李海國，郭偉祥

（山東普益電氣有限公司，山東濱州 256600）

0 引言

隨著電網(wǎng)規(guī)模的擴(kuò)大和負(fù)荷特性復(fù)雜性顯著增加，連接在電力系統(tǒng)的諸多敏感性負(fù)荷極易受到來自電力系統(tǒng)短時(shí)擾動(dòng)的影響，如電壓突升和電壓突降等，這就對電能質(zhì)量和運(yùn)行可靠性提出了非常嚴(yán)格的要求。因此，為保護(hù)敏感性的重要工業(yè)負(fù)荷以及提高電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量，需要保護(hù)性器件高壓斷路器具有高速分合閘特性[1-4]。

目前，高壓真空斷路普遍采用彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)、電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)、永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)或液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)為合閘或分閘提供動(dòng)力，它們的合閘時(shí)間一般為40～60ms，分閘時(shí)間一般為30～40 ms。最短的分閘時(shí)間也要大于20 ms，而故障電流持續(xù)的時(shí)間越長對電網(wǎng)的沖擊和設(shè)備的損壞程度就會(huì)越強(qiáng)，合閘時(shí)間延長對電氣元件的損壞也很大，采用上述傳統(tǒng)操動(dòng)機(jī)構(gòu)的高壓開關(guān)均難以實(shí)現(xiàn)快速分合閘的要求[5-6]。

筆者在調(diào)研過程中了解到，國內(nèi)某單位研究過采用電磁斥力原理的快速斷路器，采用超大碟簧雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)，分合閘需先克服碟簧的巨大儲(chǔ)能，因此需要很高的直流電壓，產(chǎn)生巨大的推斥力，造成體積增大，斥力盤容易斷裂，但合閘速度極快，經(jīng)測定可達(dá)5 ms 左右，帶來的直接后果就是嚴(yán)重的合閘彈跳和觸頭損壞。由于國內(nèi)外尚無與之配套的真空滅弧室，只進(jìn)行了幾次試驗(yàn)，觸頭即損壞。

國外對電磁斥力操動(dòng)機(jī)構(gòu)的研究歷史比較長，且取得了一定的成果，以日本的研究比較成熟。日本三菱公司研究的主攻方向是電磁斥力操動(dòng)機(jī)構(gòu)，以有限元分析法為基礎(chǔ)，使用運(yùn)動(dòng)復(fù)合電磁場解析法進(jìn)行仿真，開發(fā)了快速斷路器用電磁斥力操動(dòng)機(jī)構(gòu)，合、分閘保持力由單片碟簧提供，此類碟簧結(jié)構(gòu)雖然簡單，但制造工藝復(fù)雜，并且任意一片碟簧出力特性已經(jīng)固定，應(yīng)用局限性特別突出，設(shè)計(jì)的靈活性也不高[7-8]。

1 12 kV 高速真空斷路器問題分析及總體設(shè)計(jì)思路

1.1 問題分析

a）分合閘運(yùn)動(dòng)件質(zhì)量大。目前多數(shù)高速真空斷路器的結(jié)構(gòu)采用的是直動(dòng)式分合閘裝置，直動(dòng)式的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行穩(wěn)定，但存在分合閘運(yùn)動(dòng)件質(zhì)量大的問題。分合閘啟動(dòng)速度明顯變慢，響應(yīng)時(shí)間延長；由于慣性動(dòng)能大，末端撞擊力大，極易損壞真空滅弧室觸頭和永磁機(jī)構(gòu)。

b）合閘彈跳時(shí)間長，分閘反彈幅值大。觸頭合閘彈跳時(shí)間要求一般為≤2 ms，觸頭分閘反彈幅值一般為≤2 mm。直動(dòng)式分合閘裝置往往超過這個(gè)數(shù)值，造成產(chǎn)品使用性能下降。

c）分合閘時(shí)間長。直動(dòng)式永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的合閘時(shí)間一般為40～60 ms，分閘時(shí)間一般為30～40 ms。合閘時(shí)間延長對電氣元件的損壞很大，也容易因拉弧時(shí)間長而燒損觸頭。

1.2 總體設(shè)計(jì)思路

為解決運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量大的困擾，專門設(shè)計(jì)了機(jī)械側(cè)動(dòng)式分合閘機(jī)構(gòu)，這樣參與分合閘運(yùn)動(dòng)部件就去除了永磁機(jī)構(gòu)鐵芯質(zhì)量的干擾，為高速分合閘奠定了基礎(chǔ)，可有效地延長真空滅弧室的機(jī)械壽命。

2 高速真空斷路器的結(jié)構(gòu)

12 kV 高速真空斷路器主要由固封極柱、箱體、夾板、永磁機(jī)構(gòu)4 部分組成。

2.1 固封極柱部分

固封極柱通俗來講就是固封式真空滅弧室，將真空滅弧室以及主回路導(dǎo)電、安裝元件等，用環(huán)氧樹脂進(jìn)行整體澆注封裝成一個(gè)整體部件，主要由上出線端、真空滅弧室、絕緣外殼、環(huán)氧樹脂層、軟連接、下出線端和絕緣拉桿等零部件組成，具體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。固封極柱為成熟技術(shù)，成功地解決了與其配套的真空斷路器環(huán)境耐受問題以及絕緣問題。

圖1 固封極柱結(jié)構(gòu)圖

2.2 箱體部分

箱體部分主要由箱體、壓簧、芯軸、鉸鏈板、分合閘指示板、壓簧座、銷軸、分閘塊、吊環(huán)螺釘、合閘指示牌、分閘指示牌、擋銷、計(jì)數(shù)器、端子排等零部件組成，具體結(jié)構(gòu)如圖2 所示。箱體上部有4 個(gè)小孔和1 個(gè)大孔，用來安裝固定固封極柱和對接絕緣拉桿。設(shè)置1 個(gè)吊環(huán)螺釘用于吊裝產(chǎn)品。箱體內(nèi)部焊接有3 處定位塊，用來固定夾板部分，其中下面2 處定位塊還具有調(diào)整夾板部分上下位置的功能，用來調(diào)整彈簧超程。

在箱體內(nèi)部安裝分合閘指示板和鉸鏈板，鉸鏈板的一端連接指示板，另一端連接在夾板部分的分閘板上，分合閘指示板通過彈簧連接到計(jì)數(shù)器。設(shè)備分合閘時(shí)，由夾板部分的分閘板通過鉸鏈板帶動(dòng)分合閘指示板運(yùn)動(dòng)，從而顯示分合閘次數(shù)和位置。

壓簧、芯軸、壓簧座、分閘塊和銷軸等零件組成設(shè)備手動(dòng)分閘裝置。芯軸左端抵住永磁機(jī)構(gòu)部分的驅(qū)動(dòng)軸，右端靠緊分閘塊下端。分閘塊的上端設(shè)置1 個(gè)深孔，分閘時(shí)可用1 個(gè)手柄插入孔中用力向外拉動(dòng)實(shí)現(xiàn)分閘。壓簧可使分閘后的芯軸復(fù)位。

圖2 箱體部分結(jié)構(gòu)圖

2.3 夾板部分

夾板部分主要由定位板、拉簧座、滾輪、鉸鏈銷、上鉸鏈叉、下鉸鏈叉、輔助觸頭、分閘拉簧、合閘拉簧、拉簧軸、分閘板、連接銷軸、活接塊、雙頭螺柱、左夾板、右夾板等零部件組成，具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。夾板部分的左夾板和右夾板靠4 個(gè)雙頭螺柱定位寬度和夾緊，左夾板和右夾板中間部位各伸出1 個(gè)立板，用于安裝永磁機(jī)構(gòu)。上鉸鏈叉、下鉸鏈叉、活接塊、拉簧座、鉸鏈銷、滾輪和拉簧等零件組成分合閘執(zhí)行機(jī)構(gòu)，上下鉸鏈叉上下通過滾輪和鉸鏈銷安裝到左右夾板的滑道長條孔中，中間通過一銷軸連接。下鉸鏈叉的中間孔連接永磁機(jī)構(gòu)部分的連接塊，為系統(tǒng)分合閘提供動(dòng)力，通過合理設(shè)置下鉸鏈叉中間孔的位置，可縮短永磁機(jī)構(gòu)的行程，短行程永磁機(jī)構(gòu)可提高運(yùn)行速度。

活接塊與固封極柱部分的絕緣拉桿連接，拉簧座一端連接拉簧另一端上面頂緊下鉸鏈叉的鉸鏈銷，用于提供合閘時(shí)真空滅弧室觸頭額定壓力。分閘彈簧一端固定到夾板上，另一端與分閘板連接。分閘板上安裝1 個(gè)連接銷軸與箱體部分鉸鏈板相連接，用于分合閘指示和計(jì)數(shù)。分閘板中間部位插入永磁機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)軸后端的槽中，用來實(shí)現(xiàn)合閘失敗時(shí)在分閘拉簧的拉力下能自動(dòng)分閘。分閘拉簧的拉力設(shè)置要大于額定開距下的觸頭反力，小于合閘狀態(tài)下的永磁機(jī)構(gòu)保持力，以便順利實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分閘。

在上鉸鏈叉和活接塊連接的鉸鏈銷下端、右夾板側(cè)面安裝有輔助觸頭，用來輸出分合閘信號(hào)，左右夾板下邊兩端各安裝一個(gè)定位板，用于將夾板部分固定于箱體部分上，并擔(dān)負(fù)起調(diào)整彈簧超程距離的作用，定位板安裝要牢固，防止影響系統(tǒng)穩(wěn)定。

圖3 夾板部分結(jié)構(gòu)圖

2.4 永磁機(jī)構(gòu)部分

永磁機(jī)構(gòu)主要由連接塊、夾緊螺柱、左端蓋、動(dòng)鐵芯、分閘線圈、套筒、永磁瓦塊、內(nèi)鐵環(huán)、驅(qū)動(dòng)軸、合閘線圈、右端蓋等零部件組成，具體結(jié)構(gòu)如圖4所示。永磁機(jī)構(gòu)分合閘保持力的大小是通過改變永磁瓦塊的數(shù)量和體積來實(shí)現(xiàn)的，由于合閘時(shí)只有上下力保持平衡，水平方向無分力，因此合閘保持力相比分閘保持力可以做到更小，可以采用通過改變動(dòng)鐵芯和端蓋的接觸面積來實(shí)現(xiàn)。我們既可以在右端蓋凸臺(tái)左側(cè)與鐵芯接觸的地方加工出臺(tái)階，通過減少與鐵芯端面的接觸面積，從而減小保持力；也可以在鐵芯和端蓋的接觸面加一層高彈性墊片，適當(dāng)增大永磁接觸面距離，一方面可減小保持力，另一方面可在高速分合閘時(shí)實(shí)現(xiàn)接觸面緩沖，有利于提高永磁機(jī)構(gòu)的壽命。

圖4 永磁機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

如在合閘狀態(tài)下進(jìn)行分閘操作，只要在分閘線圈中通入直流電流，該電流所產(chǎn)生的磁力線方向與永磁機(jī)構(gòu)在右端蓋的磁力線方向相反，這樣分閘線圈中的電流所產(chǎn)生的磁場使得動(dòng)鐵芯所受的吸力減小。當(dāng)電流增大到較高的數(shù)值時(shí)，動(dòng)鐵芯的永磁吸力小于電磁驅(qū)動(dòng)力時(shí)，動(dòng)鐵芯將向分閘方向移動(dòng)，一旦動(dòng)鐵芯與右端蓋端面出現(xiàn)間隙，這樣合閘穩(wěn)態(tài)磁路磁阻將迅速增大，永磁吸力由大突然變小，動(dòng)鐵芯在電磁驅(qū)動(dòng)力的作用下迅速分閘。分閘后線圈斷電，分閘穩(wěn)態(tài)磁路形成保持力。由分閘到合閘原理相同。

在本裝置中，由于側(cè)動(dòng)式分合閘結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性，合閘后豎直方向的力達(dá)到平衡狀態(tài)，無水平分力，理論上無需永磁保持力；分閘時(shí)永磁保持力僅需克服真空滅弧室觸頭反力即可。由于分合閘動(dòng)作之初需先克服永磁保持力，這樣勢必導(dǎo)致分合閘時(shí)間延長，影響產(chǎn)品性能。但是為了確保系統(tǒng)分合閘保持的安全性和穩(wěn)定性，可選用合閘永磁保持力100 N，分閘永磁保持力在真空滅弧室觸頭反力基礎(chǔ)上增加100 N 的保持力。這樣既提高了分合閘速度，又使得開關(guān)分合閘保持安全穩(wěn)定，不至于發(fā)生突發(fā)性事故。

另外，為有效減小運(yùn)動(dòng)件的質(zhì)量，降低慣性力，提升分合閘速度，對永磁機(jī)構(gòu)進(jìn)行了創(chuàng)新性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在保證電磁驅(qū)動(dòng)力和分合閘保持力的前提下，將左右端蓋在傳統(tǒng)永磁機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上改變結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)成一個(gè)凸臺(tái)機(jī)構(gòu)，這樣動(dòng)鐵芯就可以做到最短，質(zhì)量做到最輕，啟動(dòng)速度就自然更快了。

3 安裝與調(diào)試

3.1 安裝前準(zhǔn)備與安裝技術(shù)要求

安裝前用酒精潤濕的棉紗將固封極柱絕緣外殼擦拭干凈，同時(shí)將固封極柱的導(dǎo)電連接表面擦拭干凈。若由于購買的固封極柱存儲(chǔ)時(shí)間過長而導(dǎo)致導(dǎo)電表面出現(xiàn)氧化，則應(yīng)將氧化層徹底清除干凈，以使其與整機(jī)有良好的電接觸。

將固封極柱安裝在整機(jī)上時(shí)，應(yīng)保證動(dòng)靜導(dǎo)電桿之間的同軸度，并注意在安裝過程中不要反復(fù)拆卸固封極柱，以防連接螺孔螺紋損壞。安裝完畢后，再次用酒精潤濕的棉紗將固封極柱絕緣外殼擦拭干凈，以免裝配中產(chǎn)生的污物影響固封極柱外絕緣性能。

3.2 具體安裝步驟

安裝時(shí)先將固封極柱部分用4 個(gè)螺栓緊固到箱體部分上，然后把夾板部分的活接塊先行擰到固封極柱的絕緣拉桿上，并大致調(diào)整其位置，先不予擰緊。將永磁機(jī)構(gòu)部分安裝到夾板部分的左右夾板上，把連接塊與夾板部分的下鉸鏈叉用銷軸連接，銷軸可以在連接塊的長條孔中滑動(dòng)。

接下來將安裝有永磁機(jī)構(gòu)的夾板部分放到箱體部分3 處定位塊上，其中下邊2 處定位塊用螺釘擰到夾板部分的定位板上，再將上鉸鏈叉與事先擰到絕緣拉桿上的活接塊用鉸鏈銷連接，并放置滾輪、卡簧等零件。夾板部分的后端分閘板插入永磁機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)軸的槽中，分閘板還與負(fù)責(zé)計(jì)數(shù)和指示的鉸鏈板相連。

安裝好后將各處擰緊，先進(jìn)行預(yù)合閘動(dòng)作，檢查超程彈簧的超程距離是否合格，12 kV 高速真空斷路器的超程距離一般為3 mm 左右，可通過調(diào)整下端2 處定位塊的螺釘來實(shí)現(xiàn)。經(jīng)過多次試驗(yàn)表明，該真空斷路器合閘時(shí)間在15 ms 以內(nèi)，分閘時(shí)間在10 ms 以內(nèi)，合閘基本無彈跳，分閘無反彈，達(dá)到了預(yù)期目的。

4 結(jié)論

a）側(cè)動(dòng)式機(jī)械緩沖裝置對真空滅弧室合閘沖擊力小，有利于提高真空滅弧室的機(jī)械壽命，并且由于參與運(yùn)動(dòng)的零件少，破壞動(dòng)能小，合閘彈跳時(shí)間短。

b）側(cè)動(dòng)式機(jī)械機(jī)構(gòu)由于沒有橫向力的存在，所以永磁機(jī)構(gòu)保持力可以做到很小，從而可提高驅(qū)動(dòng)速度，進(jìn)而有效地實(shí)現(xiàn)斷路器分合閘的高速目標(biāo)。

c）使用減輕動(dòng)鐵芯質(zhì)量的永磁驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，提高了驅(qū)動(dòng)軸的反應(yīng)速度。短行程永磁機(jī)構(gòu)可縮短整體運(yùn)行時(shí)間。

d）設(shè)置了合閘失敗自動(dòng)分閘裝置，簡單易行，穩(wěn)定可靠。

e） 該類型真空斷路器合閘時(shí)間在15 ms 以內(nèi)，分閘時(shí)間在10 ms 以內(nèi)。