礦用固封式真空斷路器的研究

鄔曉璐

（大同煤礦集團機電裝備科工安全儀器有限責任公司, 山西 大同 037000）

引言

目前，煤礦井下中高壓真空配電裝置存在分斷時間較長的問題，一旦發生線路短路故障，極可能引起較大的安全事故。礦用固封式真空斷路器作為煤礦隔爆型高壓真空配電裝置控制和保護的主要執行元件，其性能好壞影響著井下電網的安全和穩定[1]。

1 固封式真空斷路器結構特點及工作原理

固封式真空斷路器結構簡單，主要由真空滅弧室、永磁操作機構、絕緣連接桿、分閘與合閘彈簧、二次控制等部件組成[2]。在煤礦工作過程中的工作原理為：當系統處于分閘或短路狀態時，觸頭由于操作機構作用向下發生運動，并在分離時產生電弧。觸頭間隙在真空滅弧室高真空度作用下產生縱向磁場，保證了電弧的均勻性和低電壓范圍；當電弧電流出現過飄零時，殘留的離子、電子在磁場作用下凝聚在觸頭表面和屏蔽罩上，滅弧室斷口的絕緣強度的快速恢復，使電弧熄滅，達到分斷目的。

2 固封式真空斷路器真空滅弧室性能分析

真空滅弧室是真空斷路器的重要組成部分，主要由動導電桿、靜導電桿、波紋管、屏蔽筒、觸頭系統等部件組成[3]，采用先進的固封極柱式絕緣結構，與傳統的復合絕緣、空氣絕緣相比具有如下特點。

2.1 絕緣性穩定

由于真空滅弧室外側是通過環氧樹脂固體材料進行包裹，可防止煤塵、潮氣等因素對真空滅弧室的影響；同時，環氧樹脂的絕緣強度是空氣的5-6倍，縮小了相間距的距離，保證了該結構具有相對較穩定的絕緣性。

2.2 高可靠性

隨著技術水平的提高，現有的真空滅弧室與傳統組裝式極柱相比，整體結構的導體搭接面、零部件、連接用緊固件等均有大幅度的減小，簡化了系統結構及主回路的裝配環節設計，增加了結構的安全保護性，降低了電阻值，從而提高了主回路連接的可靠性，降低了結構的維修成本。

2.3 高強度性

真空滅弧室主要采用環氧樹脂一次澆注成型，具有較強的結構強度，可作為真空滅弧室的主絕緣體和機械支撐體，可為真空滅弧室提供更加充分的結構保護，增加了整體結構的防撞能力。

3 固封式真空斷路器不同類型操作機構性能分析

操作機構作為真空斷路器的重要組成部分，選擇合適類型的操作機構，將直接影響真空斷路器對煤礦隔爆型高壓真空配電裝置的控制和保護功能。根據操作機構結構特點和使用功能，將固封式真空斷路器操作機構分為永磁操作機構、彈簧操動機構、電磁操動機構等類型[4]。

3.1 永磁操作機構性能分析

永磁操作機構采用一種全新的工作原理和結構形式，是繼液壓、電氣機構及彈簧之后發展起來的真空斷路器操作機構，與傳統操作機構相比，具有結構簡單、機械部件少、累計運動公差小等優點；同時，該機構無須機械脫、鎖扣裝置，傳動過程簡單，零部件數量較少，整體機械壽命較長，超過了10萬次。永磁操作機構主要用于高壓真空斷路器的永磁保持，其性能的優劣決定著高壓斷路器分合動作的執行情況、工作性能及可靠性[5]。通過永磁材料實現真空斷路器合閘與分閘位置的保持，達到整個結構的高可靠性和頻繁操作，適用于各類惡劣環境場所的穩定操作，目前已在真空斷路器中廣泛應用。

3.2 彈簧操作機構性能分析

彈簧操作機構利用自身儲能的彈簧力作為驅動力，驅動開關進行分閘或開閘，也可采用小功率直流電機進行驅動，在驅動過程中，不受電源電流、電壓或液壓等外界因素影響，合閘速度相對較快，可快速完成合閘的重復操作，具有操作方便、機構成本低等優點，是真空斷路器中常用的一種操作機構。

3.3 電磁操作機構性能分析

電磁操作機構又稱磁操作機構，主要利用合閘線圈中的電流產生電磁力驅動合閘鐵芯撞擊合閘四連桿機構進行合閘的操作機構，其合閘能量完全取決于合閘電流的大小，具有機構簡單、可靠性高、制造成本低等優點。但由于合閘線圈消耗的功率太大，需要配備價格昂貴的蓄電池，整體結構笨重，動作時間較長。

3.4 不同操作機構性能對比（見表1）

表1 真空斷路器不同操作機構性能對比表

4 VEG型固封式真空斷路器的設計應用

結合分析選用永磁操作機構，針對VEG型固封式真空斷路器，結合企業實際產品數據，確定了其性能指標，并成功應用到了煤礦井下環境中[6]，其主要性能參數如表2所示。

由表2可知，VEG型固封式真空斷路器具有分斷速度快、額定電流大、可靠性高、維修成本低等優點，可將分斷時間降低至10 ms范圍內，保證了煤礦井下供電的連續性。同時，該設備的額定短路關合和開斷電流均有所提高，提高了真空斷路器的開斷能力。另外，額定電流和設備容量也隨著開采量的增加而呈現變大趨勢，符合礦下電器設備的發展趨勢。因此，所設計選用的VEG型固封式真空斷路器能夠滿足煤礦井下環境的實際需求。

表2 VEG型固封式真空斷路器主要性能參數表

5 結論

1）永磁操作機構為性能較好且應用較廣的操作機構。

2）選用VEG型固封式真空斷路器，有效解決了煤礦井下中高壓真空配電裝置分斷時間較長的問題。

3）該研究為煤礦企業提供了參考依據，對減小井下事故隱患、提高煤礦電網可靠性和保障人員安全具有重要意義。