中压真空断路器

中压真空断路器（精选4篇）

中压真空断路器 篇1

0 引言

中压断路器经历了少油—SF6—真空的发展过程。我国曾是少油断路器的王国,当时SN10型少油断路器一统天下,到了20世纪90年代初,真空断路器(VCB)兴起,很快占了上风,现在中压真空断路器已占99%以上,我国又成了真空断路器的王国。在德国,少油断路器也占领了市场很长时间,曾以西门子公司的T型少油断路器而最驰名。但随着全世界无油断路器风潮的到来,西门子公司作出决定,引进英国真空断路器来取代少油断路器。另外瑞士的ABB公司原先中压断路器发展的是SF6断路器,但在从世界上真空与SF6技术的论战中,ABB公司也看到真空断路器的优势,决定同时发展SF6和真空断路器。随着时间的推移,到了1999年,真空断路器的产量赶上并超过SF6断路器。现在,ABB、Siemens、施耐德、东芝、伊顿等大公司在中国都建有真空断路器合资或独资企业,促使真空断路器在中国飞跃发展。在我国,中压真空断路器在2009年已经占中压断路器的99.39%,生产企业多达100多家。在日本,真空断路器占90%以上;在德国,已经占95%以上;在印度,也占到89%。

中压真空断路器能主宰市场一路走红,究其原因,有许多方面,主要原因有三:一是电力部门作为用户,推广真空断路器。1992年电力部门开始推广真空断路器,经过二十多年的努力,制造厂家积累了丰富的制造经验,产品性能和质量不断提高,同时用户也积累了丰富的运行经验,真空断路器受到用户的青睐[1,2,3,4,5,6]。二是SF6气体于1997年在京都议定书上被定为受限制的温室气体。这样原作为中压断路器两大支柱之一的SF6断路器的发展受到限制,客观上促进了真空断路器的发展。中压真空断路器对环境友好,无温室气体[7,8]。三是更为重要的原因,真空断路器在性能上和可靠性上有了很大提高,能满足各种用户的不同需求。而且开发出专用型和多功能性产品,给用户提供了很大的选择空间,如从原来的单一开断功能发展到开断—隔离—接地等多种功能,还能提供多种型式的产品,如高电压型、大电流型、频繁操作型、低过电压型、经济型、长寿命型等。

近年来,真空断路器技术取得巨大进步,明显趋向高电压、大容量,结构不断改进,制造技术不断提高,以下举例加以说明。

1 高电压化发展

真空断路器在中压领域(12~40.5 k V)已占绝对优势,而在高压领域(72.5~252 k V)也已崭露头角,其发展前景看好。在我国,中压真空断路器2009年已占中压断路器的99.39%。高压真空断路器也在72.5~126 k V等级不断研制出新品,并有的已投运。在国外,许多国家和公司在研发高压真空断路器,且有的产品已投运多年,如日本、韩国、美国、德国、俄罗斯等。据统计,日本输电系统已使用72.5~252 k V真空断路器3 350台。

目前,高压真空断路器已达到145 k V单断口、168 k V双断口,现在正研制更高电压等级产品。产品在结构上有罐式和瓷柱式,我国已做出瓷柱式126 k V真空断路器,而日本168 k V真空断路器采用罐式结构。

在真空灭弧室外绝缘上,有用低压力SF6气体(如内充压力0.12 MPa)绝缘,也有用干压空气等作为外绝缘。

值得一提的是我国两家高压开关主流厂家最新开发出瓷柱式真空断路器,如2010年西电公司成功完成的国家科技126 k V真空断路器,并通过国家科技部验收。该产品的灭弧室采用纵磁场线圈结构,使用具有高开断能力和良好抗熔焊性的铜铬触头材料。配套开发的真空灭弧室是国内首家完成的具有完全知识产权的产品,其技术水平处于国际先进水平。另一家为平高集团,平高集团在大力发展高电压大容量SF6断路器的同时,也不失时机地研发出高电压真空断路器。该集团于2011年11月同时进行了LW55-72.5型罐式SF6断路器、ZW55-63型高电压真空断路器、ZW55-2×31.5型和ZW55-31.5型真空断路器4种新产品国家鉴定,总体达到国际先进水平。我国宝光公司已研制出126 k V高电压真空灭弧室,并配于国产126 k V真空断路器。

在2011年的汉诺威博览会上,西门子公司展出了用充氮(N2)绝缘的72.5 k V真空断路器来取代传统的SF6断路器,这说明西门子公司开始注重高压真空断路器的研发。

在高电压等级,研发真空断路器是形势发展的需要,能大大减少SF6温室气体的使用量,有利于环境保护,减少大气中的温室效应。同时,高压真空断路器具有良好的耐低温特性,可以避免高寒地区SF6气体液化问题,是高寒地区高电压等级断路器的最佳选择。

真空断路器在中压领域技术较为成熟,而在高电压领域,有许多技术需要研究,才能促使高电压真空断路器的发展。高电压领域需要研究的技术问题有高电压真空绝缘、大电流真空开断、额定电流与温升、机械特性、真空灭弧室外壳绝缘及容性电流开断、小感性电流开断等[9,10,11,12,13,14]。

日本电力公司认为,高电压真空断路器用于输电系统之前,需要解决如下技术问题:(1)能用于更大的输电容量,即标称电流大于2 500 A,或开断电流大于25 k A;(2)输电系统中非保持破坏性放电(NSDD)的产生和有NSDD可能引起的绝缘开断故障;(3)截流及其过电压的影响;(4)真空灭弧室的长期可靠性,即需具备的真空泄漏、触头烧蚀、故障开断的现场经验。

国内研究设计人员也认为,发展高电压真空断路器需要解决的主要问题有NSDD、温升、截流、重燃及真空灭弧室长期可靠性等。

1)输电系统中非保持破坏性放电。NSDD是指真空断路器在工频电压恢复阶段触头间的破坏性放电,导致流过与断口临近的杂散电容相关的高频电流。如在中性点不接地系统中,NSDD引起的所在相的电压升高可能会导致其他相的开断故障。NSDD的发生与触头的表面状态有关,其表面状态是由触头材料、制造过程和操作运行决定的。

2)温升问题。由于真空灭弧室内只存在热传导而无对流散热,故散热不佳,额定电流基本上不超过2 000 A。因此,高电压真空断路器的额定电流难上去,而短路开断用纵磁场较容易提高。目前提出的措施有增设散热器、选用重力热管等来解决温升问题。

3)截流问题。真空断路器通常会因截流出现操作过电压,特别在开断小的感性电流时。截流水平可通过选择触头材料来降低。如选用Cu Cr触头材料可将截流降至3~5 A。

4)重击穿问题。这是真空断路器切容性电流的固有问题。重击穿会产生操作过电压,多次重击穿有可能导致很高的过电压,会对系统的绝缘造成破坏。期望通过产品结构设计、触头材料研究、生产工艺水平提高、借助选项技术等来降低重击穿概率并限制多次重击穿。

5)真空灭弧室长期可靠性问题。随着制造技术的进步和真空泄漏检测技术的发展,可降低真空泄漏事故,对高电压真空灭弧室可进行真空度在线监测。

总之,高电压真空断路器的发展首先要解决以上技术难题。随着技术的深入研究和进步,高电压真空断路器将有更快更大的发展,用高电压真空断路器取代SF6断路器将能发挥对环境友好的优势。

2 大电流方向发展

SF6发电机断路器历来是ABB公司的专利,ABB SF6发电机断路器市场占有率高,约占世界发电机断路器的70%。同时,发电机断路器参数高,做到25~30 k V/24 000~38 000 A-160~200 k A。还有其它先进技术,如采用自能灭弧室,最新采用热管技术进一步提高额定电流。

但情况在改变,我国发电机断路器向前直追。我国最新研制成ZHN10-24/Y25000-130型大容量SF6发电机断路器。填补了国内相关领域的技术空白,为我国大容量发电机断路器的国产化奠定了坚实基础。

同时我国大力发展真空发电机断路器。在我国,早已研制出额定电压12 k V、额定电流6 300 A,开断电流80 k A的真空发电机断路器。最新又研制出额定电压15 k V、额定电流6 300 A,开断电流80 k A的真空发电机断路器。由此可见,大容量发电机断路器的发展引人关注。

3 真空断路器的结构演变

真空断路器在中压领域,主要有12、24、40.5 k V级,以12 k V级产量居多。在结构上分为三部分:一为灭弧室;二为绝缘支柱;三为操动机构。灭弧室的外壳有玻壳和陶壳,以陶壳为主;绝缘方式有空气绝缘、复合绝缘及固封绝缘,目前固封绝缘越来越多;操动结构有电磁机构、弹簧机构及永磁机构,目前以弹簧机构居多。在控制上,也向智能化方向发展,研制出智能化真空断路器。如ABB公司在新推出的VD4型真空断路器中,将灭弧室从复合绝缘改为固封绝缘,还重新设计了弹簧储能自由脱扣的模块化操动机构,又推出智能真空断路器,配有特别设计的Relion RBX615智能电子装置及新式电流传感器和电压传感器。

西门子公司在灭弧室制造上精益求精,并从敞开式空气绝缘改为固封绝缘。

西门子公司在世界上有两个生产真空灭弧室厂家,一个在柏林,另一个在无锡。在全球统一战略采购部的管理下,控制着两个生产厂的原材料,严格保证进货质量。整个生产线、机械加工在数控加工中心进行。生产的零部件精度、一致性非常好,消除了人为因素造成的产品质量波动,这对真空灭弧室产品质量至关重要,真空灭弧室漏气最常见的原因是公差配合不好,焊接时间隙过大很可能漏气。加上全自动化的表面处理,对影响气密性的焊缝采取焊接效果最好的黄金处理,做到了对产品气密性的控制精益求精。

触头材料及触头结构的稳定性对灭弧室的开断能力至关重要。西门子公司采用自损耗真空电弧冶炼方法,把铜粉-铬粉混合起来,在高压下压缩,经过重新熔炼结晶,生产出的触头含气量小、杂质少、晶粒度很细,能够保证真空灭弧室优越的开断性能。

为了保证产品质量,无锡生产厂采用的真空炉可达到1×10-7Pa的极限真空度,这也是目前世界上价格昂贵的设备,西门子公司一台真空炉至少1 500万元。

真空灭弧室的装配必须有一个超净的环境。西门子公司装配车间的装配区超净度为100级,相当于半导体光刻的超净度。

施耐德公司在绝缘上有敞开式空气绝缘和固封绝缘,供用户选用。其操动结构可配涡卷弹簧机构和永磁机构两种。施耐德公司最新还研制出EV12s型真空断路器,采用高性能真空灭弧室、固封极柱及一体式弹簧机构。日本东芝公司采用弹簧储能式操动机构,并形成固封极柱系列。

固封极柱是将真空灭弧室及导电连接件用环氧树脂通过自动压力凝胶工艺(APG)固封极柱。固封极柱使真空灭弧室和其他导电连接件与外界环境空气隔离,避免了外界环境对灭弧室和其他导电件的影响。固封极柱大大减少了装配工作量,最大限度的减少了装配过程可能出现的差错。固封极柱采用环氧树脂作为绝缘介质,缩小了相与相之间的距离,减少了所配开关柜的体积,也为灭弧室和断路器免维护创造了条件。

ABB公司不断改进VD4型真空断路器的性能和结构,如采用最新研制的高性能真空灭弧室;改进固封极柱的材料和工艺。ABB公司固封极柱为P1型,采用环氧树脂塑料,而新开发的PT1型固封极柱采用热塑性塑料材料。新型PT1型固封极柱相比P1型固封极柱减少重量约35%,体积减少2/3,由于热塑性材料密度较低(12%),明显提高了耐电强度(约50%)以及机械刚性(约100%)和强度(300%~400%)。此外,操动结构改用模块式弹簧操动机构。

4 真空断路器制造技术不断提高

真空断路器在材料、工艺和设计方面都不断提高,这里以日本为例。

日本从1960年开始开发真空断路器,1970年开始正式投放市场,1976年真空断路器已占日本中压市场的50%,20年后的1990年已占到70%以上,2007年又占到总台数的80%,以绝对优势压倒其他断路器。现在日本每年约生产25万台真空断路器。

日本真空断路器技术的进步表现在材料、工艺、设计等方面。

1)真空灭弧室触头。由铜-铅触头材料开始,20年前变为铜-铬触头材料。现在为了提高材料性能,又进行材料粒度及微量添加剂的研究。2)真空灭弧室绝缘外壳。初期采用玻璃外壳,以后陶瓷外壳成为主流。目前为了实现高电压化,又开展了改善金属钎焊部位电场的研究。3)真空灭弧室波纹管。波纹管采用不锈钢及特殊钢。为了延长动作寿命,开展了波纹管形状的研究,开发出的波纹管除可进行伸缩运动外,还可进行旋转运动,在波纹管内,可完成合—分—隔离—接地。4)真空断路器的绝缘材料。真空断路器中使用的绝缘材料为聚酯及环氧树脂。近年来,为了提高环氧树脂与陶瓷间的粘合度,添加有球状硅石粒子和核/壳型橡胶粒子的环氧树脂。5)真空灭弧室高电压化。真空断路器长期以来在40.5 k V电压等级以下占主流。最新开发出145 k V单断口和170 k V双断口真空断路器。据调查,日本输电系统使用的72.5 k V等级以上真空断路器为3 350台,主要由三家制造商生产。6)无润滑脂真空断路器。为了解决占真空断路器故障率一半以上的由润滑脂固化引起的不动作,又对齿轮实施无电解Ni P电镀及采用固体润滑轴承的无润滑产品等。7)真空密封工艺改进。开发初期,真空灭弧室采用钎焊后再排气。约从2000年起,真空灭弧室采用钎焊时同时排气的一次封排工艺,既提高了真空度又提高了效率。8)采用高精度钎焊。真空灭弧室在高温钎焊时,由于零部件的膨胀收缩,当恢复到常温时会较原来形状有数毫米的变形,通过改进材料和加热方法,开发出可将所需部位的变形尺寸控制在0.1 mm以下的高精度钎焊。

5 结语

真空断路器从中压向高压领域发展,在中压领域中科研与应用技术已相对成熟,而在向高压领域发展中,遇到了前所未有的技术难题,特别是输电系统中非保持破坏性放电、温升、截流、重击穿、真空灭弧室长期可靠性等问题,随着技术的发展,这些问题会逐步得到解决,使真空断路器在高压方面取得更大发展。

中压真空断路器 篇2

真空断路器一般由导电及灭弧系统，本体、传运系统及操动机构组成。其中真空灭弧室为真空断路器的心脏，操动机构为其神经中枢，两者对真空断路器至为重要。

中压真空断路器的结构框图见图1。

我国真空断路器已有几十年的发展史，成为中压户内主导产品，产量大，新品不断涌现。现在户内真空断路器已形成一个庞大的型号体系，有上百个型号。为便于了解，本文从产品的研发、结构演变及产品类型等方面作如下分析。

从过去、现在和将来看，可将其研发分为4个阶段：初始研发阶段;发展阶段;提高阶段;模块智能化阶段。

1.1 第一阶段：初发阶段

在此时期，国内以ZN3、ZN5真空断路器为典型代表产品，使用铜铋等触头材料，开断、抗击穿等性能均较差，性能也不够稳定，断流水平只在20kA以下，与少油断路器相比，无明显优越性。它所使用的操动机构，无论电磁还是弹簧机构，要达到1万次寿命都有较大难度。

1.2 第二阶段：发展阶段

在此时期，以ZN12、ZN28等同类产品为典型代表，此类产品无论是开断性能，还是使用寿命，均得到大幅度提高。特别是ZN28产品，产量大，覆盖面广，目前仍是国内市场主导产品之一。此阶段产品性能提高主要在以下几个方面：

(1)灭弧室。 (1) 使用了铜铬触头材料，具有良好的开断能力、耐击穿、导电等综合性能; (2) 纵磁场触头结构的使用，使开断时产生的聚集型电弧变为扩散型电弧，极大地提高了灭弧室的开断能力; (3) 使用中封式结构，使灭弧室内电场更加均匀; (4) 在原有玻璃外壳的基础上，又发展了陶瓷外壳，使工业化流水线方式生产成为可能，易于降低成本; (5) 体积大大减小，甚至小于国外同类产品，而开断能力更大。

(2)操动机构。 (1) 重新设计了电磁机构、弹簧机构，如：CD17型、CT17、19型，突破了原CD10、CT8等机构2千次的寿命极限，轻轻松松即可达到1万次的寿命要求。弹簧机构的大量使用，使用户甩掉了笨重的电源系统，与国外使用方式趋于一致; (2) ZN28断路器设计又可配用原CD10、CT8机构，适应了原有的少油断路器改造———无油化的要求。

(3)整体结构。 (1) 一次导电回路与机构箱体前后布置的形式便于调试检修; (2) 可配原有国产的各种型号开关柜，适应面广。

ZN28断路器的出现，使真空断路器的性能大大提高，与第一阶段产品相比较，开断容量在12kV等级可增加2～3倍，最大达到63kA，其短路电流开断寿命甚至成10倍增加。如31.5kA产品开断30次、50次甚至75次。ZN28同时代的产品除ZN12外，多为此两产品的改造型，灭弧室、操动机构等都使用同种产品，性能也都与其相当。

1.3 第三阶段：提高阶段

由于受国外产品的影响，国内产品开始向追求加工精度、外观质量、减少调整环节、保证一致性、免维护等方面努力。此阶段的代表产品即ZN63系列产品(ZN63A.B.C)，国外产品如ABB公司VD4、西门子公司的3AH等同属此类产品。ZN63系列产品虽是近几年才出现的，但它发展势头迅猛，是国内产品又上一个台阶的重大标志。与ZN28相比，它主要不是表现在性能上，而是以下几个方面：

(1)使用专门设计的一体化弹簧机构，最大限度地保证灭弧室要求的机械性能，且不易变化，从而使断路器的工作可靠性大大提高。

(2)国内真空断路器的加工水平向世界水平靠拢，开始使用专业化方式生产断路器。如使用加工中心等高精度加工设备加工零部件;焊接机器手焊接机箱，关键部位采用特殊材料与工艺;装配中大量使用装配夹及定力矩扳手等工具。尽可能少调整或不调整来保证参数，使用流水线方式批量生产。

(3)导电部位采用复合绝缘方式，使断路器整体结构更紧凑，体积更小，特别适用于较小的场所和现在流行的中置式开关柜。

(4)外观质量大大提高。不像原来国内产品仅注意内在质量，而是开始在产品外观上做文章。

1.4 第四阶段：模块智能化阶段

综合世界真空断路器的发展，我国真空断路器将走向模块化、智能化和一机多能化。

(1)智能化。提高运行可靠性。遇到异常或故障，会自动处理或提醒工人处理，可防患于未然;定期检修改状态检修，减少了维修费用和停电时间;电力系统自动化，无人值守，提高了工作效率和质量。

智能化包括： (1) 监测灭弧室真空度; (2) 监测分合闸线圈、过流线圈工作状况; (3) 监测断路器分合闸速度、开柜、接触行程及触头磨损状况; (4) 监测电机储能状况、辅助开关转换情况、操作次数计数; (5) 实现欠电压、过电流保护，机构电气闭锁保护; (6) 监测断路器的机械振动情况。

(2)模块化。将断路器分为框架模块、绝缘模块、手车模块、操动机构模块、灭弧室模块等，这样便于制造、安装，提高整机性能。

(3)一机多功能化。一般真空断路器只有关合和开断功能，而国外已出现多功能断路器。如西门子公司最新研制的NXAct型真空断路器，集关合、开断、隔离、接地、联锁于一体，使用Siprctec 4型数字监控装置，并集保护、控制、测量、通信、操作、监视及整个程序控制于一体;Areva公司的VISAX型中置柜中的真空断路器也起关合、开断和隔离功能;日立公司最新开发的复合式真空灭弧室，集关合、开断、隔离、接地于一体，大大简化了24kV开关柜的结构。

总之，在模块化、智能化和一机多功能化方面，国外已走出了成功的一步，我国也正朝这一方向努力。

2 中压真空断路器的结构演变

真空断路器从结构演变看，大致可分为3种类型。

2.1 分体式

通常采用悬挂布置或综合布置。断路器的灭弧室部分和操动机构部分为分体式，典型产品如ZN28A系列，操动机构配用CD17-CD19等(见图2)。

2.2 整体式

断路器的灭弧室和操动机构设置在一个几何尺寸尽量小的共同框驾上。弹簧操动机构采用平面布置，操动机构的零部件固定在真空断路器的机架上。断路器位置配合精度、整体刚度大为提高，很容易实现断路器功能单元的模块化设计，同时安装、调试、检修均非常方便。典型产品如ZN12系列真空断路器，布置图见图3。

2.3 整体式复合绝缘或全绝缘型

由一浇注的绝缘框架或管状绝缘体支撑真空灭弧室，有效地防止真空灭弧室受到机械或电气的损害，同时改善了电场分布，使相与地的绝缘可满足湿热及严重污秽环境要求。

此类断路器最大的优点在于其结构紧凑、体积小巧，用较小的功即可操动，因而操动机构的磨损也极小。这些特点决定了该类真空断路器不但具有优良的电气、绝缘性能，而且还具有较高的可靠性、较长的使用寿命。典型产品如ZN63A (VS1)真空断路器，结构布置图见图4。

3 中压真空断路器的产品类型

产品类型可按国内企业(国企)和合资企业(合企)来分类。

3.1 国企产品

国企产品大致分为3种类型：(1)引进技术并国产化类型。如ZN12型引进西门子3AF系列，ZN51型引进西门子3AG型，ZN18型引进东芝VK系列，ZN21型引进比利时EIB公司VB-5型等;(2)自行设计的产品。如ZN28-12型、ZN15-12型、ZN30-12型等。其中ZN28-12型产量大，用量广，可配电磁或弹簧操动机构，如CD17、CT17和CT19等;(3)借鉴国外同类产品基础自行研发的产品。如ZN63A-12型(VSI型)参照VD4型，ZN65A-12型参照3AH型等。

这些产品保留了国外产品的特点，同时根据中国国情作了结构上的创新。如ZN63A-12型根据中国国情在绝缘件选择上保证了国标要求达到的绝缘水平(即沿面爬距230mm)。此外，在以下方面采用了新结构： (1) 虽仍使用弹簧操动机构，但没有使用VD4型的涡卷弹簧，而改用传统的螺旋弹簧; (2) 使用液压缓冲器。而VD4型无专门缓冲器，它使用凸轮防止反弹。

国内继ZN63A型产品之后，又开发出ZN63M (VSm型)型真空断路器。该产品的最大特点是相柱固封并配用永磁操动机构。该产品参数为12kV/1250A/31.5kA, 2000年6月通过全部型式试验，额定短路电流开断次数50次，断路器机械寿命6万次，机构寿命10万次。断路器相柱的绝缘从空气绝缘———复合绝缘———固封绝缘，使之小型化，且提高了耐环境性。在固封相柱中，巧妙的设计形成一个风道，以加强散热效果。相柱的固封，经过反复试验，终于用一种特殊的环氧树脂配方和工艺获得成功。永磁操动机构不同于电磁和弹簧机构，是一种崭新的操动技术，它利用电磁铁操动，用永久磁铁锁扣，用电容器储能并用电子控制。其特点是结构简单，大大减少了机械零件数，同时提高了机械寿命，机构寿命可达10万次。还有永磁机构提供的力———行程特性能与真空断路器要求的特性很好的匹配。这种永磁机构为双稳态。该产品已投入生产和使用。继户内永磁真空断路器之后，又开发出VS2a、VS2b型12kV/1250A/20kA户外永磁真空断路器。

3.2 合企产品

中压真空断路器 篇3

1 永磁操动机构的工作原理

永磁体操作机构采用通过给线圈通电, 使其产生磁场, 带动动铁芯产生运动, 完成所需的操作.当断路器处于合闸或分闸位置时, 线圈中无电流通过, 永久磁铁利用动静铁芯提供的低磁阻抗通道将动铁芯保持在上、下限位置, 而不需要任何机械连锁.当有动作信号时, 合闸和分闸线圈中的电流产生磁势, 动静铁芯中由线圈产生的磁场与永磁体产生的磁场叠加, 动铁芯连同固定在上面的驱动杆, 在合成磁场力的作用下, 在规定的时间里以规定的速度驱动断路器本体完成合分闸动作。

2 永磁操动机构的特性

永磁操动机构靠永磁体、磁轭和动铁心形成的磁路吸力产生保持力, 使动铁心保持在分闸和合闸位置。断路器在进行分合闸操作时, 控制器发出指令, 分闸或合闸线圈带电, 其电流所产生的磁力逐渐克服永磁保持力以及真空灭弧室及机械传动系统的负载反力。动铁心到达分合闸位置后, 线圈断电, 再靠磁回路产生的磁力将动铁心保持在该位置。根据永磁材料作用于铁心端面的吸力特性和真空灭弧室及机械传动系统的负载特性, 可以得出合闸和分闸过程中电磁驱动系统的负载特性。在分闸或合闸过程中电磁驱动系统的负载特性不同;不论是分闸还是合闸, 当永磁铁作用动铁心到某一位置后, 负载力的方向发生变化, 这时即使去掉电磁驱动系统的励磁, 动铁心仍能在负载力作用下可靠闭合。所以操作时, 分闸或合闸线圈最好用脉冲电量来驱动。

在永磁操动机构中, 驱使动铁芯运动操作的能量来自于电容器的电场储能。电容器预先被充以一定的电压, 当进行操作时, 它向激磁线圈释放能量, 这样电场储能被转换成磁场储能, 磁场能量再被转换成动铁芯运动的机械能。其输出吸力特性除与磁路构造有关外, 还与线圈回路的参数及控制过程有关。

永磁操动系统机械特性除应与负载特性相匹配外, 还应满足真空灭弧室对合闸速度和分闸速度特性的要求。合闸速度和合闸特性较为理想, 需注意一点, 即合闸线圈的断电时机。合闸电流持续过短, 合闸到位能量会不足, 电流持续时间过长, 则出现能量过剩, 造成合闸弹跳超出技术要求及断路器受到较大冲击负荷, 影响机械寿命。因而理想的合闸速度应在尽量满足上述要求的基础上折中取舍, 现采用精度高且相应灵敏的电子器件来控制线圈的通流时间, 实现理想的永磁操动机构机械特性。

3 永磁操动机构的电源与控制技术

永磁机构控制系统是接受电信号、并通过逻辑判断最终给出指令控制操动机构动作的装置。永磁机构的电源主要采用以下两种方式: (1) 采用电容器对分、合闸线圈放电的方式。这种方法优点是可以在很宽的电源范围内工作。 (2) 对于有条件的电站, 可以直接使用站内的直流电源。这种方法的好处是很少会出故障, 只要有电源正常输出, 永磁机构就可以正确操作。

永磁机构真空断路器机构控制的方式可分为继电器控制方式、电子控制方式、微机控制方式。永磁机构的控制系统可以通过光纤接口接受光电信号, 并通过逻辑判断控制机构动作和发出分合闸操作的命令。原先的触点开关被电力电子开关所替代。还可具有智能化功能, 融合在线检测技术等来最大限度地体现永磁机构的优越性。国内机构开发的一种智能控制与电子驱动装置, 采用PLD完成智能控制, 并采用由SCR和IGBT组成的电子开关通断合分线圈电流。它不仅能完成断路器的合分闸操作, 改善了断路器的分合闸运动特性, 还具有过流、欠压分闸、合分闸闭锁以及操作系统的故障监测、诊断与报警等功能。

4 永磁操动机构在真空断路器的应用

操动机构被称为真空断路器的神经中枢, 从最先的电磁机构如CD10、CD17和到后来发展的弹簧操作机构C T 8、C T 1 0、CT19等, 上述两种机构一般都有超过100多个零部件相互联接, 存在结构复杂、制作成本高、机构尺寸大等缺点, 据国际大电网会议组织的国际调查表明, 断路器的机械故障占总故障的70.3%。中压真空断路器用途宽广, 应用领域遍及电力、冶金、石化、交通、建筑等, 而永磁操作机构因其特有的小型化、高可靠性、免维护、长寿命、安装调试方便等优势会逐渐替代传统的操作机构, 成为电器制造企业和运行部门的热点。

5 结语

(1) 永磁操动机构是现有机构中操作和寿命特性与真空断路器最匹配的机构。可以与真空灭弧室直接连接不需要复杂的中间传动连接, 减少了零部件数量, 提高了机构的结构刚性, 有助于减小触头弹跳, 提高了分合闸速度, 配置电子控制系统可实现真空断路的全部功能。

(2) 永磁机构采用了全新的工作原理和结构, 具有其它技术无法比拟的独特之处。随着机械设计、电子控制、计算机辅助、光纤通讯等新技术的快速发展以及理论系统的完善, 以及永磁材料性能的不断提高和价格的逐步降低, 永磁操动机构必将获得越来越广泛的应用。

摘要：介绍中压真空断路器中永磁操动机构的工作原理, 分析永磁操动机构的特性, 阐述了永磁操动机构在中压真空断路器上的应用。

关键词：永磁操动机构,真空断路器,特性

参考文献

[1]付万安, 宋宝韫.高压断路器永磁操作机构的研究[J].中国电机工程学报, 2000, 20 (8) .

DQV中压智能断路器研发设计 篇4

在建设统一坚强智能电网的大背景下, 作为输配电设备核心部件之一的真空断路器, 如何满足智能电网的要求, 已成为各研究机构和制造厂商共同关注的热点问题。大全集团有限公司研制出DQV-12中压真空断路器, 产品集电压、电流互感器为一体, 具有以下特点:

(1) 可实时检测一次电压、电流情况;

(2) 可实时检测断路器机械特性, 了解断路器触头压力、分合闸速度等工作状态;

(3) 可对关键部位进行温度检测, 防止出现温升超标的现象。

根据有关文献资料记载, 中压断路器发生故障的主要原因有开断失败、温升超标引起的烧毁、机构的拒分拒合、绝缘击穿等。而其中有80%以上都是因为断路器的机械故障和温升而引起的。DQV-12中压真空断路器通过以上功能的增加和实施, 可以针对异常情况及时发出警报信号, 避免运行事故发生, 确保开关安全可靠运行。本项目的实施可以提高断路器的预知功能, 及时采取相应措施, 避免事故扩大化, 保障系统安全, 因此具有重要意义。

2 产品介绍

2.1 电子式电压、电流互感器

该电子式电流、电压互感器主要用于户内10kV电压等级, 测量一次电流、电压, 输出信号供数字化计量、测控及继电保护装置使用。具有如下特点。

(1) 电流、电压互感器均为优良的环氧树脂材料浇注而成的全封闭结构, 互感器具有绝缘强度高、机械性能好、防火、防潮等优良特性;

(2) 电流传感器采用空心线圈, 电流测量精度高、动态范围大、暂态特性好;

(3) 电压传感器采用串联感应分压原理, 电压测量精度高、稳定性好;

(4) 互感器二次信号可就地传送给合并单元或远端就地采集模块, 简化了系统结构, 减少了误差源, 提高了整个系统的稳定性和准确度, 也方便与保护装置接口;

(5) 合并单元或远端就地采集单元通过光纤可方便的将测到的电流或电压信号传送或分发各给保护装置, 且信号抗干扰能力强。

该装置的实施对成套柜小型化的发展提供了广阔的空间, 下图为常规成套柜使用的电压、电流互感器, 通过比较, 该装置与断路器的组合, 至少可以减少成套柜的体积20% (按常规成套柜使用电压、电流互感器各3只来计算) 。

外形尺寸 (长*宽*高) 320*148*230

2.2 机械特性在线检测

2.2.1 目前中压断路器机械特性在线检测主要存在的问题:

(1) 传感器:真空断路器操作机构操作次数多达10000次, 机械震动较大且频繁, 目前还没有较为理想的位移传感器既能安装方便、运行可靠, 又能真实准确的检测行程信号。

(2) 抗干扰问题:由于断路器内部装有多个电子式互感器、传感器等, 现场运行环境有高电压、强磁场、机械震动以及周围环境的影响, 因此, 必须采取有效措施。

2.2.2 采取的措施

(1) 传感器的选取

对机械特性的在线检测的数据采集部分来讲, 最重要的是对合、分闸过程中动触头在各个时刻的位置的检测。主体要求是:在不改变断路器主体结构以及带电的条件下, 既不影响机构原有的机械特性和绝缘性能, 又要便于安装。因此对断路器触头行程的测量, 最直接的方法就是在和动触头连接的绝缘拉杆处安装直线位移传感器。但对于大部分中置式断路器而言, 由于下部安装有手车推进、退出装置, 空间有限。10KV真空断路器触头行程大约在15mm左右, 根据传感器区间选择10mm~25mm有效行程, 传感器在长度上至少也要100mm以上, 因此在空间安装上比较困难。因此本项目选取的是深圳米朗科技的M2500系列角度传感器, 外形尺寸是Φ27mm, 长度27mm, 体积较小, 与断路器主轴同心安装, 同时又远离带电部位, 机械震动也小。我们可以根据机械传动原理, 轻易算出主轴转动与触头直动之间的对应关系, 从而得知断路器动触头在各个时刻的状态, 及时做出判断。以下是该角度传感器的技术参数:

从上表可以看出, 该传感器能完全满足中压断路器的使用要求。

(2) 抗干扰设计

由于电子式传感元件的电子线路处于高压端, 电磁环境复杂, 外界的电磁干扰信号比较强, 干扰源较多, 因此在本项目中我们采用屏蔽技术来阻挡或减少电磁辐射干扰能量传输。所谓屏蔽是指采用导电或导磁体的封闭面将其内外两侧的空间进行电磁性隔离, 将从一侧空间向另一侧空间传输的电磁能量抑制到了极小量, 从而达到减弱外部干扰信号的效果。

在电子式互感器的设计中采用浮地技术, 将信号处理的抗干扰接线接在一个公共屏蔽层, 尽量减少电源线同机壳之间的分布电容, 可以使得在电磁干扰作用时, 工作电源同机壳的电位同步浮动, 大大降低了干扰造成的流过电源的浪涌电流, 从而增加了抗共模干扰的能力。

在开关量通道上采用隔离技术设计将控制系统和外围接口进行隔离。由于光电耦合器的输入阻抗小, 在电流状态下工作, 输入、输出回路间分布电容小, 因此, 能有效地抑制尖峰脉冲以及各种干扰, 本项目中采用的是光电耦合器TLP521, 有效地防止了外界干扰窜入到数字系统。

2.3 温升在线检测

DQV真空断路器本体采用固封极柱技术, 取消了传统的下支架设计, 直接通过软连接将真空灭弧室与下出线座相连接, 结构简单、连接可靠, 发热量均能满足使用要求。但它与成套柜是通过动、静触头相连接的, 随着断路器推进、退出次数的增加, 动静触头之间会出现磨损, 导致触头压力值发生变化, 从而影响回路电阻值, 因此该部位的温升是薄弱点。

对动静触头处的温度采集有2种方式:接触式测量和非接触式测量。接触式测量所用到的传感器价格低廉、结构简单, 但是需要与断路器触头附件的带电部位相接触, 会给测量装置引入高电压绝缘问题。因此在本项目中, 为避免测量装置的高电压绝缘问题, 我们选用了红外温度传感器进行非接触式测量。红外温度传感器原理是通过接受测量物体的电磁辐射, 将辐射波长的变化转化为模拟电信号输出, 体积小, 结构简单, 不会对断路器本体产生影响。

3 结语

智能断路器在中压领域还不是很普及, 主要是因为传感器单元、智能模块的加入首先会导致断路器成本成倍增加, 其次也会增加不确定因素, 如传感器精度偏差反而会误报警等。因此, 我们在发展智能断路器的同时也应花大力气提高这些辅助元件的可靠性, 更应该提高断路器本身的可靠性。

参考文献

[1]雷争鸣.高压断路器在线检测技术的探究;韩军.中国科技投资, 2012年24期

[2]史宗谦, 贾申利, 荣命哲.断路器机械特性的在线监测和故障预测, 2000