脱扣特性: 瞬时脱扣范围 (3～5) In C 型曲线保护常规负载和配电线缆脱扣特性: 瞬时脱扣范围 (5～10) In D 型曲线保护起动电流大的冲击性负荷脱扣特性: 瞬时脱扣范围 (10～14) In短路保护过载保护 控制隔离CDB9断路器适用于工业、民用建筑、能源及基础设施等领域低压终端配电。

永磁操动机构真空断路器的特点断路器操动机构的性能好坏对电力系统是否能可靠、安全供电具有决定性作用；永磁操作机构由永久磁铁、合闸线圈和分闸线圈组成，取消了弹簧操作机构中的运动连杆、脱扣、锁扣、电机，结构简单，零部件很少，工作时主要运动部件只有一个，具有很高的可靠性。

它利用永久磁铁进行断路器位置保持，属于电磁操动、永磁保持、电子控制。

由于分合闸时需要较大电磁能量，一般需配备一个大容量储能电容。

永磁机构划分为不同的类型，主要有单稳态和双稳态、单线圈和双线圈之分，它们之间没有明显的优劣之分。

所谓双稳态永磁机构，指的是在合闸端、分闸端均采用永久磁铁保持，分、合闸的动作是分别通过两个激磁线圈通电驱动动铁心来完成。

在同样条件下，双稳态永磁机构合闸电流峰值较小，对于控制部分而言，电流越小，意味着控制越简单可靠，控制器损坏的几率也越小。

另外，分合闸电流较小，放电电容不用太大，一般用一个100V/10万微法的电解电容就可以实现断路器的重合闸操作。

双稳态真空断路器永磁机构的刚分速度低于全开距平均速度。

所谓单稳态永磁机构，指的是在合闸端采用永久磁铁保持，在分闸端则采用弹簧保持，合闸动作是通过合闸激磁线圈通电驱动动铁心来完成，同时在合闸的过程中对分闸保持弹簧储能，分闸动作是靠释放分闸保持弹簧来完成。

由于单稳态永磁机构的分闸动作是靠分闸弹簧来完成，因此其分闸的刚分速度和平均分闸速度优于双稳态真空断路器永磁机构，与断路器的分闸反力特性曲线能较好匹配。

由于单稳态永磁机构在合闸时同时要给分闸保持弹簧储能，因此同样条件下，合闸电流峰值比双稳态永磁机构大很多。

双稳态永磁操动机构在处理好真空灭弧室分断能力与刚分速度之间的关系后，可以是完美的真空断路器。

永磁操动机构断路器由于运动部件少，结构简单，电磁驱动力更加符合真空灭弧室是需要的操作，机械寿命10万次以上，相比较于弹簧操动机构3万次机械寿命来说，性能大幅提升，适用于频繁操作、操作次数要求高的场所，同时电子控制更易实现自动化操作，因此高质量的永磁机构真空断路器的价格也比较高，在国外，很多高端客户，如石化、海洋平台上都会使用，免维护，高可靠性，提高供电连续性、可靠性。

断路器的特性、功能、选用一、低压断路器的功能1．接通和分断负载电路低压断路器可用来接通和分断负载电路，也可用来控制不频繁起动的电动机。

2．隔离作用当变频器进行维修时，或长时间不用时，将其切断，使变频器与电源隔离，确保安全。

3．保护作用低压断路器具有过电流及欠电压等保护功能，当变频器的输入侧发生短路或电源电压过低等故障时，可迅速进行保护。

二、低压断路器的选择断路器的电流等级分为：1A、1.5A、3A、6A、IOA、16A、25A、32A、40A、50A、63A、80A、100A、125A、150A、200A、250A、315A、350A、400A、500A、630A、800A、1000A、1250A、1600A、2000A、2500A、3200A、4000A、5000A、6300A等。

断路器常用于变频控制柜中的总开关或分路开关，应按使用的电压和电流来进行选择。

电流过小断路器容易误动作，过大会起不到保护作用。

选用时应充分考虑电路中是否有正常过电流。

在变频器单独控制电路中，属于正常过电流的情况有：1)变频器刚接通瞬间，对电容器的充电电流可高达额定电流的2~3倍。

2)变频器的进线电流是脉冲电流，其峰值常可能超过额定电流。

一般变频器允许的过载能力为150%，1min。

所以为了避免误动作，低压断路器的额定电流IQN应选：IQN≥(1.3~1.4)IN式中IN——变频器的额定电流。

在电动机要求实现工频和变频的切换控制的电路中，断路器应按电动机在工频下的起动电流来进行选择：IQN≥2.5IMN式中IMN-电动机的额定电流。

三、断路器的主要特性1．额定极限短路分断能力ICU低压断路器的分断能力指标有两种：额定极限短路分断能力和额定运行短路分断能力ICS。

Ics作为一个特性参数，并非只简单考虑断路器的分断能力，而是作为一种分断指标，即分断几次短路故障后，还能保证其正常工作。

对于断路器而言，应有足够的ICU，能够分断短路电流使开关跳闸。

德国施耐德断路器主要组成
德国施耐德
断路器的特性主要有:额定电压Ue;额定电流In;过载保护(Ir或Irth)和短路保护(Im)的脱扣电流整定范围;额定短路分断电流(工业用断路器Icu;家用断路器Icn)等。

额定工作电压(Ue):这是断路器在正常(不间断的)的情况下工作的电压。

额定电流(In):这是配有专门的过电流脱扣继电器的断路器在制造厂家规定的环境温度下所能无限承受的最大电流值，不会超过电流承受部件规定的温度限值。

短路继电器脱扣电流整定值(Im):短路脱扣继电器(瞬时或短延时)用于高故障电流值出现时，使断路器快速跳闸，其跳闸极限Im。

额定短路分断能力(Icu或Icn):断路器的额定短路分断电流是断路器能够分断而不被损害的最高(预期的)电流值。

标准中提供的电流值为故障电流交流分量的均方根值，计算标准值时直流暂态分量(总在最坏的情况短路下出现)假定为零。

工业用断路器额定值(Icu)和家用断路器额定值(Icn)通常以kA均方根值的形式给出。

短路分断能力(Ics):断路器的额定分断能力分为额定极限短路分断能力和额定运行短路分断能力两种。

国标《低压开关设备和控制设备低压断路器》(GB14048.2-94)对断路器额定极限短路分断能力和额定运行短路分断能力作了如下的解释:。

永磁开关单稳态双稳态
永磁开关有单稳态和双稳态，各有优缺点，只有根据实际需要来确定选用哪种会更好。

双稳态：
优点是：分合闸分别通过给分闸线圈或合闸线圈通电，实现合分闸。

不论哪个线圈得电，产生的磁力线与永久磁铁的磁力线方向一致，因此永久磁铁的使用寿命较长（没有退磁影响）。

分合闸可靠、稳定。

缺点是：无法实现手动分闸。

手动使其脱离合闸的稳态位置后，不能以分闸速度到分闸位置，而是与人力相关。

单稳态：
优点是：可实现手动紧急分闸。

人力使其脱离合闸位置后，分闸弹簧提供足够的分闸速度，使其可靠分闸。

缺点是：分合闸操作是通过给同一个线圈通以不同方向的电流实现，因此对永久磁铁有退磁作用，在温度较高情况下，机构的永久磁铁会失磁。

分合闸稳定型不如双稳态。

在应用上，主要区别是这些。

国内外常用磁场断路器的分析比较符仲恩,夏维珞,宣自平,李自淳中国科学院等离子体物理所科聚公司摘 要:通过大量的资料调研和真机考察试验,对目前常用的国内外12种磁场断路器进行分析比较,提出参考性的建议意见。

关键词:磁场断路器;分析;比较1 前言发电机的灭磁系统有如汽车的制动系统,对主机的安全运行至关重要。

灭磁开关是灭磁系统中的关键部件之一。

过去的灭磁开关(如DM2型自动灭磁开关)靠自身的栅片来吸收磁能,故栅片烧损严重,维护工作量大,不能频繁动作,不能满足大、中型发电机灭磁的需要,已经趋于淘汰。

目前国内外广泛采用的是移能型灭磁开关,叫做磁场断路器。

它在灭磁时将励磁电流及磁场能量迅速转移到灭磁电阻中衰耗,本身基本不吸收能量。

目前国内外可用的磁场断路器约有几十种,其性能各异。

有的关键参数还不明确,给用户选用带来很多困难。

故此有必要对常用的磁场断路器进行调查研究,有条件的尽量通过真实产品的使用考察试验,摸清其性能,进行分析比较,才能在设计选型时作出合理正确的选择。

2 国产磁场断路器的分析目前国内可供的磁场断路器型号主要有:DM X 型、DM4型、DM8型等机械磁场断路器及DDL型电子磁场断路器。

DM4型磁场断路器为上世纪80年代末期产品,双断口组合,采用长弧原理,电磁操纵机构,产品体积小、单断口遮断电压 1500V。

产品分1000A/1600A/2500A几种电流等级,适合于与非线性电阻配合进行移能灭磁,在国内广泛应用。

产品在设计时由于采用双套操作机构分别操作各自的断口,同步性能不够理想(时差<15ms),因此遮断电压不能实现很好叠加。

机械锁扣有卡涩拒动可能,如一个断口拒动则遮断电压减半。

DM X型为上世纪90年代中期产品,2004年改进升级为DM X2型。

产品采用积木组合式设计,分2断口和4断口两大类,包括400A/600A/ 800A/1000A/1600A/2300A/3000A/4000A 电流等级,遮断电压 2800V/4500V(二断口/四断口)。

双稳态永磁机构其优点表现在：
1.由于机构在进行合闸时，不需给分闸提供能量，合闸能量较小，合闸
线圈线径较细，需要的电源电流小。

2.机构在合闸位置时，永久磁铁只需提供克服触头弹簧的力，而不包括
分闸弹簧的力且分闸过程中，由于工作气隙越来越小，激磁电流所产生的力越来越大，永久磁铁对分闸速度由原来的阻碍作用转变为推动作用，断路器分闸速度快。

3.合分闸速度可以通过驱动器励磁电流控制。

4.永磁机构无退磁风险。

单稳态永磁机构不足主要表现为：
1.机构在合闸过程中，需要给分闸弹簧储能，合闸时能量较大，操作线
圈的电流较大，线径粗，要求电源提供的电流较大。

2.在相同的传动机构条件下，单稳态所需要的机构保持力要比双稳态大。

3.断路器在合闸位置时，反力为触头弹簧与分闸弹簧的力之和，所需的
合闸保持力较大，永久磁铁应提供较大的力，永久磁铁的体积较大。

4.分闸靠分闸弹簧驱动，分闸速度不可控。

5.分闸所通电流磁场方向与永磁铁反向，因此，永磁铁有退磁风险。

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。

永磁机构用固封极柱特点分析及借鉴性【摘要】 本文分析了特瑞德电器公司ISM 系列断路器12kV/630A/20kA 永磁机构用固封极柱的结构特点以及所配真空灭弧室的内部结构和电磁场分布。

为我公司固封极柱研发和灭弧室设计提供借鉴意义。

【关键词】 固封极柱 真空灭弧室 电场 磁场 借鉴性一. 问题的提出近几年，随着固封技术的迅速发展，固封极柱成为国内炙手可热的市场热点产品，同时永磁机构目前也逐步被市场所认可。

特瑞德电器公司是全世界最优秀的永磁机构断路器和永磁机构供应商之一，研究特瑞德永磁机构用固封极柱对我公司发展自有固封极柱技术很有借鉴意义。

所以我们对特瑞德ISM 系列断路器12kV/630A/20kA 永磁机构用固封极柱进行了解剖和分析。

二. 极柱的分析样品为特瑞德12kV/630A/20kA 固封极柱1个， ①.开距6mm ，②.触头压力700N ，③.该样品除了完成过10000次机械寿命，未进行过其他项目实验。

图1是该产品装于断路器上的外观情况图 1灭弧室带波纹管的动触头软连接 操作绝缘子 分闸弹簧 触头压力弹簧螺线管线圈动铁心同步轴机械联锁接口永磁机构同步轴微动开关联锁销框架母线连接图2为该极柱的外形测绘结果图2图3为极柱上半部和下半部X光照片图3极柱上半部和下半部X光照片1.极柱参数测试结果2.极柱的主要特点：①.带绝缘套的灭弧室和绝缘筒之间没有任何粘接物，灭弧室及其绝缘套能够直接从绝缘筒内退出（但需要施加一定外力）。

绝缘套套在灭弧室瓷壳上，与瓷壳间也没有任何粘接物，而且其伸长率较大，能够直接从瓷壳上径向拉伸后取下。

见图4图4分解后的灭弧室、绝缘套、绝缘筒、软连接绝缘套自由状态下的内径尺寸约为Φ57mm，壁厚约4.5mm。

灭弧室瓷壳外径为Φ74.5mm，比绝缘套内径大17.5mm，试图采用手工方式将绝缘套套上瓷壳，但比较困难，推测可能要通过热缩等其他方式。

绝缘套为加强型液体硅橡胶，经检测其物理性能如下：可以看出，硬度较低，拉伸强度和撕裂强度方面优于我公司现有产品。