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(chǔ)能操作機(jī)構(gòu)代替了以前的電磁操作機(jī)構(gòu)，但由于彈簧儲(chǔ)能操作機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、零件較多，使機(jī)構(gòu)故障成為斷路器故障的主要原因。永磁機(jī)構(gòu)的出現(xiàn)，克服了彈簧儲(chǔ)能操作機(jī)構(gòu)這一缺點(diǎn)，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(tái)真空斷路器是美國(guó)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(jiǎn)單，體積減小，產(chǎn)品得到迅速地推廣和發(fā)展。隨后，在國(guó)際上逐漸形成了以ABB公司的VD4，德國(guó)西門(mén)子的3AF、3AG及3AH、日本三菱電機(jī)VRP、施耐德EV12S為主的一系列國(guó)際品牌。在我國(guó)電力工業(yè)上,真空斷路器也逐漸取代了少油斷路器。同時(shí)真空斷路器的生產(chǎn)在引進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，產(chǎn)品逐漸國(guó)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(wèn)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(kāi)斷能力有了很大的提高，同時(shí)滅弧室用環(huán)氧樹(shù)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(shí)，與之配合的操作機(jī)構(gòu)的機(jī)械壽命及可靠性就成了影響真空斷路器的突出問(wèn)題。目前，真空斷路器75%以上的故障出自于操作機(jī)構(gòu)上。

斷路器觸頭的分、合動(dòng)作全是通過(guò)操動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因此操動(dòng)機(jī)構(gòu)的工作性能和質(zhì)量的好壞，嚴(yán)重影響著斷路器的工作性能和可靠性。目前常用的操作機(jī)構(gòu)大多是彈簧儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)，它是利用已儲(chǔ)能的彈簧為動(dòng)力使斷路器動(dòng)作的操動(dòng)機(jī)構(gòu)。彈簧儲(chǔ)能是由電動(dòng)機(jī)通過(guò)減速裝置來(lái)完成。整個(gè)操動(dòng)可分為彈簧儲(chǔ)能、合閘、合閘維持和分閘四個(gè)過(guò)程。但缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，零件數(shù)量多(約為200個(gè))，且要求加工精度高，制造工藝復(fù)雜，成本高，機(jī)構(gòu)的可靠性不易保證。

電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但其缺點(diǎn)是合閘線圈消耗的功率太大，觸頭的壓力較小，加上機(jī)構(gòu)的笨重，振動(dòng)大，動(dòng)作時(shí)間較長(zhǎng)，要求用戶配備價(jià)格昂貴的蓄電池組等。

2 永磁操作機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)及原理

在1989年英國(guó)曼徹斯特大學(xué)系統(tǒng)與能量組設(shè)計(jì)出了第一臺(tái)永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)模型起，永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)就成了世界各國(guó)開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)。永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的顯著優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單零部件少，可靠性高及操作能耗小。

永磁操作機(jī)構(gòu)是在電磁操作機(jī)構(gòu)上進(jìn)行研制的，是將永久磁鐵應(yīng)用于操動(dòng)機(jī)構(gòu)中，取代了傳統(tǒng)的鎖扣裝置。ABB公司，在1997年開(kāi)發(fā)了一種新型利用永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的VM1型真空斷路器。操動(dòng)機(jī)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(guò)永久磁體來(lái)實(shí)現(xiàn)的機(jī)構(gòu)，稱(chēng)為雙穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)。

而只有合閘位靠永磁體來(lái)實(shí)現(xiàn)的機(jī)構(gòu)稱(chēng)為單穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)。其機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)是：合閘、合閘保持和分閘的磁路是分開(kāi)的，只有合閘位置靠永磁體保持，機(jī)構(gòu)的終止位置是分閘位置，分閘操作僅靠開(kāi)關(guān)觸頭的彈簧力和分閘彈簧力，通過(guò)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(jī)構(gòu)圖

我們就以雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)說(shuō)明永磁機(jī)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(kāi)關(guān)位置檢測(cè)傳感器子 10 合閘線圈 11 永鐵芯 12 動(dòng)磁鐵 13 分閘線圈 14 手動(dòng)緊急分閘裝置 15 永磁機(jī)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(jī)構(gòu)接到合閘命令時(shí)，合閘線圈10通過(guò)電流，產(chǎn)生磁場(chǎng)，在磁路上部抵消了永久磁鐵11的磁力而使動(dòng)鐵芯12向下運(yùn)動(dòng)。當(dāng)運(yùn)動(dòng)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(chǎng)與永磁磁場(chǎng)同向的情況，進(jìn)而使動(dòng)鐵芯12加速向下運(yùn)動(dòng)，使合閘導(dǎo)向桿18、19向下運(yùn)動(dòng)，通過(guò)主軸7,帶動(dòng)絕緣拉桿6向上運(yùn)動(dòng)使斷路器達(dá)到合位。當(dāng)合閘電流消失后，永久磁鐵11仍將動(dòng)鐵芯12保持在合位的穩(wěn)態(tài)位置。在動(dòng)作過(guò)程中，永久磁鐵的磁力線在動(dòng)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(shí)永久磁鐵11在行程完成后將動(dòng)鐵芯牢固地吸在分或合的位置。分閘過(guò)程與上述情況相反。這樣,機(jī)構(gòu)在控制線圈不通電流時(shí)它的動(dòng)鐵心有兩個(gè)穩(wěn)定工作狀態(tài)，(合閘和分閘)。也稱(chēng)雙穩(wěn)態(tài)電磁機(jī)構(gòu)。

如遇緊急情況，可用手動(dòng)緊急分閘裝置14強(qiáng)行將動(dòng)鐵芯往上拉，進(jìn)行手動(dòng)緊急分閘。

機(jī)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(diǎn)，磁體磁性能非常穩(wěn)定，線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)遠(yuǎn)不能使永久磁鐵退磁。抗衰減性能強(qiáng)。

控制原理：

（1）、信號(hào)處理單元：是機(jī)構(gòu)邏輯控制的核心，它接受各種電信號(hào)，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(guò)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(guò)電流、欠壓等故障，它發(fā)出故障信號(hào)和相應(yīng)指令。

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

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

（3）、電容器組：是斷路器分合閘的儲(chǔ)能單元，直接供給分合閘線圈電源。其特點(diǎn)是充電電流小(2A以?xún)?nèi))，時(shí)間短（10s以?xún)?nèi)），對(duì)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(jī)構(gòu)的特點(diǎn)及應(yīng)用

從永磁機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)上可看出，其元件極少，動(dòng)作過(guò)程簡(jiǎn)單，用其做的開(kāi)關(guān)零件比彈簧機(jī)構(gòu)減少80%，從而保證運(yùn)行中的故障率極低，基本可達(dá)到免維護(hù)。另外其壽命特長(zhǎng)，超過(guò)十萬(wàn)次。

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

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

目前，國(guó)內(nèi)已具有生產(chǎn)永磁機(jī)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(gè)斷路器廠家，在使用傳統(tǒng)的彈簧儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)的同時(shí)，紛紛也在采用不同的控制方法及手段實(shí)現(xiàn)向永磁機(jī)構(gòu)方向的發(fā)展。在與彈簧機(jī)構(gòu)并駕齊驅(qū)同時(shí)，逐步成為主流產(chǎn)品。

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.09.075