關(guān)于永磁真空斷路器的應(yīng)用

張惠軍 馬文清

1金山熱電廠；2內(nèi)蒙古第一電力建設(shè)工程公司

關(guān)于永磁真空斷路器的應(yīng)用

張惠軍1馬文清2

1金山熱電廠；2內(nèi)蒙古第一電力建設(shè)工程公司

目前常用的真空斷路器一般均采用彈簧儲能操作機構(gòu)代替了以前的電磁操作機構(gòu)，但由于彈簧儲能操作機構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、零件較多，使機構(gòu)故障成為斷路器故障的主要原因。永磁機構(gòu)的出現(xiàn)，克服了彈簧儲能操作機構(gòu)這一缺點，使斷路器的使用更加安全穩(wěn)定。

永磁；斷路器；應(yīng)用

引言

世界第一臺真空斷路器是美國GE公司于1961年研制成功的, 由于其采用了真空滅弧的特性，使斷路器結(jié)構(gòu)變得簡單，體積減小，產(chǎn)品得到迅速地推廣和發(fā)展。隨后，在國際上逐漸形成了以ABB公司的VD4，德國西門子的3AF、3AG及3AH、日本三菱電機VRP、施耐德EV12S為主的一系列國際品牌。在我國電力工業(yè)上,真空斷路器也逐漸取代了少油斷路器。同時真空斷路器的生產(chǎn)在引進技術(shù)的基礎(chǔ)上，產(chǎn)品逐漸國產(chǎn)化，形成以VS1(ZN63A)、.ZN28等為主的一系列品牌產(chǎn)品。

1 存在的問題

由于現(xiàn)代科技的高速發(fā)展，觸頭的結(jié)構(gòu)和材料不斷研制，使真空滅弧室的性能和開斷能力有了很大的提高，同時滅弧室用環(huán)氧樹脂完全澆注成一體這一固封化技術(shù)的使用，使斷路器真空滅弧室的故障率不斷地減少，其電壽命得到充分保證。而在此同時，與之配合的操作機構(gòu)的機械壽命及可靠性就成了影響真空斷路器的突出問題。目前，真空斷路器75%以上的故障出自于操作機構(gòu)上。

斷路器觸頭的分、合動作全是通過操動機構(gòu)來實現(xiàn)的，因此操動機構(gòu)的工作性能和質(zhì)量的好壞，嚴重影響著斷路器的工作性能和可靠性。目前常用的操作機構(gòu)大多是彈簧儲能機構(gòu)，它是利用已儲能的彈簧為動力使斷路器動作的操動機構(gòu)。彈簧儲能是由電動機通過減速裝置來完成。整個操動可分為彈簧儲能、合閘、合閘維持和分閘四個過程。但缺點是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，零件數(shù)量多(約為200個)，且要求加工精度高，制造工藝復(fù)雜，成本高，機構(gòu)的可靠性不易保證。

電磁操動機構(gòu)的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，但其缺點是合閘線圈消耗的功率太大，觸頭的壓力較小，加上機構(gòu)的笨重，振動大，動作時間較長，要求用戶配備價格昂貴的蓄電池組等。

2 永磁操作機構(gòu)結(jié)構(gòu)及原理

在1989年英國曼徹斯特大學(xué)系統(tǒng)與能量組設(shè)計出了第一臺永磁操動機構(gòu)模型起，永磁操動機構(gòu)就成了世界各國開發(fā)的熱點。永磁操動機構(gòu)的顯著優(yōu)點是：結(jié)構(gòu)簡單零部件少，可靠性高及操作能耗小。

永磁操作機構(gòu)是在電磁操作機構(gòu)上進行研制的，是將永久磁鐵應(yīng)用于操動機構(gòu)中，取代了傳統(tǒng)的鎖扣裝置。ABB公司，在1997年開發(fā)了一種新型利用永磁操動機構(gòu)的VM1型真空斷路器。操動機構(gòu)是永磁方形雙線圈結(jié)構(gòu)，這種真空斷路器分合閘位置的保持是通過永久磁體來實現(xiàn)的機構(gòu)，稱為雙穩(wěn)態(tài)永磁機構(gòu)。

而只有合閘位靠永磁體來實現(xiàn)的機構(gòu)稱為單穩(wěn)態(tài)永磁機構(gòu)。其機構(gòu)的特點是：合閘、合閘保持和分閘的磁路是分開的，只有合閘位置靠永磁體保持，機構(gòu)的終止位置是分閘位置，分閘操作僅靠開關(guān)觸頭的彈簧力和分閘彈簧力，通過合閘線圈使之釋放能量。

圖1 永磁斷路器總裝圖

圖2 永磁操作機構(gòu)圖

我們就以雙穩(wěn)態(tài)機構(gòu)說明永磁機構(gòu)的工作原理，其結(jié)構(gòu)如圖：緣拉桿 7 主軸 8 行程調(diào)節(jié)器 9 開關(guān)位置檢測傳感器子 10 合閘線圈 11 永鐵芯 12 動磁鐵 13 分閘線圈 14 手動緊急分閘裝置 15 永磁機構(gòu)外殼 16扭簧 17螺母 18合閘導(dǎo)向桿 19限位塊20合閘導(dǎo)向桿 21分閘導(dǎo)向桿

工作原理：

當(dāng)機構(gòu)接到合閘命令時，合閘線圈10通過電流，產(chǎn)生磁場，在磁路上部抵消了永久磁鐵11的磁力而使動鐵芯12向下運動。當(dāng)運動到約一半行程后，由于下部氣隙減小，永久磁鐵11磁力線轉(zhuǎn)移到下部，形成了合閘線圈磁場與永磁磁場同向的情況，進而使動鐵芯12加速向下運動，使合閘導(dǎo)向桿18、19向下運動，通過主軸7,帶動絕緣拉桿6向上運動使斷路器達到合位。當(dāng)合閘電流消失后，永久磁鐵11仍將動鐵芯12保持在合位的穩(wěn)態(tài)位置。在動作過程中，永久磁鐵的磁力線在動鐵芯中既可向上走，也可向下走，它總是隨著上下部氣隙大小而改變方向，這使合斷路器后行程得到了加速, 同時永久磁鐵11在行程完成后將動鐵芯牢固地吸在分或合的位置。分閘過程與上述情況相反。這樣,機構(gòu)在控制線圈不通電流時它的動鐵心有兩個穩(wěn)定工作狀態(tài)，(合閘和分閘)。也稱雙穩(wěn)態(tài)電磁機構(gòu)。

如遇緊急情況，可用手動緊急分閘裝置14強行將動鐵芯往上拉，進行手動緊急分閘。

機構(gòu)中的永磁材料采用釹鐵硼，其具有磁性能高、穩(wěn)定可靠、耐高溫及耐沖擊等特點，磁體磁性能非常穩(wěn)定，線圈產(chǎn)生的磁場遠不能使永久磁鐵退磁?？顾p性能強。

控制原理：

（1）、信號處理單元：是機構(gòu)邏輯控制的核心，它接受各種電信號，如斷路器的關(guān)合指令、關(guān)合狀態(tài)、輸入輸出電壓及指令控制單元的外部控制指令等，通過邏輯判斷發(fā)出相應(yīng)的指令，包括給出防止斷路器“跳躍”的閉鎖措施。如遇系統(tǒng)發(fā)生短路、過電流、欠壓等故障，它發(fā)出故障信號和相應(yīng)指令。

同時進行輸入輸出電壓的檢測，保證以穩(wěn)定的電壓向電容器充電，充電放電過程控制均由該裝置完成。

（2）、控制單元：接受信號處理單元的指令，對電容器組進行充放電，并對電容器組狀態(tài)信息反饋給信號處理單元。

（3）、電容器組：是斷路器分合閘的儲能單元，直接供給分合閘線圈電源。其特點是充電電流小(2A以內(nèi))，時間短（10s以內(nèi)），對濾波、穩(wěn)壓要求不高，還能經(jīng)受短路的沖擊，可放電到任意電壓不受損害。

3、永磁操作機構(gòu)的特點及應(yīng)用

從永磁機構(gòu)的結(jié)構(gòu)上可看出，其元件極少，動作過程簡單，用其做的開關(guān)零件比彈簧機構(gòu)減少80%，從而保證運行中的故障率極低，基本可達到免維護。另外其壽命特長，超過十萬次。

隨著可編程元件技術(shù)的發(fā)展，及在信號處理單元上的應(yīng)用，永磁機構(gòu)斷路器其控制、保護可集中在斷路器上實現(xiàn)。

同時信號處理單元中電子同步控制器能利用同步過零技術(shù)分合斷路器的動作過程實現(xiàn)精確過零分合，防止在分合空載變壓器、電容器或空載線路時，可能產(chǎn)生幅值很高的涌流和過電壓，引起保護誤動和系統(tǒng)不穩(wěn)定。這是彈簧儲能機構(gòu)斷路器所不能完成的。

目前，國內(nèi)已具有生產(chǎn)永磁機構(gòu)的能力，并在中壓真空斷路器上得到成功的應(yīng)用。各個斷路器廠家，在使用傳統(tǒng)的彈簧儲能機構(gòu)的同時，紛紛也在采用不同的控制方法及手段實現(xiàn)向永磁機構(gòu)方向的發(fā)展。在與彈簧機構(gòu)并駕齊驅(qū)同時，逐步成為主流產(chǎn)品。

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.09.075