一、概述　　自1961年美國GE公司研制成功第一臺真空斷路器以來，真空斷路器的技術水平迅速提高，其中，隨著新觸頭結構及材料的研制，真空斷路器的開斷能力不斷提高，真空斷路器作為控制和分配電能用的開關元件越來越廣泛地應用于電力系統，并在中壓領域保持著主導地位?！　≌婵諗嗦菲饔捎谄湔婵针娀o與倫比的特性，使其電壽命大大增加。其機械壽命從傳統的兩千次躍增為幾萬次，因此，與其配合的操動機構的機械壽命及可靠性就成了較為突出的問題?！　「邏洪_關的一個最基本性能就是機械可靠性，電力運行和試驗站的故障統計中表明，我國高壓開關最突出的問題就是機械和絕緣問題，這與發達國家相比較為落后，在發達國家的先進公司，現在都紛紛提出并推出新一代免維護的電器產品。我國高壓開關設備要真正做到產品免維護仍然很困難，實際上，在產品設計上盡可能地簡化結構，最簡化的產品結構也就是最可靠的產品?！　?真空斷路器的發展狀況　　目前，國內外電力系統中使用的中壓真空斷路器品種繁多，型號眾多，其特點各異，但概括起來，從絕緣角度來講，有空氣絕緣和復合絕緣，從總體結構上講，有斷路器和機構一體式和分體式(國內居多)，從操動機構上講作為中壓產品主要是電磁機構和彈簧機構?！　∧壳皣H上，真空斷路器的設計、制造領域里逐步形成了以德國西門子公司為代表的空氣絕緣產品和以ABB公司為代表的復合絕緣產品的兩大派別。西門子公司的產品有3AF、3AG及3AH等系列產品，其操動機構均為彈簧機構。從3AF到3AH，其操動機構在設計上日趨合理，調整環節減少，更有利于提高初分速度，機構也更加省力，但制造精度要求更高?！　BB公司的代表產品有VD4，它采用復合絕緣方式，產品結構緊湊，其操動機構為彈簧儲能式?！　∪毡救怆姍CVPR型真空斷路器，其滅弧室由一澆注的支架絕緣，該支架將三相分開，相間距小，結構緊湊，采用彈簧機構驅動，其特點是結構簡單，零部件比老式機構少，采用具有單向離合器的正齒輪機構使儲能過程平穩，能耗低，噪聲小?！　鴥壬a的真空斷路器歸納起來大致可分為三類：1)引進技術并國產化的產品。如ZN12-12，引進西門子3AF；ZN18-12，引進日本東芝公司VK系列產品；ZN21-12，引進比利時EIB公司的產品技術；ZN67-12，引進日本三菱電機VPR型真空斷路器等。2)在借鑒國外同類產品的基礎上開發的產品，如：ZN63-12和ZN65-12分別效仿ABB的VD4和西門子3AH，其操動機構為彈簧機構，機構與開關一體，無獨立型號。3)自行設計的產品，如：ZN15-12，ZN28-12，ZN30-12等，其操動機構為電磁機構或彈簧機構，目前以CD17、CT17和CT19型機構較多，機構結構較為復雜，零件數量多，CD系列通常有約120個零件，CT系列有約200個零件，操動機構通過一套或幾套四連桿與開關主軸相連(與油開關的驅動方式相似)，傳動效率較低?！　?操動機構　　斷路器的全部使命，歸根到底是體現在觸頭的分、合動作上，而分、合動作又是通過操動機構來實現的，因此操動機構的工作性能和質量的優劣，對高壓斷路器的工作性能和可靠性起著極為重要的作用。開關設備的操動機構需要較多的機械零件配合組成，這不僅成本高，而且可靠性不足，因為故障率上升的可能性是和零件的數量成正比的。彈簧操動機構是利用已儲能的彈簧為動力使斷路器動作的操動機構。彈簧儲能通常是由電動機通過減速裝置來完成。整個操動機構大致可分為彈簧儲能、維持儲能、合閘與合閘維持和分閘四個部分。彈簧操動機構的優點是不需要大功率的直流電源，電動機功率小，交直流兩用，適宜交流操作；其缺點是結構比較復雜，零件數量多(約為200個)，且要求加工精度高，制造工藝復雜，成本高，產品的可靠性不易保證?？侩姶帕祥l的操動機構稱為電磁操動機構，電磁操動機構的優點是結構簡單，零件數量少(約為120個)，工作可靠，制造成本低，但其缺點是合閘線圈消耗的功率太大，見表1，因而要求用戶配備價格昂貴的蓄電池組，加上電磁機構的結構笨重，動作時間較長。表 1項 目ZN□-12/315(機構與開關一體)CD17(配315kA斷路器)CD17(配40kA斷路器)電壓/V220 110220 110220 110電流/A136 272128 256121 242　　3永磁操動機構　　真空斷路器之所以如此迅速發展，在于其真空滅弧性能的優異，沿用傳統斷路器操動機構來驅動真空斷路器顯然很難體現出其高壽命、高可靠性的優點，因此需要一結構高度簡化、節能和高可靠性的機構來滿足真空斷路器的驅動要求。在彈簧機構和傳統電磁機構的優點基礎上，克服其不足，將永久磁鐵應用于操動機構中，設計中使真空斷路器分合閘位置的保持通過永久磁鐵實現，取代了傳統的鎖扣裝置。這種磁力機構具有永久磁鐵和分閘、合閘控制線圈，當合閘控制線圈通電后，它使動鐵心向下運動，并由永久磁鐵保持在合閘位置；當分閘控制線圈通電，動鐵心向反方向運動，同樣由永久磁鐵將它保待在另一個工作位置即分閘位置上，即該機構在控制線圈不通電流時它的動鐵心有兩個穩定工作狀態，合閘與分閘，也稱雙穩態電磁機構。這種機構的特點是：　　真空斷路器操動機構與其他類型如：空氣、油、SF6斷路器的操動機構有著明顯不同，真空斷路器的滅弧室動觸頭行程小(8～12mm)，動靜觸頭為平面接觸，合閘時，動靜觸頭為碰撞接觸，為了防止真空斷路器在短路時，觸頭被巨大的電動力斥開，采用觸頭彈簧以使觸頭間有較大的觸頭壓力(20kA,2000N;31.5kA,3100N;40kA,5000N),同時有利于提高分閘速度，因而在機構的設計計算時應將觸頭壓力所需能量給予充分考慮?！　?2)永久磁鐵與分、合閘控制線圈結合，解決了合閘時需要大功率能量的問題，因而磁系統結構尺寸比普通電磁機構減小了，分、合閘控制線圈電流小?！　?3)真空滅弧室靠永久磁鐵產生的力使其保持在合閘與分閘位置上，取代了傳統的機械鎖扣方式，機械結構大為簡化，僅有幾個活動部件，零件總數約為50件左右，耗材省，節能且成本低?！　?4)操動機構無需機械鎖扣和輔助電器，機械動作的可靠性大大提高，能實現免維護，節省維修費用?！　《?、國內外的發展動態　　1真空斷路器永磁機構的發展　　(1)前不久，由ABB在英國和美國的工程師聯合開發了一種新型VM1型真空斷路器，采用了僅有7個活動元件組成的磁力驅動裝置代替有數百個零件組成的傳統機構。其分合閘位置均靠永久磁鐵磁能保持。采用這種無磨損的真空斷路器機構在其10萬次的操作壽命中不需維修，是傳統真空斷路器壽命的三倍，可節省維修費用。VM1的創新還包括將真空滅弧室用環氧樹脂完全澆注形成一體，這樣可不受外界因素的影響。真空滅弧室額定短路開斷電流的次數為100次。VM1真空斷路器的額定電壓目前為12、17和24kV，額定電流為630或1250A，額定短路開斷電流為20或25kA。較高電壓等級和大開斷能力的產品正在研制中?！　?2)荷蘭Holec的MMS型真空斷路器采用永磁機構驅動，其短路開斷電流為31.5kA。該操動機構中，合閘、合閘保持和分閘的磁路是分開的，且只有真空滅弧室的合閘位置是靠永久磁鐵保持的，機構的終止位置是分閘位置，其分閘動作基本上是被動的，不需要提供額外的能量，僅靠觸頭彈簧和分閘彈簧的力，通過分閘線圈使之釋放能量。MMS型永磁機構的結構非常簡單，它的組成部件不足15個，特別是還能實現分相可控操作，在關合容性負載時，可減小涌流，在分閘時可減小過電壓，且分合閘時間偏差不超過1ms?！　?永磁材料的發展及應用　　永久磁鐵能夠吸持鐵磁物質的物理特性早已被人們所發現，并在生產實踐中得到廣泛的應用。隨著永磁材料性質被人們的逐漸認識，以及永磁材料本身的不斷發展，永磁材料單位體積的磁能從5.1提高到50MGOe(397.9kJ/m3)，其用途更是越來越廣泛?，F在，冶金采礦、通信廣播、電機電器、交通運輸和醫序器械等許多領域，無不應用永久磁鐵。特別是1983年，被稱為"磁王"的第三代稀土永磁材料--釹鐵硼材料的問世，震動了與永磁材料有關的許多技術領域。釹鐵硼材料優異的磁性能是其他永磁材料所望塵莫及的(見表2)，且其資源豐富、便宜，因而被廣泛推廣。這種新的永磁材料的出現，對工業技術領域產生變革性的影響，被全世界各國重視。表 2牌 號剩磁Br/T磁感矯頑力Hc/kA/m最大磁能積(BH)max/kJ/m3溫度系數αBr,αHcr/%K-1密度ρ/G/cm居里溫度/TcNTP～320127～129915～923310～318012 0675310NTP～226130～132907～923326～334012 0675310　　我國近年永磁材料也獲得了突飛猛進的發展，與世界先進國家的差距正在日益縮小。我國稀土資源非常豐富，儲藏量是世界之最，其價格隨著生產的發展，工藝的改進，也在大幅度降低。雖然如此，但在高壓真空斷路器操動機構中的應用，在我國尚屬空白。新型的永磁機構就是運用這些新材料、新工藝及新原理，使真空斷路器的磁力驅動裝置實現低能耗、高可靠性?！　∪?、永磁機構的設計　　1確定真空斷路器的總體結構　　為提高真空斷路器的可靠性，實現高壽命，且利于操作機構的設計，斷路器的總體結構應盡可能緊湊，外形尺寸小，將滅弧室封閉在絕緣殼內，使結構既緊湊又具有良好的絕緣性能(見圖2)?！　?電磁機構的設計　　工作原理：　　傳統的彈簧儲能機構，有大量的機械零件，通常有近200個零件，其中尚不包括標準件。永磁機構與其相比則結構非常簡單(見圖2)，除去真空滅弧室外，僅有帶壓縮彈簧的連桿、焊接軸和永磁機構圖中3～6組成，其零件數量可減少到彈簧機構的25%?！　∮么帕€分布說明機構的工作原理(見圖3)。圖中a)所示機構的工作位置為分閘位置。動鐵心上端與磁扼閉合，形成一永磁鐵磁路，且氣隙很小，磁阻很小。與之相比，在動鐵心下端，永久磁鐵、動鐵心和磁扼所成磁路，其氣隙較大，因而磁阻較大。磁力線幾乎全部由上面磁路的氣隙通過，永久磁鐵高度密集的磁力線在該處產生一很大的吸力，并通過主軸、拉桿作用在真空滅弧室導電桿上，使真空滅弧室觸頭保持在分閘位置?！　》趾祥l線圈產生的磁場方向相反。合閘時，合閘線圈通過電流，產生的磁場增加了下面磁路的磁場強度，通過下面氣隙的磁力線增多，對動鐵心下端產生的吸力增加，而上端的吸力減小。當線圈電流增加到一定值時，動鐵心動作。圖3b表示的是動鐵心即將動作前的磁力線分布，當動鐵心到達最終位置時，合閘線圈不再有電流通過，磁力線分布同圖3a，只不過，此時動鐵心在另一個工作位置(合閘位置)?！　?設計中的幾個關鍵問題　　(1)反力系統的設計計算　　真空斷路器機械動作的可靠性，決定于操動機構的設計，而反力系統的設計計算則是磁力系統設計計算的依據。真空斷路器操動機構的反力有真空滅弧室的自閉力、波紋管的彈性力、運動部分的重力和觸頭彈簧的壓力等?！　「鶕Y構設計進行運動和動力分析，給出滿足真空斷路器要求的合閘速度、時間和合分閘保持等?！　?2)機構磁路的結構設計及計算　　在永磁磁路中，永久磁鐵相當于一個磁勢的作用，同時它又具有磁阻，計算時磁路的克希荷夫二定律仍然適用，該磁路在工作中，其工作磁阻是變化的，永久磁鐵的工作點處于回復線上。永久磁鐵的計算主要是確定永久磁鐵的工作點(Ba,Ha)，它取決于兩個條件：　　1)內部條件，即工作點位于祛磁曲線上，還是位于回復曲線上，絕大部分電器的永久磁鐵都是工作在回復線上，這種情況比較穩定?！　?)外部條件，即磁路內的磁阻和漏磁情況。工作點必須位于一條通過原點而和-H軸成α角的"負載線"上?！　≡O計永磁鐵時應根據所選永磁材料的磁性能合理確定其長度和截面積，使其工作點恰好位于(BH)乘積最大處，使工作氣隙內的儲能為最大，使永久磁鐵體積最小?！　?永磁材料及軟磁材料的選擇　　永磁材料選擇原則：1)永磁材料產品的恒定磁場應具有相對穩定性，以保證吸力的穩定，即在環境的溫度、濕度、沖擊、振動、核輻射、鹽霧和鐵器接觸等因素作用下該磁場的變化必須在預定的指標范圍內。2)機械性能：應具有一定的韌性和抗張強度等。3)價格適中：磁性能越好(磁能積大)的永磁材料，其價格越高。軟磁材料的選擇：在永磁回路系統中，還需要軟磁材料以便盡量減少磁阻，增加關鍵部位的磁通密度，應選擇導磁性能好、損耗低的導磁材料，如硅鋼片?！　?吸力特性及與反力特性的配合　　分析控制線圈通過電流前后，永磁鐵磁場單獨作用和永磁鐵與線圈磁場共同作用產生的吸力，建立數學模型，利用計算機進行分合閘過程中的動態仿真。