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類型分類：: 科普知識

數據分類：: 塑殼斷路器

中壓開關(斷路器)操作機構的可靠性分析

發布日期：2022-04-26 點擊率：167

斷路器是配電網絡關鍵電氣設備之一，它是對配電網運行狀態進行控制的唯一電氣設備，正常運行時，利用它可改變網絡結構，從而改變電能的供需聯系及實現網絡中某些電氣設備的投入及切除。更重要的是當網絡發生短路故障時，在繼電保護裝置的操縱下，可切除線路或電氣設備的短路故障，使供電系統的整體及電氣設備受到保護。為了提高配電網的可靠性，往往對重要線路和負載采用自動重合閘及備用電源自動投入技術，這些措施都必須通過斷路器的開合實現。因而斷路器是配電網絡實現綜合自動化，運動化及智能化的關鍵電氣設備。
　　　斷路器由三部分組成：斷路器本體、操作機構、電源。作為斷路器主要部件的斷路器本體，它的功能是切斷負載或短路電流。按其滅弧所采用的介質來分，可分為油斷路器，真空斷路器和無氟化硫（SF6）充電斷路器。操作機構的功能是通過電動方式或手動方式實現斷路器觸頭的開合及滿足觸頭開合特性的各種要求。因此，雖然操作機構在斷路器總造價中占較低的比率，但其時于斷路器的開合特性起著至關重要的位置。電源部件的功能是為斷路器以電動方式開合提供足夠的能源。
　　　真空斷路器和SF6充氣斷路器以其卓越的滅弧特性以及隨之而來的其它特性正取代油斷路器。就世界市場而言，歐洲和大部分中東國家傾向于SF6斷路器，中國、日本和美國確定無疑的傾向于真空斷路器；其它地區則對半地傾向于SF6和真空斷路器。至于油斷路器（包括多油和少油）在中國、東歐、印度和拉美一些國家還保留少部分，如在中國還有10%的市場份額，但這項技術很快會消亡，而完全被 SF6或真空斷路器取代。目前在中國市場，真空斷路器的份額已占到接近80％，再加上中國電力工業的飛速發展，真空斷路器的絕對市場份額是相當大的。
　　　就真空斷路器而言，目前真空技術已很“成熟”，世界上已經有了可斷開100KA短路電流的真空斷路器。因此，對配電網開關設備而言，人們關心的技術參數，已不是它的開斷容量，而更主要的是關注高可靠性和免維護設計。而對于真空斷路器而言，就目前的制造水平，包括我國自行設計和生產的產品，真空無弧室的可靠性已經達到相當高的水平，它的平均無故障時間已可達到250 年，然而在實際運行中，配電網開關設備的可靠性卻并不樂觀，遠遠低于真空無弧室已達到的可靠性水平。統計資料表明：設備故障中有70％——90％以上為操作機構的機械故障。傳統的真空斷路器，其操作機構主要是電動——彈簧儲能機構類型和電磁操作機構。對于機械電動——彈簧儲能機構，它所暴露出來的缺點是機械結構十分復雜，零件數量多，且要求加工精度高，制造工藝復雜，成本高，產品的可靠性不易保證。對于電磁操作機構，其結構復雜程度和工作可靠性比電動——彈簧儲能機構要有所改善，但其致命的問題是合閘線圈消耗功率太大，要求配置價格昂貴和維護麻煩的蓄電池組，以及電磁機構結構笨重，動作時間較長。因此想依靠這兩種操作機構的改進，來提高斷路器的可靠性和免維護水平，以及實現開關設備的自動化、運動化和智能化。這種設想已走入了死胡同。
　　　自1989年英國曼徹斯特大學系統與能量組為GEC公司設計了第一臺永磁操作機構模型起，永磁操作機構就成了世界各國開發的熱點。永磁操作機構的顯著優點是：結構簡單零部件少，可靠性高及操作能耗小。當其與真空斷路器配合使用，組成自動重合器系統，應用于變電站（開關柜）和柱上開關，使配電網的可靠性和自動化程度有很大提高。在歐洲市場已出現以電池作為操作能源，可10年免維護的永磁操作機構及控制系統。上世紀末，國際上永磁操作機構的發展概況大致如下：
　　 ABB Calor Emag開關設備公司，在1997年開發了一種新型利用永磁操作機構的VM1型真空斷路器。操作機構是永磁方形雙線圈結構，僅用7個活動元件代替了由數百個零件組成的傳統結構。在10萬次操作壽命中不需維修，是傳統操作機構的3倍。目前VM1真空斷路器的額定電壓為12175和24KV，額定電流為2000-3150A，額定開斷電流為25-50KA。
　　　英國IPEC公司的永磁操作機構采用圓粒形雙線圈結構，并且把永磁體由靜鐵芯移到了動鐵芯。
　　荷蘭Holec 公司的MMS型真空斷路器采用的永磁操作機構其特點是：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，機構的終止位置是分閘位置，分閘操作僅靠開關觸頭的彈簧力和分閘彈簧力，通過合閘線圈使之釋放能量。它的短路開斷電流為31.5KA，分合閘時間偏差不超過1ms。
　　　國內在近一、二年里，一些高等院校、研究機構及從事高壓斷路器產品開發制造的公司，正開展永磁操作機構的研制，也已開發出了一些初級階段的產品，還未形成系列化產品，性能也很不穩定。
　　　根據專家的估計，認為：“國際上這一領域內系統的理論還遠未成熟，還有許多實驗研究工作要做。國內的理論及實驗研究工作還剛剛起步。因此這種使用新材料、新工藝及新原理，使真空斷路器的磁力驅動裝置實現低能耗，高可靠性的永磁操作機構的研究發展前景及市場前景將是十分寬闊的。

下面簡要地敘述目前采用的永磁操作機構的類型及其工作原理。永磁操作機構的類型大體可分為三種：雙線圈式、單線圈式和分磁路式。
　　1.雙線圈永磁操作機構
　　雙線圈永磁操作機構的結構簡圖如圖1所示。它是利用永磁體保持合、分閘位置的雙穩態永磁機構。
　　

圖1 雙線圈永磁機構的結構簡圖
　　　當斷路器處于合閘位置時，永磁體利用動靜鐵芯提供的低磁阻抗通道將動鐵芯保持在合閘位置，磁力線方向如圖1（a）中的曲線I，當分閘線圈6帶電，分閘線圈電流產生的環場方向如圖中曲線Ⅱ、Ⅲ所示，分閘電流在上部工作氣隙產生的磁場方向與永磁體產生的磁場方向相反，當分閘電流達到某一值時，動鐵芯開始向下運動，伴隨著上部工作氣隙磁阻增大，下部工作氣隙磁阻減小，進一步加速了動鐵芯的運動速度，直到分閘位置，圖1（b）給出了到達分閘位置時的磁力線分布圖，此時分閘電流產生的磁力線和永磁體產生的磁力線基本上全都通過下部工作氣隙，當切斷分閘線圈電流，永磁體在下部工作氣隙產生的磁場仍能使動鐵芯保持在分閘位置。從分閘位置到合閘的過程與上類似。遇緊急情況時，必須采用機械方法強行將動鐵芯與靜鐵芯拉開。
　　2.單線圈永磁操作機構。
　　　其結構簡圖如圖2所示，它也是一種利用永磁體保持合、分閘位置的雙穩態永磁機構。在由分閘位置到合閘位置的過程的電磁分析與雙線圈永磁操作機構類似，所不同之處是當到達合閘位置時，動鐵芯除了給觸頭彈簧儲能外，還需給分閘彈簧儲能。而在由合閘位置到分閘位置的過程中，在同一操作線圈中還以較小的（與合閘電流相比）反向分閘電流，它所產生的磁場僅需抵消永磁體的磁場，分閘能量主要由觸頭彈簧和分閘彈簧提供。當在緊急狀況需開動分閘時，僅需分流永磁體工作氣隙的磁通，使其保持力大大降低，而斷路器在彈簧力的作用下實現分閘。
　　 3.分磁路永磁操作機構
　　　其結構簡圖如圖3所示。它是一種單穩磁力機構，即永磁體只用于保持合閘位置，而分閘位置是靠分閘彈簧的預緊力來保持。
　　

　　圖3 分離磁路式永磁機構原理圖
　　　在由分閘位置到合閘位置過程中，合閘線圈通以合閘電流，其磁力線如圖3（a）中曲線I所示，在此磁通回路中不含有任何分磁路，絕大部分磁力線將穿過上部工作氣隙。當電流增加到某一值時，動鐵芯向上的力大于分閘彈簧的阻力和摩擦力時，動鐵芯向上運動，驅動斷路器合閘，同時給分閘彈簧儲能，當到達合閘位置時，永磁體磁場回路閉合產生足以克服彈簧的反力，使斷路器保持在合閘位置。當由合閘位置到分閘位置的過程及緊急狀況下的手動分閘操作，與單線圈永磁操作機構的情況類似。
　　幾點看法：
　　①傳統的電動——彈簧操作機構及電磁操作機構，由于它們的結構復雜，可靠性低，能耗大，成為提高真空斷路器的可靠性和提高其免維護水平的障礙。同時，由于開關（斷路器）是實現配電網控制的關鍵電氣設備，因而傳統操作機構也制約了配電網自動化，運動化和智能化的發展。
　　②由于永磁能級（40——50MG0e）及近似45度退化磁曲線的釹鐵硼（Nd-Fe-B）永磁材料的曲線，產生了基于此原理的永磁雙穩或單穩操作機構。這種永磁操作機械比傳統操作機構，其結構大為簡單。合、分閘能耗大大降低，從而極大的提高了真空斷路器的運行可靠性和免維護水平，并為配電網實現自動化、運動化、智能化提供了必要的技術條件。