华北电力大学刘卫荣：柔性磁控技术在真空断路器中的应用

  2023年4月13日上午，2023年新型电力系统产学研融合发展大会在华北电力大学顺利召开。会议邀请多位专家、学者对中国新能源形势、市场分析解读，促进新技术、新成果和新产品在新型电力系统领域的转化应用。

  会上，北京同时开关技术有限公司、华北电力大学开关与控制技术应用研究所常务副总刘卫荣带来《柔性磁控技术在真空断路器中的应用》的主题演讲。北极星电力网整理如下：

  刘卫荣首先针对真空断路器开关设备提出五个关键性能目标：需要可靠的短路故障开断能力，起到非常好的保护作用；可靠的绝缘水平；较低的运行温升；可靠的机械特性，长寿命，免维护；体积小、重量轻。

  目前真空断路器主要结构类型是弹簧操作机构，其具有综合优势，是目前绝对主导的操作机构。近年来，双稳态永磁机构得到发展，之后发展到单稳态永磁机构，目前又发展出来柔性磁控机构。结合自己性能特点，刘卫荣认为，柔性磁控机构将成为新型电力系统中大力应用的机构。

  首先是柔性磁控材料，相对于常规永磁材料而言，它是一种新型的半永磁材料，会跟着时间、环境变化，比如振动、高低端气温变化使磁性衰减，而柔性磁控材料磁性强弱是适控的，后期使用中不断给它赋予磁性额来保证其可控性，所以柔性磁控材料退磁率很低，基本上可忽略不计。

  柔性磁控材料操作功耗比较低，对一二磁融合等应用比较友好。常规永磁操作的峰值功耗大于35瓦，柔性材料只有不到50瓦。操作电流也比较小，合闸时只需15—20A，封闸小于1A，对比常规的机构合闸时所需电流100A，封闸时10A，柔性材料性能的优势就体现出来。

  其次，驱动模块也十分重要。由于磁控机构起到合闸之后的保持作用，控制动作还需力磁线圈给它提供动力进行充电，涉及到一些元件的控制保护也很重要。配合柔性磁控开发的模块，采用军品级的小电容，结构比较紧凑，可靠性高，响应时间短，其响应时间小于1毫秒，做高速开关比较有利。

  第三方面是长寿命、轻量化，操作系统的负担应该尽可能轻，在满足电性能的情况下，真空断路器要尽可能小型化、运动方面尽可能轻，这样让整个磁控开关性能更为稳定、可靠。

  他介绍到，柔性磁控设计的理念即用最少的传动环节、最少的零件数量，将来追求最低的机械故障率。它的寿命一般也能做到10万次的机械寿命，近些年来，在频繁操作的场合也有相当数量的应用。

  其动静磁芯没有单独的永磁块，它仅用两个简单的动静磁芯，没有额外的永磁块，结构更紧凑、小巧；磁控机构设在真空灭弧室的下部，通过绝缘拉杆进行自动驱动，转动、传动环节特别少，所以机械寿命长，可达到15万次以上且非常可靠。

  第一，使用单线圈单稳态的柔性磁控机构。合闸保持靠永磁力，分闸保持或者分闸动作靠分闸弹簧，机械特性与灭弧室的需求匹配。

  第四，电容与控制模块级城市设计，结构紧凑。可采用双层的环氧树脂，耐潮湿、乃恶劣环境更好，性能更稳定。

  第五，驱动模块具有自我诊断功能。实时监控元器件的运作时的状态，确保其运行可靠性。

  以双电源快速ATS为例，利用其可实现多电源之间快速切换。由于要与电源互动、切开投路，高可靠性的双电源快速ATS由广泛的应用场景。主流ATS切换速度比较长，一般是80—150毫秒，寿命也不是非常高，所以不太适合频繁的快速的应用场景。

  双电源快速ATS基本结构，在中间是两个端口的灭弧室，所以两端动触头分别与两路电源连接，中间触头有负载连接，在灭弧室的上下两侧分别设置独立的磁控机构进行驱动。超快型的磁控ATS则在每个真空端口又并联一个IGBT，控制IGBT与真空灭弧室合封闸进行匹配，实现双电源的快速切换，能轻松实现电的极小时间中断。

  双电源的IGBT可快速实现两路电源的切换，切断时间常规性的也不到25毫秒，机械切断时间小于10毫秒，电中断时间不到3毫秒，大部分做到0.5毫秒以下，大部分符合负载电能终端的要求。

  另外，他还介绍到一二次融合的真空断路器，该产品有以下特点：该断路器结构简单整洁，产品具有三相独立的磁控机构，超常机械寿命；可配置低功耗的电容储能，对取电要求很低，可靠性很高；在灭弧室的极柱内置EVT、ECT，做到保护、测量、计量一体化；整个开关重量很轻，仅不到70公斤，相较于传统开关的135斤左右，安装十分方便，在整个智能电网很受欢迎。

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