中压真空 断路器操作机构的发展及应用

1、第 26卷第 3期 2010年 3月电 力 科 学 与 工 程 E lectric Power Science and E ngi n eer i ngVo l 26, N o 3M ar . , 201075中压真空断路器操作机构的发展及应用杜广波 , 王永峰 , 李海疆(中国联合工程公 司 , 浙江 杭州 310022摘要 :随着中压真空断路器路器的广泛应用 , 其运行 可靠性越 来越得到关 注 。 真空断 路器的 可靠性 主要 取决于操作机构的性能和可靠程度 。 对几种常见 操作机构的工 作性能及 优缺点进 行分析 比较 , 阐述 了操 作机构的发展和应用 。关键词 :中压真空断路器 ;

2、 操作机构 ; 永磁机构 中图分类号 :TM 561 2 文献标识码 :B收稿日期 :2009-11-23。:(, 男 , 工程师 , , m a i:l dugb . co m 。0 引 言近年来 , 在中 压开关无 油化的发 展趋势下 , 真空断路器在输配电系统中的应用取得了跨越式发展 , 特别是在 40 5kV 及以下电压等级的中压开 关领域几乎独占鳌头1。而随着真空断路器的应用广泛 , 作为电力系 统最基本的重要组成部分 , 其动作可靠性和智能 化水平越来 越得到 人们的关 注。断路 器的动作 , 主要通过它的操作机构 来完成。因此 , 断路 器操 作机构的工作性能和可靠性 , 决定了

3、断路器的工 作性能和可靠性。鉴于此 , 本文将着重阐述 中压 真空断路器操作机构的发展以及新一代永磁操动 机构的应用。1 传统操作机构完整的断路器主要由三部分组成 :断路器本 体、操动机构、电源。断路器本体的功能是切断 负载或短路电流 ; 操动机构的功能是通过电动方 式或手动方式实现断路器触头的开合及满足触头 开合特性的各种要求 ; 电源部件的功能是为断路 器以电动方式开合提供足够的能源。由于真空灭 弧室的设计和加工技术已经成熟 , 真空断路器本 体的运行可靠性非常高。因此 , 目前断路器 的故 障主要集中在与其配套的操作机构上。根据中压 断路器运行 故障统 计 , 在断 路器的各 种故障中

4、,操作机 构 发 生 故 障 最 多 , 约 占 断 路 器 故 障 的70%80%, 其主要原因在于断路器操作机构平时 处于静态运行 , 各组成 部分的状态无法监视 , 隐 患无法及时发 现 , 特 别是室外 断路器操 作机构 , 受恶劣环境影响 , 更容易发生故障而不能被及时发现和排除 , 直到操作 时才发现 故障 2。因此 , 提高真空断路器可靠性的主要途径就是优化简化 真空断路器的操作机构。常用的中压真空断路器操作机构主要有 :传 统的电磁操作机构和弹簧操作机构及新一代永磁 操作机构。1 1 电磁操作机构电磁操作机构是技术比较成熟 , 使用较早的一 种断路器操作机构 , 其结构比较简单

5、 , 机械组成部 件数量约 120个 , 它是利用通过合闸线圈中的电流 产生的电磁力驱动合闸铁心 , 撞击合闸连杆机构进 行合闸的 , 其合闸能量的大小完全取决于合闸电流 的大小。因此 , 合闸时需要很大的合闸电流。目前 , 电磁操作机构在一些老变配电所中仍 在使用。1 2 弹簧操作机构弹簧操作机构由弹簧储能、合闸维持、分闸维 持、分闸 4个部分 零部件组成 , 其数量 较多 , 约 200个 , 利用机构内弹簧拉伸和收缩所储存的能量 进行断路器合、分闸控制操作。弹簧能量的储存由 储能电机减速机构的运行来实现 , 而断路器的合、 分闸动作靠合、分闸线圈来控制 , 因此断路器合、 分闸操作的能量

6、取决于弹簧储存的能量而与电磁力76电 力 科 学 与 工 程 2010年的大小无关 , 不需要太大的合、分闸电流 3。 弹簧操作机构在很多方面克服了电磁操作机 构的缺点 , 在配电系统中使用广泛。1 3传统操作机构优缺点比较(1 电磁操作机构。优点 :(a 结构比较简 单 , 工作较可靠 , 加工要求不是很高 , 制造容易 , 生产成本较低 ; (b 有较好的 合、分闸速度 特 性。缺点 :(a 合闸电流大 , 合闸线圈消耗功率 大 , 需要配大功率的直流操作电源 ; (b 机构动 作速度低 , 触头的压力小 , 容易引起触头跳动。 (2 弹簧操作机构。优点 :(a 合、分闸电 流不大 , 不

7、需要大功率的操作电源 ; (b 可远方 电动储能或就地手动储能 ; (c 合、分闸动作速 度快 , 且能快 速自动重 合闸 ; 储 能电机 功率小 , 可交直流两用。缺点 :(a 结构比较复杂 , 操作 冲力大 , 对构件强度要求高 ; (b 输出力特性与 本体反力特性配合较差 ; (c 存在误跳现象 , 有 时误 跳 后分 闸 不 到 位 , 无 法 判 断 其 合分 位 置 ; (d 加工精度要求高 , 制造成本高。2 新一代操作机构 永磁操作机构永磁操动技术是 20世纪 90年代世界最 新技 术 , 它采用一种全新的工作原理和结构 , 由 永久 磁铁、合闸线圈和分闸线圈组成 , 取消了弹

8、 簧操 作机构和电磁操作机构 中的运动连杆 , 脱、锁扣 装置 , 结构简化 , 零部件很少 , 可实现传统操动 机构的全部功能。它与传统操动机构相比 , 其结 构简单 , 合、分闸能耗大大降低 , 提高了真空断 路器的运行可靠性和免维护水平 , 并为配电网实 现自动化、运动化、智能化提供了技术条件。 2 1 永磁操作机构工作原理各种永磁机构的基本原理大致相同 , 具体结 构则有所不同。根据永久磁能所处位置可分为双 稳态和单稳态机构。所谓单稳态结构是指永久磁 铁只用于一个位置的保持 ; 双稳态结构是指动铁 心在行程终止的两个位置 , 不需要任何能量或锁 扣即可保持。下面以双稳态结构的永磁机构为

9、例 , 简单介绍其工作原理。双稳态结构的永磁机构简图如图 1所示。从 图中可见 , 闭合的磁路提供了保持合闸或分闸位 置锁扣的力量 , 合、分闸线圈通过不同方向 的电 流 , 改变磁路中的合成 磁通方向 , 并驱动铁心运 动形成另一闭合的磁路 ; 另一稳态仍依靠永磁铁 提供的锁扣力量。当断 路器处于合闸位置时 , 永 久磁铁利用动、静铁心提供的低磁阻抗通道将动 铁心保持在合闸位置。磁力线的方向如图 1(a 中的曲线 。当机构接到分闸命令时 , 分闸线圈 6带电 , 分 闸线圈中的电流产生磁场。其磁力线 方向如图中磁力线 ! 与磁力线 , 分闸线圈在上 部工作气隙产生的磁场方向与永磁体所产生的磁

10、 场方向相反。当分闸线 圈的电流达到某一值 , 动 铁心开始向下运动 , 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 铁心向下呈加速运动 , 动 铁心运动至行程一半后 , 线圈电流和永磁体所产 生的合成磁场方向向下 , 于是进一步加速了动铁 心的运动速度 , 直到分闸到位 4 。图 1 双稳态永磁机构的结构简图Fig 1 D iagra m of double stat i c per m an en t m agne tic actuator struc ture图 1(b 为分闸到位后磁力线的分布情况简 图。此时 , 线圈电流和

11、永久磁铁所产生磁场的磁 力线全部通过下部气隙 , 切断线圈中的电流 , 动 铁心将由永磁体自动保持在分闸位置上。当机构 进行合闸时 , 情况与分闸相同。根据永磁机构的特点 , 其优缺点比较如表 1。 表 1 永磁操作机构优缺点比较T ab 1 Advan tages and d isadvan tagesof p erman en t m agne tic actuator主要优点 主要缺点1 采 用 双 稳态、 双 线 圈机 构。 分合闸操 作 通过 分 合 闸线 圈 来 实现 , 永 久磁 铁 与 分 合闸 线 圈 相配合 , 所需能量小。2 简单化结构 , 使耗材减少 , 成本1 不 能

12、 手 动 合 闸 , 在 操 作 电 源 消 失、电容 器电 量 耗尽 以后 , 若 不 能对电容器进行第 3期 杜广波 , 等 中压真空断路器操作机构的发展及应用 77 续表主要优点 主要缺点变低 , 故障 点减 少 , 提 高了 机 械动作 的可 靠性 , 能够 实 现免 维护 , 节省维修费用。3 永磁力 几乎不 会消 失 , 寿命 长 , 降低了能耗和噪音。4 采 用 无 触 点、无 可 动 元 件、无 磨损、 无 弹跳 的 电 子 接近 开 关 作为 辅 助 开 关 , 动 作 可 靠 , 运 行不 受 外 界 环境 影 响 , 可 靠 性 高 , 解决触头弹跳问题 。 5 可 采用

13、 同 步 过零 开 关 技 术 , 产 生幅 值 很 小 的 涌 流 和 过 电 压 , 减少操作对电网和设备的冲击。 6 可 实现 就 地 /远 方 分 合 闸 操 作 , 也可实 现 保 护合 闸 和 重 合闸 功 能 , 可手动分闸。充 电 , 则 无 法再 进行合闸操作 ; 2 手 动 分 闸 时 , 初 分速度 要足够大 , 因此 需 要很 大 的 力 , 否 则 无 法 进 行分闸操作 ; 3 储 能 电 容器 质 量 参 差 不 齐、 难 以 保证 ;4 难 以 获 得理 想 的 分闸速度特性 ; 5 难 以 提 高永 磁 操 动 机 构 的分 闸 输 出功。2 2 永磁机构与真

14、空断路器的配合配有永磁操作机构的真空断路器被称为永磁 真空断路器。因为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 时间分散性很小的、可以精确动作的断路器 , 所 以其所配的永磁机构应该有相应的出力特性来与 之相匹配。真空断路器的触头行程很小 , 合 闸过 程中在触头接触前只需要很小的驱动力 , 一旦触 头闭合后 , 就需要很大的驱动力来压缩触头弹簧 以获得足够的触头压力。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。如 12kV 真空断路器合闸终了时的触头反力常超过 10kN 。 而 真空断路器所要求的平均合闸速度并不大 , 因为合 闸速度太高 ,

15、 容易引起触头合闸弹跳 , 这是不希望 的。因此合闸速度一 般为 0 60 8m /s。 分闸时 , 要求操动机构不 给运动系统 附加过多 的运动量 , 以提高分闸初始加速度 (刚分速度 5。图 2同时示出了真空断路器合闸过程的负载 特性、弹簧机构及永磁机构的出力特性 , 可 以看 出 , 弹簧机构是弹簧在断路器触头的合闸过程中 释放能量 , 弹簧力的特性与真空断路器的特性相 反。真空断路器所要求的力与行程关系曲线是通过 弹簧的特性转换来的 5。这种力的转换伴随着连接 机构的高速运动 , 不仅降低机构的效率和可靠性 , 还减小了产品结构的刚性。为了使真空灭弧室触头 保持在合闸位置上 , 弹簧操

16、动机构使用靠线圈脱扣的机械锁扣。永磁机构的特性接近真空断路器的要 求 , 正因为如此 , 它可以与真空灭弧室直接相连 , 使零部件数减到最少 , 也能提高产品的结构刚性 , 有助于减小触头弹跳 , 提高刚分速度。a 真空断路器要求的特性 ; b 弹簧机构提供的特性c 永磁机构提供的特性图 2 力 行程特性示意图Fig 2 Ch arac ter istic of power d istance2 3 永磁机构的应用由于永磁机构真空断路器具有寿命长、可靠 性高、开断能力强、开断电流大、体积小、质量 小、结构简单、无爆炸、无污染、噪 音低、免维 护等优点 , 因而成为开关制造和电网企业关注的 热点

17、 , 为广大电网企业及终端用户提供了一种全 新的选择。目前 , 永磁机构真空断路器已开始应 用于电力、能源、煤炭、冶金、城 /农 网配网自动 化、城轨交通、铁道牵引供电、电力贯通线及自 闭线路中。作为新生事物 , 尽管永磁机构本身具备许多 优点 , 但是永久磁铁锁 扣的持久问题、电容器因 电解质老化带来的寿命问题、电子控制器件的可 靠性、抗干扰性、抗震性及小型化模块化等问题 以及使用电容器和电子控制装置增加成本、相比 弹簧机构造价高得多 , 这些都将使得永磁机构的 推广和使用面临诸多困难。随着科技的发展和工 艺的不断进步 , 永磁机构必将走向成熟。3 结 论(1 电磁操作机构需要配置大容量的直

18、流操 作电源 , 而蓄电池组价 格昂贵 , 其操作性能受电 压波动影响大 , 因此在弹簧操作机构和永磁操作 机构广泛应用后将逐渐被淘汰。(2 弹簧操作机构出力特性与真空断路器的 反力特性能较好地配合 , 操作只需要小功率操作 电源 , 且操作不受电源 电压的影响 , 合分闸快速78电 力 科 学 与 工 程 2010年平稳 , 机构操作寿命可达 3万次以上 , 因此逐步 取代电磁操作机构 , 成为真空断路器的主流操作 机构 , 适合在变配电所内使用。(3 永磁操作机构 零部件少 , 中间环节少 , 寿命长 , 免维护 , 可靠性高 , 大部分性能与真空 断路器能很好地配合 , 而且随着永磁操动

19、技术的 更新进步以及二次控制技术的不断改进 , 其自动 化程度进一步提高 , 应用前景非常广阔 , 适 合频 繁操作、自动化程度要求高的场所。参考文献 :1李建基 . 中 压 真 空断 路 器 市 场与 技 术 的 发展 J.上海电力 , 2006(2:182-188.L i Ji anj. i D eve l op m en t o fm i dd l e voltage V CB m arke t and techno l ogy J.Shanghai E l ectric Power , 2006, (2 :182-188.2周志 敏 . 真空 断路器的应用与 发展 J.电 气开关 ,

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21、版社 , 2002.5游一 民 . 永 磁 机 构 及 其发 展 动 态 J.高 压 电器 , 2001, (1:47-51.Y ou Y i m i n . D eve l op m ent and app licati on o f per m anent m agnetic actuator J.H igh V o ltage A pparatus , 2001 (1 :47-51.Develop m ent and Application ofM ediu m voltage Vacuu mCircuit Breaker Operating ActuatorsDu Guangbo ,

22、W ang Yongfeng , Li Haiji a ng (Ch i na U n ited Eng i nee ri ng Co rpo ra tion , H ang z hou 310022, Ch i naA bstrac t :W it h t he med i u m voltage vacuu m c ircu it breaker (VCB w i de applica ti ons , its operati on re li ability is conce rned m o re and m o re . T he reli ab ility o f vacuum c

23、ircu it breake r depends l a rge l y on the perfor m ance and re liability o f operati ng act uato rs . In th i s paper , t he perfor m ance , advantages and d isadvantages o f several oper a ting ac t uato rs w ere discussed to describe t he deve lop m ent and applica ti ons .K ey w ords :m edi um

24、vo ltage VCB ; opera ti ng act ua t o rs ; per m anent m agne ti c actuator (上接第 62页 Analysis and Counter m eas ures on Anqi n g Po wer P lantNO. 1Turbine EH O ilM ot her Press ure F luctuationN i n g Zhi 1, W u Zhi x i a ng 2(1. A nq i ng Pow er P lan t , A nq i ng 246008, Ch i na ; 2. Shangha iU n i ve rs i tyo f E lectr i c Powe r , Shangha i 200090, Ch i naA bstrac t :F ebrua ry 7, 2009, NO 1m achi ne