淺談10kV柱上永磁真空斷路器中的關鍵技術

摘 要：文章首先對10kV永磁柱上真空斷路器在配電網中的發展現狀進行回顧，并逐一分析了在電網中柱使用的多項優點。其次，分別從10kV永磁柱上真空斷路器中的幾項關鍵性技術：永磁操動機構，真空滅弧裝置，基于DSP的智能控制器，論述了其技術原理和其使用情況，并詳細闡述了柱上斷路器作為新時期電網斷路設備的優勢及發展前景，另外文章還詳細介紹了DSP微處理器的工作原理及適用條件。最后，文章通過和現有技術的對比，對10kV柱上永磁真空短路器的技術進行了總結和展望。

關鍵詞：柱上斷路器；永磁操動；智能控制

1 概述

隨著我國各區域經濟的高速發展，在用戶用電量持續不斷增加的同時，也提出了電網可靠性和供電質量方面更高的要求；配電網中柱上斷路器在聯絡、分段和支線中的廣泛應用，為提高供電可靠性做出了巨大貢獻。目前的10kV中壓配電網絡中，柱上斷路器已逐漸取代隔離開關，并在轉型成為智能電網的過程中發揮著積極的作用。與傳統的隔離開關相比，柱上斷路器可以在有載情況下進行操作，觸頭一般在高真空環境中，或者在絕緣介質內，具有滅弧功能。同時，其還具有保護功能，在系統發生故障時允許設備進行分離動作。而隔離開關一般是無載操作，具有明顯的斷開電路的可見點，斷開電路的部分一般沒有絕緣介質，也沒有高真空的環境，一般都是在普通的大氣狀態下，其體積也更大，同一電壓等級和電流的設備都要占用更大的區域。使用柱上斷路器能夠擴大故障時的停電范圍，能夠使其在故障點直接進行帶負荷斷電操作，完成更加精準的停電工作。由于其獨特的優勢，目前柱上斷路器在中壓領域內歐美等發達國家使用比率已高達60%。目前市南電力集團閔行分公司采用了FZW32E-12型智能戶外真空斷路器，該產品采用全新設計的永磁操動機構，開斷性能可靠，滿足公司配電網改造要求。

2 10kV永磁柱上真空斷路器系統原理

柱上斷路器的分類有很多種，這里選取了目前較為流行的中壓10kV戶外永磁斷路器作為文章的主要研究對象。10kV柱上永磁斷路器結構如圖1所示，其主要有以下幾部分所組成：隔離開關、真空滅弧室、控制箱、永磁操動機構、互感器等。

隔離開關（俗稱閘刀）在真空斷路器中起著指示和保護的雙重作用，其作用是給操作人員制造一個可見的間斷點。真空滅弧室是斷路器的最重要的組成部分之一，起到滅弧的作用，是柱上斷路器的重要組成部分。互感器指的是變壓器互感器和電流互感器，而永磁機構所組成的保護機構是各部件中必不可少的組成部分，是斷路器的關鍵部件，負責將電磁能轉化為動能，負責執行整個斷路器輸控信號，信號源的斷路器控制箱與柱上斷路器主體形成操動運作的結構。斷路器和控制器通常使用多芯通信電纜連接輔助開關，在指示部分沒有機械結構和電氣控制線路，能夠起到安全和短路斷指示作用。

3 10kV永磁真空斷路器中的幾項關鍵技術

3.1 真空滅弧室

柱上斷路器中包含真空滅弧室，真空滅弧室是通過真空管進行工作的，使用一對觸點來實現線路的接通與斷開同時周圍也有較好的絕緣環境。它的工作原理如下：當滅弧室觸頭發生動作時，此刻分離的靜態和動態接觸電流大幅聚焦到點的接觸，此刻觸頭的在電極之間形成巨大的電阻。觸電間的溫度急速上升，電極上的金屬被蒸發。在擊穿電場之間形成接觸間隙，并形成真空電弧。隨著電極間的間隙越來越大，間隙之間最終變成了絕緣環境。這樣就在同時完成了觸點的分離。

3.2 永磁操動機構

操動結構的關鍵部件是真空斷路器，也是真空斷路器的發展的關鍵點之一。早期的真空斷路器，配有電磁操動機構，結構簡單、部件數量相對較小，相對較為可靠，低制造成本也比較低，但由于使用需要配備電池作為直流電源設備、日常維護成本和投資較高，已被逐漸淘汰。在20世界90年代初，電動彈簧操動機構得到了國外廣泛認可，因為其不需要很多電池供電，使用也比電磁操動機構更靈活。電動彈簧操動機構結構復雜，并依賴于連桿、鎖定蓄能彈簧來實現操作的功能，而且環節多，結構分散，導致其控制不良。電動彈簧機構、需要加工精度高、制造工藝復雜，生產成本高，很難達到所需的級別要求。

3.3 基于DSP芯片的智能控制器

數字信號處理：

數字信號處理是一種真實的信號（稱為連續信號的技術術語）轉換成計算機可以在過程中處理的信息。這些信號通過模擬-數字轉換的過程（簡稱AD），轉換為數字信號到計算機上的，使計算機能夠成功識別。完成處理后，再將結果返回（稱為DA）的模擬信號的信號轉型的過程。使用通用微處理器可以在一般的使用條件下，完成這項工作，但它所面臨的問題是，如果要達到非常高的速度、通用的微處理器一般很難保證。

DSP微處理器具有很高的處理速度。因為使用條件決定了這些處理器都必須有很高的即時性。如通過電話呼叫，如果處理速度將不得不等待對方完成，和另一方主動發起呼叫。如果兩個同時調用，那么數字信號處理速度會出現不足，只能關閉信號連接。

4 結束語

通過以上的研究，我們可以發現，柱上斷路器包含了機械設計、高級語言編程、計算機測控、材料科學等多項先進技術，隨著這些領域的科學技術水平的不斷發展和提高，柱上斷路器研究正向著橫向和縱向不斷地發展。目前又出現了如非均勻縱向磁場滅弧室技術、雙穩態永磁操動機構等最新技術，其突出的優勢和更加穩定的運行可靠性越來越明顯，越來越受到電力部門和廣大用戶的認可，發展前景十分廣闊。相信在我們的共同努力下，越來越多先進設備將會投入到智能電網建設當中去，我國的電力建設事業也一定會有一個美好的明天！

參考文獻

[1]孫熙.10kV真空斷路器技術的新發展[J].供用電，2006.

[2]張鳳龍.12kV戶外永磁智能型真空斷路器的研究與實現[D].遼寧工程技術大學，2011.

[3]朱健.基于DSP智能斷路器控制單元的研究與設計[D].揚州大學，2013.

[4]鄭義.面向智能供配電網的斷路器控制器研究與設計[D].東南大學，2012.

[5]莊雄峰，李玲.柱上管理器的管理和使用[J].科技視界.

作者簡介：吳嘉軼（1987，1-），男，漢族，上海市，本科，電氣工程及其自動化專業，線纜班施工員。