永磁機(jī)構(gòu)真空斷路器的結(jié)構(gòu)技術(shù)比較討論

1、永磁機(jī)構(gòu)真空斷路器的結(jié)構(gòu)技術(shù)比較討論1   引言   永磁機(jī)構(gòu)已在我國制造部門和運(yùn)行部門形成了熱潮,國家電網(wǎng)公司在"關(guān)于發(fā)布國家電網(wǎng)公司重點(diǎn)應(yīng)用新技術(shù)目錄的通知"(國家電網(wǎng)科(2006)323號(hào))中明確將永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)、小型化、免維護(hù)的真空技術(shù)列為配電與用電的新技術(shù)應(yīng)用方向。在2006年3月出版的高壓開關(guān)雜志上讀到大連電業(yè)局李陽修的文章再談?dòng)来艡C(jī)構(gòu)問題,從中看到這項(xiàng)技術(shù)在我國的應(yīng)用與世界先進(jìn)水平之間還存在著一定的差距。   因?yàn)楣ぷ髟?我有幸接觸到了永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)真空斷路器這一領(lǐng)域中的世界前沿技術(shù),特瑞德電氣的單穩(wěn)態(tài)

2、永磁真空斷路器ISM它的磁性材料配方和設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)來自于前蘇聯(lián)軍事實(shí)驗(yàn)室的尖端科研成果,不僅體現(xiàn)了這項(xiàng)技術(shù)的普遍優(yōu)越性,而且是目前世界唯一的全部直動(dòng)式操動(dòng)機(jī)構(gòu)的中壓真空斷路器,具有特殊的長壽命和高可靠性。   下面根據(jù)李先生在文章中列舉的永磁機(jī)構(gòu)在運(yùn)行中的問題,談一點(diǎn)自己在這方面淺顯的認(rèn)識(shí)。2   永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)不同類型及結(jié)構(gòu)的比較   永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)真空斷路器盡管被公認(rèn)為中壓開關(guān)的換代產(chǎn)品,代表了中壓開關(guān)發(fā)展的方向,但是由于存在著不同結(jié)構(gòu)和原理的永磁機(jī)構(gòu)真空斷路器,因而在其應(yīng)用過程中也存在著一些爭議。   在永磁機(jī)構(gòu)斷路

3、器的研究和應(yīng)用領(lǐng)域,從最初的永磁機(jī)構(gòu)操動(dòng)原理派生發(fā)展出來了各種不同原理和結(jié)構(gòu)的永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu),歸納起來可以分為兩個(gè)類型:單穩(wěn)態(tài)永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)和雙穩(wěn)態(tài)永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)。其中雙穩(wěn)態(tài)永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的工作原理為分閘與合閘及保持都靠永磁力;單穩(wěn)態(tài)永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的工作原理為在儲(chǔ)能彈簧的幫助下快速分閘,并保持分閘位置,只有合閘保持靠永磁力。   從世界上第一臺(tái)永磁真空斷路器投入商業(yè)運(yùn)行,到現(xiàn)在已超過17年的時(shí)間。綜合比較各種結(jié)構(gòu)永磁真空斷路器的應(yīng)用情況,可以看到單穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)真空斷路器通過電磁合閘、永磁保持及彈簧分閘,克服了彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)和雙穩(wěn)態(tài)永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)斷路器的不足之處,綜合體現(xiàn)了彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)和磁

4、力操動(dòng)機(jī)構(gòu)與真空滅弧室反力特性的良好配合具有優(yōu)異的機(jī)械特性及電氣特性,能給出適當(dāng)?shù)暮祥l速度和分閘速度。而且,單穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)斷路器所需的操作功率與雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)斷路器相比顯著減小這種結(jié)構(gòu)的斷路器具有更長的使用壽命和更高的可靠性。這項(xiàng)技術(shù)穩(wěn)定地發(fā)展到今天,已成為能經(jīng)受住時(shí)間考驗(yàn)的成熟技術(shù)。   但是,在中國國內(nèi)的應(yīng)用推廣上,由于某些較早進(jìn)入中國市場的國際知名大公司選擇了雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)作為真空斷路器的研發(fā)方向,在一定程度上對(duì)中國市場形成了誤導(dǎo),尤其對(duì)國內(nèi)的生產(chǎn)企業(yè)形成了誤導(dǎo)。今天,我們所看到的國內(nèi)企業(yè)自行開發(fā)的永磁真空斷路器都是雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)的。   雙穩(wěn)態(tài)永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)真空斷

5、路器開始在中國應(yīng)用以來,在短短幾年的應(yīng)用中出現(xiàn)了一些問題,其中就包括了該作者在他的文章中提到的那些問題,還有如分閘速度不盡合理、分閘操作不徹底、因操作功率大而受到電容器容量的限制、結(jié)構(gòu)上仍然較為復(fù)雜而元法杜絕機(jī)械故障等其中部分是由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工作原理的缺陷帶來的問題部分是由于國內(nèi)企業(yè)在產(chǎn)品質(zhì)量控制方面的缺陷帶來的問題,給整個(gè)永磁真空斷路器的應(yīng)用蒙上了些許陰影。   圖1所示的左半部分為傳統(tǒng)彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)真空斷路器的外形及結(jié)構(gòu)簡圖,右半部分為單穩(wěn)態(tài)永磁真空斷路器,圖2所示為雙穩(wěn)態(tài)永磁真空斷路器。表1、表2所示內(nèi)容分析了單穩(wěn)態(tài)永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)真空斷路器與雙穩(wěn)態(tài)永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)真空斷路器的

6、特點(diǎn),希望能為國內(nèi)開關(guān)用戶和制造企業(yè)提供一點(diǎn)啟示:    李先生在文章中提到的永磁-機(jī)構(gòu)的缺點(diǎn)中包括分合閘控制系統(tǒng)缺陷，其中關(guān)于分閘控制系統(tǒng)的問題,單穩(wěn)態(tài)永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)已經(jīng)很好地解決了,它可以進(jìn)行手動(dòng)分閘,因?yàn)樗姆珠l速度和分閘保持都靠分閘彈簧進(jìn)行,所以手動(dòng)分閘的速度與電流脈沖分閘的速度是一樣的。關(guān)于手動(dòng)合閘的問題,單穩(wěn)態(tài)永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)從原理上不能進(jìn)行手動(dòng)合閘,但是,由于所有的二次系統(tǒng)都需要輔助電源任何人都不應(yīng)該在沒有任何保護(hù)裝置的情況下進(jìn)行手動(dòng)合閘;當(dāng)您為二次系統(tǒng)配備了一套UPS電源時(shí)這個(gè)電源就可以用來對(duì)斷路器進(jìn)行合閘操作,尤其是ISM斷路器,合閘功率只有50W,很

7、容易得到合適的UPS電源。3   單穩(wěn)態(tài)永磁真空斷路器原理及結(jié)構(gòu)簡介3.1 單穩(wěn)態(tài)永磁真空斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)的原理3.1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)   新一代的單穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)尺寸非常小,每相一個(gè)操動(dòng)機(jī)構(gòu),這項(xiàng)成果被視為中壓真空開關(guān)誕生以來該領(lǐng)域中出現(xiàn)的最大突破。圖3所示為三相獨(dú)立單穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。3.1.2 工作原理   單穩(wěn)態(tài)永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)部件在目前所有操動(dòng)機(jī)構(gòu)中最少,而且完全直線運(yùn)動(dòng),因此可將機(jī)械部件的磨損減到最小故障率降到最低。機(jī)構(gòu)的中心部分有兩塊軟磁性合金材料,可提供超過230kg的觸頭壓力。合閘位置時(shí)依靠閉合磁路產(chǎn)生的觸頭壓力將

8、機(jī)構(gòu)保持在合閘位置,磁輒將單線圈封在中間,線圈為機(jī)構(gòu)操作提供能源。(1)合閘操作   在分閘位置,真空滅弧室的動(dòng)觸頭由與驅(qū)動(dòng)絕緣子連接的分閘彈簧保持在分閘位置。需要實(shí)行合閘操作時(shí),控制模塊內(nèi)的合閘電容器向機(jī)構(gòu)線圈內(nèi)注人一個(gè)脈沖電流,當(dāng)動(dòng)靜觸頭接觸后,動(dòng)觸頭停止運(yùn)動(dòng),但動(dòng)鐵心繼續(xù)運(yùn)動(dòng)2mm,壓縮觸頭的壓力彈簧口動(dòng)鐵心和磁扼之間通過磁力實(shí)現(xiàn)鎖扣,這時(shí)線圈電流進(jìn)一步增大,磁性材料的磁通達(dá)到飽和狀態(tài)。因此,在合閘位置切斷控制模塊發(fā)出的線圈電流時(shí),此飽和磁通使動(dòng)鐵心保持在合閘位置。動(dòng)鐵心運(yùn)動(dòng)的同時(shí)使分閘彈簧儲(chǔ)能,為下次分閘操作做好準(zhǔn)備。(2)分閘操作   分閘操作

9、時(shí),控制模塊內(nèi)的分閘電容器向機(jī)構(gòu)線圈注入一個(gè)反向脈沖電流,時(shí)間為1540ms。該電流對(duì)機(jī)構(gòu)中心的磁性材料產(chǎn)生部分消磁作用,減小了合閘保持力,這時(shí)已儲(chǔ)能的分閘彈簧和觸頭壓力彈簧的反向力使動(dòng)鐵心釋放,向分閘方向加速運(yùn)動(dòng),最終靠分閘彈簧保持在分閘位置。   如圖3所示,ISM型單穩(wěn)態(tài)永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)真空斷路器的所有開關(guān)元件軸向?qū)ΨQ布置,均為直線運(yùn)動(dòng),省掉了電機(jī)、齒輪、連桿、鏈條和機(jī)械鎖扣等零件。   對(duì)真空斷路器的故障統(tǒng)計(jì)分析顯示:75%的斷路器故障為機(jī)械故障。三相獨(dú)立機(jī)構(gòu)的使用是單穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)斷路器最主要的優(yōu)點(diǎn),機(jī)構(gòu)和真空滅弧室之間的大部分機(jī)械連接元件被去掉了,

10、只剩下一個(gè)活動(dòng)部件,相對(duì)于傳統(tǒng)斷路器至少有上百個(gè)活動(dòng)零部件來說,它幾乎完全消除了產(chǎn)生機(jī)械故障的可能性。ISM進(jìn)入中國市場幾年來在中國運(yùn)行的單穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)斷路器已達(dá)到數(shù)千臺(tái)未發(fā)生過一例機(jī)械或電氣故障。   而多數(shù)雙穩(wěn)態(tài)永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)真空斷路器與傳統(tǒng)真空斷路器一樣,由一個(gè)機(jī)構(gòu)操動(dòng)三相開關(guān),必須使用傳動(dòng)件;在元件布置上只是用永磁機(jī)構(gòu)代替了彈簧機(jī)構(gòu),拐臂連桿等傳動(dòng)機(jī)構(gòu)并沒有取消,無法實(shí)現(xiàn)完全直線運(yùn)動(dòng),因此不能全面消除機(jī)械故障的產(chǎn)生。3.1.3  電氣控制   任何永磁機(jī)構(gòu)都需要一個(gè)合適的電子控制單元,其作用是為機(jī)構(gòu)線圈提供合適能量,并實(shí)現(xiàn)防跳、閉鎖以及與

11、開關(guān)設(shè)備的接口等功能。作為斷路器的一部分,控制單元同樣需要高可靠性,設(shè)計(jì)原則;精選元件,尤其是分合閘電容器;制造原則;軟件測(cè)試等幾方面保證其質(zhì)量。其中,分閘電容器與合閘電容器作為儲(chǔ)能元件是最重要的,其壽命主要受溫度影響。另外,斷路器的低能耗設(shè)計(jì)也是保證電容器長壽命的一個(gè)因素,單穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)斷路器控制模塊注入到操動(dòng)機(jī)構(gòu)線圈的最大合閘電流峰值只有10A(20kA型)、17A(315kA型),分閘電流只有1A。3.2  單穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)斷路器的真空滅弧室技術(shù)   由于要與可靠性高、壽命長并適于頻繁操作的永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)相匹配真空滅弧室性能的改進(jìn)顯得非常迫切。既需要提高其對(duì)故障

12、電流的開斷能力,又需要改善其在負(fù)荷電流下的可靠性。ISM型單穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)斷路器的真空滅弧室在觸頭系統(tǒng)設(shè)計(jì)和密封性能兩方面實(shí)現(xiàn)的突破性改進(jìn)使其在可靠性和使用壽命上完全與其操動(dòng)機(jī)構(gòu)的性能相匹配。   縱磁場能改善真空電弧在觸頭表面的分布狀況,減輕觸頭在電弧下的燒蝕程度。真空電弧可被視為具有巨大能量的放電現(xiàn)象它能將觸頭表面嚴(yán)重?zé)龘p,只有使電弧迅速而均勻地分布在觸頭表面,將觸頭表面上每個(gè)點(diǎn)的電流密度降至最低,才能最大程度地提高真空滅弧室觸頭系統(tǒng)的性能。3.2.1  均勻縱磁場下的大電流真空電弧  1967年,Ito和Okura第一次提出了關(guān)于縱磁場在控制大電流真

13、空電弧上的應(yīng)用,試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),采用縱磁場分布的真空滅弧室的開斷能力能夠顯著提高(約提高50%100%)。   更多的研究顯示,縱磁場控制電弧的能力依賴于磁場的強(qiáng)度。如果磁場太弱,陰極斑點(diǎn)不穩(wěn)定,甚至?xí)撾x觸頭的水平表面;但磁場太強(qiáng)時(shí),陰極斑點(diǎn)則不能分布于整個(gè)觸頭表面;只有當(dāng)對(duì)于磁場強(qiáng)度達(dá)到一定區(qū)間值時(shí),陰極斑點(diǎn)才能分布于整個(gè)觸頭表面。圖4所示為特瑞德的研究人員在真空滅弧室中利用縱磁場得到最優(yōu)化的陰極斑點(diǎn)分布示意圖。3.2.2  非均勻縱磁場下的大電流真空電弧   商業(yè)用真空滅弧室一直致力于非均勻縱磁場的研究。首次將縱磁場應(yīng)用于真空滅弧室產(chǎn)品是在2

14、0世紀(jì)70年代。20世紀(jì)80年代初期發(fā)現(xiàn)了非均勻縱磁場對(duì)真空電弧的影響。大量對(duì)不同磁場結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)顯示,在特定電流和磁場結(jié)構(gòu)下,無論磁場強(qiáng)弱,陰極斑點(diǎn)都會(huì)移動(dòng)。研究發(fā)現(xiàn),觸頭邊緣部位具有類似磁屏障的強(qiáng)磁場,觸頭中心區(qū)域強(qiáng)度最弱的磁場結(jié)構(gòu)是最優(yōu)化的磁場結(jié)構(gòu),通過測(cè)量觸頭陰極電流密度而得到證明。此外,在電極的中心區(qū)域不需要縱磁場來限制陰極斑點(diǎn)及穩(wěn)定電弧。3.2.3   具有縱磁場結(jié)構(gòu)和最佳觸頭材料真空滅弧室   要將上述研究成果應(yīng)用到真空滅弧室產(chǎn)品中,還需要做許多工作,包括確定最佳的觸頭形狀、選擇最適合的觸頭材料等。觸頭形狀能決定縱磁場的結(jié)構(gòu),并因此決定電弧的

15、分布。觸頭材料則要同時(shí)滿足真空滅弧室苛刻的電氣性能要求和機(jī)械性能要求。例如觸頭材料應(yīng)具有極強(qiáng)的抗熔焊性能因此它需要具有良好的導(dǎo)電性能和較低的熔焊機(jī)械強(qiáng)度;同時(shí)又要求觸頭材料具有較高的非電氣性能(這一點(diǎn)在很大程度上與機(jī)械強(qiáng)度相關(guān));還需要它具有良好的導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能以提供高開斷能力。   特瑞德通過研究發(fā)現(xiàn),幾種不同材料相配合產(chǎn)生的特殊合金材料可滿足以上要求。利用這種合金觸頭生產(chǎn)的真空滅弧室,在額定電流下的開斷次數(shù)很容易達(dá)到10萬次以上在額定短路電流下能開斷100次。3.2.4   通過創(chuàng)新設(shè)計(jì)和工藝提高金屬波紋管的真空密封性能   除觸

16、頭系統(tǒng)以外金屬波紋管的密封性能是決定真空滅弧室壽命的另一個(gè)重要因素。傳統(tǒng)的金屬波紋管由不銹鋼沖壓而成,如圖5(a)所示,在滅弧室的分合過程中,極高的加速度會(huì)對(duì)波紋管產(chǎn)生巨大壓力,波紋管因疲勞產(chǎn)生漏氣是目前真空滅弧室故障的主要原因。    ISM單穩(wěn)態(tài)永磁真空斷路器所用的波紋管由一組不銹鋼環(huán)片在內(nèi)側(cè)和外側(cè)交替焊接而成。采用這種設(shè)計(jì)的波紋管,在分合操作過程中機(jī)械應(yīng)力均勻分布到整個(gè)環(huán)片上,單點(diǎn)受到的壓力大大減小,如圖5(b)所示。這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用不僅使真空滅弧室實(shí)現(xiàn)外型小巧,而且其額定機(jī)械壽命可達(dá)到15萬次。4   結(jié)束語   單穩(wěn)態(tài)永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)斷路器可被描述為一種不需要機(jī)械控制和閉鎖的單穩(wěn)態(tài)開關(guān),它的機(jī)械操作次