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一、概述
自1961年美國GE公司研制成功真空斷路器以來，真空斷路器的技術(shù)水平迅速提高，其中，隨著新觸頭結(jié)構(gòu)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(guān)元件越來越廣泛地應(yīng)用于電力系統(tǒng)，并在中壓領(lǐng)域保持著主導(dǎo)地位。
真空斷路器由于其真空電弧無與倫比的特性，使其電壽命大大增加。其機械壽命從傳統(tǒng)的兩千次躍增為幾萬次，因此，與其配合的操動機構(gòu)的機械壽命及可靠性就成了較為突出的問題。
高壓開關(guān)的一個基本性能就是機械可靠性，電力運行和試驗站的故障統(tǒng)計中表明，我國高壓開關(guān)突出的問題就是機械和絕緣問題，這與發(fā)達國家相比較為落后，在發(fā)達國家的先進公司，現(xiàn)在都紛紛提出并推出新一代免維護的電器產(chǎn)品。我國高壓開關(guān)設(shè)備要真正做到產(chǎn)品免維護仍然很困難，實際上，在產(chǎn)品設(shè)計上盡可能地簡化結(jié)構(gòu)，簡化的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)也就是可靠的產(chǎn)品。
1真空斷路器的發(fā)展?fàn)顩r
目前，國內(nèi)外電力系統(tǒng)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(fù)合絕緣，從總體結(jié)構(gòu)上講，有斷路器和機構(gòu)一體式和分體式（國內(nèi)居多），從操動機構(gòu)上講作為中壓產(chǎn)品主要是電磁機構(gòu)和彈簧機構(gòu)。
目前國際上，真空斷路器的設(shè)計、制造領(lǐng)域里逐步形成了以德國西門子公司為代表的空氣絕緣產(chǎn)品和以ABB公司為代表的復(fù)合絕緣產(chǎn)品的兩大派別。西門子公司的產(chǎn)品有3AF、3AG及3AH等系列產(chǎn)品，其操動機構(gòu)均為彈簧機構(gòu)。從3AF到3AH，其操動機構(gòu)在設(shè)計上日趨合理，調(diào)整環(huán)節(jié)減少，更有利于提高初分速度，機構(gòu)也更加省力，但制造精度要求更高。
ABB公司的代表產(chǎn)品有VD4，它采用復(fù)合絕緣方式，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)緊湊，其操動機構(gòu)為彈簧儲能式。
日本三菱電機VPR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(jié)構(gòu)緊湊，采用彈簧機構(gòu)驅(qū)動，其特點是結(jié)構(gòu)簡單，零部件比老式機構(gòu)少，采用具有單向離合器的正齒輪機構(gòu)使儲能過程平穩(wěn)，能耗低，噪聲小。
國內(nèi)生產(chǎn)的真空斷路器歸納起來大致可分為三類：1）引進技術(shù)并國產(chǎn)化的產(chǎn)品。如ZN12-12，引進西門子3AF；ZN18-12，引進日本東芝公司VK系列產(chǎn)品；ZN21-12，引進比利時EIB公司的產(chǎn)品技術(shù)；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(chǎn)品的基礎(chǔ)上開發(fā)的產(chǎn)品，如：ZN63-12和ZN65-12分別效仿ABB的VD4和西門子3AH，其操動機構(gòu)為彈簧機構(gòu)，機構(gòu)與開關(guān)一體，無獨立型號。3）自行設(shè)計的產(chǎn)品，如：ZN15-12，ZN28-12，ZN30-12等，其操動機構(gòu)為電磁機構(gòu)或彈簧機構(gòu)，目前以CD17、CT17和CT19型機構(gòu)較多，機構(gòu)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，零件數(shù)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(gòu)通過一套或幾套四連桿與開關(guān)主軸相連（與油開關(guān)的驅(qū)動方式相似），傳動效率較低。
2操動機構(gòu)
斷路器的全部使命，歸根到底是體現(xiàn)在觸頭的分、合動作上，而分、合動作又是通過操動機構(gòu)來實現(xiàn)的，因此操動機構(gòu)的工作性能和質(zhì)量的優(yōu)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(guān)設(shè)備的操動機構(gòu)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(shù)量成正比的。彈簧操動機構(gòu)是利用已儲能的彈簧為動力使斷路器動作的操動機構(gòu)。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(gòu)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(gòu)的優(yōu)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(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，零件數(shù)量多（約為200個），且要求加工精度高，制造工藝復(fù)雜，成本高，產(chǎn)品的可靠性不易保證?？侩姶帕祥l的操動機構(gòu)稱為電磁操動機構(gòu)，電磁操動機構(gòu)的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，零件數(shù)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(gòu)的結(jié)構(gòu)笨重，動作時間較長。
表1
項目
ZN□-12/315（機構(gòu)與開關(guān)一體）
CD17（配315kA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(gòu)
真空斷路器之所以如此迅速發(fā)展，在于其真空滅弧性能的優(yōu)異，沿用傳統(tǒng)斷路器操動機構(gòu)來驅(qū)動真空斷路器顯然很難體現(xiàn)出其高壽命、高可靠性的優(yōu)點，因此需要一結(jié)構(gòu)高度簡化、節(jié)能和高可靠性的機構(gòu)來滿足真空斷路器的驅(qū)動要求。在彈簧機構(gòu)和傳統(tǒng)電磁機構(gòu)的優(yōu)點基礎(chǔ)上，克服其不足，將永久磁鐵應(yīng)用于操動機構(gòu)中，設(shè)計中使真空斷路器分合閘位置的保持通過永久磁鐵實現(xiàn)，取代了傳統(tǒng)的鎖扣裝置。這種磁力機構(gòu)具有永久磁鐵和分閘、合閘控制線圈，當(dāng)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(dāng)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(gòu)在控制線圈不通電流時它的動鐵心有兩個穩(wěn)定工作狀態(tài)，合閘與分閘，也稱雙穩(wěn)態(tài)電磁機構(gòu)。這種機構(gòu)的特點是：
真空斷路器操動機構(gòu)與其他類型如：空氣、油、SF6斷路器的操動機構(gòu)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(gòu)的設(shè)計計算時應(yīng)將觸頭壓力所需能量給予充分考慮。
?。?）永久磁鐵與分、合閘控制線圈結(jié)合，解決了合閘時需要大功率能量的問題，因而磁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)尺寸比普通電磁機構(gòu)減小了，分、合閘控制線圈電流小。
?。?）真空滅弧室靠永久磁鐵產(chǎn)生的力使其保持在合閘與分閘位置上，取代了傳統(tǒng)的機械鎖扣方式，機械結(jié)構(gòu)大為簡化，僅有幾個活動部件，零件總數(shù)約為50件左右，耗材省，節(jié)能且成本低。
（4）操動機構(gòu)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(xiàn)免維護，節(jié)省維修費用。
二、國內(nèi)外的發(fā)展動態(tài)
1真空斷路器永磁機構(gòu)的發(fā)展
?。?）前不久，由ABB在英國和美國的工程師聯(lián)合開發(fā)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(qū)動裝置代替有數(shù)百個零件組成的傳統(tǒng)機構(gòu)。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(gòu)在其10萬次的操作壽命中不需維修，是傳統(tǒng)真空斷路器壽命的三倍，可節(jié)省維修費用。VM1的創(chuàng)新還包括將真空滅弧室用環(huán)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(shù)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(chǎn)品正在研制中。
?。?）荷蘭Holec的MMS型真空斷路器采用永磁機構(gòu)驅(qū)動，其短路開斷電流為31.5kA。該操動機構(gòu)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(gòu)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(gòu)的結(jié)構(gòu)非常簡單，它的組成部件不足15個，特別是還能實現(xiàn)分相可控操作，在關(guān)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。
2永磁材料的發(fā)展及應(yīng)用
永久磁鐵能夠吸持鐵磁物質(zhì)的物理特性早已被人們所發(fā)現(xiàn)，并在生產(chǎn)實踐中得到廣泛的應(yīng)用。隨著永磁材料性質(zhì)被人們的逐漸認識，以及永磁材料本身的不斷發(fā)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。現(xiàn)在，冶金采礦、通信廣播、電機電器、交通運輸和醫(yī)序器械等許多領(lǐng)域，無不應(yīng)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(guān)的許多技術(shù)領(lǐng)域。釹鐵硼材料優(yōu)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(xiàn)，對工業(yè)技術(shù)領(lǐng)域產(chǎn)生變革性的影響，被全世界各國重視。
我國近年永磁材料也獲得了突飛猛進的發(fā)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(chǎn)的發(fā)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(gòu)中的應(yīng)用，在我國尚屬空白。新型的永磁機構(gòu)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(qū)動裝置實現(xiàn)低能耗、高可靠性。
三、永磁機構(gòu)的設(shè)計
1確定真空斷路器的總體結(jié)構(gòu)
為提高真空斷路器的可靠性，實現(xiàn)高壽命，且利于操作機構(gòu)的設(shè)計，斷路器的總體結(jié)構(gòu)應(yīng)盡可能緊湊，外形尺寸小，將滅弧室封閉在絕緣殼內(nèi)，使結(jié)構(gòu)既緊湊又具有良好的絕緣性能（見圖2）。
2電磁機構(gòu)的設(shè)計
工作原理：
傳統(tǒng)的彈簧儲能機構(gòu)，有大量的機械零件，通常有近200個零件，其中尚不包括標(biāo)準(zhǔn)件。永磁機構(gòu)與其相比則結(jié)構(gòu)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(gòu)圖中3～6組成，其零件數(shù)量可減少到彈簧機構(gòu)的25%。
用磁力線分布說明機構(gòu)的工作原理（見圖3）。圖中a）所示機構(gòu)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(chǎn)生一很大的吸力，并通過主軸、拉桿作用在真空滅弧室導(dǎo)電桿上，使真空滅弧室觸頭保持在分閘位置。
分合閘線圈產(chǎn)生的磁場方向相反。合閘時，合閘線圈通過電流，產(chǎn)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(chǎn)生的吸力增加，而上端的吸力減小。
當(dāng)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(dāng)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）。
3設(shè)計中的幾個關(guān)鍵問題
?。?）反力系統(tǒng)的設(shè)計計算
真空斷路器機械動作的可靠性，決定于操動機構(gòu)的設(shè)計，而反力系統(tǒng)的設(shè)計計算則是磁力系統(tǒng)設(shè)計計算的依據(jù)。真空斷路器操動機構(gòu)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。
根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)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(gòu)磁路的結(jié)構(gòu)設(shè)計及計算
在永磁磁路中，永久磁鐵相當(dāng)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(fù)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(nèi)部條件，即工作點位于祛磁曲線上，還是位于回復(fù)曲線上，絕大部分電器的永久磁鐵都是工作在回復(fù)線上，這種情況比較穩(wěn)定。
2）外部條件，即磁路內(nèi)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。
設(shè)計永磁鐵時應(yīng)根據(jù)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(nèi)的儲能為最大，使永久磁鐵體積最小。
3永磁材料及軟磁材料的選擇
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(chǎn)生的吸力，建立數(shù)學(xué)模型，利用計算機進行分合閘過程中的動態(tài)仿真。
自1961年美國GE公司研制成功真空斷路器以來，真空斷路器的技術(shù)水平迅速提高，其中，隨著新觸頭結(jié)構(gòu)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(guān)元件越來越廣泛地應(yīng)用于電力系統(tǒng)，并在中壓領(lǐng)域保持著主導(dǎo)地位。
真空斷路器由于其真空電弧無與倫比的特性，使其電壽命大大增加。其機械壽命從傳統(tǒng)的兩千次躍增為幾萬次，因此，與其配合的操動機構(gòu)的機械壽命及可靠性就成了較為突出的問題。
高壓開關(guān)的一個基本性能就是機械可靠性，電力運行和試驗站的故障統(tǒng)計中表明，我國高壓開關(guān)突出的問題就是機械和絕緣問題，這與發(fā)達國家相比較為落后，在發(fā)達國家的先進公司，現(xiàn)在都紛紛提出并推出新一代免維護的電器產(chǎn)品。我國高壓開關(guān)設(shè)備要真正做到產(chǎn)品免維護仍然很困難，實際上，在產(chǎn)品設(shè)計上盡可能地簡化結(jié)構(gòu)，簡化的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)也就是可靠的產(chǎn)品。
1真空斷路器的發(fā)展?fàn)顩r
目前，國內(nèi)外電力系統(tǒng)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(fù)合絕緣，從總體結(jié)構(gòu)上講，有斷路器和機構(gòu)一體式和分體式（國內(nèi)居多），從操動機構(gòu)上講作為中壓產(chǎn)品主要是電磁機構(gòu)和彈簧機構(gòu)。
目前國際上，真空斷路器的設(shè)計、制造領(lǐng)域里逐步形成了以德國西門子公司為代表的空氣絕緣產(chǎn)品和以ABB公司為代表的復(fù)合絕緣產(chǎn)品的兩大派別。西門子公司的產(chǎn)品有3AF、3AG及3AH等系列產(chǎn)品，其操動機構(gòu)均為彈簧機構(gòu)。從3AF到3AH，其操動機構(gòu)在設(shè)計上日趨合理，調(diào)整環(huán)節(jié)減少，更有利于提高初分速度，機構(gòu)也更加省力，但制造精度要求更高。
ABB公司的代表產(chǎn)品有VD4，它采用復(fù)合絕緣方式，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)緊湊，其操動機構(gòu)為彈簧儲能式。
日本三菱電機VPR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(jié)構(gòu)緊湊，采用彈簧機構(gòu)驅(qū)動，其特點是結(jié)構(gòu)簡單，零部件比老式機構(gòu)少，采用具有單向離合器的正齒輪機構(gòu)使儲能過程平穩(wěn)，能耗低，噪聲小。
國內(nèi)生產(chǎn)的真空斷路器歸納起來大致可分為三類：1）引進技術(shù)并國產(chǎn)化的產(chǎn)品。如ZN12-12，引進西門子3AF；ZN18-12，引進日本東芝公司VK系列產(chǎn)品；ZN21-12，引進比利時EIB公司的產(chǎn)品技術(shù)；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(chǎn)品的基礎(chǔ)上開發(fā)的產(chǎn)品，如：ZN63-12和ZN65-12分別效仿ABB的VD4和西門子3AH，其操動機構(gòu)為彈簧機構(gòu)，機構(gòu)與開關(guān)一體，無獨立型號。3）自行設(shè)計的產(chǎn)品，如：ZN15-12，ZN28-12，ZN30-12等，其操動機構(gòu)為電磁機構(gòu)或彈簧機構(gòu)，目前以CD17、CT17和CT19型機構(gòu)較多，機構(gòu)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，零件數(shù)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(gòu)通過一套或幾套四連桿與開關(guān)主軸相連（與油開關(guān)的驅(qū)動方式相似），傳動效率較低。
2操動機構(gòu)
斷路器的全部使命，歸根到底是體現(xiàn)在觸頭的分、合動作上，而分、合動作又是通過操動機構(gòu)來實現(xiàn)的，因此操動機構(gòu)的工作性能和質(zhì)量的優(yōu)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(guān)設(shè)備的操動機構(gòu)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(shù)量成正比的。彈簧操動機構(gòu)是利用已儲能的彈簧為動力使斷路器動作的操動機構(gòu)。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(gòu)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(gòu)的優(yōu)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(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，零件數(shù)量多（約為200個），且要求加工精度高，制造工藝復(fù)雜，成本高，產(chǎn)品的可靠性不易保證?？侩姶帕祥l的操動機構(gòu)稱為電磁操動機構(gòu)，電磁操動機構(gòu)的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，零件數(shù)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(gòu)的結(jié)構(gòu)笨重，動作時間較長。
表1
項目
ZN□-12/315（機構(gòu)與開關(guān)一體）
CD17（配315kA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(gòu)
真空斷路器之所以如此迅速發(fā)展，在于其真空滅弧性能的優(yōu)異，沿用傳統(tǒng)斷路器操動機構(gòu)來驅(qū)動真空斷路器顯然很難體現(xiàn)出其高壽命、高可靠性的優(yōu)點，因此需要一結(jié)構(gòu)高度簡化、節(jié)能和高可靠性的機構(gòu)來滿足真空斷路器的驅(qū)動要求。在彈簧機構(gòu)和傳統(tǒng)電磁機構(gòu)的優(yōu)點基礎(chǔ)上，克服其不足，將永久磁鐵應(yīng)用于操動機構(gòu)中，設(shè)計中使真空斷路器分合閘位置的保持通過永久磁鐵實現(xiàn)，取代了傳統(tǒng)的鎖扣裝置。這種磁力機構(gòu)具有永久磁鐵和分閘、合閘控制線圈，當(dāng)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(dāng)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(gòu)在控制線圈不通電流時它的動鐵心有兩個穩(wěn)定工作狀態(tài)，合閘與分閘，也稱雙穩(wěn)態(tài)電磁機構(gòu)。這種機構(gòu)的特點是：
真空斷路器操動機構(gòu)與其他類型如：空氣、油、SF6斷路器的操動機構(gòu)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(gòu)的設(shè)計計算時應(yīng)將觸頭壓力所需能量給予充分考慮。
?。?）永久磁鐵與分、合閘控制線圈結(jié)合，解決了合閘時需要大功率能量的問題，因而磁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)尺寸比普通電磁機構(gòu)減小了，分、合閘控制線圈電流小。
?。?）真空滅弧室靠永久磁鐵產(chǎn)生的力使其保持在合閘與分閘位置上，取代了傳統(tǒng)的機械鎖扣方式，機械結(jié)構(gòu)大為簡化，僅有幾個活動部件，零件總數(shù)約為50件左右，耗材省，節(jié)能且成本低。
（4）操動機構(gòu)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(xiàn)免維護，節(jié)省維修費用。
二、國內(nèi)外的發(fā)展動態(tài)
1真空斷路器永磁機構(gòu)的發(fā)展
?。?）前不久，由ABB在英國和美國的工程師聯(lián)合開發(fā)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(qū)動裝置代替有數(shù)百個零件組成的傳統(tǒng)機構(gòu)。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(gòu)在其10萬次的操作壽命中不需維修，是傳統(tǒng)真空斷路器壽命的三倍，可節(jié)省維修費用。VM1的創(chuàng)新還包括將真空滅弧室用環(huán)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(shù)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(chǎn)品正在研制中。
?。?）荷蘭Holec的MMS型真空斷路器采用永磁機構(gòu)驅(qū)動，其短路開斷電流為31.5kA。該操動機構(gòu)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(gòu)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(gòu)的結(jié)構(gòu)非常簡單，它的組成部件不足15個，特別是還能實現(xiàn)分相可控操作，在關(guān)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。
2永磁材料的發(fā)展及應(yīng)用
永久磁鐵能夠吸持鐵磁物質(zhì)的物理特性早已被人們所發(fā)現(xiàn)，并在生產(chǎn)實踐中得到廣泛的應(yīng)用。隨著永磁材料性質(zhì)被人們的逐漸認識，以及永磁材料本身的不斷發(fā)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。現(xiàn)在，冶金采礦、通信廣播、電機電器、交通運輸和醫(yī)序器械等許多領(lǐng)域，無不應(yīng)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(guān)的許多技術(shù)領(lǐng)域。釹鐵硼材料優(yōu)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(xiàn)，對工業(yè)技術(shù)領(lǐng)域產(chǎn)生變革性的影響，被全世界各國重視。
我國近年永磁材料也獲得了突飛猛進的發(fā)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(chǎn)的發(fā)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(gòu)中的應(yīng)用，在我國尚屬空白。新型的永磁機構(gòu)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(qū)動裝置實現(xiàn)低能耗、高可靠性。
三、永磁機構(gòu)的設(shè)計
1確定真空斷路器的總體結(jié)構(gòu)
為提高真空斷路器的可靠性，實現(xiàn)高壽命，且利于操作機構(gòu)的設(shè)計，斷路器的總體結(jié)構(gòu)應(yīng)盡可能緊湊，外形尺寸小，將滅弧室封閉在絕緣殼內(nèi)，使結(jié)構(gòu)既緊湊又具有良好的絕緣性能（見圖2）。
2電磁機構(gòu)的設(shè)計
工作原理：
傳統(tǒng)的彈簧儲能機構(gòu)，有大量的機械零件，通常有近200個零件，其中尚不包括標(biāo)準(zhǔn)件。永磁機構(gòu)與其相比則結(jié)構(gòu)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(gòu)圖中3～6組成，其零件數(shù)量可減少到彈簧機構(gòu)的25%。
用磁力線分布說明機構(gòu)的工作原理（見圖3）。圖中a）所示機構(gòu)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(chǎn)生一很大的吸力，并通過主軸、拉桿作用在真空滅弧室導(dǎo)電桿上，使真空滅弧室觸頭保持在分閘位置。
分合閘線圈產(chǎn)生的磁場方向相反。合閘時，合閘線圈通過電流，產(chǎn)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(chǎn)生的吸力增加，而上端的吸力減小。
當(dāng)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(dāng)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）。
3設(shè)計中的幾個關(guān)鍵問題
?。?）反力系統(tǒng)的設(shè)計計算
真空斷路器機械動作的可靠性，決定于操動機構(gòu)的設(shè)計，而反力系統(tǒng)的設(shè)計計算則是磁力系統(tǒng)設(shè)計計算的依據(jù)。真空斷路器操動機構(gòu)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。
根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)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(gòu)磁路的結(jié)構(gòu)設(shè)計及計算
在永磁磁路中，永久磁鐵相當(dāng)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(fù)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(nèi)部條件，即工作點位于祛磁曲線上，還是位于回復(fù)曲線上，絕大部分電器的永久磁鐵都是工作在回復(fù)線上，這種情況比較穩(wěn)定。
2）外部條件，即磁路內(nèi)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。
設(shè)計永磁鐵時應(yīng)根據(jù)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(nèi)的儲能為最大，使永久磁鐵體積最小。
3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(chǎn)品的恒定磁場應(yīng)具有相對穩(wěn)定性，以保證吸力的穩(wěn)定，即在環(huán)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(yù)定的指標(biāo)范圍內(nèi)。
2）機械性能：應(yīng)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(tǒng)中，還需要軟磁材料以便盡量減少磁阻，增加關(guān)鍵部位的磁通密度，應(yīng)選擇導(dǎo)磁性能好、損耗低的導(dǎo)磁材料，如硅鋼片。
4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(chǎn)生的吸力，建立數(shù)學(xué)模型，利用計算機進行分合閘過程中的動態(tài)仿真。