永磁机构解析

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永磁操动机构真空断路器和永磁式交流接触器的特点及应用 新型的永磁机构真空断路器、永磁式交流接触器比传统的真空断路器、交流接触 器具有高节能、长寿命、无温升、免维护、无噪音等突出的特点，今后将逐步替代传统的真 空断路器、交流接触器。 

永磁操动机构 真空断路器 接触器 序言 电力资源是能源结构中的重要环节，节约电力资源是节约能源的重要内容之一。目前国 内电力资源的浪费相当严重，工业与民用用电能耗过高，节电的潜力非常大。依靠创新和技 术进步，积极推广节约用电的新技术、新产品，降低单位产品电能耗和成本，增强企业的竞 争力是我国经济可持续发展的重大战略任务。 当前从*到地方都在深入贯彻落实 《中华人 民共和国节约能源法》，建设部建办质函（2005）89 号《关于开展全国建筑节能专项检查 的通知》、自 2005 年 12 月 1 日起实施的《乌鲁木齐市建筑节能管理条例》以及新疆蓝图审 查办公室根据《公共建筑节能设计标准》GB50189-2005 编制的电气专业设计节电要点和电 气专业建筑工程施工图文件审查表（节电部分）等都是具体贯彻节能措施的保证。 国内就三相配电变压器、电动机、电缆的经济电流选择方法和绿色照明等召开了多 次节电管理与技术研讨会， 已经编制或即将编制节电产品的国家节电标准和指标， 可使我国 的配电变压器、电动机、照明、电缆等自身的能耗进一步减小，从而使我国供配电系统的电 能损耗降低，达到节约用电的目的。 在此，笔者就 6~10kV 永磁机构真空断路器和永磁式交流接触器的特点及应用做个论述， 有助于推广应用节电的新技术、新产品，推进科技创新和技术进步，加快我国节约型社会的 进程。 1、 真空断路器 1.1 真空断路器现状 自 1961 年美国 GE 公司研制成功真空断路器以来， 凭借其*的技术性能， 在电力系统、 工业与民用建筑 6~10kV 配网中得到广泛的应用。特别是在 6~10kV 电压等级的配电装置上， 真空断路器在容量较大回路上的应用已占主导地位， 它不仅体积小、 重量轻、 无油化、 不燃， 且能可靠地接通和断开较大的负荷电流， 在线路发生短路故障时也能快速、 可靠地切断回路。 真空断路器按绝缘划分为：空气绝缘和复合绝缘；按结构划分为：一体式和分体式；按 操动机构划分为： 电磁操动机构和弹簧操动机构。 目前， 真空断路器技术性能已经相当成熟， 真空灭弧室的灭弧性能和可靠性已达到相当高的水平。近来，上已推出短路电流为 100kA 的真空断路器产品。 然而，据供电部门反映，真空断路器在实际的运行中可靠性并不容乐观。据统计资料表 明，真空断路器的不可靠性约 70~90%以上的原因是由于弹簧储能操动机构或电磁操动机构机械故障造成的。 1.2 操动机构 真空断路器功能的实现，关键在于触头的有效分合，而触头的分合动作又是通过真空断 路器的操动机构来完成的。 因此， 操动机构的性能和质量决定了真空断路器工作性能和可靠 性。 1.2.1 弹簧操动机构 利用已储能的弹簧使断路器触头分合的操动机构称为弹簧操动机构。整个操动机构是由 弹簧储能、维持储能、合闸与合闸维持及分闸四个部分组成，其电动机可由交、直流电源供 电。该操作机构不需要大功率直流电源，因此适用于交流操作。其缺点是操动机构的结构过 于复杂，零部件数量多达 200 余件，并且制造工艺复杂，加工精度要求高，有些零部件还需 要在数控加工中心加工，尽管成本很高，但产品的可靠性却不能*保证。 1.2.2 电磁操动机构 真空断路器依靠电磁力分合闸的操动机构称为电磁操动机构。电磁操动机构的优点是结 构简单，零部件数量较弹簧操动机构少很多，约为 120 余件，使用较可靠，制造成本也相对 较低， 其缺点是要求用户配备专门的蓄电池组， 合闸线圈消耗功率过大， 电磁机构结构笨重， 动作时间较长等。 1.3 永磁操动机构 1.3.1 永磁材料的发展与应用 由于*磁铁具有铁磁物质的物理特性，因此在各行各业如机电、广播电信、医疗器械、 交通运输及冶金采矿等众多行业得到了广泛的应用。自 1983 年以来，已研制出被称为“磁 王”的第三代稀土永磁材料，其单位体积的磁能提高到 50MGOe（397.9kJ/m3）。这种高强 磁性的新型*磁铁（钕铁硼）的问世，使得真空断路器的操动机构有了很大变化，各国真 空断路器产商均给予高度重视。 1.3.2 国内外真空断路器永磁操动机构的现状 a、由 ABB 开发的 VM1 真空断路器采用了不到 10 个零部件组成的磁力驱动装置替代零部 件众多的电磁机构和弹簧机构。其分、合闸位置均靠永磁铁的磁能可靠保持。这种无磨损的 永磁操动机构寿命可达 10 万次。额定电压目前为 12、17 和 24kV，额定电流为 630、1250A, 额定开断电流为 20、25kA。 b、荷兰某厂生产的 MMS 型永磁机构驱动真空断路器，其短路断开电流为 31.5kA。合闸、 保持和分闸的磁路是分开的，合闸位置靠*磁铁保持，其分闸动作基本上是被动的，仅靠 触头弹簧和分闸弹簧的能量， 通过分闸线圈使之释放能量完成， 该永磁机构的结构非常简单， 组成的零部件也只有 12 个。 产品配置的永磁机构为双线圈双稳态型 式，合闸线圈电流由操作电源 AC110、220V 或 DC110、220V 提供，分闸线圈由储能电容器供电，*磁铁高强的剩磁力把铁芯分别吸持在分、合闸终端位置，即便受到电动力或其它动 力的冲击， 断路器也不会掉闸。 主回路中的上下端子及真空灭弧室均用环氧树脂浇注成一体， 结构简单、绝缘强度高、机械性能好。 d、 深圳耐吉电器有限公司研制生产的 VDM6-12 型永磁操动机构真空断路器是户内空气绝 缘 10kV 开关装置，除用于开合各种不同性质的电力负荷，还适用于在额定电流范围内频繁 操作和对短路开断操作次数有规定的场合。该产品主要元件由乌克兰进口，具有智能化、高 可靠性、长寿命、节电、结构简单、方便维护或免维护等优点。 永磁操动机构控制器是真空断路器的核心控制单元，用以采集信号和执行控制命令，包 括电源模块、驱动模块、保护测量模块及其它功能模块，采用按扭和遥控装置进行断路器的 分、合闸。具有防跳跃、一次重合、欠压保护、过流和速断等功能，并且可以智能识别，有 效躲避合闸涌流。 e、吉林永大集团公司研制生产的 ZN73A-12 型永磁机构户内真空断路器。其配置了陶瓷 真空灭弧室，在额定电流下开断次数为 2 万次至 10 万次不等。永磁操动机构，具有手动分 闸和电动合、分闸功能。在合闸时，作用于单板型触头的电磁力和永磁力两种合力会将动、 静触头牢牢吸合（永磁力保持 100 年，磁损小于 1%），绝不会反弹，解决了合闸的弹跳问 题。由于永磁操作机构的分合闸速度可以保持在初始状态，分合闸的能量也可保持不变，使 得触头使用寿命延长了很多。在微机综合保护系统中，永磁操动机构由于其本身的特性，工 作时只有合、分闸两种状态，不会烧毁线圈，确保了真空断路器的可靠工作。 综上所述，10kV 真空断路器使用永磁操动机构在我国已不是空白，永磁操动机构与真空 断路器灭弧室的有机配合， 克服了弹簧储能操动机构和电磁操动机构分、 合闸动作时间较长 的缺陷，称的上是中压断路器划时代的一次革命。由于永磁式真空断路器具有体积小、重量 轻、分合速度快、免维护、寿命长、节电、无油不燃化、可靠性高、可以频繁操作等众多优 点，不久将应成为中压开关的主流，为我国电力配网做出新的贡献。我国是一个稀土大国， 稀土及永磁操动机构断路器的价格会逐步降低，性价比会更高，在电力、工业与民用配电系 统中将得到更广泛的应用。 1.4 永磁操动机构真空断路器设计制造时应注意的事项 1.4.1 永磁操动机构对负荷特性十分敏感，不同型号规格的真空断路器设计具有不同的 保持特性和负荷特性， 因此对不同型号规格的真空断路器永磁机构控制器应做大量的试验和 开发工作，否则有可能产生的快速动作使开关合不上或不释放，从而烧毁控制器。 1.4.2 永磁操动机构分为双稳态和单稳态两种结构，除电磁分闸外，当控制系统停电或 出现故障不能电动分闸时，就要求有手动分闸操动装置，进行应急分断真空断路器，确保断 开额定负荷电流， 提高断路器的可靠性。 当前用于单稳态永磁操动机构手动分闸的磁短路环 设计方案， 推动短路环的弹簧储能量很小， 在分闸时起到了与传统的弹簧操动机构中脱扣器 相似的作用， 不需要提供分闸时所需的全部能量， 因此很适用于真空断路器企业研制生产永 磁操动机构时的手动分闸设计，值得推荐。 1.4.3 由“磁王”加工成品的永磁体，必须防止周围外界的铁磁物被吸入永磁操动机构内，吸入的物质将直接影响操动机构的寿命和质量。 1.4.4 应加强质量意识，永磁操动机构应在独立、隔离的车间内装配，并需要配置相应 的工具和试验设备。 2、 电磁式交流接触器 自世界上*台传统式电磁式交流接触器问世以来，国内外各制造厂商生产的数以亿万 计的电磁式交流接触器在电气化、 自动化和智能化方面起到了积极作用。 电磁式交流接触器 主要用于交流 50HZ、电压 660V，电流 630A 及以下的配电线路中，远距离接通和开断电路， 也适用于频繁启动和控制三相交流异步电动机。 通过电磁式交流接触器吸引线圈的动作特性及在额定电压下触头可靠吸合、释放的工作 原理， 就能分析出电磁式交流接触器的不可克服的弱点在于： 只要给电磁式交流接触器吸引 线圈通电， 线圈使铁芯产生磁场和电磁力， 就能使接触器触头由释放位置向吸合位置运动直 至*闭合。此后，吸引线圈必须始终通电，以保证电磁力不消失，使触头始终保持闭合状 态。然而，电源电压一旦波动或其它原因使吸引线圈的电流减少，铁芯所产生的电磁力不足 以克服触头间的压力与释放弹簧力， 那么接触器的触头就会抖动或释放。 当吸引线圈电流为 零时， 接触器在释放弹簧的拉力作用下将动触头释放， 就中断了配电线路或终端用电负荷电 源， 这也就是传统电磁式交流接触器的基本工作原理。 电磁式交流接触器在长期运行过程中， 就其技术性能进行分析，其不足之处有以下几点： a、在事故现场发现，电磁式交流接触器的损坏大都集中在动静触头上，不是被烧坏或粘 接、就是熔焊或电磁铁的吸引线圈被烧毁； b、吸引线圈长期通电使线圈、铁芯长期发热，不但消耗大量的电能，而且线圈易烧毁； c、铁芯采用矽钢片经冲压重叠拼装在一起，接触器工作时，无法消除 50HZ 的嗡鸣声， 若铁芯质量得不到保证则噪音会很大，并且无法消除。 即使在传统电磁式交流接触器触头的结构、材料、磁系统的缓冲装置和停档、灭弧方式 及制造工艺等质量都能保证的前提下， 接触器的触头吸合、 释放速度快慢对触头寿命的长短 也起着决定性作用。要做到触头快速可靠地吸合和释放，以减少触头间电弧燃烧时间，就要 求释放能量足够大（主要是取决于释放弹簧储能大小），这就需要吸合和吸合保持能量足够 大，而这种能量的取得是依靠吸合线圈通电获得的。然而吸合线圈通电电流太大，必然会导 致吸合线圈用电能耗变大，线圈的发热量也会随之增大，从而使线圈温度升高，恶性循环的 结果就使吸合线圈有可能被烧毁。 为避免吸合线圈长期处于通电过热状态， 就不得不以降低 触头吸合、 释放的速度， 即以降低触头的使用寿命为代价来换取降低吸合线圈能耗和避免线 圈被烧毁， 这就是触头极易损坏的原因之一。 而电磁式交流接触器吸引线圈常被烧毁的另一 个原因， 是由于吸引线圈均由漆包线绕制而成， 漆包线绕组的匝间绝缘是靠表面的绝缘漆来 实现的。吸引线圈工作温度是环境温度加线圈本身的额定温升。根据电工委员会 IEC 标准规定电气设备每超过额定温度 6℃其寿命将缩短一半。 长期运行中的许多电器产品线圈 被烧毁的案例，就足以证实这一规定是符合实际的。 2.1 永磁式交流接触器工作原理

永磁式交流接触器的诞生， 是国内外交流接触器技术的一次革命， 它有着很高的性价比， 现已逐步替代传统的电磁式交流接触器。 永磁式交流接触器不工作时，动、静触头处于释放状态，如给吸引线圈通电，铁芯将产 生磁场， 使接触器触头从释放位置向吸合位置快速移动， 同时也为动触头的释放储存了能量。 触头之间一旦产生电弧，电磁间隙变小，这时永磁力就会剧增，吸合速度加快（吸合时间小 于 20ms），从而大大减少了触头吸合时的烧蚀，永磁力使触头吸合后保持触头压力力矩恒 定，不受网电压波动的影响，即便在临介电压下吸合触头也是一次性动作，触头不振颤。接 触器触头吸合后，电流控制模块将吸引线圈的电流截止，此时线圈不工作、不耗电，线圈的 电流为零，无能耗，线圈当然不会发热，更不会烧毁，此时*依靠永磁力将触头保持在吸 合状态。与此同时，智能式电子线路控制电压检测模块开始工作，当电压检测模块检测到的 控制电压低于规定电压值时， 吸合时储存的电能才会给线圈通以反向电流， 使动铁芯与静铁 芯之间产生同极性磁场的相斥力， 并与释放弹簧共同作用将永磁式交流接触器触头释放， 此 时释放能量是传统电磁式交流接触器的数倍，释放速度是电磁式交流接触器 3~5 倍（小于 18ms），有效地减少了释放时触头间电弧的燃烧时间。当控制电压高于规定电压值时，既使 电压波动也不会影响到动、静触头间的保持力，触头同样不会振颤，*避免了触头被烧毁 的现象。 2.2 永磁式交流接触器的突出特点： 2.2.1 高节电：触头吸合后，线圈不耗电比传统电磁式交流接触器节电 99.9%以上，永磁 式交流接触器与传统式交流接触器相比，在同等条件下年节电情况详见下表： 永磁式交流接触器与传统式交流接触器相比，同等条件下年节电一览表：

2.2.2 高可靠、免维护：采用智能式电子线路控制，触头的分合是由永磁力和电磁力共同完 成的，触头不会粘连，实现高可靠、免维护。 2.2.3 长寿命：吸合状态时线圈无电流，线圈不会烧毁，触头分合速度快，触头燃烧时 间极短，使得触头的使用寿命大大延长。 2.2.4 不受电压波动干扰：采用永磁力进行合闸保持，触头接触压力恒定，不受电压波 动影响。 2.2.5 不漏磁：磁路*封闭，对任何设备、装置、原件均无影响，且“磁王”的永磁 力 100 年变化率小于 0.3%。 2.2.6 无温升：触头吸合后，吸合电路被截止，线圈电流为零，线圈不发热也无温升， 更不会烧毁。 2.2.7 无振颤：触头即便在临界电压下吸合，也是一次性动作，触头不会振颤。 2.2.8 无噪声：不再使用铁心，所以接触器无噪声。 2.3 永磁式交流接触器在设计制造时应注意的事项： 2.3.1 永磁式交流接触器操作机构是由电子和微电子元器件组成的智能式线路控制器控 制的，它必须具有电磁兼容性（EMC）认证，为了能在电磁环境中正常工作，并且不能对其 它设备和系统构成电磁干扰和磁干扰， 就应将永磁式交流接触器的永磁体磁路*密封在可 导电金属外壳内，并做好接地。这种电磁屏蔽使得内外磁场*有效的隔离，互不干扰。为 防止外界的铁磁物， 铁质粉尘等的吸入并粘附在永磁铁的接触面上造成磁阻增加、 保持力下 降、使动、静主触头保持不了正常的吸合状态，就要将永磁式接触器的永磁体可靠密封，不 密封或半密封的方法是绝不可行的。 2.3.2 永磁机构吸合时，吸合的冲击力不可直接作用于永磁体（磁钢）上，永磁式交流 接触器的永磁材料抗冲击力相对比较弱，数千次、数万次频繁动作后，容易将永磁体敲裂， 导致磁性下降， 造成操作机构失灵。 这就要求永磁式交流接触器在吸合时的冲击力一定要进行很好的转换，避免损坏永磁体。 2.3.3 智能式电子线路控制应进行必要的优化设计，各种规格技术参数的永磁式交流接 触器技术特性是不一样的， 6A 到 630A 交流接触器近二十种规格如果采用同一种线路控制 从 显然是不合理的，它很有可能造成接触器动、静主触头合不上，快速动作不释放或烧毁控制 线路等故障。 2.3.4 新一代的永磁式交流接触器在国内研制生产时间还不太长，还缺乏比较成熟的完 善经验， 良好的质量意识是产品质量的必要保证， 生产过程中的质量控制需要大量工装夹具 和试验设备来支撑。封闭磁路用的可导电金属外壳材料，可使用薄钢板、不锈钢及坡莫合金 等。另外，除了要保证良好的电磁屏蔽性能外，还应要求接触器的散热性能要好，这对封闭 的电子、微电子以及线路寿命的长短至关重要。