中国电科院农电与配电研究院  韩筛根  张重乐

　　真空断路器在电力系统中的使用越来越广泛，对高可靠性断路器的研究也越来越深入。不断发展的计算机技术、智能控制技术和永磁技术，为这项研究提供了强大的技术支撑。随之出现的永磁操作机构，则对研究理念带来了巨大冲击。

　　电力系统

　　对开关设备的要求

　　高可靠性电力系统对开关设备有一个综合性、全方面、系统化的要求，其核心就是提高设备的运行安全和动作的可靠性。它包括开断性能的高可靠性、机械操作性能的高可靠性、绝缘性能的高可靠性、环境耐受能力的高可靠性和二次控制部分的高可靠性。

　　提高安全性能可以通过加强灭弧系统能力和绝缘水平、改善运行环境或防护等级和对二次部分的冗余保护设计实现，而提高机构的动作可靠性则较难解决。机构的可靠性不仅涉及机械学、力学、材料学、电工学、电磁学等领域，而且涉及环境温度、湿度、气体腐蚀等因素。根据概率论原理，机构的结构越简单则可靠性就越高，所以，简化机构的结构就成为一个可能方向。永磁操作机构就因其简化的结构而具有较多优势。

　　严格讲，“永磁操作机构”应该称为“永磁保持的电磁操动机构”。它通过减少整体部件或移动部件数量，缩小了体积，增加了可靠性，通常只有一个运动部件，故障源少，机械寿命可轻易达到3万~10万次；结构简单，零部件数量不足传统弹簧操作机构的40％，通过对机构的简化实现了操作机构的免维护；利用电磁性能实现脱、锁扣功能，从结构上消除了故障频率高的机械脱、锁扣装置。此外，永磁机构的合闸特性（出力特性）与真空灭弧室的反力特性达到近乎完美的匹配，这也是永磁机构能迅速占领真空开关领域的重要原因。

　　永磁机构

　　真空断路器工作原理

　　由于永磁机构相对于弹簧机构已经简化很多，它的控制部分就相对复杂。提高控制部分的可靠性，就必须解决好以下几方面问题：

　　1. 控制回路（或电气回路）的设计与优化，主要应决定控制器的控制方式及保护功能、自测、逻辑判断和运算速度、大功率电子元器件的控制方式（MOSFET或IGBT）、输入输出型式等关键技术指标及实现指标的方式。

　　2. 元器件的筛选，重点要控制好核心控制单元、电源模块、大容量储能电容、功率转换模块、输出执行元件、蓄电池、位置判别元件等关键元件的质量。

　　3.控制回路（或电气回路）的整体抗干扰性能，包括抗脉冲干扰（共模和差模）、抗静电放电干扰、抗辐射电磁场干扰、抗快速瞬变干扰、抗传导电磁场干扰和抗浪涌能力。

　　4.控制回路（或电气回路）的整体抗震性能，包括抗机械震动能力、抗电气震荡能力、防雷、避雷能力等。永磁机构控制器的工作原理见上图。

　　永磁机构真空断路器集微机处理技术、现代网络通信技术和新型开关制造技术于一体，主要技术参数包括：户内永磁机构真空断路器可达到额定电流3150安，短路开断电流达到40千安，满容量短路开断次数50次，机械寿命3万~10万次；户外永磁机构真空断路器可达到额定电流1250安，短路开断电流达到25千安，满容量短路开断次数50次，机械寿命3万~6万次。

　　永磁机构

　　真空断路器的优势

　　永磁机构真空断路器与真空灭弧室能良好配合，体积小、重量轻，不仅便于安装，而且可为用户节约大量的构架费和安装费。控制单元紧凑，可以通过无线遥控器，实现在100米范围内控制开关的分合，功能扩展方便，操作方式灵活，易于实现配电自动化。永磁机构真空断路器具备了弹簧机构真空断路器的一切功能。同时，它还能设计出全新的同步开关（选相开关），有效乃至彻底解决弹簧机构真空断路器无法解决的问题。

　　解决真空断路器投切大容量电容器组时产生的操作过电压和涌流问题。由于电容器组负载的特殊性，投切电容器组时会不可避免地产生操作过电压和在不同相位角下的合闸涌流。操作过电压所带来的直接后果就是引起过电压击穿和重燃；而合闸涌流最高能达到稳态时的4倍以上，并且持续时间长，对电气设备的危害非常大。永磁机构真空断路器一方面因为合闸弹跳的减小（可以很容易控制在0.1毫秒甚至更短的时间内），合闸冲击力大幅减小，这样使得投切大容量电容器组时重燃的几率大幅下降，减少了电弧对触头的烧损，有效解决重燃的问题；另一方面，完全可以通过控制器控制，在电压为零时投入电容器，在电流为零时切开电容器，从根本上解决投切大容量电容器组易产生的操作过电压和涌流的问题，从而提高真空灭弧室和永磁机构真空断路器的整体机械和电气寿命。

　　解决真空断路器关合大容量空载变压器时产生的合闸涌流问题。随着电网中的变压器容量的不断增加，原本不明显的关合空载变压器时产生的合闸涌流问题会变得很突出。变压器在稳态运行时的励磁电流一般只有额定电流的2％~10％，但在电源接通的瞬间（合闸时），励磁电流会达到很大，而且频率也很高，这样就形成了合闸涌流。在中、小容量的变压器中，由于这种涌流的总量不是很大，因此对变压器的冲击影响也较小；但对大容量的变压器，如果正赶上相位角为0°时操作，产生的涌流则能达到额定电流的10倍以上，对变压器造成严重损害。利用同步开关的优势，可以将合闸点控制在90°或270°附近，从而使合闸涌流大大降低，保证变压器的运行安全，提高变压器的使用寿命。

　　解决真空断路器关合空载线路产生的操作过电压的问题。在不同的电压相位关合时，空载线路所产生的操作过电压差异很大。其中，在相位角为90°时达到峰值，产生的过电压能达到运行时稳态值的2倍以上，可以引起线路绝缘能力下降，导致局部放电加剧，甚至危及整个输电线路的安全。利用同步开关的优势，可以将合闸点控制在0°或180°附近，从而使关合操作过电压大大降低，提高线路的运行安全水平。

　　结合计算机控制技术，实现在电流或电压过零点时投、切断路器。在这种情况下，不产生或稍产生一点电弧。因此，也就不用考虑如何灭弧了。这样所带来的突出好处是：对设备和电网的冲击小，有利于设备和电网的安全运行；因为没有或很少的电弧产生，使得开断性能大幅提高，或在同样容量条件下，使开关设备的体积大幅减小，减少材料的消耗，在降低成本的同时，提高了环保性能；可以大幅缩减灭弧材料和灭弧结构，优化产品设计，提高设备的可靠性。

　　永磁技术和永磁机构真空断路器经过近几年的快速发展，其可靠性又有了大幅提高，已基本达到免维护、智能化的要求。它所显现出来的众多优势，已决定了它是替代传统弹簧操作机构真空断路器的最佳产品之一。作为社会主义新农村供电模式研究及综合示范工程建设所需的高性能关键技术设备之一，该产品完全能够满足电力系统的高可靠性要求。永磁技术及永磁机构在高电压等级的断路器中，也必将有着广阔的发展前景。