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永磁机构专题 操动机构技术的发展 断路器是电力系统中重要的开关设备 担负着控制和保护的双重任务 其性能的好坏是决定电力系统能否安全 可靠供电的重要因素之一 操动机构是断路器的重要组成部分 是决定断路器性能的关键部件之一 其性能的好坏将直接影响到断路器的技术性能 因此 断路器的工作可靠性在很大程度上依赖于操动机构的动作可靠性 断路器对操动机构的要求 1 操动机构不仅在断路器正常工作的情况下能顺利合闸 而且当断路器关合有短路等故障的线路时 操动机构也必须能克服短路电动力等阻碍顺利合闸 2 操动机构要有合闸保持的功能 3 要有合理的输出特性 以保证断路器动触头的分 合闸速度 满足断路器的分 合闸要求 4 操动机构应保证能源 电压 液压 气压 在一定变化范围内可靠动作 如在额定值的80 或85 110 的范围内可靠合闸 在额定值的65 120 的范围内可靠分闸 5 要有自由脱扣和防跳跃功能 6 操动机构的控制回路 要保证动作准确 连续 即分后准备合 合后准备分 断路器操动机构的分类 根据所提供能源形式的不同 操动机构有 手动操动机构电磁操动机构气动操动机构液压操动机构弹簧操动机构永磁操动机构 其中手动和电磁操动机构属于直动机构 弹簧 气动 液压和永磁操动机构属储能机构 对于直动机构而言 操动机构由作功元件 连板系统 维持和脱扣部件等几个主要部分组成 对于储能机构而言 操动机构由储能元件 控制系统 执行元件几大部分组成 手动操动机构 利用人力直接操作 操作功 操作效率与操作人员的体力有关 不能远距离操作 不能重合闸 其优点是结构简单 不需要特殊的能源或储能装置 但由于操作时 可靠性和安全性得不到保证 目前只限用于100MVA左右的小型断路器中 电磁操动机构 电磁操动机构一般用于110kV以下线路 其合闸时以电磁力作为合闸功 分闸时靠分闸弹簧的储能来完成分闸动作 分闸弹簧在断路器合闸的过程中储能 因此 合闸时的电磁力一部分用于合闸操作 另一部分用于分闸弹簧的储能 那么合闸电流就比较大 因此对直流屏的容量要求较大 在我国 电磁操动机构广泛用于少油断路器和真空断路器中 电磁操动机构一般需用较大功率的直流电源 价格比较高 而且蓄电池组不便于维护 这样限制了它在农村及中 小型企业中使用 和弹簧机构 液压机构比较 电磁操动机构的出力小 动作时间长 在我国220kV以上的超高压断路器很少使用 气动操动机构 利用压缩空气作为能源产生推力的操动机构 因此不需要大功率的直流电源 需要有压缩空气的供给设备 储气罐 断路器完全依靠压缩空气来完成的分 合闸操作 并依靠压缩空气的推力将断路器保持在合闸或分闸位置 主要优点是 构造简单 工作可靠 出力大 操作时没有剧烈的冲击 缺点是 操作时噪声大 零部件的加工精度比电磁操动机构高 还需要有压缩空气的供给设备 目前三菱公司还在使用 在72 5 170kV级产品中 可选用弹簧或气动机构 在242 245 525 550kV级可选用气动机构 液压操动机构 利用液压传动系统的工作原理 采用液压油作为能源来进行操作的机构 其输出力特性与断路器的负载特性配合较为理想 按传动方式可分为全液压和半液压 全液压是液压油直接操纵动触头合闸 半液压只到工作缸侧 操动活塞将液压能转换为机械功带动联动杆使断路器完成分合闸操作 由于它具有体积小 操作力大 需要控制的能量小 操作平稳无噪声 本身液压具有润滑保护作用 分合闸缓冲简单 操作时间短等优点 在110kV以上断路器中被广泛采用 而且其传动速度快 动作准确 是当前高压和超高压断路器操动机构的主要品种 但由于其工艺复杂 零件众多 其故障率增加 弹簧操动机构 利用弹簧的储能使断路器完成分 合闸操作的机械式操动机构 其储能方式有手力和电动储能两种 通常 采用交直两用的电动机储能 工作原理 用电动机为合闸弹簧储能 储能完毕后 通过锁扣装置使合闸弹簧保持储能状态 切断电动机电源 合闸时 合闸弹簧解脱合闸锁扣释放储能 使动触头动作 完成合闸操作 同时通过传动机构使分闸弹簧储能 为分闸操作作准备 合闸完成后 电动机立即接通电源为合闸弹簧储能 为下一次的合闸操作作准备 分闸时 分闸弹簧解脱锁扣装置释放储能 并使触头完成分闸操作 优点 1 操作时 合闸性能稳定 不受天气变化及电源电压的影响 2 控制回路中所耗功率小 储能系统是独立的 若控制回路的电源发生故障 可以采用手力储能 3 可靠性高 与气动和液压操动机构相比 能保持所储的能量不损失 4 维护工作量少 缺点 1 与其它机构相比需要较大的功率和能量 2 在储能与合闸过程中 容易发生振动和冲击 因此要求机件的机械强度较高 3 对工艺要求高 安装调整较困难 4 目前国内对性能好 加工工艺要求高 制造技术难度大的碟形弹簧的生产还存在困难 永磁操动机构 它是电磁系统与永磁系统的完美结合 采用电磁铁操动 永久磁铁锁扣 电容器储能以及电子器件控制 避免了分 合闸位置机械脱锁扣装置所造成的不利因素 可以说 它是一种完全崭新的操动机构 是操动机构的一次革命 永磁机构国内外发展状况 在中压开关领域 国外永磁机构技术的研究开始于20世纪80年代末 欧洲以英国及德国为代表 1989年英国曼彻斯特大学设计了第一台永磁操动机构模型 1992年前后在英国工业应用 1995年英国的Whipp Bourne公司进一步改进了结构 1997年ABBCalorEmag开关设备公司在德刊上介绍了它们最新研制的VM1型配永磁操动机构的真空断路器 1999年AlsthomT DEIBS A 公司推出了中压断路器用的非对称磁力操动机构 并把它应用于VBL型真空断路器 最近ABB公司研制出了eVM1型配永磁操动机构真空断路器 与VM1型相比增加了电流互感器及保护功能 将电流互感器 保护功能和控制部分综合在一起 可以检测开关的位置 每相过流和接地故障过流保护 可以通过RS485实现通信功能 并且对断路器的一些参数进行重新设置 包括通信的设置 输入输出的设置等 Vm1型户内真空断路器 继ABB公司研制开发成功以后 国内很快也开发了具有自主版权的VSm型永磁机构真空断路器 该断路器外绝缘采用固体绝缘 利用环氧树脂固封技术将真空灭弧室 主导电回路 绝缘支撑等有机地组合成为一个集成固封极柱 成功地解决了真空断路器的环境耐受问题 二次控制回路采用集成电子控制模块 电源输入范围宽 传感器检测开关位置 输入输出光隔离 功耗低 可靠性高 VS1型户内真空断路器 永磁机构的合闸都采用的电磁操动 按照分闸操作时的不同 可以分为电磁操动 即双稳态 和弹簧操动 即单稳态 双稳态的工作原理 当线圈处于分合闸位置时 线圈中无电流通过 永磁铁利用动静铁心提供的低磁阻抗通道将动铁心保持在极限位置 当动作时 合闸或分闸线圈中流过电流产生磁场与永磁体产生的磁场叠加合成 完成分合任务 合闸状态 分闸过程 分闸状态 2020 3 17 33 可编辑 合闸过程 双稳态永磁机构合闸过程静态特性 有励磁电流 单稳态的工作原理 永磁机构处于分合闸位置也没有电流 靠永磁铁的作用保持 合闸时线圈流过的电流产生的磁场和永磁铁的磁场叠加合成 合闸过程同时为分闸弹簧充电 分闸时线圈流过相反方向的电流 产生的磁场来抵消永磁铁产生的磁场 靠分闸弹簧释放保证分闸速度 单稳态永磁机构结构图 分闸状态 合闸操作 合闸状态 分闸操作 单稳态永磁机构合闸过程静态特性 有励磁电流 永磁机构的合闸特性开始阶段出力小 在合闸后期由于吸力上升快 永磁机构的合闸特性与真空断路器配合较好 但是在分闸时 由于运动惯量影响刚分的提高 所以双稳态永磁机构在这方面不如电磁和弹簧操动机构 单稳态的出现也正是弥补这方面的不足 在环境温度120 C条件下永磁材料Koerdym280磁通密度F随使用年限t的减小 磁通密度曲线 机构动铁心所受的永磁保持力与动铁心位移的关系曲线 真空断路器空载试验原理简图 R为电阻DC为9V干电池C为充电电容器FL为分流器 分闸行程曲线 通过记忆示波器测得的分闸行程曲线见上图 图中的X1 X2 6 3ms为动触头从刚分位置到分闸位置所走行程用的时间 已知开距 8 4mm 所以分闸速度V分 8 4 6 3 1 33m s 合闸电流 行程曲线 通过记忆示波器测得的合闸行程曲线见上图 图中的X1 X2 11 9ms为动触头从分位置到刚合位置所走行程用的时间 已知开距 8 4mm 所以合闸速度V分 8 4 11 9 0 71m s 电压平衡方程式 触动瞬间之前的电流 合闸电流实测波形 分闸电流实测波形 优点 1 简单可靠2 操作能耗小3 无 中间状态 安全可靠4 无需机械脱 锁扣装置5 时间可控性强 缺点 1 成本较高2 分合闸都是电动 没有手动功能3 需要电子控制 抗电磁干扰能力差 永磁机构目前发展存在的问题 从参数看 永磁只适用于做到中小容量和频繁操作的场合 特别是重合器 从制造角度看 将弹簧的机械问题变成永磁的电气电子问题 从使用角度看 弹簧可修可调 永磁若出了问题 涉及到费用问题 同时还需要有监测手段等 永磁机构与弹簧机构的比较 二者各有千秋 永磁操动机构并不能取代弹簧操动机构 弹簧操动机构制造技术成熟 运行经验丰富 且能配大容量 100kA 的断路器 并在减少零件数 简化结构 提高可靠性方面不断地改进 永磁机构在断路器上的应用 永磁机构是一种用于中压真空断路器的电磁操动 永磁保持的操动装置 其独特之处在于由永久磁铁实现机构终端位置的保持功能 取代了传统的机械脱扣和锁扣装置 工作时主要运动部件只有一个 无需机械脱 锁扣装置 故障源少 具有很高的可靠性 由于动作部件很少 中间转换和连接机构也很少 大大减小了动作时间的分散性和不可控性 可靠性高 可长期频繁操作 真正做到了永久性免维护 ABB公司产品 德国特瑞德公司产品 西门子公司产品 永磁机构的控制方式 1 接触器控制方式优点 结构简单缺点 对触头的烧损 影响寿命 响应时间长 难实现时间的精确控制 整定值确定后不易调整 2 电子控制方式优点 采用电力电子器件代替触点开关 延长了寿命 采用电子期间使机构简单 轻巧 缺点 整定值确定后不易调整 电子电路容易受到外界电磁环境的干扰 引起控制部分的逻辑混乱 3 微机控制方式将微机技术和断路器的控制有