1 引言 
　　随着国民经济的发展和人民物质文化生活水平的不断提高，人们对电力的需求量愈来愈大，促使电力事业迅速发展，电网不断扩大，用户对供电质量和供电可靠性的要求也越来越高，同时也要求电力供应部门提供安全、经济、可靠和高质量的电力。国外的几次重大停电事故，每一次都造成了严重的社会混乱和巨大的经济损失[1-9]；尤其是近期俄罗斯首都莫斯科及其周边地区发生的大面积停电，引发的社会混乱和恐慌又一次给我国的城市电网可靠供电敲响了警钟。我国电网发展滞后，结构薄弱，部分设备老化，恶劣天气和外力破坏等因素已对其安全运行构成了严重威胁。 
　　国家电网公司对城市电网建设改造中所用的设备和装置提出了如下要求：适度超前，为今后发展留有余地；安全可靠、技术先进、自动化程度高、占地少、维护少，能保障电网安全；标准统一，节约投资和成本。因此，城市电网建设改造对高中压开关设备提出了新的要求，对于中压等级，要求作为无油断路器两大支柱的中压SF6断路器和真空断路器更加可靠、更加小型、维护更少。 
　　由于真空介质在开断短路电弧时不会产生对人体有害的物质，而SF6在高温电弧的作用下可分解成SF4、SO2F2、SOF2 等剧毒的低氟化物，在开断失败的情况下会发生爆炸；与此同时，人们还担忧多年以后SF6气体回收处理将对环境造成影响，因此现在真空断路器的应用已在中压领域占绝对优势[10]。 
　　本文结合中国电网建设和改造的实际情况及对环境保护的要求，介绍一项出自前苏联军事试验室的中压真空断路器的研制情况，并对其应用前景进行评估。 
2 中压真空断路器技术的发展 
　　真空断路器技术的发展取决于两个技术的发展：真空灭弧室技术；操动机构技术[11-15]。真空灭弧室是真空断路器的心脏，其关键部位是：触头结构和触头材料，真空密封。触头结构中纵磁场的应用以及特殊触头材料的使用将显著提高灭弧室的开断性能和耐压水平。但真空灭弧室的使用寿命还与其波纹管性能密切相关，传统的密封波纹管采用压沿锻压工艺制造，波纹管受力以后易产生疲劳，因此一般的真空泡机械寿命最多只有30000次；而特殊的焊接工艺能改善波纹管的受力结构，提高波纹管密封性能，显著延长灭弧室的使用寿命。操动机构被称为真空断路器的神经中枢。最早使用电磁操动机构，后来出现了弹簧机构，最近出现的是永磁操动机构。 
    
　　特瑞德电气集团（Tavrida Electric Group，TEG）从1967年就开始研发永磁操动机构真空断路器，其永磁机构使用中等强度的磁性材料，可称之为半永磁材料。1974 年在实验室里生产出首台配永磁机构的真空断路器模型，1989 年配永磁机构的免维护真空断路器投放市场，1993年在荷兰KEMA试验站通过了型式试验，1994年获得俄罗斯专利。此后，ABB、Josly、Cooper、Whipp＆Bourn等公司均着手开发自己的配永磁机构的真空断路器，如ABB公司的VM1型双线圈、双稳态真空断路器等。既出现了用于户内的配永磁机构的真空断路器，也出现了用于户外的断路器和重合器，如TEG 的OSM 型重合器和Whipp＆Bourne公司的GVR型重合器等。
 
　　20 世纪90 年代后期，配永磁机构的真空断路器技术传入我国，我国的一些公司也开发出了配永磁机构的VSM、VSIA、ZN23-40.5、ZN65、ZWD-12、ZND-40.5 型等真空断路器。 
　　由于TEG 是世界上研发永磁真空断路器时间最长、技术力量最雄厚的公司，其永磁真空断路器经过了15 年实际运行的检验，本文将着重探讨该公司永磁真空断路器的研发历程及技术特点。 
3 永磁操动机构真空断路器的研发历程及技术特点 
3.1 断路器的设计理念 
　　TEG 的永磁操动机构真空断路器最早的设计思路来源于如何将断路器更好地应用于钢厂电弧炉领域[16,17]。而这种应用是对断路器最严酷的考验。炼钢技术需要断路器每天频繁操作，其中10%属于故障开断操作，开断容量由变压器的短路阻抗决定。20 世纪80 年代末，油断路器在该领域的应用非常广泛，但其机构和灭弧室需要经常维护。试验证明，真空断路器的开断性能优异，但同样存在机械故障。这是因为传统真空断路器与油断路器使用同样复杂的操动机构：一个操动机构通过连杆、轴承等部件将运动传递至三相灭弧室，需要机械锁扣将动触头分别固定在分合闸位置，这些机械部件在合分操作过种中很容易发生故障。为解决无休止的机械故障，一些钢厂成立了专业部门负责断路器维修，同时准备了大量的备品备件用于日常维护以及具有很高专业技能的运行人员来处理各种各样的故障。 
　　TEG 决定开发一种在寿命期内完全免维护的真空断路器来结束这种状态。该公司认为，如果对易发生故障的机械部分进行创新设计，最好的方法就是去除它，因此形成了最终的解决方案：改变传统的传动方式，无需机械锁扣。 
3.2 断路器操动机构的原理 
3.2.1 结构设计 
　　新一代的单稳态永磁机构尺寸非常小，每相一个操动机构，这项成果被视为中压真空开关诞生以来该领域中出现的最大突破。图1为三相独立单稳态永磁机构的结构设计。 


3.2.2 工作原理 
　　单稳态永磁操动机构使用的运动部件最少，因此可将机械部件的磨损减到最小，故障率降到最低。机构的中心部分有两块磁铁，可提供超过230kg的触头压力。合闸位置时，依靠闭合磁路产生的触头压力将机构保持在合闸位置，同时磁轭将单线圈封在中间，线圈为机构操作提供能源。 
（1）合闸操作 
　　在分闸位置，真空灭弧室的动触头通过与驱动绝缘子连接的分闸弹簧保持在分闸位置。需要实行合闸操作时，由控制模块内的合闸电容器向机构线圈内注入一脉冲电流，当动静触头接触后，动触头停止运动，但动铁心继续运动2mm，压缩触头的压力弹簧。动铁心和磁轭之间通过磁力实现锁扣，此时线圈电流进一步增大，使得永磁材料达到饱和状态。因此，在合闸位置切断控制模块发出的线圈电流时，饱和现象将使永磁材料的磁性增加到一定程度，使动铁心保持在合闸位置。动铁心的运动同时使分闸弹簧储能，为下次分闸做好准备。
 
（2）分闸操作
 
　　分闸操作时，由控制模块内的分闸电容器向机构线圈注入一反向脉冲电流，时间为15～20ms。该电流将会对磁性材料产生部分消磁效应，并减小合闸保持力，已储能的分闸弹簧和触头压力弹簧的反向力将使动铁心释放，并向分闸方向加速运动，最终靠分闸弹簧保持在分闸位置。
 
　　如图1 所示，所有的开关元件轴向对称装配，所有机械运动均为直线运动，省掉了电机、齿轮、连杆、链条和机械锁扣等元件。 
　　传统的真空断路器由一个机构操动三相开关，因此必须使用传动件。对真空断路器的故障统计分析显示：75%的断路器故障为机械故障。三相独立机构的使用是单稳态永磁机构最主要的优点，它因此省去了机构和真空灭弧室之间的大部分机械连接元件，从而最大程度地降低了故障率。 
3.2.3 电气控制 
　　任何永磁机构都需要一个合适的电子控制器来控制，由控制器为机构线圈提供合适能量，以及与开关设备的接口和防跳、闭锁等功能。作为断路器的一部分，控制器同样需要高可靠性，TEG 主要从以下几方面保证其质量：设计原则；精选元件，尤其是分合闸电容；制造原则；软件测试。其中，分合闸电容作为储能元件在控制器中是最重要的，其寿命主要受温度影响。 
　　单稳态永磁机构断路器操动机构的低能耗设计也是保证电容器长寿命的一个因素，从其控制模块注入到操动机构线圈的最大合闸电流只有10A （20kA型）、17A（31.5kA型），分闸电流只有1A。 
3.3 单稳态永磁机构断路器的真空灭弧室技术
 
　　由于要与可靠性高、寿命长并适于频繁操作的单稳态永磁操动机构相匹配，真空灭弧室性能的改进显得非常迫切。既需要提高其故障电流下的开断能力，又需要改善其在负荷电流下的可靠性。单稳态永磁机构断路器的真空灭弧室在触头系统设计和密封性能两方面实现的突破性改进，使其在可靠性和使用寿命上完全能与其操动机构的性能相匹配。 
　　纵磁场能改善真空电弧在触头表面的分布状况，进而减轻触头在电弧下的烧蚀程度[18-23]。真空电弧可被视为具有巨大能量的放电现象，它能将触头表面严重烧损。因此使电弧迅速而均匀地分布在触头表面，才能使触头表面每个点的电流密度降至最低，达不到使触头表面烧损的程度，这是提高真空灭弧室触头系统性能的关键因素。 
    （1）均匀纵磁场下的大电流真空电弧1967 年，Ito 和 Okura 第一次提出了关于纵磁场在控制大电流真空电弧上的应用，试验中发现，纵磁场分布的真空灭弧室的开断能力能够显著提高（约提高50%～100%）。
 
　　更多的研究显示，纵磁场的强度与其控制电弧能力之间的关系互相依赖。如果磁场太弱，则显示阴极斑点不稳定，甚至会脱离触头的水平表面；对于较强但低于一定特征值的磁场强度，阴极斑点分布于整个触头表面；如果磁场强度进一步增加，则阴极斑点不能分布于整个触头表面，因此不能有效利用触头的整个表面积。图2为TEG在真空灭弧室中利用纵磁场得到最优化的阴极斑点分布示意图。


    （2）非均匀纵磁场下的大电流真空电弧 
　　商业用真空灭弧室一直致力于非均匀纵磁场的研究。首次将纵磁场应用于真空灭弧室产品是在20世纪70年代。80年代初期发现了非均匀纵磁场对真空电弧的影响。大量对不同磁场结构的试验显示，在特定电流和磁场结构下，无论磁场强弱，阴极斑点都会移动。从这个结论中发现，触头边缘部位具有类似磁屏障的强磁场，触头中心区域强度最弱的磁场结构是最优化的磁场结构。这一点已通过测量触头阴极电流密度而得到证明。此外，在电极的中心区域不需要纵磁场来限制阴极斑点及稳定电弧。 
    （3）具有纵磁场结构和最佳触头材料的真空灭弧室 
　　要将上述研究成果应用到真空灭弧室产品中，还需要做许多工作，包括需要确定最佳的触头形状、选择最适合的触头材料等。触头形状能决定纵磁场的结构，并因此决定电弧的分布。触头材料则要同时满足真空灭弧室苛刻的电气和机械性能要求。例如，触头材料应具有极强的抗熔焊性能，因此它需要具有良好的导电性能和较低的熔焊机械强度；同时又要求触头材料具有较高的非电气性能（这一点在很大程度上与机械强度相关）；还需要它具有良好的导热、导电性能以提供高开断能力。 
　　TEG 通过研究发现，几种不同材料相配合产生的合金可满足以上要求。利用这种合金触头生产的真空灭弧室，在额定电流下的开断次数能容易达到10 万次，在额定短路电流下能开断100 次。 
    （4）通过创新设计和工艺提高金属波纹管的真空密封性能 
　　除触头系统以外，金属波纹管的密封性能是决定真空灭弧室寿命的另一个重要因素。传统的金属波纹管由不锈钢冲压而成（如图3（a）所示），在灭弧室的分合过程中，极高的加速度会对波纹管产生巨大压力，波纹管因疲劳产生漏气是目前真空灭弧室故障的主要原因。 


　　TEG 的单稳态永磁真空断路器所用的波纹管由一组不锈钢环片在内侧和外侧交替焊接而成。采用这种设计的波纹管，在分合操作过程中机械应力均匀分布到整个环片上，单点受到的压力大大减小（如图3（b）所示）。这项技术的应用，不仅使真空灭弧室实现外型小巧，而且其额定机械寿命可达到15万次。 
3.4 小结
 
　　单稳态永磁操动机构可被描述为一种不需要机械控制和闭锁的单稳态开关，它的机械操作次数可轻易达到10 万次以上，同时不需要任何维护。 
　　这种操动机构与一个基于微处理器技术的控制模块配套使用。控制模块的作用是为操动机构提供能量，提供断路器所必须的电气接口，同时还具有实时监控功能并易于和监视控制与数据采集系统结合。使用以上触头系统及波纹管系统设计的真空灭弧室，完全可与操动机构的长寿命、高可靠性相匹配。
　　这种断路器几乎适用于所有场合，包括需要断路器进行频繁操作的情况，如单相电容器组和电弧炉等。它的应用可使配电系统在可靠性明显提高的同时，成本也得到降低。 
4 永磁操动机构真空断路器在我国电网改造中的应用前景 
　　保障城市电网的供电可靠性是国家电网公司目前的工作重点之一，根据国家电网公司对31 个重点城市电网改造的设备要求，首先要求安全可靠，其次要求占地少、维护少；在此基础上，还要求选用技术先进、自动化程度高的设备。因此，单稳态永磁操动机构真空断路器以其小型化、高可靠性、免维护、长寿命而表现出明显优势。永磁操动机构真空断路器在城市电网改造中的应用可归纳为以下几方面： 
　　（1）应用于紧凑型、固定式的中压开关柜中
　　由于永磁操动机构真空断路器尺寸小、重量轻、安装灵活，寿命长，并可完全免除运行维护，因此可安装于占地少、而不利于维护的固定式开关柜中。 
　　（2）应用于小型充气柜中
　　可进一步节省空间、美化环境、提高系统的可靠性。
 
　　（3）应用于现有正在运行的开关柜中 
　　实施改造项目时不换柜子，只更换其中的断路器，既节省成本，又节省时间。已应用于湖北襄樊220kV变电站XGN 型开关柜的改造中。 
　　（4）应用于城网入地电缆分支箱中 
　　在电缆分支箱中采用断路器，可使事故影响范围缩减到最小范围。
 
　　（5）应用于投切电容器组中 
　　永磁操动机构真空断路器也适合频繁操作，因此可将它应用于投切电容器组。已在浙江金华月泉变电站110kV 投切电容器组中得到应用，柜型为XGN-10。
 
　　（6）应用于小型预装式开关站和变电站中
 
　　在小型预装式开关站和变电站中采用永磁操动机构真空断路器也能发挥它体积小、重量轻、安装灵活，寿命长，免维护、可靠性高的特点。