Warum haben herkömmliche Permanentmagnetmechanismen Probleme mit den großen Kontaktabständen von 126-kV-Vakuum-Leistungsschaltern? - Blog

AlsVakuum-LeistungsschalterDa sich die Technologie in Richtung Übertragungsspannungsebene weiterentwickelt, hat sich der 126-kV-Vakuum-Leistungsschalter mit Einzelunterbrechung zu einem Schwerpunkt der Entwicklung entwickelt. Viele Branchenexperten haben jedoch festgestellt, dass Permanentmagnetmechanismen (PM), die in Mittelspannungsanwendungen außergewöhnlich gute Leistungen erbringen, oft nicht in der Lage sind, Leistungsschalter der 126-kV-Klasse zu betreiben. Dies ist kein einfaches Problem, das durch bloße Erhöhung des Spulenstroms gelöst werden kann. Die Hauptursache liegt in einem inhärenten Konflikt zwischen der Magnetkreisarchitektur herkömmlicher PM-Mechanismen und den Betriebsanforderungen, die durch große Kontaktabstände entstehen.

I. Kontaktabstände und Geschwindigkeit: Die Herausforderungen für Betriebsmechanismen bei 126 kV

Betrachten Sie zwei Datensätze. InMittelspannungs-Vakuum-LeistungsschalterDer Kontaktabstand beträgt typischerweise weniger als 30 mm und liegt am häufigsten im Bereich von 8–22 mm. Im Gegensatz dazu beträgt die Kontaktlücke bei 126 kVVakuum-Leistungsschalterspringt auf ca. 80mm. Aus technischen Spezifikationen geht hervor, dass ein 126-kV-Unterbrecher typischerweise einen Nennkontaktabstand von etwa 50 mm hat; Wenn der Kontaktwischvorgang (Überhub) hinzugefügt wird, erreicht der Gesamthub des beweglichen Kerns etwa 60 mm.
Während der Kontaktabstand zugenommen hat, bleiben die Geschwindigkeitsanforderungen streng. Für 126 kVVakuum-Leistungsschalter, müssen die Kontakte innerhalb von 6–7 ms nach dem Öffnungsvorgang einen Abstand von 18–20 mm erreichen, was eine Öffnungsgeschwindigkeit von ca. 2,5–3,3 m/s erfordert. Nach 12–13 ms muss der Abstand 36–40 mm erreichen, wobei die Geschwindigkeit immer noch bei 2,7–3,3 m/s gehalten werden muss. Das bedeutet, dass der Mechanismus innerhalb kürzester Zeit „von Beginn an eine hohe Geschwindigkeit“ erreichen muss.
Traditional PM mechanisms were originally designed for-and are well-established within-the medium-voltage sector. Research has clearly indicated that PM mechanisms based on traditional structural designs are ill-suited to meet the high-speed requirements of vacuum circuit breakers at transmission-voltage levels (>72kV). Das Problem liegt im Magnetkreis selbst.

II. Das Kernproblem: Ein gemeinsamer Magnetkreis führt dazu, dass der bewegliche Anker von Anfang an „nach unten gezogen“ wird

Das strukturelle Merkmal eines herkömmlichen bistabilen Permanentmagnetmechanismus besteht darin, dass der Permanentmagnet und die Öffnungs-/Schließspulen denselben Magnetkreis teilen. Während dieses Design eine kompakte Grundfläche ermöglicht, werden seine Nachteile deutlich, wenn große Kontaktabstände und hohe Betriebsgeschwindigkeiten erforderlich sind.
In dem Moment, in dem ein Öffnungsvorgang beginnt, muss die von der erregten Spule erzeugte elektromagnetische Kraft zunächst die Haltekraft überwinden, die der Permanentmagnet in der geschlossenen Position ausübt. Zur Beschleunigung des beweglichen Ankers steht nur der verbleibende Teil der elektromagnetischen Kraft zur Verfügung. In der Literatur heißt es: „Während der Anfangsphase eines Öffnungsvorgangs gleicht die Magnetkraft des Permanentmagneten die elektromagnetische Kraft der Spule teilweise aus, was es schwierig macht, die anfängliche Trenngeschwindigkeit zu erhöhen.“
Diese anfängliche Trenngeschwindigkeit ist ein kritischer Leistungsindikator für HochspannungVakuum-Leistungsschalter. Da er gleich zu Beginn durch die Haltekraft des Permanentmagneten „zurückgehalten“ wird, ist es äußerst schwierig, später im Hub das erforderliche Geschwindigkeitsprofil wieder einzuholen.

III. Die Kettenreaktion des Langhubbetriebs: Höhere Ströme, erhöhte Temperatur und Steuerungsherausforderungen

Die Erhöhung des Hubs bringt eine weitere praktische Herausforderung mit sich. Wenn sich der bewegliche Anker in der Ausgangsposition befindet, ist die magnetische Permeanz des Luftspalts sehr gering; Bei einem herkömmlichen Design ist ein erheblicher Spulenstrom erforderlich, um eine ausreichende elektromagnetische Anziehungskraft zu erzeugen. Analysen deuten darauf hin, dass dies zu einer Reihe von Problemen führt, darunter „Temperaturanstieg und Kontrollschwierigkeiten“.
Mit anderen Worten: Selbst wenn man die Geschwindigkeitsanforderungen außer Acht lässt und sich ausschließlich darauf verlässt, die Bewegung „brutal zu erzwingen“, indem man den Spulenstrom erhöht, um den Anker über einen langen Hub anzutreiben, ist dies keine nachhaltige technische Lösung. Faktoren wie Spulenerwärmung, Kondensatorkapazität und die Strombelastbarkeitsgrenzen von Steuerkomponenten stellen allesamt neue Engpässe dar.
Simulationsdaten verdeutlichen diesen Unterschied: Bei einer 126-kV-Anwendung erreicht ein herkömmlicher Permanentmagnetmechanismus eine durchschnittliche Öffnungsgeschwindigkeit von etwa 2,5 m/s, während ein neues Design mit einem separaten Magnetkreis 3,0 m/s erreichen kann. Innerhalb des kritischen 6–7 ms-Fensters zu Beginn des Öffnungsvorgangs ist dieser Unterschied von 0,5 m/s ausschlaggebend dafür, ob die Kontakte rechtzeitig auf einen sicheren Abstand getrennt werden können.

IV. Der Weg nach vorn: Den magnetischen Kreis trennen

Da das Kernproblem auf einem „gemeinsamen Magnetkreis“ beruht, besteht die logische Verbesserung darin, die Magnetpfade zu trennen und den Permanentmagnet-Haltekreis vom elektromagnetischen Antriebskreis zu entkoppeln, sodass jeder seine spezifische Funktion erfüllen kann.
Wenn die Stromkreise getrennt sind, „behindert“ der Permanentmagnet den Vorgang nicht mehr, wenn die Öffnungsspule erregt wird; Stattdessen kann die elektromagnetische Kraft direkter angewendet werden, um den beweglichen Anker zu beschleunigen. Darüber hinaus fällt durch den Einbau eines nicht arbeitenden Luftspalts die Haltekraft des Permanentmagneten schnell ab, sobald der Anker seine Ausgangsposition verlässt, wodurch Störungen während des Hubs minimiert werden. Prototypentests haben diesen Ansatz bereits bestätigt: Ein Permanentmagnetmechanismus mit einem separaten Magnetkreis kann eine anfängliche Öffnungsgeschwindigkeit von 2,8 m/s und eine durchschnittliche Öffnungsgeschwindigkeit von 2,9 m/s erreichen – was die Leistungsanforderungen für 126-kV-Vakuum-Leistungsschalter erfüllt.
Darüber hinaus werden derzeit weitere Verbesserungen untersucht, beispielsweise die Verwendung einer Drei-Spulen-Konfiguration. Das Ziel besteht darin, die Öffnungsgeschwindigkeit zu erhöhen und gleichzeitig eine Dämpfung am Ende des Schließhubs bereitzustellen, um ein Aufprallen des Kontakts zu verhindern. Unabhängig vom technischen Ansatz bleibt die Grundlogik dieselbe: Die Haltekraft des Permanentmagneten darf nicht zum Bewegungshindernis werden.

V. Praktische Anleitung für Hersteller

Für Hersteller, die an der Auswahl oder Mechanismusintegration von 126 kV beteiligt sindVakuum-LeistungsschalterMehrere Kriterien verdienen Beachtung:

Untersuchen Sie zunächst die Struktur des Magnetkreises. Wenn der Permanentmagnetmechanismus eines Zulieferers immer noch über ein herkömmliches Design mit gemeinsamem Magnetkreis verfügt, wird es schwierig sein, die erforderliche Öffnungsgeschwindigkeit im Moment der Kontakttrennung zu erreichen – selbst wenn die Nennspezifikationen beeindruckend erscheinen. Voraussetzung für die Erfüllung der Anforderungen von 126-kV-Anwendungen ist ein getrennter Magnetkreis oder ein ähnlich entkoppelter Aufbau.
Zweitens sollten Sie das gemessene Geschwindigkeitsprofil auswerten, anstatt sich nur auf einen einzelnen Spitzenwert zu konzentrieren. Bei 126-kV-Geräten betrifft die Anforderung die Verschiebung innerhalb eines bestimmten Zeitfensters und nicht die maximale Momentangeschwindigkeit. Das Anfordern von Verschiebungsdaten 6 ms und 12 ms nach der Kontakttrennung ist weitaus aussagekräftiger als die Betrachtung der „Spitzengeschwindigkeit“.
Drittens achten Sie genau auf die Gestaltung der Öffnungshaltekraft. Bei herkömmlichen Permanentmagnetmechanismen ist es oft schwierig, die Haltekräfte für die offene und geschlossene Position unabhängig voneinander zu optimieren. Ein wesentlicher Vorteil einer getrennten Magnetkreisstruktur besteht darin, dass die Haltekraft auf der Öffnungsseite minimiert werden kann – wodurch das Risiko eines Rückpralls am Ende des Öffnungshubs verringert wird –, während die Haltekraft auf der Schließseite ausreichend bleibt, um der Reaktionskraft der Kontaktfedern standzuhalten.

Getrieben von der Umweltpolitik ist der Übergang vonSF6-Leistungsschalterbis 126 kVVakuum-Leistungsschalterwird immer deutlicher. Als „Herzstück“ des Geräts entscheidet der Betriebsmechanismus – und seine dynamische Kompatibilität mit dem Unterbrecher – darüber, ob das Gerät erfolgreich eingesetzt werden kann. Die Unfähigkeit eines herkömmlichen Permanentmagnetmechanismus, „die Last zu bewältigen“, ist kein inhärenter Fehler der Permanentmagnettechnologie selbst, sondern vielmehr eine Einschränkung spezifischer Magnetkreisstrukturen unter bestimmten Betriebsbedingungen. Die Anerkennung dieser Unterscheidung wird dazu beitragen, unnötige Rückschläge bei der Produktauswahl und Forschung und Entwicklung zu vermeiden.

Starting in 2026, The Use Of SF6 in Medium-voltage Electrical Equipment Below 24 KV Will Be Prohibited.