中壓真空 斷路器操作機構(gòu)的發(fā)展及應用

1、第 26卷第 3期 2010年 3月電 力 科 學 與 工 程 E lectric Power Science and E ngi n eer i ngVo l 26, N o 3M ar . , 201075中壓真空斷路器操作機構(gòu)的發(fā)展及應用杜廣波 , 王永峰 , 李海疆(中國聯(lián)合工程公 司 , 浙江 杭州 310022摘要 :隨著中壓真空斷路器路器的廣泛應用 , 其運行 可靠性越 來越得到關(guān) 注 。 真空斷 路器的 可靠性 主要 取決于操作機構(gòu)的性能和可靠程度 。 對幾種常見 操作機構(gòu)的工 作性能及 優(yōu)缺點進 行分析 比較 , 闡述 了操 作機構(gòu)的發(fā)展和應用 。關(guān)鍵詞 :中壓真空斷路器 ;

2、 操作機構(gòu) ; 永磁機構(gòu) 中圖分類號 :TM 561 2 文獻標識碼 :B收稿日期 :2009-11-23。:(, 男 , 工程師 , , m a i:l dugb . co m 。0 引 言近年來 , 在中 壓開關(guān)無 油化的發(fā) 展趨勢下 , 真空斷路器在輸配電系統(tǒng)中的應用取得了跨越式發(fā)展 , 特別是在 40 5kV 及以下電壓等級的中壓開 關(guān)領(lǐng)域幾乎獨占鰲頭1。而隨著真空斷路器的應用廣泛 , 作為電力系 統(tǒng)最基本的重要組成部分 , 其動作可靠性和智能 化水平越來 越得到 人們的關(guān) 注。斷路 器的動作 , 主要通過它的操作機構(gòu) 來完成。因此 , 斷路 器操 作機構(gòu)的工作性能和可靠性 , 決定了

3、斷路器的工 作性能和可靠性。鑒于此 , 本文將著重闡述 中壓 真空斷路器操作機構(gòu)的發(fā)展以及新一代永磁操動 機構(gòu)的應用。1 傳統(tǒng)操作機構(gòu)完整的斷路器主要由三部分組成 :斷路器本 體、操動機構(gòu)、電源。斷路器本體的功能是切斷 負載或短路電流 ; 操動機構(gòu)的功能是通過電動方 式或手動方式實現(xiàn)斷路器觸頭的開合及滿足觸頭 開合特性的各種要求 ; 電源部件的功能是為斷路 器以電動方式開合提供足夠的能源。由于真空滅 弧室的設計和加工技術(shù)已經(jīng)成熟 , 真空斷路器本 體的運行可靠性非常高。因此 , 目前斷路器 的故 障主要集中在與其配套的操作機構(gòu)上。根據(jù)中壓 斷路器運行 故障統(tǒng) 計 , 在斷 路器的各 種故障中

4、,操作機 構(gòu) 發(fā) 生 故 障 最 多 , 約 占 斷 路 器 故 障 的70%80%, 其主要原因在于斷路器操作機構(gòu)平時 處于靜態(tài)運行 , 各組成 部分的狀態(tài)無法監(jiān)視 , 隱 患無法及時發(fā) 現(xiàn) , 特 別是室外 斷路器操 作機構(gòu) , 受惡劣環(huán)境影響 , 更容易發(fā)生故障而不能被及時發(fā)現(xiàn)和排除 , 直到操作 時才發(fā)現(xiàn) 故障 2。因此 , 提高真空斷路器可靠性的主要途徑就是優(yōu)化簡化 真空斷路器的操作機構(gòu)。常用的中壓真空斷路器操作機構(gòu)主要有 :傳 統(tǒng)的電磁操作機構(gòu)和彈簧操作機構(gòu)及新一代永磁 操作機構(gòu)。1 1 電磁操作機構(gòu)電磁操作機構(gòu)是技術(shù)比較成熟 , 使用較早的一 種斷路器操作機構(gòu) , 其結(jié)構(gòu)比較簡單

5、 , 機械組成部 件數(shù)量約 120個 , 它是利用通過合閘線圈中的電流 產(chǎn)生的電磁力驅(qū)動合閘鐵心 , 撞擊合閘連桿機構(gòu)進 行合閘的 , 其合閘能量的大小完全取決于合閘電流 的大小。因此 , 合閘時需要很大的合閘電流。目前 , 電磁操作機構(gòu)在一些老變配電所中仍 在使用。1 2 彈簧操作機構(gòu)彈簧操作機構(gòu)由彈簧儲能、合閘維持、分閘維 持、分閘 4個部分 零部件組成 , 其數(shù)量 較多 , 約 200個 , 利用機構(gòu)內(nèi)彈簧拉伸和收縮所儲存的能量 進行斷路器合、分閘控制操作。彈簧能量的儲存由 儲能電機減速機構(gòu)的運行來實現(xiàn) , 而斷路器的合、 分閘動作靠合、分閘線圈來控制 , 因此斷路器合、 分閘操作的能量

6、取決于彈簧儲存的能量而與電磁力76電 力 科 學 與 工 程 2010年的大小無關(guān) , 不需要太大的合、分閘電流 3。 彈簧操作機構(gòu)在很多方面克服了電磁操作機 構(gòu)的缺點 , 在配電系統(tǒng)中使用廣泛。1 3傳統(tǒng)操作機構(gòu)優(yōu)缺點比較(1 電磁操作機構(gòu)。優(yōu)點 :(a 結(jié)構(gòu)比較簡 單 , 工作較可靠 , 加工要求不是很高 , 制造容易 , 生產(chǎn)成本較低 ; (b 有較好的 合、分閘速度 特 性。缺點 :(a 合閘電流大 , 合閘線圈消耗功率 大 , 需要配大功率的直流操作電源 ; (b 機構(gòu)動 作速度低 , 觸頭的壓力小 , 容易引起觸頭跳動。 (2 彈簧操作機構(gòu)。優(yōu)點 :(a 合、分閘電 流不大 , 不

7、需要大功率的操作電源 ; (b 可遠方 電動儲能或就地手動儲能 ; (c 合、分閘動作速 度快 , 且能快 速自動重 合閘 ; 儲 能電機 功率小 , 可交直流兩用。缺點 :(a 結(jié)構(gòu)比較復雜 , 操作 沖力大 , 對構(gòu)件強度要求高 ; (b 輸出力特性與 本體反力特性配合較差 ; (c 存在誤跳現(xiàn)象 , 有 時誤 跳 后分 閘 不 到 位 , 無 法 判 斷 其 合分 位 置 ; (d 加工精度要求高 , 制造成本高。2 新一代操作機構(gòu) 永磁操作機構(gòu)永磁操動技術(shù)是 20世紀 90年代世界最 新技 術(shù) , 它采用一種全新的工作原理和結(jié)構(gòu) , 由 永久 磁鐵、合閘線圈和分閘線圈組成 , 取消了彈

8、 簧操 作機構(gòu)和電磁操作機構(gòu) 中的運動連桿 , 脫、鎖扣 裝置 , 結(jié)構(gòu)簡化 , 零部件很少 , 可實現(xiàn)傳統(tǒng)操動 機構(gòu)的全部功能。它與傳統(tǒng)操動機構(gòu)相比 , 其結(jié) 構(gòu)簡單 , 合、分閘能耗大大降低 , 提高了真空斷 路器的運行可靠性和免維護水平 , 并為配電網(wǎng)實 現(xiàn)自動化、運動化、智能化提供了技術(shù)條件。 2 1 永磁操作機構(gòu)工作原理各種永磁機構(gòu)的基本原理大致相同 , 具體結(jié) 構(gòu)則有所不同。根據(jù)永久磁能所處位置可分為雙 穩(wěn)態(tài)和單穩(wěn)態(tài)機構(gòu)。所謂單穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)是指永久磁 鐵只用于一個位置的保持 ; 雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)是指動鐵 心在行程終止的兩個位置 , 不需要任何能量或鎖 扣即可保持。下面以雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)的永磁機構(gòu)為

9、例 , 簡單介紹其工作原理。雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)的永磁機構(gòu)簡圖如圖 1所示。從 圖中可見 , 閉合的磁路提供了保持合閘或分閘位 置鎖扣的力量 , 合、分閘線圈通過不同方向 的電 流 , 改變磁路中的合成 磁通方向 , 并驅(qū)動鐵心運 動形成另一閉合的磁路 ; 另一穩(wěn)態(tài)仍依靠永磁鐵 提供的鎖扣力量。當斷 路器處于合閘位置時 , 永 久磁鐵利用動、靜鐵心提供的低磁阻抗通道將動 鐵心保持在合閘位置。磁力線的方向如圖 1(a 中的曲線 。當機構(gòu)接到分閘命令時 , 分閘線圈 6帶電 , 分 閘線圈中的電流產(chǎn)生磁場。其磁力線 方向如圖中磁力線 ! 與磁力線 , 分閘線圈在上 部工作氣隙產(chǎn)生的磁場方向與永磁體所產(chǎn)生的磁

10、 場方向相反。當分閘線 圈的電流達到某一值 , 動 鐵心開始向下運動 , 并 且隨著位移的增加 , 底部 氣隙的磁阻逐漸減小 , 磁感應強度遠遠大于上部 氣隙的磁感應強度 , 動 鐵心向下呈加速運動 , 動 鐵心運動至行程一半后 , 線圈電流和永磁體所產(chǎn) 生的合成磁場方向向下 , 于是進一步加速了動鐵 心的運動速度 , 直到分閘到位 4 。圖 1 雙穩(wěn)態(tài)永磁機構(gòu)的結(jié)構(gòu)簡圖Fig 1 D iagra m of double stat i c per m an en t m agne tic actuator struc ture圖 1(b 為分閘到位后磁力線的分布情況簡 圖。此時 , 線圈電流和

11、永久磁鐵所產(chǎn)生磁場的磁 力線全部通過下部氣隙 , 切斷線圈中的電流 , 動 鐵心將由永磁體自動保持在分閘位置上。當機構(gòu) 進行合閘時 , 情況與分閘相同。根據(jù)永磁機構(gòu)的特點 , 其優(yōu)缺點比較如表 1。 表 1 永磁操作機構(gòu)優(yōu)缺點比較T ab 1 Advan tages and d isadvan tagesof p erman en t m agne tic actuator主要優(yōu)點 主要缺點1 采 用 雙 穩(wěn)態(tài)、 雙 線 圈機 構(gòu)。 分合閘操 作 通過 分 合 閘線 圈 來 實現(xiàn) , 永 久磁 鐵 與 分 合閘 線 圈 相配合 , 所需能量小。2 簡單化結(jié)構(gòu) , 使耗材減少 , 成本1 不 能

12、 手 動 合 閘 , 在 操 作 電 源 消 失、電容 器電 量 耗盡 以后 , 若 不 能對電容器進行第 3期 杜廣波 , 等 中壓真空斷路器操作機構(gòu)的發(fā)展及應用 77 續(xù)表主要優(yōu)點 主要缺點變低 , 故障 點減 少 , 提 高了 機 械動作 的可 靠性 , 能夠 實 現(xiàn)免 維護 , 節(jié)省維修費用。3 永磁力 幾乎不 會消 失 , 壽命 長 , 降低了能耗和噪音。4 采 用 無 觸 點、無 可 動 元 件、無 磨損、 無 彈跳 的 電 子 接近 開 關(guān) 作為 輔 助 開 關(guān) , 動 作 可 靠 , 運 行不 受 外 界 環(huán)境 影 響 , 可 靠 性 高 , 解決觸頭彈跳問題 。 5 可 采用

13、 同 步 過零 開 關(guān) 技 術(shù) , 產(chǎn) 生幅 值 很 小 的 涌 流 和 過 電 壓 , 減少操作對電網(wǎng)和設備的沖擊。 6 可 實現(xiàn) 就 地 /遠 方 分 合 閘 操 作 , 也可實 現(xiàn) 保 護合 閘 和 重 合閘 功 能 , 可手動分閘。充 電 , 則 無 法再 進行合閘操作 ; 2 手 動 分 閘 時 , 初 分速度 要足夠大 , 因此 需 要很 大 的 力 , 否 則 無 法 進 行分閘操作 ; 3 儲 能 電 容器 質(zhì) 量 參 差 不 齊、 難 以 保證 ;4 難 以 獲 得理 想 的 分閘速度特性 ; 5 難 以 提 高永 磁 操 動 機 構(gòu) 的分 閘 輸 出功。2 2 永磁機構(gòu)與真

14、空斷路器的配合配有永磁操作機構(gòu)的真空斷路器被稱為永磁 真空斷路器。因為每一種真空斷路器都有其固有 的分合閘負載特性 , 永磁真空斷路器是一種動作 時間分散性很小的、可以精確動作的斷路器 , 所 以其所配的永磁機構(gòu)應該有相應的出力特性來與 之相匹配。真空斷路器的觸頭行程很小 , 合 閘過 程中在觸頭接觸前只需要很小的驅(qū)動力 , 一旦觸 頭閉合后 , 就需要很大的驅(qū)動力來壓縮觸頭彈簧 以獲得足夠的觸頭壓力。因此真空斷路器的反力特 性在觸頭接觸瞬間有大幅度的正向突變。如 12kV 真空斷路器合閘終了時的觸頭反力常超過 10kN 。 而 真空斷路器所要求的平均合閘速度并不大 , 因為合 閘速度太高 ,

15、 容易引起觸頭合閘彈跳 , 這是不希望 的。因此合閘速度一 般為 0 60 8m /s。 分閘時 , 要求操動機構(gòu)不 給運動系統(tǒng) 附加過多 的運動量 , 以提高分閘初始加速度 (剛分速度 5。圖 2同時示出了真空斷路器合閘過程的負載 特性、彈簧機構(gòu)及永磁機構(gòu)的出力特性 , 可 以看 出 , 彈簧機構(gòu)是彈簧在斷路器觸頭的合閘過程中 釋放能量 , 彈簧力的特性與真空斷路器的特性相 反。真空斷路器所要求的力與行程關(guān)系曲線是通過 彈簧的特性轉(zhuǎn)換來的 5。這種力的轉(zhuǎn)換伴隨著連接 機構(gòu)的高速運動 , 不僅降低機構(gòu)的效率和可靠性 , 還減小了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的剛性。為了使真空滅弧室觸頭 保持在合閘位置上 , 彈簧操

16、動機構(gòu)使用靠線圈脫扣的機械鎖扣。永磁機構(gòu)的特性接近真空斷路器的要 求 , 正因為如此 , 它可以與真空滅弧室直接相連 , 使零部件數(shù)減到最少 , 也能提高產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)剛性 , 有助于減小觸頭彈跳 , 提高剛分速度。a 真空斷路器要求的特性 ; b 彈簧機構(gòu)提供的特性c 永磁機構(gòu)提供的特性圖 2 力 行程特性示意圖Fig 2 Ch arac ter istic of power d istance2 3 永磁機構(gòu)的應用由于永磁機構(gòu)真空斷路器具有壽命長、可靠 性高、開斷能力強、開斷電流大、體積小、質(zhì)量 小、結(jié)構(gòu)簡單、無爆炸、無污染、噪 音低、免維 護等優(yōu)點 , 因而成為開關(guān)制造和電網(wǎng)企業(yè)關(guān)注的 熱點

17、 , 為廣大電網(wǎng)企業(yè)及終端用戶提供了一種全 新的選擇。目前 , 永磁機構(gòu)真空斷路器已開始應 用于電力、能源、煤炭、冶金、城 /農(nóng) 網(wǎng)配網(wǎng)自動 化、城軌交通、鐵道牽引供電、電力貫通線及自 閉線路中。作為新生事物 , 盡管永磁機構(gòu)本身具備許多 優(yōu)點 , 但是永久磁鐵鎖 扣的持久問題、電容器因 電解質(zhì)老化帶來的壽命問題、電子控制器件的可 靠性、抗干擾性、抗震性及小型化模塊化等問題 以及使用電容器和電子控制裝置增加成本、相比 彈簧機構(gòu)造價高得多 , 這些都將使得永磁機構(gòu)的 推廣和使用面臨諸多困難。隨著科技的發(fā)展和工 藝的不斷進步 , 永磁機構(gòu)必將走向成熟。3 結(jié) 論(1 電磁操作機構(gòu)需要配置大容量的直

18、流操 作電源 , 而蓄電池組價 格昂貴 , 其操作性能受電 壓波動影響大 , 因此在彈簧操作機構(gòu)和永磁操作 機構(gòu)廣泛應用后將逐漸被淘汰。(2 彈簧操作機構(gòu)出力特性與真空斷路器的 反力特性能較好地配合 , 操作只需要小功率操作 電源 , 且操作不受電源 電壓的影響 , 合分閘快速78電 力 科 學 與 工 程 2010年平穩(wěn) , 機構(gòu)操作壽命可達 3萬次以上 , 因此逐步 取代電磁操作機構(gòu) , 成為真空斷路器的主流操作 機構(gòu) , 適合在變配電所內(nèi)使用。(3 永磁操作機構(gòu) 零部件少 , 中間環(huán)節(jié)少 , 壽命長 , 免維護 , 可靠性高 , 大部分性能與真空 斷路器能很好地配合 , 而且隨著永磁操動

19、技術(shù)的 更新進步以及二次控制技術(shù)的不斷改進 , 其自動 化程度進一步提高 , 應用前景非常廣闊 , 適 合頻 繁操作、自動化程度要求高的場所。參考文獻 :1李建基 . 中 壓 真 空斷 路 器 市 場與 技 術(shù) 的 發(fā)展 J.上海電力 , 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 斷路器的應用與 發(fā)展 J.電 氣開關(guān) ,

20、2001, (4:9-11.Zhou Zhi m i n . A pp licati on and develop m ent o f a vacuu m circu it breaker J.E lectr i c Sw itchgear , 2001, (4: 9-11.3馬杰華 . 淺談真 空斷 路器 的 操動 機構(gòu) J.農(nóng)村 電 工 , 2002, (7:57M a Ji ehua . D iscussi on o f V CB actuator J .Country E lectr i c , 2002, (7:57.4林莘 . 永磁機構(gòu) 與真空 斷路器 M.北 京 :機械 工 業(yè)出

21、版社 , 2002.5游一 民 . 永 磁 機 構(gòu) 及 其發(fā) 展 動 態(tài) J.高 壓 電器 , 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頁 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