基于高速斥力機構(gòu)的72.5kV雙斷口真空斷路器研究綜述

秦立軍 湯卓凡

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基于高速斥力機構(gòu)的72.5kV雙斷口真空斷路器研究綜述

秦立軍 湯卓凡

（華北電力大學(xué)，北京 102206）

本文基于國內(nèi)外研究者的理論分析與實驗結(jié)果，提出分合閘性能良好的采用高速斥力機構(gòu)的72.5kV雙斷口真空斷路器設(shè)計方案。72.5kV真空斷路器利用H型結(jié)構(gòu)優(yōu)勢實現(xiàn)斷口均壓，由兩個40.5kV標(biāo)準(zhǔn)電壓真空滅弧室底部串聯(lián)構(gòu)成，采用一套永磁斥力操作機構(gòu)進行操作,該機構(gòu)由高速斥力和永磁保持操動機構(gòu)組成。在此基礎(chǔ)上制作了樣機，通過實驗驗證了該設(shè)計的優(yōu)越性。

雙斷口真空斷路器；斷口均壓；快速斥力永磁機構(gòu)；分合閘性能

我國電力系統(tǒng)的高速發(fā)展促進了高電壓等級的快速真空斷路器的開發(fā)與研制，特別是近年來高壓電網(wǎng)多電源無擾動快速切換裝置的研究應(yīng)用。石油化工等大型企業(yè)變電站對供電連續(xù)性和穩(wěn)定性要求很高，所以對備用電源切換裝置中斷路器的執(zhí)行機構(gòu)的動作速度、分合閘可靠性等提出了更高的要求。目前，在交流系統(tǒng)中，國內(nèi)外有關(guān)單位開發(fā)和研制110kV高壓真空快速斷路器已有進展，在真空滅弧室的分?jǐn)嘈阅芎蜋C構(gòu)設(shè)計等方面進行了相應(yīng)的研究工作。但基于高速斥力機構(gòu)的72.5kV雙斷口真空斷路器在國內(nèi)仍是空白，相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)備仍需要自主研制開發(fā)[1]。

斷路器斷口的擊穿電壓和斷口的間隙長度二者之間具有飽和效應(yīng)。當(dāng)斷口的真空間隙長度較長時，真空斷路器的耐壓等級并不能通過單純的加大真空間隙的長度來提高。把相對稍長的真空間隙分成幾個相對稍短的真空間隙，并把它們串聯(lián)起來，即可提高其耐壓等級，這實際上就是釆用多斷口真空斷路器的技術(shù)來獲得高電壓等級斷路器的基本依據(jù)。通過利用多斷口真空斷路器的有利優(yōu)勢，促進真空斷路器向更高電壓等級發(fā)展與應(yīng)用。

受雜散電容的影響，多斷口斷路器的各斷口的分壓并不是均勻的，近高壓側(cè)滅弧室承受的電壓要遠高于近地側(cè)滅弧室承受的電壓，近高壓側(cè)滅弧室會先發(fā)生重?fù)舸?，近地?cè)滅弧室因無法承受快速增加的恢復(fù)電壓而相繼擊穿，若此時近高壓側(cè)滅弧室的介質(zhì)強度來不及恢復(fù)，則斷路器開斷失敗，因此斷口均壓成為研究多斷口真空斷路器技術(shù)的關(guān)鍵。本文也討論了國內(nèi)外研究者對斷口均壓問題的處理方式。

本文提出了一種采用高速斥力機構(gòu)的新型72.5kV雙斷口真空斷路器的設(shè)計方案，該斷路器采用雙斷口形式，由兩個40.5kV標(biāo)準(zhǔn)電壓真空滅弧室底部串聯(lián)構(gòu)成，采用一套永磁斥力操作機構(gòu)。該機構(gòu)由高速斥力和永磁保持操動機構(gòu)組成，并在此基礎(chǔ)上制作了樣機，通過實驗驗證了該設(shè)計的優(yōu)越性。

1 72.5kV雙斷口高壓真空斷路器的理論基礎(chǔ)

1.1 真空間隙的耐壓飽和效應(yīng)

真空氣隙中的氣體分子微乎其微，真空氣隙的擊穿受多種因素的影響，其物理過程十分復(fù)雜[2]。擊穿電場強度和擊穿電壓與真空間隙長度之間的關(guān)系式[3]為

多斷口真空斷路器的擊穿電壓與真空間隙長度的函數(shù)關(guān)系式為

（3）

則多斷口真空斷路器的擊穿電壓增益倍數(shù)為

由式（2）、式（3）和式（4）可知，多斷口真空斷路器與單斷口真空斷路器相比，具有更高的耐壓等級。

多斷口快速真空斷路器具有以下優(yōu)勢：在電壓等級較高的交流系統(tǒng)中，若采用單斷口斷路器，則單斷口斷路器的真空間隙長；采用多斷口斷路器，可以使作用于每個斷口上的電壓減小，進而可以使每個斷口的弧隙恢復(fù)電壓減?。幌鄬τ谕妷旱燃壍膯螖嗫跀嗦菲鞫?，縮短了真空間隙的長度，操縱機構(gòu)分合閘行程縮短，斷路器的總的分閘時間減少，加快了介質(zhì)的恢復(fù)速度。

1.2 多斷口真空斷路器的動態(tài)絕緣特性

多斷口快速真空斷路器的動態(tài)絕緣特性，主要包括斷路器在進行大電流開斷后各個斷口的介質(zhì)強度恢復(fù)能力和弧后重?fù)舸┨匦浴?/p>

文獻[3]通過斷路器開斷性能試驗，得出雙斷口快速真空斷路器的開斷性能比單斷口快速真空斷路器的開斷性能好。文獻[4]討論分析了把兩個24kV快速真空滅弧室進行串聯(lián)，分析了其運行時的實驗結(jié)果，發(fā)現(xiàn)雙斷口快速真空斷路器與單斷口快速真空斷路器的開斷性能相比提高了1.3倍。

2 72.5kV雙斷口高壓真空斷路器的斷口均壓技術(shù)

受雜散電容的影響，多斷口斷路器的各斷口的分壓并不是均勻的。目前國內(nèi)外主要是通過增加裝設(shè)均壓電容器的途徑，從而提高多斷口快速斷路器的斷口電壓的均勻分布特性。

文獻[5]全面概述了增加裝設(shè)均壓電容器對多斷口快速真空斷路器開斷能力的提高帶來的積極影響和可能隨之引入的新的需要解決的負(fù)面問題，同時針對帶來的積極影響和新的需要解決的問題的產(chǎn)生原理進行了理論研究。提出了現(xiàn)存理論與實驗研究的某些局限性，同時給出了初步大致的分析結(jié)果。文獻[6]從理論和實驗兩方面論證了增加均壓電容帶來的負(fù)面效應(yīng)。

為了規(guī)避增加裝設(shè)均壓電容器引入的風(fēng)險，文獻[4]得到了一種新型的雙斷口斷路器的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，通過充分合理規(guī)劃利用斷口的結(jié)構(gòu)布置從而來優(yōu)化配置兩斷口的分壓。因為這兩個真空滅弧室斷口之間的連接距離很小，同時斷口相連接的位置距離接地處的距離很遠（一般來說超過1000mm），所以斷口相連接處的導(dǎo)體對地的分散電容可以忽略不計。其等值回路如圖1所示。

圖1中：為電源電壓；1、2為斷口電壓；d為斷口電容；0為對地電容，0為10～50pF，d為1000～2000pF?？芍@種結(jié)構(gòu)形式下，各斷口電壓基本相等，因為d遠遠大于0，可以將0忽略不計，則斷口電壓分布為1=2=/2，從而實現(xiàn)了斷口均壓，所以采用這種結(jié)構(gòu)形式的斷路器無需增設(shè)多余電容器就能實現(xiàn)各斷口均壓。

圖1 新型雙斷口真空斷路器等值回路

3 雙斷口高壓真空快速斷路器結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 72.5kV雙斷口高壓真空斷路器外觀結(jié)構(gòu)設(shè)計

雙斷口真空斷路器的外觀結(jié)構(gòu)設(shè)計時，一般會采用“H”型結(jié)構(gòu)和倒“A”型結(jié)構(gòu)。

倒“A”型快速真空斷路器的驅(qū)動機構(gòu)必須采用轉(zhuǎn)動部分才能將垂直移動的力轉(zhuǎn)向有一定角度的斜向力，既影響斷路器的開合速度，又影響操縱力的大小。而由本文第二章最后兩段分析可知，“H”型結(jié)構(gòu)能充分利用自身結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，實現(xiàn)各斷口均壓，所以72.5kV快速真空斷路器外觀采雙斷口的結(jié)構(gòu)形式，由兩個40.5kV標(biāo)準(zhǔn)電壓真空滅弧室底部串聯(lián)起來構(gòu)成一個72.5kV的開斷部件，兩個40.5kV標(biāo)準(zhǔn)電壓真空滅弧室采用一套斥力操作機構(gòu)，單相斷路器采用“H”型設(shè)計，如圖2所示。

圖2 單相快速真空斷路器外觀示意圖

圖2中、兩個尺寸按照72.5kV電壓等級設(shè)計，1與1是與72.5kV真空斷路器相匹配的驅(qū)動器尺寸，室外安裝要考慮密封性。綜合考慮相關(guān)電壓等級的絕緣標(biāo)準(zhǔn)，最終設(shè)計尺寸為=650mm，=1050mm，1=850mm，1=400mm。

3.2 72.5kV雙斷口高壓真空斷路器操動機構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計

1）操動機構(gòu)綜述

快速真空斷路器的主要性能直接呈現(xiàn)于斷路器的動靜觸頭的分閘、合閘動作時間和動作速度上。因此，操動機構(gòu)的性能好壞會直接影響高壓真空斷路器的工作穩(wěn)定性和可靠性[7-8]。

傳統(tǒng)的彈簧操動機構(gòu)主要是通過內(nèi)置彈簧的彈性性能，從而進行能量儲存，并不需要大功率的直流電源作為操作電源，但裝置的機械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，零部件多，生產(chǎn)成本高，精度低，可靠性不能保證；電磁式操動機構(gòu)機械結(jié)構(gòu)較為簡單，但為了提供較大的操縱動力，通常需要較大的牽引電磁鐵、電源裝置、大面積電纜，需要配備昂貴的蓄電池組，因此結(jié)構(gòu)笨重，動作時間長[9-12]。目前，采用渦流電磁斥力的原理的斷路器操動機構(gòu)的研究已有蓬勃發(fā)展之勢。采用這種方式的斷路器，可以在很短的時間內(nèi)完成快速驅(qū)動負(fù)載快速動作的要求。許多學(xué)者都在關(guān)注這一方面的研究。截至現(xiàn)在，世界上已有許多國家有了相應(yīng)的發(fā)展，特別是日本、德國等，利用電磁渦流斥力原理設(shè)計出了的一系列電壓等級的快速斷路器，同時也開發(fā)出了利用這一原理研發(fā)生產(chǎn)的相關(guān)產(chǎn)品。

2）72.5kV真空斷路器斥力機構(gòu)的組成

本文針對高壓斷路器的特點，對斥力操作機構(gòu)結(jié)構(gòu)進行設(shè)計及研究，提出了新的結(jié)構(gòu)方案，該斷路器的原理示意圖如圖3所示。

圖3 雙斷口真空斷路器斥力機構(gòu)示意圖

工作原理是：采取渦流電磁斥力作為操動機構(gòu)的動力來源，采取永磁機構(gòu)中的永磁體作為保持力來源。基本操動過程是：利用晶閘管來控制已經(jīng)充電的電容器向高速渦流斥力機構(gòu)的線圈放電，則線圈就可以產(chǎn)生瞬間變化的電磁場，銅盤則由于感應(yīng)效應(yīng)產(chǎn)生渦流形成反向的磁場，從而產(chǎn)生了推斥力，繼而帶動操縱機構(gòu)的連桿運動，最終帶動滅弧室的動觸頭進行相應(yīng)的動作。相對于傳統(tǒng)永磁機構(gòu)而言，采用高速渦流斥力機構(gòu)的斷路器的分合閘速度提高，運動精度更高，并且斥力機構(gòu)并不需要機械脫、鎖扣裝置，所以故障源很少，可以長時間安全可靠的運行。

圖3中各元件標(biāo)號如下：1為真空滅弧室；2為靜觸頭，是固定觸頭，用來連接或斷開電力線路；3為動觸頭；4為超程裝置，保證觸頭壓力及減小觸頭電阻；5為固定板，用來固定分、合閘線圈；6為分閘線圈，分閘勵磁線圈，發(fā)出分閘指令時通電與金屬斥力盤產(chǎn)生向下的斥力；7為金屬斥力盤，是金屬銅盤，與勵磁線圈產(chǎn)生向上或向下的斥力，起到推動動觸頭移動的作用；8為合閘線圈，即合閘勵磁線圈，用于發(fā)出合閘指令時通電與金屬斥力盤產(chǎn)生向上的斥力；9為動鐵心，即活動鐵心，與磁鐵一起起自保持作用；10為磁鐵，用來固定動鐵心。

本文通過對斥力結(jié)構(gòu)影響的主要因素的分析，并對樣機部件參數(shù)進行計算，特別對勵磁圓盤線圈的繞制方法和結(jié)構(gòu)進行了深入研究，最終設(shè)計出斥力機構(gòu)，相關(guān)設(shè)計參數(shù)見表1。

表1 設(shè)計參數(shù)表

3.3 72.5kV雙斷口真空斷路器性能試驗

1）分合閘動作時間測試

建立該樣機的分合閘動作時間測試平臺，進行分合閘動作時間測試試驗。進行合閘實驗時，示波器一通道記錄脈沖起動時間1，示波器另一通道記錄停止時間2，則合閘時間=2-1。進行分閘實驗時，示波器一通道記錄脈沖起動時間1，由于設(shè)置了斷路器常閉輔助觸點（設(shè)置分閘成功時操縱機構(gòu)的行程），示波器另一通道記錄停止時間2，所以分閘時間=2-1。

通過實驗，斷路器分閘時間為18ms，合閘時間為27ms。本文所設(shè)計的斷路器樣機分合閘速度快，操作機構(gòu)回路的設(shè)計滿足電容放電可以操作真空斷路器開、合一個周期的要求，斷路器能成功分合閘，分合閘能力良好。

2）機械特性試驗

采用圖4所示的實驗原理，建立該樣機的機械特性實驗平臺，即將直線位移傳感器的可動部分與斷路器的動導(dǎo)桿連接，并將電位器輸出電壓接至示波器，由輸出電壓的變化即可得到該斷路器行程變化與時間的對應(yīng)關(guān)系。

圖4 實驗原理圖

圖4中，滑動變阻器總長度為50mm；斷路器動導(dǎo)桿觸頭的行程范圍為20mm。經(jīng)過測試，得到斷路器的分合閘機械特性曲線，開關(guān)合閘從開始到穩(wěn)定一共經(jīng)歷了30ms，實際在27ms附近已經(jīng)有一次探底；開關(guān)分閘在18ms附近已經(jīng)探底，后來發(fā)生的跳躍使其到30ms穩(wěn)定。

該斷路器分合閘機械特性曲線不光滑，有若干個突起，說明本實驗樣機的制作工藝不完善，分合閘線圈產(chǎn)生的電磁場穩(wěn)定性相對較弱，所以需要進一步提高斷路器制作工藝以及進行相應(yīng)的型式試驗，確保有良好的穩(wěn)定性之后才能在實際電網(wǎng)中應(yīng)用。綜上所述，本文所設(shè)計的斷路器分合閘動作時間短，機械性能良好，在該電壓等級下能迅速成功分合閘，具有一定的優(yōu)越性。

4 結(jié)論

本文提出了一種新型72.5kV雙斷口高速真空斷路器的設(shè)計方案，采用“H”型結(jié)構(gòu)，基于高速斥力和永磁保持操動機構(gòu)，由兩個40.5kV標(biāo)準(zhǔn)真空斷路器串聯(lián)構(gòu)成。在此基礎(chǔ)上制作了樣機，該斷路器樣機分合閘速度快，分閘時間為18ms，合閘時間為27ms，斷路器在該電壓等級下能成功分合閘，分合閘機械特性良好，具有一定的優(yōu)越性。但該結(jié)構(gòu)斷路器只有在經(jīng)過型式試驗后方可在電網(wǎng)中得到推廣和應(yīng)用。

本文基于高速斥力機構(gòu)研究開發(fā)的72.5kV雙斷口高速真空斷路器，動作速度可完全滿足高壓電網(wǎng)電源無擾動快速切換裝置的高速要求，具有非常廣泛的應(yīng)用前景。

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Review of 72.5kV Double-break Vacuum Circuit Breaker with Rapid Repulsion Actuator

Qin Lijun Tang Zhuofan

(North China Electric Power University, Beijing 102206)

Based on the theoretical analysis and experimental results from researchers, the design of 72.5kV double-break vacuum circuit breakers with rapid repulsion actuator was presented. It uses H-type structural advantages to achieve voltage distribution. It is composed of two standard 40.5kV vacuum interrupter in series at the bottom, driven by a permanent magnetic rapid repulsion actuator and has a good opening and closing performance. The permanent magnetic rapid repulsion actuator includes rapid repulsion actuator and magnetic retentivity actuator, using their own structural advantages to achieve voltage distribution. On the basis above, we produced the prototype, and the superiority of the design was verified through the experiments.

double-break vacuum circuit breakers; voltage distribution; permanent magnetic rapid repulsion actuator; opening and closing performance

秦立軍（1962-），男，教授，研究方向為繼電保護、變電站綜合自動化技術(shù)，配電自動化技術(shù)。