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

1、永磁機構(gòu)真空斷路器的結(jié)構(gòu)技術(shù)比較討論1   引言   永磁機構(gòu)已在我國制造部門和運行部門形成了熱潮,國家電網(wǎng)公司在"關(guān)于發(fā)布國家電網(wǎng)公司重點應(yīng)用新技術(shù)目錄的通知"(國家電網(wǎng)科(2006)323號)中明確將永磁操動機構(gòu)、小型化、免維護的真空技術(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永磁機構(gòu)問題,從中看到這項技術(shù)在我國的應(yīng)用與世界先進水平之間還存在著一定的差距。   因為工作原因,我有幸接觸到了永磁操動機構(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)計結(jié)構(gòu)來自于前蘇聯(lián)軍事實驗室的尖端科研成果,不僅體現(xiàn)了這項技術(shù)的普遍優(yōu)越性,而且是目前世界唯一的全部直動式操動機構(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構(gòu)在運行中的問題,談一點自己在這方面淺顯的認(rèn)識。2   永磁操動機構(gòu)不同類型及結(jié)構(gòu)的比較   永磁操動機構(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。   在永磁機構(gòu)斷路

3、器的研究和應(yīng)用領(lǐng)域,從最初的永磁機構(gòu)操動原理派生發(fā)展出來了各種不同原理和結(jié)構(gòu)的永磁操動機構(gòu),歸納起來可以分為兩個類型:單穩(wěn)態(tài)永磁操動機構(gòu)和雙穩(wěn)態(tài)永磁操動機構(gòu)。其中雙穩(wěn)態(tài)永磁操動機構(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)永磁操動機構(gòu)的工作原理為在儲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。   從世界上第一臺永磁真空斷路器投入商業(yè)運行,到現(xiàn)在已超過17年的時間。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,克服了彈簧操動機構(gòu)和雙穩(wěn)態(tài)永磁操動機構(gòu)斷路器的不足之處,綜合體現(xiàn)了彈簧操動機構(gòu)和磁

4、力操動機構(gòu)與真空滅弧室反力特性的良好配合具有優(yōu)異的機械特性及電氣特性,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。這項技術(shù)穩(wěn)定地發(fā)展到今天,已成為能經(jīng)受住時間考驗的成熟技術(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,在一定程度上對中國市場形成了誤導(dǎo),尤其對國內(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)永磁操動機構(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)雜而元法杜絕機械故障等其中部分是由于結(jié)構(gòu)設(shè)計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)彈簧操動機構(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)永磁操動機構(gòu)真空斷路器與雙穩(wěn)態(tài)永磁操動機構(gòu)真空斷路器的

6、特點,希望能為國內(nèi)開關(guān)用戶和制造企業(yè)提供一點啟示:    李先生在文章中提到的永磁-機構(gòu)的缺點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)永磁操動機構(gòu)已經(jīng)很好地解決了,它可以進行手動分閘,因為它的分閘速度和分閘保持都靠分閘彈簧進行,所以手動分閘的速度與電流脈沖分閘的速度是一樣的。關(guān)于手動合閘的問題,單穩(wěn)態(tài)永磁操動機構(gòu)從原理上不能進行手動合閘,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)該在沒有任何保護裝置的情況下進行手動合閘;當(dāng)您為二次系統(tǒng)配備了一套UPS電源時這個電源就可以用來對斷路器進行合閘操作,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機構(gòu)的原理3.1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計   新一代的單穩(wěn)態(tài)永磁機構(gòu)尺寸非常小,每相一個操動機構(gòu),這項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所示為三相獨立單穩(wěn)態(tài)永磁機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計。3.1.2 工作原理   單穩(wěn)態(tài)永磁操動機構(gòu)的運動部件在目前所有操動機構(gòu)中最少,而且完全直線運動,因此可將機械部件的磨損減到最小故障率降到最低。機構(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。合閘位置時依靠閉合磁路產(chǎn)生的觸頭壓力將

8、機構(gòu)保持在合閘位置,磁輒將單線圈封在中間,線圈為機構(gòu)操作提供能源。(1)合閘操作   在分閘位置,真空滅弧室的動觸頭由與驅(qū)動絕緣子連接的分閘彈簧保持在分閘位置。需要實行合閘操作時,控制模塊內(nèi)的合閘電容器向機構(gòu)線圈內(nèi)注人一個脈沖電流,當(dāng)動靜觸頭接觸后,動觸頭停止運動,但動鐵心繼續(xù)運動2mm,壓縮觸頭的壓力彈簧口動鐵心和磁扼之間通過磁力實現(xiàn)鎖扣,這時線圈電流進一步增大,磁性材料的磁通達到飽和狀態(tài)。因此,在合閘位置切斷控制模塊發(fā)出的線圈電流時,此飽和磁通使動鐵心保持在合閘位置。動鐵心運動的同時使分閘彈簧儲能,為下次分閘操作做好準(zhǔn)備。(2)分閘操作   分閘操作

9、時,控制模塊內(nèi)的分閘電容器向機構(gòu)線圈注入一個反向脈沖電流,時間為1540ms。該電流對機構(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,這時已儲能的分閘彈簧和觸頭壓力彈簧的反向力使動鐵心釋放,向分閘方向加速運動,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)永磁操動機構(gòu)真空斷路器的所有開關(guān)元件軸向?qū)ΨQ布置,均為直線運動,省掉了電機、齒輪、連桿、鏈條和機械鎖扣等零件。   對真空斷路器的故障統(tǒng)計分析顯示:75%的斷路器故障為機械故障。三相獨立機構(gòu)的使用是單穩(wěn)態(tài)永磁機構(gòu)斷路器最主要的優(yōu)點,機構(gòu)和真空滅弧室之間的大部分機械連接元件被去掉了,

10、只剩下一個活動部件,相對于傳統(tǒng)斷路器至少有上百個活動零部件來說,它幾乎完全消除了產(chǎn)生機械故障的可能性。ISM進入中國市場幾年來在中國運行的單穩(wěn)態(tài)永磁機構(gòu)斷路器已達到數(shù)千臺未發(fā)生過一例機械或電氣故障。   而多數(shù)雙穩(wěn)態(tài)永磁操動機構(gòu)真空斷路器與傳統(tǒng)真空斷路器一樣,由一個機構(gòu)操動三相開關(guān),必須使用傳動件;在元件布置上只是用永磁機構(gòu)代替了彈簧機構(gòu),拐臂連桿等傳動機構(gòu)并沒有取消,無法實現(xiàn)完全直線運動,因此不能全面消除機械故障的產(chǎn)生。3.1.3  電氣控制   任何永磁機構(gòu)都需要一個合適的電子控制單元,其作用是為機構(gòu)線圈提供合適能量,并實現(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)計原則;精選元件,尤其是分合閘電容器;制造原則;軟件測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)計也是保證電容器長壽命的一個因素,單穩(wěn)態(tài)永磁機構(gòu)斷路器控制模塊注入到操動機構(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機構(gòu)相匹配真空滅弧室性能的改進顯得非常迫切。既需要提高其對故障

12、電流的開斷能力,又需要改善其在負荷電流下的可靠性。ISM型單穩(wěn)態(tài)永磁機構(gòu)斷路器的真空滅弧室在觸頭系統(tǒng)設(shè)計和密封性能兩方面實現(xiàn)的突破性改進使其在可靠性和使用壽命上完全與其操動機構(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,將觸頭表面上每個點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度。如果磁場太弱,陰極斑點不穩(wěn)定,甚至?xí)撾x觸頭的水平表面;但磁場太強時,陰極斑點則不能分布于整個觸頭表面;只有當(dāng)對于磁場強度達到一定區(qū)間值時,陰極斑點才能分布于整個觸頭表面。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)了非均勻縱磁場對真空電弧的影響。大量對不同磁場結(jié)構(gòu)的試驗顯示,在特定電流和磁場結(jié)構(gòu)下,無論磁場強弱,陰極斑點都會移動。研究發(fā)現(xiàn),觸頭邊緣部位具有類似磁屏障的強磁場,觸頭中心區(qū)域強度最弱的磁場結(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。觸頭材料則要同時滿足真空滅弧室苛刻的電氣性能要求和機械性能要求。例如觸頭材料應(yīng)具有極強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械強度;同時又要求觸頭材料具有較高的非電氣性能(這一點在很大程度上與機械強度相關(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,極高的加速度會對波紋管產(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)計的波紋管,在分合操作過程中機械應(yīng)力均勻分布到整個環(huán)片上,單點受到的壓力大大減小,如圖5(b)所示。這項技術(shù)的應(yīng)用不僅使真空滅弧室實現(xiàn)外型小巧,而且其額定機械壽命可達到15萬次。4   結(jié)束語   單穩(wěn)態(tài)永磁操動機構(gòu)斷路器可被描述為一種不需要機械控制和閉鎖的單穩(wěn)態(tài)開關(guān),它的機械操作次