毕业论文-真空断路器的机构及其特性

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文哈尔滨理工大学学士学位论文-PAGEII--PAGEIII-真空断路器的机构及其特性摘要真空断路器以高真空作为灭弧和绝缘介质，其触头与灭弧系统简单，具有使用寿命长、检修间隔时间长、易于维护、适合频繁操作、体积小，质量轻等优点，已经在中低压领域有了广泛的应用。随着制造技术以及理论研究水平的不断提高，已经朝着高电压、大容量的方向发展。为了研制更高压等级的真空断路器，许多研究机构和学者已经开始在多个方面做了广泛的探讨和研究，包括寻找新的触头材料、开发新的灭弧技术、采用新的绝缘措施，以及使用新的制造工艺等等。本文对真空断路器做了详尽系统的介绍，包括：真空断路器的发展历史、现状及发展趋势；发展真空断路器的重要性；真空断路器的结构、性能、用途、触头材料和绝缘特性等；真空断路器的操作机构，分为电磁、弹簧和永磁三种操纵机构。同时，细致的介绍了真空断路器真空度的检测方法。还根据真空断路器的应用电压等级，对多断口真空断路器的理论优势进行分析，也对多段口真空断路器的开段能力进行探讨。最后，对高压真空断路器的发展进行了展望。关键词真空断路器；真空灭弧室；绝缘TheStructureandcharacteristicsofVacuumCircuitBeakerAbstractVacuumcircuitbreakerwithhighvacuumasarcingandinsulatingmedium,anditscontactswitharcingsystemsimple,withlongservicelifeandwithmaintenanceintervaltimelong,easymaintenance,suitableforfrequentoperation,smallvolume,lightqualityetc,andhasbeeninlowvoltageareainawiderangeofapplications.Asmanufacturingtechnologyandtheoryresearchlevelsrising,hashighvoltage,largecapacitytowardsthedirectionofdevelopment.Inordertodevelopmorehighpressurelevelofvacuumcircuitbreaker,manyresearchinstitutesandscholarsstartedmorethaninthebroaddiscussionandresearch,includinglookingfornewcontactormaterial,thedevelopmentofnewtechnology,thenewarcinginsulationmeasures,andtheuseofnewmanufacturingprocessandsoon.Inthiscontribution,thevacuumcircuitbreakerindetailthesystemisintroduced,including:thevacuumcircuitbreakerthedevelopmenthistory,presentsituationanddevelopmenttrend.Developmentoftheimportanceofvacuumcircuitbreaker;Vacuumbreakerstructure,performance,use,contactormaterialandinsulatingproperties,etc.;Theoperatingmechanismofvacuumcircuitbreaker,dividedintoelectromagnetic,springandpermanentmagnetthreekindsofoperation.Atthesametime,thedetailedintroducesthevacuumdegreeofvacuumcircuitbreakertestmethods.Accordingtotheapplicationofvacuumcircuitbreakervoltagegradeoffractureofvacuumcircuitbreakeradvantagetheoryanalysis,butalsotomoreparagraphsmouthopensectionofvacuumcircuitbreakerabilityisdiscussedinthispaper.Finally,thehighvoltagevacuumcircuitbreakerprospect.KeywordsVacuumCircuitBeaker；VacuumInterrupter；InsolutionPAGEII---PAGEV-目录摘要 =1\*ROMANIAbstract =2\*ROMANII第1章绪论 11.1目的与意义 11.2真空断路器的结构及组成 11.3历史、现状及发展趋势 31.4本文的主要工作 4第2章真空灭弧室 52.1真空灭弧室的结构 52.1.1屏蔽罩的结构 62.1.2波纹管 72.1.3绝缘外壳 72.2真空灭弧室触头 82.2.1真空灭弧室的触头材料 82.2.2真空灭弧室触头结构 92.3灭弧室真空度的检测 112.3.1出厂前断路器真空度的检测方法 122.3.2离线现场监测真空灭弧室真空度的方法 122.3.3在线监测真空断路器真空度的方法 172.4真空灭弧室工艺的改进 182.5注意问题 19第3章真空断路器的操纵机构 213.1电磁操动机构 213.2弹簧操纵机构 213.3永磁操动机构 223.3.1永磁操动机构中永磁体的可靠性 223.3.2永磁操动机构的结构及动作原理 233.3.3永磁操动机构的优点 233.3.4永磁机构与真空断路器的配合 243.3.5永磁操动机构真空断路器发展前景 243.3.6两种永磁操纵机构的真空断路器 253.4小结 25第4章多断口真空断路器 274.1双断口真空断路器的理论优势 274.1.1真空间隙的耐压能力饱和效应 274.1.2真空断口的动态绝缘特性 284.1.3真空断口动触头机械特性 284.2多断口真空断路器 284.2.1均压电容对多断口真空断路器开断能力的影响 294.2.2恢复电压上升率对开断能力的影响 294.2.3大电流开断能力 294.2.4结论 304.3研发高电压真空断路器需解决的技术问题 31结论 33致谢 34参考文献 35附录A 38附录B 61-PAGE10--PAGE72-绪论目的与意义由于SF6气体的温室效应，真空开关由中压等级向更高电压等级方向发展成为一种趋势。真空开关目前在12kV~40kV的中压开关设备领域占有优势地位。而在72.5kV~1100kV的电力开关设备中，广泛使用的是技术先进的SF6开关设备。虽然SF6气体具有优异的灭弧和绝缘性能，但是SF6气体是一种强温室效应气体：在1997年通过的《京都议定书》中所指出的6种温室效应气体中，SF6气体是温室效应最强的一种，它的地球温暖化系数是CO的23900倍，它在大气中的寿命是3200年。因此，限制使用SF6气体是一种必然趋势。世界上SF6气体主要应用于开关设备等输变电设备中，因此《京都议定书》对SF6气体的限制使用给广大高压开关领域的工作者们提出了新的课题。限制SF6气体有4个途径：第一，寻找SF6气体的替代品；第二，在产品中减少SF6气体的使用量或采用SF6混合气体；第三，加强产品密封,减少漏气量；第四，采用真空开关技术，将真空开关从中压等级发展到更高的电压等级。在高压领域，用真空取代SF6气体已取得一定成效。现已研制出145kV单断口真空断路器和168kV双断口真空断路器，现正研制252kV真空断路器。我国最新研制成功126kV瓷柱式真空断路器，并自行研制成功关键的126kV真空灭弧室。世界上许多国家如日本、中国、韩国、美国、德国和俄罗斯等都在积极研发高电压真空断路器。因此，在高电压领域研究真空断路器成为一种发展形势。真空断路器的结构及组成真空断路器是一种灭弧后介质和灭弧后触头间隙的绝缘介质都在高真空的泡内分合的断路器。图1-1为真快断路器基本的结构图。（a）正面（b）背面1.开距调整片2.触头压力弹簧3.弹簧座4.接触行程调整螺栓5.拐臂6.导向板7.螺钉8.导电夹紧固螺栓9.下支座10.真空灭弧室11.真空灭弧室12.上支座13.绝缘子固定螺丝14.绝缘子15.螺栓16.连接弹簧或电磁操动机构的大轴图1-1真空断路器结构图真空断路器是一种以气体分子极为稀少，分子间的平均自由行程很大，电子与分子相碰撞的机会极少，绝缘强度很高的真空空间为息弧介质的新型断路器。其大概可以分为以下几个部分：（1）支架：安装各功能组件的架体。（2）真空灭弧室：实现电路的关合与开断功能的熄弧元件。（3）导电回路：与灭弧室的动端及静端连接构成电流通道。（4）传动机构：把操动机构的运动传输至灭弧室，实现灭弧室的合、分闸操作。（5）绝缘支撑：绝缘支持件将各功能元件，架接起来满足断路器的绝缘要求。（6）操动机构：断路器合、分间的动力驱动装置历史、现状及发展趋势真空断路器以具备良好的灭弧特性，适宜频繁操作，电气寿命长、运行可靠性高、不检修周期长的优势，在当今我国电力工业城乡电网改造、化工、冶金、铁道电气化以及矿山等行业得到了广泛的应用。真空断路器最初由英、美研究，随后发展到日本、德国和原苏联等其他国家。我国从1959年起开始研究真空断路器的理论，到70年代初正式生产各类真空断路器。真空灭弧室、操动机构、绝缘水平等制造技术的不断创新和改进，使真空断路器的发展极为迅速，在大容量、小型化、智能化及可靠性研究方面取得了一系列重大成果。早在1893年，美国的RittenHause提出了结构简单的真空灭弧室，并获得了设计专利。1920年瑞典的佛加公司第一次制成了真空开关。6年后，美国索伦森等公布的研究成果也显示了在真空中分断电流的可能性，但因分断能力小，又受到真空技术和真空材料发展水平的限制，尚不能投入实际使用。50年代美国才制成第一批适用于切断电容器组等特殊要求的真空开关,分断电流尚停在4kA的水平。正是真空开关的发展促进了真空断路器的产生。1961年，美国通用电气公司开始生产15kV、分断电流为12.5kA的真空断路器。1966年试制成15kV、26kA和31.5kA的真空断路器，从而使真空断路器进入了高电压、大容量的电力系统。20世纪70年代后,日本东芝电气公司研制成功了具有纵向磁场触头的真空灭弧室,使额定开断电流又进一步提高到50kA以上。80年代中期，真空断路器的分断能力已达100kA。中国从1958年开始研制真空开关，1960年西安交通大学和西安开关整流器厂共同研制成第一批6.7kV、分断能力为0.6kA的真空开关；随后又制成10kV、分断能力为1.5kA的三相真空开关。1969年华光电子管厂和西安高压电器研究所制成了10kV、2kA单相快速真空开关。70年代以后，中国已能独立研制和生产各种规格的真空开关。目前真空断路器己广泛用于10kV、35kV配电系统中,额定开断电流己能做到50kA-100kA有些国家还生产了72kV/84kV级的真空灭弧室，但数量不多。本文的主要工作本文对主要研究以下内容：①真空断路器的结构、性能、用途、触头材料和绝缘特性等，同时，细致的介绍了真空断路器真空度的检测方法。②真空断路器的操作机构，分为电磁、弹簧和永磁三种操纵机构，着重分析了永磁操纵机构的真空断路器、③根据真空断路器的应用电压等级，对多断口真空断路器的理论优势进行分析，也对多段口真空断路器的开段能力进行探讨。④对高压真空断路器的发展进行了展望。真空灭弧室“真空”是指在某一特定的空间内低于1个标准大气压的气体状态。“真空”实质上是指在特定的空间内气体稀薄程度的一种物理状态,并用真空度即气体压强来表示这种物理状态,所以真空度实质上与气体压力是同一物理概念。真空度越高,气体压力越小,反之真空度越低,即气体压力越大。真空灭弧室是真空断路器的关键部件，它是采用玻璃或陶瓷作支撑及密封,内部有动、静触头和屏蔽罩,室内有负压，保证其开断时的灭弧性能和绝缘水平。真空断路器在真空灭弧室内开断电流并进行灭弧,而真空断路器本身没有定性、定量监测真空度特性的装置，所以真空度降低故障为隐性故障，同时，真空度降低将严重影响真空断路器开断过电流的能力，并导致断路器的使用寿命急剧下降严重时会引起开关爆炸。目前我国真空灭弧室额定电压主要为12kV、24kV、40.5kV。72.5kV和126/145kV真空灭弧室正在研发之中。其中以12kV级产量最大，40.5kV级次之，24kV级随着20kV级电网的扩大而增加。真空灭弧室的结构在真空灭弧室内，装有一对动、静触头，触头周围是屏蔽罩，其结构设计见图2-1。灭弧室的外部密封壳体可以是玻璃或陶瓷。动触头的运动部连接着波纹管，作为动密封。(a)内屏蔽（b）外屏蔽图2-1真空灭弧室的基本结构屏蔽罩的结构屏蔽罩起保护作用。一般分为2种：一种为内屏蔽罩；另一种为外屏蔽罩。图2-1（a）为内屏蔽罩。在这种灭弧室中，陶壳（或玻壳）承担两端之间的绝缘，并用金属屏蔽罩加以保护，防止金属蒸气抵达和凝结在绝缘壳体的主绝缘上。图2-1（b）为外屏蔽罩。屏蔽罩是真空壳体的主要部分，两端陶瓷承担绝缘，中间部分是金属，不需另加屏蔽，使灭弧室轴向变长，便于在触头燃弧区到外壳内绝缘表面间设置屏障。总之，屏蔽罩的作用是吸收弧腔中在开断电流时真空电弧的金属蒸气，使之沉淀并附着在罩内，而不致溅落在绝缘罩的内壁上，避免由此降低灭弧室的绝缘强度。另外，屏蔽罩的合理布置还起着改善断口电场分布的作用，提高断品耐压和恢复强度。在高压真空灭弧室中，为使断品具有足够的耐压，必须装多个屏蔽罩。屏蔽罩固定在两个氧化铝瓷绝缘简中间接缝处时，称中间封接式内屏蔽结构。内屏蔽结构使灭弧室尺寸可以小型化。屏蔽罩装在灭弧室外部的称屏蔽罩外露式。这种结构增大了灭弧室的径向尺寸，占据了真空开关相间的部分空间。它的优点是弧腔周围尺寸大，电弧热量容易向外散发，这对介质的绝缘强度恢复和提高灭弧室的开断容量有利。纵观所有真空灭弧室的结构，绝大多数为内屏蔽结构。从绝缘角度看，屏蔽罩的表面状态至为重要。通常的做法是用电解抛光，或用其他方法加以处理。保护屏蔽罩装在波纹管上方，或靠近波纹管，其目的在于防护波纹管免受从触头而来的熔化物的损伤。屏蔽罩的材料多种多样，如不锈钢、镍、镍钻铁合金和铜。在不锈钢上，可镀几微米厚的镍。在设计铜屏蔽罩时，减小从悬浮屏蔽到触头的距离，以限制真空灭弧室的总直径。屏蔽的固定方法很重要，以免对灭弧室的整体绝缘产生有害影响。一个办法是在两个陶壳之间钎焊中间法兰。另一个办法是将屏蔽罩的支撑浇注在外壳上，然后将屏蔽罩的法兰定位焊到支撑上。波纹管波纹管也是一个非常重要的部件，它必须满足各类灭弧室的机械寿命和气密可靠性的要求。金属波纹管被普遍用作动触头运动的真空密封。波纹管的一端固定，连在灭弧室的一个端面板上。另一端运动，连到动触头的导电杆上。波纹管的制作有旋压式和焊接式，但优先用旋压。在大多金属波纹管中，运动及负荷都是相当缓慢加上去的，使波纹管均匀伸长或缩短。但是在真空灭弧室中，运动是冲击式的，一端通过断路器的行程突然运动，然后又突然止动，这种动作在合分操作中快速反复。现代真空断路器的机械耐久性一般在万次以上，而真空接触器在100万次甚至200万次。这时，波纹管的寿命很关键，特别是应有相当大的疲劳强度。波纹管的机械寿命制约着真空灭弧室的寿命。近年来，由于工艺的改进，制作的波纹管基本上能满足真空灭弧室的要求。绝缘外壳绝缘外壳的作用是支持动、静触头和屏蔽罩等金属部件，它与这些部件气密地焊接在一起，以确保灭弧室内的高真空度。制造绝缘外壳的材料有硼硅玻璃、微晶玻璃和氧化铝瓷（含Al2O3不低于94%的高铝瓷）。早期的玻壳灭弧容易制造，成本低，便于用高频放电法检测管内真空度。缺点是机械强度差，玻璃熔点低，不能进行一次封排大批量生产，所以工业国家的制造厂已不再使用，而我国现在仍在大量生产玻壳灭弧室。氧化铝瓷制造的圆筒型外壳两端面经研磨后在高温下进行金属化处理，便于在真空封接炉中用银铜合金进行气密性钎焊。由于玻璃、氧化铝瓷的线膨胀系数比金属大，所以在它们与上、下端盖和屏蔽罩等金属部件之间必须用具有和玻璃、氧化铝瓷线膨胀系数接近的铁钴镍合金（可线）焊接。陶瓷外壳的优点是具有高强度和耐冲击力，能确保灭弧室在长达几万次甚至几百万次的机械操作中始终维持管内的高真空度。图2-2示出几种典型的中压真空灭弧室。这里有玻壳和陶壳。屏蔽有内屏蔽式（中封式）和外屏蔽。（a）玻壳真空灭弧室（b）陶瓷外壳真空灭弧室（c）陶瓷外壳真空灭弧室（中间封闭式）（屏蔽外露式）1—排气口；1—导电杆；3—导电盘；4—玻壳；5—陶瓷外壳；6—静触头；7—屏蔽：8—动触头；9—金属波纹管；10—导向管；11—触头磨损指示标记图2-2几种典型真空灭弧室外真空灭弧室外壳对外部作用具有良好的保护性。其壳体主要由氧化铝陶瓷制作，经受了高温预处理，不受温度变化影响，在灭弧室内不产生分解物，开断时只产生金属蒸气。因为是密封钎焊，避免了任何氧化，灭弧室内的所有材料均洁净地保持在整个寿命期间。真空灭弧室触头真空灭弧室的触头材料由于纯金属缺乏真空触头良好的性能，故人们研究出2种互不相同的合金的组合材料：一种为铜铋材料（Cu/Bi）；另一种为铜铬材料（Cu/Cr）。由铜铋触头发展到铜铬触头，不仅大大提高了开断能力，而且大大减小了截流值。铜铬合金是目前使用最为广泛且综合性能优异的触头材料，具有开断能力强、电磨损速率小、截流水平低等优点。西门子公司采用铜铬材料+纵磁场，将开断电流从10kA提高至70kA。东芝公司原来采用铜铋材料，近年来又改用铜铬材料，将真空灭弧室推向高电压大容量。在Cu/Bi材料中，纯铜具有高度韧性，加入少量的Bi，大大降低了韧性。加Bi的目的是为了解决熔焊问题。Cu/Cr触头具有很强的吸气能力，它能吸收CH4、CO、N2和H2等气体。Cu/Cr的吸气效应比气体释放过程更为有效。这样可确保灭弧室具有恒定的真空度和较长的工作寿命。根据这一特性，允许Cu/Cr的含气量为万分之几，而不必像Cu/Bi那样要求低的含气量，这有利于触头材料的制造。Cu/Cr触头材料的制造，有混粉法和溶渗法。实践证明，溶渗法优越于混粉法。西门子公司最新采用电弧熔炼法，使Cu/Cr金相组织更好，因而进一步提高了灭弧性能。近年来，许多制造厂家改变组分和工艺。其趋势是采用更细的颗粒结构和增加Cu的含量。现在普遍使用的是60%Cu、40%Cr（均为成分的质量分数）。含Cr量高使其性能更好。最新发展是给Cu/Cr中添加5%V（钒）。这样做降低了绝缘击穿数据的分散性，对于真空灭弧室向高压方向发展很有用。真空灭弧室触头结构触头结构的设计和电极材料的选择是真空灭弧室设计的关键。早期进行研究使用的是圆盘状触头，电极为简单的圆柱形，又称平板对接式电极。在开断电流小于10kA时，真空电弧为扩散型电弧。当开断电流达到一定数值后（随电极材料而异），电弧则呈收缩状并在电极边缘表面出现滞留的阳极斑点，继而局部严重熔化。虽然增大电极直径能够使极限开断电流有所提高，但由于集聚型电弧的出现，弧根处的电流密度增大以后，电极的等效面积不会随着直径的增加而增大，也就是开断能力不随之成正比增大。因此，这种简单形式的触头不能用于断路器。圆盘状触头容易加工，成本低，现在用于真空接触器和真空负荷开关等开断电流不超过10kA的灭弧室中。用于断路器的触头必须能最大限度地克服阳极斑点对触头表现的熔蚀，才能提高其开断容量。为实现这一目的，现行生产的触头结构在设计上采用的措施是利用电弧电流通过灭弧室内导电回路时自身产生的磁场驱动弧柱快速旋转运动，不使之滞留形成阳极斑点并在电流过零前变成扩散状；或者使电弧只能成为类似扩散状的，弧柱分散为许多纤细的低电流密度的聚集型，从而提高触头的开断能力并延长它的工作寿命。这类触头又称磁控触头。就吹弧磁场方向而言，与灭弧室直径方向一致的称横向磁场，与灭弧室轴向一致的称纵向磁场。在真空灭弧室中，当瞬时值为10kA以下时，电弧仍为扩散形。而当电流更大时，电弧聚集。此时必须防止触头局部过热，为此采用横磁场触头。该触头产生的电磁力驱动电弧沿燃弧环旋转。这样电弧对触头的烧损分布在整个燃弧环上。一般来说，触头（螺旋状或杯状）直径随着开断电流的增加而增大，但设计的趋向是减小尺寸。纵磁场触头可用于更大的电流，此时电弧不再聚集而呈扩散形态。电弧在触头表面分成许多细弧，触头表面均匀受热，防止了局部过热。这样触头表面烧损更小，有利于提高开断电流和触头寿命。因此，纵磁场的出现是真空灭弧室在技术上的重大改革。纵磁场真空触头的结构基本上有2种，一种靠外加线圈产生纵磁场，如图2-3（a）所示。另一种靠触头本身特殊结构产生纵磁场，如图2-3（b）。在第一种结构形式中，此时，在灭弧室外部装有线圈，它被流过开关的电流所激励。它在触头间隙中形成一个相当均匀的磁场，但是灭弧室屏蔽内相当大的涡流会在内磁场和外部电流之间产生大的相位移。这种结构形式，需耗用大量的导体材料，而且绝缘也有问题。因此，需要相当完善的绝缘系统，才能保证在寿命期间线圈与相邻结构之间不发生闪格。第二种结构形式是使产生磁场的元件作为触头结构的一部分。这个方法不用外加线圈，但也有其缺点。它使触头的结构变得相当复杂，而且制作相当费事。还有，触头要承受相当大的作用力，在合闸位置和动触头中，承受相当大的动态力。（a）外加线圈（b）触头本身产生纵磁场1—触头2—电极3—线4—导电杆图2-3纵磁场触头结构基本形式图2-3（a）和（b）所示的纵磁场触头组有一个共同的特点，即触头端面上刻有径向槽，其目的在于减少涡流。此涡流是由后面线圈磁场交变感应产生的，它会在一定强度上削弱施加的磁场，而且会在实际磁场和电弧电流之间产生相位移。真空断路器具有硬的开断特性。它在开断小的感性电流时，由于它熄弧能力强，而在电流过零前截断电流（简称截流），必然引起截流过电压。特别是当电动机堵转和起动时开断，会引起相当高的过电压。这种过电压如果不加以限制，会窜入电动机，击穿和烧毁绕组，其后果不堪设想。因此，在某些情况下，限制过电压一直困扰着真空断路器，也是开发真空断路器的一个重要方面。目前，总的来说，由于采用Cu/Cr触头材料，已将截流值限制到3～5A，故一般不用采取限制过电压措施。但在一些小的电感电路中，要采取限制过电压的措施。目前，限制过电压主要有2种办法：加装过电压吸收装置；采用低过电压触头材料。过电压吸收装置有多种型式，其结构如图2-4所示。第一种为RC串联电路，用电容C削平过电压波，用R吸收能量；第二种为给R—C回路中的R并联ZnO变阻器；第三种为ZnO变阻器+火花间隙；第四种为在负载侧加避雷器。（a）在负载侧加R—C回路（b）在负载侧加ZnO—RC(c)在断路器上加过电压限制器（d）在负载侧加避雷器图2-4限制过电压方法事例还有一种为电容过压限制器，它由装在断路器负载侧的电容构成。此装置减小了负载侧波阻抗，因而减小了过电压峰值和恢复电压上升率，但却增大了截流值。因为断路器上的有效电容增加了，使电弧变得不稳定。相反RC回路能减小复燃电流，抑制了电压的建立和三相同时截断。用避雷器能有效地限制过电压的绝对值，因为它在火花放电电压下放电。但是传统的避雷器保护水平不高，故对于电动机及绝缘裕度不大的其他设备的保护不总有效。近来研制的ZnO限制器很有效，因为它对陡峭的过电压波具有高频响应特性。由于过电压吸收装置使真空断路器结构复杂化，电容体积大又要按负载的性质和大小进行计算，增加了断路器本身的造价从而降低了可靠性。因此，国外大力研究用低过电压触头材料来限制过电压，日本几家公司已成功地研制出各自的低过电压触头材料。灭弧室真空度的检测根据国家行业标准要求,运行的真空灭弧室的真空度不得大于6.6×10-2Pa,出厂时真空灭弧室的真空度不得大于1.33×10-3Pa，真空断路器及真空灭弧室出厂时,必须测定其真空度。虽然现代真空灭弧室的生产技术能够保证真空灭弧室有15至20年的真空寿命,但是由于生产、运输、保管、构成材料及使用过程中的种种原因,会造成真空灭弧室的损坏和真空度的降低。因此,在用户使用过程中,为保证真空断路器运行的可靠性和安全,使用单位仍然需要对真空灭弧室的状况有一个可信的了解。真空灭弧室是真空断路器的核心部分,它是以真空条件为工作基础的,真空度是决定真空断路器工作性能(绝缘和开断能力)的真空断路器的重要技术指标。运行单位在使用中如不能及时判定和发现,将直接影响真空断路器的遮断能力,严重时可导致遮断能力的完全失败。因此,检测真空灭弧室的真空度,尤其是检测运行中的真空断路器真空度。对真空断路器的可靠运行是十分重要的保证。出厂前断路器真空度的检测方法真空度的检测在真空断路器的生产过程中就已经开始了。通常工业生产中利用真空计来完成真空度的测量。传统工业生产过程中普遍使用的几种真空计有：机械式真空计(mechanicalvacuumgauge)，它利用不同空气密度对振动的阻尼系数不同，将真空度间接转化为电信号；热传导式真空计(thermalconductivityvacuumgauge)，其典型代表“皮拉尼真空计”(piranivacuumgauge)靠测量接触待测真空腔的灯丝和未触及待测真空腔的参考灯丝之间的电压差值判定真空度情况；离子式真空计(ionvacuumgauge)检测高真空时状态带电粒子来撞击气体分子以产生的离子电流强弱，推算真空腔内的气压值；基于潘宁放电原理的冷阴级离子式真空计(coldcathodeionvacuumgauge)检测碰撞电离后气体分子产生的离子电流，推算出气体分子的压力，得到灭弧室的真空压力值。离线现场监测真空灭弧室真空度的方法离线检测是预防性定期检修的主要方法，属于使用中的检测方法。适合于已知损耗规律的设备，或难以随时停机进行检修的流程工业、自动生产线设备。以下将概况离线现场检测真空灭弧室真空度的方法1、弧光观察法真空断路器灭弧室有玻璃外壳和陶瓷外壳两种。真空灭弧室内部真空度降低时，常常伴随着电弧颜色及内部零件氧化带来的颜色变化。对于玻璃外壳真空灭弧室,可以观察涂在玻璃内壁上的吸气剂薄膜颜色的变化和观察开断电流时的弧光来判断真空度[1]。通过观察颜色的变化直接、快速的对灭弧室好坏加以判断，这种方法具有直接、简单等优点。(1)观察吸气剂薄膜颜色玻璃外壳真空灭弧室制造时将玻璃管内壁蒸散一层吸气剂,这种物质既可吸附管内残余气体,维持高真空,亦可指示真空度。真空度良好时,吸气剂的薄膜非常亮像镜面;如果真空度降低,吸气剂薄膜变成乳白色。该判断方法只有在真空度降到很低时才能被发现。(2)观察开断电流时的弧光由于真空灭弧室内部真空度降低时常常伴随着电弧颜色改变及内部零件氧化,所以对玻璃外壳的真空灭弧室可以定期观察。经常观察真空灭弧室开断电流时真空电弧的颜色,如有怀疑应进行真空度检查。正常的真空灭弧室弧光颜色为淡青色,经屏蔽罩反射后,呈黄绿色。若弧光颜色为紫红色,可能是真空灭弧室失效。此方法比较直观易行,可与设备外观检查同时进行。2、火花计法这种方法是利用火花探测仪检测,检测时将火花探测仪沿着灭弧室表面移动,由于高频电场的作用;真空灭弧室内部有不同的发光情况出现。根据发光的颜色来鉴定真空灭弧室的真空度。若管内有淡青色辉光,则真空度良好;若呈红蓝色光,说明管子已经失效;若管内已处于大气状态,则不会发光。3、工频耐压法(交流耐压法)鉴定电力设备绝缘强度的最严格、最有效和最直接的方法。它能检查出那些危险性较大的集中缺陷，对判断电力设备能否继续参加运行具有决定性作用，是保证设备绝缘水平、避免发生绝缘事故的重要手段。将真空断路器置于分闸状态下,在真空断路器的触头间施加交流电压,根据电压施加过程中相关参数的变化来判定真空度。该方法是将灭弧室两触头拉至额定开距,即真空断路器处于开断状态下,在动静触头之间施加额定试验电压,如果真空灭弧室内发出连续击穿或者持续放电,表明真空度已严重降低,否则表明真空度符合要求。具体方法:以20kV/min的升压速度将电压升至真空断路器的工频耐压值,如果在电压上升过程中,放电使电流表指针摆动,则将电压降至零值,再升压,反复2~3次,如果真空灭弧室能够耐受工频电压10s以上,则可以认为真空灭弧室真空度满足要求。如果随着电压的升高,电流值也随着增大,且超过5A,则认为真空度不合格。由此判断真空灭弧室真空度是否劣化。该方法的标准及注意事项如下：

1.试验时对各种设备应单独进行试验，同一试验标准要求的设备则可以连接在一起试验。试验按接线图接好后，由专人检查无误后准备加压。加压前应将调压器归零位，再合上电源，均速将电压升至试验电压；加压持续时间达到要求后，迅速而均匀地将电压降至零，最后断开电源，挂上接地线。试验中若发现表针摆动或被试设备发出异常声响、冒烟、冒火等情况应立即降下电压；在高压侧挂上接地线后，查明原因。

2.被试设备经过交流耐压试验，在规定的持续时间内不发生击穿为合格，反之为不合格。如果电流表指示突然上升，则表明被试设备已被击穿。采用高压侧直接测量时，电压表指示突然下降，也说明被试设备被击穿。在试验过程中，如被试设备发出断续放电声响，出现冒烟、出气、焦臭、跳火及燃烧等情况，则说明被试设备存在问题或已被击穿。

3.当被试设备为有机绝缘材料，经试验后，应立即断电接地进行触摸，如出现普遍或局部发热，则认为绝缘不良，需要处理（如干燥等）后再进行试验。4.在试验过程中，若受空气湿度、温度或表面脏污等影响，引起表面滑闪放电或空气放电，则不应认为不合格。在经过清洁、干燥等处理后，再进行试验；若并非由于外界因素影响，而是由于瓷件表面釉层绝缘损伤、老化等引起的，则应认为不合格。这种方法简单易行、现场使用方便。是目前大多数用户采用的进行真空灭弧室真空度判定的方法,也是电力行业开关专业所采用的判定方法,是判定真空断路器能否投入电网运行的直接判据。其缺点是,只能粗略地判断其真空度严重劣化的灭弧室。研究表明,当真空灭弧室内压强高于10-2~10-1Pa,甚至达1Pa时,击穿电压和重击穿电压也没有显著地下降,此方法对真空度处于临界状态的真空灭弧室判断可能就勉为其难了。所以无法合理地判断真空度的变化趋势,此外,工频耐压试验对断路器绝缘尤其是复合有机绝缘有累积损坏效应,不宜经常采用。4、电弧电压法(arcvoltageanalysis)电弧电压法有两种解释，第一种提出电弧电压分为稳态和高频电弧脉冲两部分，通过这两部分特性判断真空度的方法[2]。第二种是将断路器切断某特定直流电流时形成的电弧电压波形转为柱状图，以此作为判断标准[3]。总结下来，这两种方法都是根据收集到的电弧形状判断真空度好坏。这种发放无需拆卸灭弧室，无需外加磁场。但是，无法得到真空度具体数值。虽然精度较工频耐压法高，可实用性差，所以未能广泛使用。5、局部放电检测法(partialdischargecharacteristics)局部放电检测法采用一套由电流互感器、ICCD摄像头和光电倍增管组成的检测仪器,利用检测到的放电脉冲的上升沿时间、脉冲长度以及脉冲峰值大小作为区分不同真空度的标准[4]。这种方法无需外加磁场，区别真空度拐点上放电特性，较电弧电压法相比精度更高。但是目前仅在离线情况下实验室中的测试，有望应用于真空度在线监测。6、吸气剂颜色变化判定法在玻璃型真空灭弧室制造时将管内壁蒸散一层吸气剂。这样即可以吸附管内残余气体维持高真空，又能通过自身颜色变化指示真空度【5】。维修人员可以根据吸气剂的颜色变化来判断真空度的好坏。此种方法也只能进行定性的判断,适用于玻璃管真空灭弧室,且容易受人为因素影响。7、屏蔽罩电位法(theshieldpotentialmeasurement）屏蔽罩点位法是在处于一定开距的触头两端施加高频脉冲高压电源，并检测屏蔽罩电位的变化【6】。此电位与灭弧室内压强存在函数关系，可以推测断路器真空度。这种方法受触头表面条件影响，屏蔽罩电位情况多种多样，且通用性较差，所以不适合于无屏蔽罩或无屏蔽罩引出点的断路器。8、射线法X射线是一种能量很大的电磁波,其波长值为10-12~10-8m数量级,可以穿透陶瓷、钢板等。一般来讲,气体的电离能约为几至几十电子伏特,工业用X射线光子的能量约为1124×102～1124×106eV,这个能量远远大于气体的电离能。因此用能量强大的电磁波X射线对气体分子的电离作用，可以使真空灭弧室中残余气体分子产生稳定的电离电流【7】。该电流值与气体分子数和X射线强度等有关，可通过气体残余程度确定真空度。利用X射线对气体分子的电离作用,可以使真空灭弧室中残留的微量气体分子产生稳定的电离电流。在相同的电压和照射剂量下,该电流值与气体分子数有关,气体分子数与真空度直接相关,因此可通过电流值确定真空度，可得到真空度数值的打小。由于X射线具有很强的穿透物体的能力,从而使真空开关在真空灭弧室不拆卸情况下真空度的检测成为可能【8】，但是由于这种方法的监测设备较为贵重，和实际操作经验不足等条件限制。所以仅限于实验条件下的尝试。9、磁控放电法(magnetronmethods)对于真空灭弧室真空度而言,一方面,真空灭弧室在长期存放或使用一段时间后,金属触头或灭弧室其他固体构件中吸附或残存的气体会析出,从而在客观上会使灭弧室真空度下降;另一方面,由于使用过程或灭弧室波纹管等元件质量原因,也会造成灭弧室真空度的突然(或缓慢)降低。由于真空中气体分子极少而使真空灭弧室有高的绝缘强度。在真空度下降到某一范围时,其电气击穿强度下降得很快;高真空中因为不存在气体粒子的碰撞游离而具有很高的电气击穿强度,其击穿电压为大气压下击穿电压的6倍以上。因此,维持真空灭弧室的高真空度,避免出现真空度的中间状态,对保持真空断路器开断性能是至关重要的。作为真空断路器用户,能够做到及时、准确地判定真空灭弧室的真空度及其变化,对于保证设备可靠供电,做到安全稳定运行是十分重要的。由于常见的一些真空度判定方法存在不足,因此,如何能够较为科学地进行真空断路器的真空度测量及掌握其变化规律,是真空断路器用户较为关心的问题。根据前面提到过的国家标准,我们要测定的是10.13Pa(万分之一大气压)以下的压强(这在大气环境背景下直接测量几乎是不可能的),由于环境温度的变化甚至人员走动带来的气流变化对参考点压强的影响都是百分级或千分级的,到目前为止,国内外还没有办法实现真空度的直接测量,人们都是采用间接测量的方法来判定真空度。较为通用的方法有磁控放电法和电光变换法,其中磁控放电法测试精度较高。将真空开关灭弧室的两触头拉开一定的距离，施加电场脉冲高压，将灭弧室置于螺线管圈内或将新型电磁线圈置于灭弧室外侧，向线圈通以大电流，从而在灭弧室内产生与高压同步的脉冲磁场。这样，在脉冲强磁场和强电场的作用下，灭弧室中的带电离子作螺旋运动，并与残余气体分子发生碰撞电离，所产生的离子电流与残余气体密度即真空度近似成比例关系。对于不同的真空管型号（管型），由于其结构不同，在同等触头开距、同等真空度、同等电场与磁场的条件下，离子电流的大小也不相同。通过实验可以标定出各种管型的真空度与离子电流间的对应关系曲线。当测知离子电流后，就可以通过查询该管型的离子电流一真空度曲线获得该管型的真空度。目前,为满足现场简便、不拆卸测试真空度的要求,磁控放电现场测定技术已逐渐引起了国内研究机构及生产运行部门的重视。近年来,该技术的应用已逐步成熟,国内也有一些生产厂家正在开发以该技术原理为基础的真空度测试仪器。在常规磁控放电测试灭弧室的真空度时，为了提高其测试灵敏度，需从断路器上卸下灭弧室，并置于螺线管线管内。这样一来，灭弧室在重新装回断路器时需要调整机械参数，工作量很大并需专业人员。而使用新型磁控线圈可以从侧面包围灭弧室，这样就不必拆卸灭弧室。而采用单片微机进行同步控制与数据采集处理，提高了灭弧室真空度的现场测试灵敏度。真空度测试仪将灭弧室的两触头拉开一定的开距，施加脉冲高压，将电磁线圈环绕于灭弧室的外侧，向线圈通以大电流，从而在灭弧室内产生与高压同步的脉冲磁场，这样在脉冲磁场的作用下，灭弧室中的电子做螺旋运动，并与残余气体分子发生碰撞电离，所产生的离子电流与残余气体密度即真空度近似成比例关系。对于不同的真空管，在同等真空度条件下，离子电流的大小也不相同，当测知离子电流后，通过离子电流一真空度曲线，由计算机自动完成真空度的计算，并显示真空度值。10、发射电流衰减法发射电流衰减法是利用发射电流衰减速度测量真空开关灭弧室真空度的方法[9]。根据检测衰减时间判定真空度情况。这种方法无需外加磁场，但对检测技术要求较高。目前只在实验室条件下的试，具有良好的应用前景。11、X射线量跟踪法这种方法是利用场致发射电流大小与所产生的X射线强度之间呈比例的特点，将测量场致发射电流转化为测量X射线释放强度[10]。其优点是不需外施磁场，测量范围宽，可以重复性实验。同样，这也是一种停留在实验室条件下的测量真空度的方法，其实际效果有待观察。在线监测真空断路器真空度的方法1、耦合电容法耦合电容法是根据局部放电测量原理提出来的。下图2-5为其测试原理及其等值电路,其中C1为带电触头和屏蔽罩之间的电容,C2为探测电极与屏蔽罩之间的电容,C3为耦合电容。图2-5耦合电容法监测真空度的原理图及等效电路设所测真空灭弧室的带电触头至中间屏蔽罩间的耐压强度由于真空度降低而下降，则当工频电压从零点升至某一值时，等值电容C1被击穿放电,这相当于图中的间隙G击穿。此后由探测电极电容和耦合电容C3组成的放电回路中的电荷瞬时重新分布，M端就有一个脉冲输出。为了不降低断路器总体的绝缘水平，各电极均应有足够的绝缘防护层，布置于绝缘壳体或支架与接地机壳之间[11]。根据动态电荷分布和电容分压原理。当真空度下降时，屏蔽罩上电位绝对值降低。这样可以通过跟踪屏蔽罩电位的变化过程，实现在线检测[12]，但其灵敏度还有待于验证。外置耦合电容探测采集屏蔽罩电位，结构简单，监测效果好。有较强应用价值，能够完成在线监测任务。2、旋转式电场探头检测法通过一种旋转式电场探头作为传感器，能够通过对探头载波信号的分离提取出屏蔽罩交、直流电场的信息,并以此判断真空度变化[13]。这种办法可探测屏蔽罩电位推断真空度数值，具有探头结构新颖，精度高等优点。但后续处理较为繁琐。总体来看，有较强实用价值，可以完成在线监测任务。3、光电变换法当灭弧室内的真空度正常时，仅需几百伏的电压就可维持带电触头与中间屏蔽罩之间由场致发射引起的电子电流。屏蔽罩积累的负电荷使其负电位几乎达到电极电压峰值。当灭弧室内真空度劣化时，灭弧室内的气体密度变大，场致发射的电子被气体分子吸附后成为负离子。由于负离子质量大，漂移速度慢，使得上述电子电流减小，屏蔽罩绝对值电位降低。当灭弧室内真空度劣化为大气压时，场致发射电子全部被气体分子吸附为负离子。由于离子在电场下漂移形成的阻性电流很小，与容性电流相比可以忽略不计，故大气条件下，屏蔽罩电位由导电杆与屏蔽罩之间的分布电容和屏蔽罩与机壳之间的分布电容的分压决定。因此，通过屏蔽罩电位的变化过程可推知灭弧室内真空度的劣化过程。一般真空灭弧室的屏蔽罩，金属部分完全密封在灭弧室中，其电位的变化无法直接测试。但屏蔽罩电位的变化会引起屏蔽罩附近电场的变化，故通过放置于屏蔽罩附近的Pockels(泡克尔斯)电场探头可以测知屏体压强10-1Pa及以下范围内的测试敏感[14]。采用电光法可实现真空度的在线测试，但是Pockels电场探头温度特性较差，容易受温度波动的影响，长期运行的可靠性有待进一步研究。此外，电光变换法应用到现场时还应考虑电磁兼容问题。4、比例差分探头检测法通过监测真空灭弧室屏蔽罩电位和周期性高频脉冲电压，并将这两个测量值与实际电压值取比率，经过标定后，将该比率作为监测参数，来分析真空灭弧室真空度的变化趋势[15]。这种方法依靠新型电场探头探测屏蔽罩电位变化，抗干扰能力强，能够抵消母线电压波动的影响。同时具有较强的实际应用价值，能够完成在线监测任务。5、声学检测法声学检测法是通过声音传感器探测真空度劣化时放电的电弧声[16]。由于其精度差，且不易于执行，暂时还无实用实例。6、压力传感器法这种方法是提出一种新型双波纹管灭弧室来实现灭弧室压力在线检测。新设计在灭弧室顶部装一个压力元件，当其受力发生变化，说明真空压强也在改变[17]。其特点是采用双波纹管弧室结构，在其内部植入压力传感器。但是这种方法需更换新型灭弧室，对已经成型断路器的在线监测失效。7、微型冷阴极磁控计法提出在静触头导杆处安放一微型冷阴极磁控计，实时检测真空度变化[18]。计植入一微型潘宁指示，测量范围在3×10-4～10-1Pa改变灭弧室结构，无法应用于成型的断路器。8、电磁波监测法文等提出电磁波法，文提出一种射频法，都采用外置天线收集电磁波信号，根据检测信号的强度，推断灭弧室内真空度变化情况。其实一种电磁波法[19]将局部放电法应用于在线监测，又有一种射频法[20]，植入一金属间隙探头，监测探头的放电情况。监测局放是一种较新颖的思路，正在逐渐应用于实际工程。真空灭弧室工艺的改进近年来，真空灭弧室质量的提高，得益于采用新技术、新工艺、新材料，走科技术创新之路。这主要表现在采用大型真空炉、用一次封排工艺、采用低碳量的不锈钢制造波纹管、用铜陶瓷封接取代可伐陶瓷封接，尽量少用或不用可伐等。一次封排工艺提高了真空灭弧室的真空度，有效激活吸气剂，内部零件的除气更加彻底，有利于真空度的长期维持，也有利于用储存检漏法查出慢漏的真空灭弧室。一次封排工艺大大简化了真空灭弧室的结构，减少了真空密封焊缝，减少了漏气的可能性。因此，一次封排工艺不仅提高了灭弧室的质量，同时大幅度提高了生产效率，降低了生产成本。真空灭弧室都采用不锈钢波纹管。以前常用的不锈钢牌号为1Cr18Ni9Ti，现常用的牌号为OCr18Ni9（或304L）。1Cr18Ni9Ti不锈钢含碳量较高，为0.1左右。这些碳在常温下过饱和地固溶在奥氏体中。当1Cr18Ni9Ti不锈钢被加热至550～800℃时过饱和的碳以铬的碳化物的形式在晶界上析出。晶界上的铬碳化物很容易和酸反应造成点腐蚀和晶间腐蚀。而铬的碳化物析出温度正好包含了真空灭弧室的钎焊温度，因而灭弧室的钎焊就会造成1Cr18Ni9Ti不锈钢铬的碳化物析出。这很容易导致在使用过程中真空灭弧室漏气。而OC18Ni9或304L不锈钢的含碳量低于0.03%，这时碳的含量接近于碳在奥氏体中溶解度，因而加热不会引起铬的碳化物析出，可免除晶间腐蚀和点腐蚀，这就大大地减少了漏气的可能性。波纹管的制造工艺有2种：一是用冷拔薄壁不锈钢直接经液压成波纹管（无缝波纹管）；二是用不锈钢薄板先用微弧焊接成薄壁管坏，然后经液压成形制成波纹管（直焊波纹管）。我国现在既能生产无缝波纹管，也能生产直焊波纹管，均可保证10000次机械寿命。用铜陶瓷封接取代可伐——陶瓷封接，可大大减少慢性漏气率。可伐容易热处理造成晶粒变粗，冲压加工容易引起微小的裂纹，同时焊料容易渗入可伐的晶界中，渗入晶界的焊料可能将晶界涨开，造成慢性漏气。而铜不会有类似现象，因而铜陶瓷封接的灭弧室杜绝了慢性漏气，大幅度提高了真空灭弧室的性能。因为采用了以上新工艺、新材料，使真空灭弧室因漏气或真空度下降造成的失效率从原来的0.3%下降到0.1%，甚至降至0.03%。这是我国真空灭弧室制造技术的巨大进步。注意问题据全国电力系统开关设备状况统计:相对其他种类的断路器,真空断路器的开断与关合事故比例较高,问题主要出在灭弧室部分,灭弧室漏气、真空度不足是主要原因[21]。在真空断路器构成元件中,真空灭弧室为不检修元件,灭弧室坏了,只能进行整体更换。为保证真空断路器的安全可靠运行,对真空灭弧室的真空度的判断和测定必须给予高度重视。其中有以下几个方面：(1)在真空断路器、真空灭弧室选型、选厂上严格把关。选择型式稳定、质量可靠的产品,是提高真空断路器运行可靠性的基础。(2)一些常规检测方法,如:观察法、交流耐压法、火花计法等,是最基本的真空度定性测试方法,尤其是交流耐压法是电力部门规程规定的定期检验方法,真空断路器用户必须按照规定开展检测工作。(3)对于大量使用真空断路器的用户,应尽量采用可靠的真空度测试装置进行真空度的测试。目前,华北电力集团公司、江苏省电力公司、四川省电力公司等一些区域、省、市级电力企业都在各自的高压开关专业工作中,明确要求或积极推广进行真空断路器灭弧室的真空度测试。(4)选择国产真空度测试仪器时,一定要选择产品性能和质量符合用户要求的产品,避免真空度判断失误带来的负面影响。对于真空度判定工作应建立相应的管理办法,并在下列情况下进行真空度测试:·新设备投运前;·在规定的检修预试工作周期;·真空断路器开断规定的故障电流次数之后;·完成规定的开断负荷电流次数和机械寿命之后;·运行中发现异常情况时。对于真空度不满足要求,低于或已接近6.6×10-2Pa时,应及时进行真空灭弧室的更换;对于真空度有较大幅度降低,但仍在合格范围内的真空灭弧室,应适当缩短测试周期,并结合历次测量数据进行分析,判断真空度下降趋势,据此决定真空灭弧室是否继续运行。(5)对于购置的真空灭弧室备品备件,在产品入库和使用前,也应进行真空度测试,严防不合格的真空灭弧室投入运行中。总结真空灭弧室是真空断路器的关键部件,它是采用玻璃或陶瓷作支撑及密封。内部有动、静触头和屏蔽罩。其主要作用是，通过管内真空优良的绝缘性使中高压电路切断电源后能迅速熄弧并抑制电流，避免事故和意外的发生。真空断路器的操纵机构自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10~40.5kV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。真空断路器有电磁操动机构、弹簧操动机构、永磁操动机构之分,永磁操动机构优势和更加稳定的运行可靠性越来越明显,应用越来越广泛,发展前景也越来越好。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。电磁操动机构的工作原理,是用一个机械锁扣把断路器保持在合闸位置上,当断路器合闸时,螺管式电磁铁逐渐接近端面,通过增加吸力来匹配真空断路器的机械特性。随着电磁操动机构的进一步运用,人们发现它的缺点是磁路电感L在合闸过程中变化较大,反电动势抑合闸线圈电流的增大,而且这种抑制作用会随着合闸速度的增加而增强。电磁操动机构具有结构相对简单、零件数量少和制造成本低等优点。同时它的开距小，只有8~25mm，这个距离较好的迎合了真空灭弧室的要求。但是，电磁操动机构的合闸线圈功率大，所以配到的电源设备别价格比较昂贵；而且在操作时，冲击力很大，操作的时间也比较长；如过合闸接触力小的话，容易引起触头的跳动，从而产生连续、呈衰减趋势的电火花。电磁操动机构的真空断路器结构也比较笨重，不利于小型及配网自动化。由于电磁操动机构存在上述诸多缺陷，故而逐步被市场所淘汰，取而代之的是后续研制的弹簧操动机构。弹簧操纵机构为了克服电磁操动机构的缺点,设计人员又开发出了弹簧操动机构。弹簧操动机构的优点是采用手动或小功率交流电动机储能,分合速度不受电源电压波动影响,性能稳定,能够实现较高的分合闸速度和快速自动重合闸操作。虽然弹簧操动机构在一定程度上克服了电磁操动机构的缺点,但是,由于弹簧操动机构的工作原理是依靠弹簧储存能量的释放来实现断路器合闸,而弹簧释能时总是开始时出力较大,以后会逐渐减小,因而与真空断路器机械特性的要求正好相反[22]。为了使它与真空断路器合闸时的机械特性相匹配,就需要通过凸轮和连杆实现力转换。但是,这种力的转换又需要大量高速运动的连接机构,这样不仅降低了操作机构的效率和可靠性,而且还减少了产品结构的刚性。与电磁操动机构的缺点不同,弹簧操动机构的缺点是完全依靠机械传动,不但零部件数量多,而且运动部件也多,传动机构复杂,制造工艺要求高,故障率高。另外,弹簧操动机构的结构复杂,关键部位滑动摩擦面多,这些零件在长期运行过程会出现磨损、锈蚀以及润滑剂的流失、固化等现象,容易出现操作失误。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。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其使用了永磁体。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。永磁操动机构的结构及动作原理图3-1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。1—动铁心2—永久磁铁3—合闸线圈4—分闸位置5—静铁心图3-1永磁机构结构示意图由图3-1（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3-1（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3-1（a）呈上下对称的情形。永磁操动机构的优点永磁操动机构有如下几个优点：（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。与传统的电磁和弹簧操作机构相比,永磁操动机构的最大优势是非常经久耐用——机械寿命可达30000次,而且永磁操动机构的负载特性与真空断路器的要求非常接近,可以与真空灭弧室直接相连,使零部件降到最少,大约减少了弹簧操动机构的零部件数量的60%左右。永磁机构与真空断路器的配合每一种真空断路器都有其固有的分合闸负载特性,永磁真空断路器是一种动作时间分散性很小和精确动作的断路器,所配的永磁机构应该有相应的出力特性。真空断路器的反力特性与油断路器、SF6断路器不同。真空断路器的触头行程很小,触头接触只需要很小的驱动力;触头开合时,就需要很大的驱动力来压缩触头弹簧。因此真空断路器的反力特性在触头接触瞬间有大幅度的正向突变。12kV真空断路器合闸后的触头反力常常超过10kN。真空断路器所要求的平均合闸速度一般为0.6~0.8m/s。真空断路器配用永磁机构后,不仅可以进一步提高可靠性,满足免维护的要求,而且永磁机构动作时间分散性小,分合闸时间的精确度能满足同步开关的要求。同步开关是主触头在电压过零时闭合,在电流过零时断开的断路器。断路器的同步关合可以减小甚至消除电容器组和变压器的合闸电流和过电压,提高电力系统的稳定性。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。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。两种永磁操纵机构的真空断路器从当今产品的类型来看,永磁操动机构主要分为双线圈式永磁操动机构和单线圈式永磁操动机构两种1、双线圈式永磁操动机构真空断路器双线圈式永磁操动机构的特点是采用永久磁铁使真空断路器分别保持在分合闸的极限位置上。当断路器处于合闸位置时,永久磁铁利用动静铁芯提供的低磁阻抗将动铁芯保持在合闸位置;当机构接到分闸命令时,分闸线圈在工作气隙处产生一个磁场,其方向与永磁材料所产生的磁场方向相反;当分闸线圈的电流达到某一值时,动铁芯开始向下运动,并且随着位移的增加,底部气隙的磁阻逐渐减小,磁感应强度远远大于上部气隙的磁感应强度,动铁芯向下呈加速运动;动铁芯运动至行程一半后,线圈电流和永磁体合成磁场所产生的方向向下,进一步加速了动铁芯的运动速度,直到分闸到位;分闸到位后,线圈电流和永久磁铁所产生磁场的磁力线基本上全部通过下部气隙,切断线圈中的电流,动铁芯将自动保持在分闸位置上。当机构进行合闸时,情况与分闸大致相同。双线圈式永磁操动机构的优点有二:一是机构在进行合闸时,不需给分闸提供能量,合闸能量小,合闸线圈线径较细,需要的电源电流小;二是机构在合闸位置时,永久磁铁只需提供克服触头弹簧的力,不包括分闸弹簧的力,需要的力较小。2、单线圈式永磁操动机构真空断路器单线圈式永磁操动机构的特点是采用永久磁铁使真空断路器分别保持在分合闸的极限位置上,分合闸使用同一个操作线圈。合闸时线圈通过电流产生正向磁力,使动触头向上运动,永久磁力使断路器可靠地保持在合闸位置;分闸时向线圈通入反向电流,产生反向力,使铁芯工作气隙处永磁材料与激磁线圈产生的合成磁场大约为零,靠触头弹簧和分闸弹簧所储存的能量进行分闸,并保持在分闸位置。单线圈式永磁操动机构的优点有三:一是分闸由分闸弹簧和触头弹簧释放能量来完成,可以通过调整分闸弹簧来调整分闸特性;二是分闸弹簧的输出特性与断路器所要求的速度特性一致,具有较高的刚分速度;三是分合闸共用一个操作线圈,机构简单、体积小,更适合户外封闭式箱体内安装[23]。小结真空断路器因其高可靠性、高稳定性、免维护、命长等特点,多年来一直是中压领域的主流产品。操动机构作为断路器的执行元件,其可靠性非常关键。它不但要保证断路器长期工作的可靠性,而且要满足灭弧特性对操动机构的要求。断路器的分合闸所需时间和速度必须满足其开断和关合的要求,以便快速切除故障和不使故障扩大,减轻设备、线路