永磁开关

图2 永磁机构断路器工作原理
需要合闸时，按下ＳＢ１合闸按钮，合闸继电器ＫＭ１线圈得电（２４ＶＤＣ）并动作， ＫＭ１动合触点ＫＭ１－１闭合，储能电容Ｃ１开始向合闸线圈放电。合闸线圈得电后，永 磁操动机构的动铁心被吸向下运动，顶动主轴传动拐臂，带动真空断路器的动触头运动而与 静触头闭合，同时通过辅助触点，使分闸拉簧储能，完成一次合闸过程（其中：电容器Ｃ３ 起延时一定的合闸时间，保证可靠合闸的作用；而另一路９ＶＤＣ则经过隔离二极管ＶＤ２、 分闸继电器ＫＭ２的动断触点ＫＭ２－４、辅助开关ＦＺ１动合触点ＦＺ１－１送至合闸线 圈，以维持合闸状态）。
行分、合闸操作的。表２列出了弹簧操动机构的优、缺点。
表２ 弹簧操动机构的优、缺点
优点
缺点
１．对电源要求低，冲击力较小；
１．因完全依靠机械传动，故传动机构复杂，
２．可获得较高的合闸速度，能实现快速自 零件数量多，故障率较高；
动重合闸。
２．零件加工精度要求高，制造工艺复杂，
制造成本较高。
由于弹簧操动机构产品的可靠性不易保证，限制了真空断路器向电气寿命长、免维护等
3.1 永磁操动机构中永磁体的可靠性 永磁操动机构与传统的电磁操动机构的根本区别在于前者使用了永磁体。目前永磁操动
机构的永磁体普遍采用钕铁硼稀土材料制成。钕铁硼永磁体在受到强烈机械冲击、高温和反 向磁场作用时均可能部分或全部退磁。当温度高于１２０℃时，钕铁硼的磁性能才会下降， 一般情况下操动机构不会出现这样高的温度；永磁操动机构中的机械冲击对钕铁硼永磁体来 说是可以承受的，试验已充分证明了这一点；永磁体随着时间的推移，磁性能也会有逐渐减 弱的趋势（自然劣化），但制造企业提供的数据表明，在２０年寿命期间，钕铁硼自然劣化 不会大于１％。因此，只要设计时留一定裕度，自然劣化一般不会影响永磁操动机构的正常 动作。综上所述，永磁体的退磁问题，并不影响它在永磁操动机构中的实际应用。
目前，我国对城市和农村配网的改造正在进一步深入，电力部门也由原来的单纯行业管 理转变为服务用户的公益性企业。因此，电力部门不但对设备的质量和性能要求越来越高， 同时对投资及可获得的效益也越来越关注。新一代永磁操动机构真空断路器的出现，将为广 大用户提供一种全新的选择。永磁操动机构与真空断路器的配合，必将引起中高压真空断路 器划时代的革命，使用其开发的下一代真正免维护开关产品将成为高压开关的主流方向。
3.3 永磁操动机构的优点 （１）通过双线圈分别控制分、合闸操作。即合闸线圈只控制合闸操作，分闸线圈只控
制分闸操作，提高了机构的可靠性。 （２）采用了全新的磁路设计，增大了分、合闸的保持力，减小了分、合闸时对线圈电
流的要求，降低了能耗。 （３）机构的下部基座设计有联动轴，可保证分合闸操作时三相同期性，控制了首开相
１前言
自１９６１年美国ＣＥ公司成功研制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。随着新材料的应用和新型结构的触头不断研制成功，真空断路器凭借真空灭弧室无 与伦比的开断特性，其电气寿命和机械寿命大大增加，逐渐替代了老式的油开关，被广泛应 用于６～４０．５ｋＶ的中压电力系统中作为控制和分配电能的开关。真空断路器的主要功 能归根到底是体现在触头的分、合动作上，而触头的分、合动作主要是通过“操动机构”来 实现的，因此真空断路器操动机构的性能和质量优劣，将对真空断路器的工作性能和可靠性 起到至关重要的作用。
永磁开关工作原理及发展现状
邹强
（成都信息工程学院，四川 成都双流）
摘 要：通过对真空断路器上采用过的几种操动机构性能对比，突出了永磁操动机构的特点 和技术先进性。详析了永磁操动机构的结构、动作原理及真空断路器电气控制系统的工作原 理，论证了永磁操动机构在真空断路器上的应用将对真空断路器向免维护方向发展起到非常 重要的作用。 关键词：永磁操动机构；真空断路器；免维护
参考文献 【1】林莘，永磁机构与真空断路器，机械工业出版社，2002年6月 【2】李岩，王胜辉，林莘，永磁操动机构设计与分析软件，高压电器，2003年 第1期
3.2 永磁操动机构的结构及动作原理 图１为双线圈永磁操动机构的电磁系统结构示意图。当真空断路器处于分闸位置时，动
铁心１的上端气隙小、磁阻低，下端气隙大、磁阻高，因此永久磁铁２的磁场将主要作用于 动铁心的上端。
图1永磁机构结构示意图
由图１（ａ）可见，当真空断路器处于分闸位置时，永久磁铁２形成的磁力线几乎全部 穿过动铁心的上端，它所产生的吸引力将保证动铁芯维持在上部，使真空断路器保持为分闸 状态。当真空断路器需要合闸时，可先使合闸线圈３通电，其所产生的磁场的磁力线则主要 集中在动铁心的下端，并在上端与永久磁铁２形成的磁场的磁力线相抵消。伴随着激磁电流 的上升，下端吸力将增加，上端吸力将减弱，当下端吸力大于反力，即线圈电流达到触动值 后，动铁心将开始向下运动。图１（ｂ）为动铁心移动之前磁力线的瞬态分布图。当动铁心 运动到终端位置时，位置传感器将输出动作信号，切断线圈电流。动铁心位于下端时，永久 磁铁２的磁场将主要作用于动铁心的下端。其磁力线分布状况与图１（ａ）呈上下对称的情 形。
另外，采用永磁操动机构的真空断路器除具有正常的电动分闸外，还设有欠压分闸、紧 急手动分闸装置，使其工作更加可靠。
5 永磁操动机构真空断路器发展前景
永磁操动机构在６～４０．５ｋＶ电压等级的真空断路器上的应用实践，充分表现出其 机械特性与真空断路器真空灭弧室机电特性完美配合的优势。永磁操动机构的采用，使真空 断路器具有了寿命长、可靠性高、开断能力强、体积小、质量轻、结构简单、无爆炸、无污 染、噪音低、免维护等显著特点。
要求更高的方向发展。鉴于以上两种操动机构的不足，近年来，一种将永久磁铁应用于操动
机构中的新型的“永磁操动机构”越来越受到电力行业的关注。
3 永磁操动机构
永磁操动机构主要由永久磁铁和分、合闸控制线圈等部件组成，是用永磁体去实现真空 断路器合闸保持和分闸保持的一种新型的电磁操动机构。当合闸控制线圈通电时，线圈所产 生的磁拉力会使动铁心向下运动，然后由永久磁铁将动铁心保持在合闸位置；当分闸线圈通 电时，动铁心向反方向运动，同样由永久磁铁将它保持在分闸位置。由于该机构在控制线圈 不通电流时动铁心有两个稳定工作状态（合闸或分闸），故也称为双稳态永磁操动机构。
２ 真空断路器操动机构的发展历程
（１）电磁操动机构。
最早应用在真空断路器上的操动机构是通过电磁力去实现分、合闸的，故也称为电磁操动机
构。表１列出了电磁操动机构的优、缺点。
表１ 电磁操动机构的优、缺点
优点
缺点
１．结构相对简单，零件数量少，制造成 １．合闸线圈功率大，配套的电源设备
本低；
价格昂贵；
２． 开距小（８ ～２５ｍｍ），较好地迎合 ２．操作时冲击力大，操作时间长；
燃弧时间（１ｍｓ内）。 （４）机构的机械寿命可高达１０万次，与传统的电磁机构和弹簧机构相比，机械寿命
至少提高３倍以上。 （５）机构是通过动铁心与主轴传动拐臂相连直接驱动动触头的，简化了传动链，无需
机械脱、锁扣装置，减少了故障源。
4 永磁机构真空断路器的工作原理
永磁操动机构真空断路器的工作原理如图２所示。当接通控制电源后，开关电源将输入 的１００ＶＡＣ变成１５５ＶＤＣ输出，一路经过限流电阻Ｒ１和隔离二极管ＶＤ１对储能 电容Ｃ１充电，另一路经过电阻Ｒ２和断电器Ｊ１也对储能电容Ｃ１充电。当储能电容Ｃ１ 被充至１５０ＶＤＣ左右时（基本上已充满电），断电器Ｊ１停止工作。Ｊ１的一对动断触 点Ｊ１－１恢复闭合，接通储能灯电路，充电完成指示灯ＶＤ３和ＶＤ５被点亮；同时Ｊ１ 的另一对动断触点Ｊ１－２也恢复闭合，使真空断路器处在准备合闸操作状态。
Application and Prospect of Permanent Magnet Operation Mechanism and Working Principle of the Vacuum Circuit
Breaker
ZOU QIANG (Chengdu University of Information Technology,Sichuan Chengdu Shuangliu ) Abstract: Through the vacuum circuit breaker has been introduced on several actuator performance comparison, highlighting the permanent magnetic actuator characteristics and advanced technology. Detailed analysis of the magnetic actuator structure, operation principle and vacuum circuit breaker electrical control system works, demonstrate the permanent magnetic actuator in vacuum circuit breaker on the application of vacuum circuit breaker will be played to the maintenance-free direction a very important role. Key words: Permanent magnetic actuator; Vacuum circuit breaker; Maintenance free.
需要分闸时，按下ＳＢ２分闸按钮，分闸继电器ＫＭ２线圈得电（２４ＶＤＣ）并动作， ＫＭ２动合触点ＫＭ２－１和ＫＭ２－３均闭合，储能电容Ｃ１开始向分闸线圈放电。分闸 线圈得电后，永磁操动机构在分闸磁场和分闸弹簧的共同作用下使真空断路器的动、静触头 迅速分开，完成一次分闸动作（其中：电容器Ｃ２的功能是保证分闸继电器ＫＭ２在电压降 低时能可靠分闸；而Ｃ１和Ｃ２的放电回路，由按钮ＳＢ３控制，放电时间约需１ｍｉｎ）。