真空斷路器磁力驅(qū)動(dòng)裝置
2013-09-271918人瀏覽
一、概述 自1961年美國GE公司研制成功第一臺(tái)真空斷路器以來，真空斷路器的技術(shù)水平迅速提高，其中，隨著新觸頭結(jié)構(gòu)及材料的研制，真空斷路器的開斷能力不斷提高，真空斷路器作為控制和分配電能用的開關(guān)元件越來越廣泛地應(yīng)用于電力系統(tǒng)，并在中壓領(lǐng)域保持著主導(dǎo)地位。 真空斷路器由于其真空電弧無與倫比的特性，使其電壽命大大增加。其機(jī)械壽命從傳統(tǒng)的兩千次躍增為幾萬次，因此，與其配合的操動(dòng)機(jī)構(gòu)的機(jī)械壽命及可靠性就成了較為突出的問題?！ 「邏洪_關(guān)的一個(gè)最基本性能就是機(jī)械可靠性，電力運(yùn)行和試驗(yàn)站的故障統(tǒng)計(jì)中表明，我國高壓開關(guān)最突出的問題就是機(jī)械和絕緣問題，這與發(fā)達(dá)國家相比較為落后，在發(fā)達(dá)國家的先進(jìn)公司，現(xiàn)在都紛紛提出并推出新一代免維護(hù)的電器產(chǎn)品。我國高壓開關(guān)設(shè)備要真正做到產(chǎn)品免維護(hù)仍然很困難，實(shí)際上，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)上盡可能地簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，最簡(jiǎn)化的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)也就是最可靠的產(chǎn)品?！ ?真空斷路器的發(fā)展?fàn)顩r 目前，國內(nèi)外電力系統(tǒng)中使用的中壓真空斷路器品種繁多，型號(hào)眾多，其特點(diǎn)各異，但概括起來，從絕緣角度來講，有空氣絕緣和復(fù)合絕緣，從總體結(jié)構(gòu)上講，有斷路器和機(jī)構(gòu)一體式和分體式(國內(nèi)居多)，從操動(dòng)機(jī)構(gòu)上講作為中壓產(chǎn)品主要是電磁機(jī)構(gòu)和彈簧機(jī)構(gòu)?！ ∧壳皣H上，真空斷路器的設(shè)計(jì)、制造領(lǐng)域里逐步形成了以德國西門子公司為代表的空氣絕緣產(chǎn)品和以ABB公司為代表的復(fù)合絕緣產(chǎn)品的兩大派別。西門子公司的產(chǎn)品有3AF、3AG及3AH等系列產(chǎn)品，其操動(dòng)機(jī)構(gòu)均為彈簧機(jī)構(gòu)。從3AF到3AH，其操動(dòng)機(jī)構(gòu)在設(shè)計(jì)上日趨合理，調(diào)整環(huán)節(jié)減少，更有利于提高初分速度，機(jī)構(gòu)也更加省力，但制造精度要求更高?！ BB公司的代表產(chǎn)品有VD4，它采用復(fù)合絕緣方式，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)緊湊，其操動(dòng)機(jī)構(gòu)為彈簧儲(chǔ)能式?！ ∪毡救怆姍C(jī)VPR型真空斷路器，其滅弧室由一澆注的支架絕緣，該支架將三相分開，相間距小，結(jié)構(gòu)緊湊，采用彈簧機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，零部件比老式機(jī)構(gòu)少，采用具有單向離合器的正齒輪機(jī)構(gòu)使儲(chǔ)能過程平穩(wěn)，能耗低，噪聲小?！ 鴥?nèi)生產(chǎn)的真空斷路器歸納起來大致可分為三類：1)引進(jìn)技術(shù)并國產(chǎn)化的產(chǎn)品。如ZN12-12，引進(jìn)西門子3AF；ZN18-12，引進(jìn)日本東芝公司VK系列產(chǎn)品；ZN21-12，引進(jìn)比利時(shí)EIB公司的產(chǎn)品技術(shù)；ZN67-12，引進(jìn)日本三菱電機(jī)VPR型真空斷路器等。2)在借鑒國外同類產(chǎn)品的基礎(chǔ)上開發(fā)的產(chǎn)品，如：ZN63-12和ZN65-12分別效仿ABB的VD4和西門子3AH，其操動(dòng)機(jī)構(gòu)為彈簧機(jī)構(gòu)，機(jī)構(gòu)與開關(guān)一體，無獨(dú)立型號(hào)。3)自行設(shè)計(jì)的產(chǎn)品，如：ZN15-12，ZN28-12，ZN30-12等，其操動(dòng)機(jī)構(gòu)為電磁機(jī)構(gòu)或彈簧機(jī)構(gòu)，目前以CD17、CT17和CT19型機(jī)構(gòu)較多，機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，零件數(shù)量多，CD系列通常有約120個(gè)零件，CT系列有約200個(gè)零件，操動(dòng)機(jī)構(gòu)通過一套或幾套四連桿與開關(guān)主軸相連(與油開關(guān)的驅(qū)動(dòng)方式相似)，傳動(dòng)效率較低。 2操動(dòng)機(jī)構(gòu) 斷路器的全部使命，歸根到底是體現(xiàn)在觸頭的分、合動(dòng)作上，而分、合動(dòng)作又是通過操動(dòng)機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)的，因此操動(dòng)機(jī)構(gòu)的工作性能和質(zhì)量的優(yōu)劣，對(duì)高壓斷路器的工作性能和可靠性起著極為重要的作用。開關(guān)設(shè)備的操動(dòng)機(jī)構(gòu)需要較多的機(jī)械零件配合組成，這不僅成本高，而且可靠性不足，因?yàn)楣收下噬仙目赡苄允呛土慵臄?shù)量成正比的。彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)是利用已儲(chǔ)能的彈簧為動(dòng)力使斷路器動(dòng)作的操動(dòng)機(jī)構(gòu)。彈簧儲(chǔ)能通常是由電動(dòng)機(jī)通過減速裝置來完成。整個(gè)操動(dòng)機(jī)構(gòu)大致可分為彈簧儲(chǔ)能、維持儲(chǔ)能、合閘與合閘維持和分閘四個(gè)部分。彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是不需要大功率的直流電源，電動(dòng)機(jī)功率小，交直流兩用，適宜交流操作；其缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，零件數(shù)量多(約為200個(gè))，且要求加工精度高，制造工藝復(fù)雜，成本高，產(chǎn)品的可靠性不易保證?？侩姶帕祥l的操動(dòng)機(jī)構(gòu)稱為電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)，電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，零件數(shù)量少(約為120個(gè))，工作可靠，制造成本低，但其缺點(diǎn)是合閘線圈消耗的功率太大，見表1，因而要求用戶配備價(jià)格昂貴的蓄電池組，加上電磁機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)笨重，動(dòng)作時(shí)間較長。表 1項(xiàng) 目ZN□-12/315(機(jī)構(gòu)與開關(guān)一體)CD17(配315kA斷路器)CD17(配40kA斷路器)電壓/V220 110220 110220 110電流/A136 272128 256121 242 3永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu) 真空斷路器之所以如此迅速發(fā)展，在于其真空滅弧性能的優(yōu)異，沿用傳統(tǒng)斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)來驅(qū)動(dòng)真空斷路器顯然很難體現(xiàn)出其高壽命、高可靠性的優(yōu)點(diǎn)，因此需要一結(jié)構(gòu)高度簡(jiǎn)化、節(jié)能和高可靠性的機(jī)構(gòu)來滿足真空斷路器的驅(qū)動(dòng)要求。在彈簧機(jī)構(gòu)和傳統(tǒng)電磁機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)基礎(chǔ)上，克服其不足，將永久磁鐵應(yīng)用于操動(dòng)機(jī)構(gòu)中，設(shè)計(jì)中使真空斷路器分合閘位置的保持通過永久磁鐵實(shí)現(xiàn)，取代了傳統(tǒng)的鎖扣裝置。這種磁力機(jī)構(gòu)具有永久磁鐵和分閘、合閘控制線圈，當(dāng)合閘控制線圈通電后，它使動(dòng)鐵心向下運(yùn)動(dòng)，并由永久磁鐵保持在合閘位置；當(dāng)分閘控制線圈通電，動(dòng)鐵心向反方向運(yùn)動(dòng)，同樣由永久磁鐵將它保待在另一個(gè)工作位置即分閘位置上，即該機(jī)構(gòu)在控制線圈不通電流時(shí)它的動(dòng)鐵心有兩個(gè)穩(wěn)定工作狀態(tài)，合閘與分閘，也稱雙穩(wěn)態(tài)電磁機(jī)構(gòu)。這種機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)是： 真空斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)與其他類型如：空氣、油、SF6斷路器的操動(dòng)機(jī)構(gòu)有著明顯不同，真空斷路器的滅弧室動(dòng)觸頭行程小(8～12mm)，動(dòng)靜觸頭為平面接觸，合閘時(shí)，動(dòng)靜觸頭為碰撞接觸，為了防止真空斷路器在短路時(shí)，觸頭被巨大的電動(dòng)力斥開，采用觸頭彈簧以使觸頭間有較大的觸頭壓力(20kA,2000N;31.5kA,3100N;40kA,5000N),同時(shí)有利于提高分閘速度，因而在機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)應(yīng)將觸頭壓力所需能量給予充分考慮。 (2)永久磁鐵與分、合閘控制線圈結(jié)合，解決了合閘時(shí)需要大功率能量的問題，因而磁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)尺寸比普通電磁機(jī)構(gòu)減小了，分、合閘控制線圈電流小?！ ?3)真空滅弧室靠永久磁鐵產(chǎn)生的力使其保持在合閘與分閘位置上，取代了傳統(tǒng)的機(jī)械鎖扣方式，機(jī)械結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化，僅有幾個(gè)活動(dòng)部件，零件總數(shù)約為50件左右，耗材省，節(jié)能且成本低?！ ?4)操動(dòng)機(jī)構(gòu)無需機(jī)械鎖扣和輔助電器，機(jī)械動(dòng)作的可靠性大大提高，能實(shí)現(xiàn)免維護(hù)，節(jié)省維修費(fèi)用?！ 《?、國內(nèi)外的發(fā)展動(dòng)態(tài) 1真空斷路器永磁機(jī)構(gòu)的發(fā)展 (1)前不久，由ABB在英國和美國的工程師聯(lián)合開發(fā)了一種新型VM1型真空斷路器，采用了僅有7個(gè)活動(dòng)元件組成的磁力驅(qū)動(dòng)裝置代替有數(shù)百個(gè)零件組成的傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)。其分合閘位置均靠永久磁鐵磁能保持。采用這種無磨損的真空斷路器機(jī)構(gòu)在其10萬次的操作壽命中不需維修，是傳統(tǒng)真空斷路器壽命的三倍，可節(jié)省維修費(fèi)用。VM1的創(chuàng)新還包括將真空滅弧室用環(huán)氧樹脂完全澆注形成一體，這樣可不受外界因素的影響。真空滅弧室額定短路開斷電流的次數(shù)為100次。VM1真空斷路器的額定電壓目前為12、17和24kV，額定電流為630或1250A，額定短路開斷電流為20或25kA。較高電壓等級(jí)和大開斷能力的產(chǎn)品正在研制中?！ ?2)荷蘭Holec的MMS型真空斷路器采用永磁機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)，其短路開斷電流為31.5kA。該操動(dòng)機(jī)構(gòu)中，合閘、合閘保持和分閘的磁路是分開的，且只有真空滅弧室的合閘位置是靠永久磁鐵保持的，機(jī)構(gòu)的終止位置是分閘位置，其分閘動(dòng)作基本上是被動(dòng)的，不需要提供額外的能量，僅靠觸頭彈簧和分閘彈簧的力，通過分閘線圈使之釋放能量。MMS型永磁機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，它的組成部件不足15個(gè)，特別是還能實(shí)現(xiàn)分相可控操作，在關(guān)合容性負(fù)載時(shí)，可減小涌流，在分閘時(shí)可減小過電壓，且分合閘時(shí)間偏差不超過1ms?！ ?永磁材料的發(fā)展及應(yīng)用 永久磁鐵能夠吸持鐵磁物質(zhì)的物理特性早已被人們所發(fā)現(xiàn)，并在生產(chǎn)實(shí)踐中得到廣泛的應(yīng)用。隨著永磁材料性質(zhì)被人們的逐漸認(rèn)識(shí)，以及永磁材料本身的不斷發(fā)展，永磁材料單位體積的磁能從5.1提高到50MGOe(397.9kJ/m3)，其用途更是越來越廣泛?，F(xiàn)在，冶金采礦、通信廣播、電機(jī)電器、交通運(yùn)輸和醫(yī)序器械等許多領(lǐng)域，無不應(yīng)用永久磁鐵。特別是1983年，被稱為"磁王"的第三代稀土永磁材料--釹鐵硼材料的問世，震動(dòng)了與永磁材料有關(guān)的許多技術(shù)領(lǐng)域。釹鐵硼材料優(yōu)異的磁性能是其他永磁材料所望塵莫及的(見表2)，且其資源豐富、便宜，因而被廣泛推廣。這種新的永磁材料的出現(xiàn)，對(duì)工業(yè)技術(shù)領(lǐng)域產(chǎn)生變革性的影響，被全世界各國重視。表 2牌 號(hào)剩磁Br/T磁感矯頑力Hc/kA/m******磁能積(BH)max/kJ/m3溫度系數(shù)αBr,αHcr/%K-1密度ρ/G/cm居里溫度/TcNTP～320127～129915～923310～318012 0675310NTP～226130～132907～923326～334012 0675310 我國近年永磁材料也獲得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，與世界先進(jìn)國家的差距正在日益縮小。我國稀土資源非常豐富，儲(chǔ)藏量是世界之最，其價(jià)格隨著生產(chǎn)的發(fā)展，工藝的改進(jìn)，也在大幅度降低。雖然如此，但在高壓真空斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)中的應(yīng)用，在我國尚屬空白。新型的永磁機(jī)構(gòu)就是運(yùn)用這些新材料、新工藝及新原理，使真空斷路器的磁力驅(qū)動(dòng)裝置實(shí)現(xiàn)低能耗、高可靠性?！ ∪⒂来艡C(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 1確定真空斷路器的總體結(jié)構(gòu) 為提高真空斷路器的可靠性，實(shí)現(xiàn)高壽命，且利于操作機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，斷路器的總體結(jié)構(gòu)應(yīng)盡可能緊湊，外形尺寸小，將滅弧室封閉在絕緣殼內(nèi)，使結(jié)構(gòu)既緊湊又具有良好的絕緣性能(見圖2)?！ ?電磁機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 工作原理： 傳統(tǒng)的彈簧儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)，有大量的機(jī)械零件，通常有近200個(gè)零件，其中尚不包括標(biāo)準(zhǔn)件。永磁機(jī)構(gòu)與其相比則結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單(見圖2)，除去真空滅弧室外，僅有帶壓縮彈簧的連桿、焊接軸和永磁機(jī)構(gòu)圖中3～6組成，其零件數(shù)量可減少到彈簧機(jī)構(gòu)的25%?！ ∮么帕€分布說明機(jī)構(gòu)的工作原理(見圖3)。圖中a)所示機(jī)構(gòu)的工作位置為分閘位置。動(dòng)鐵心上端與磁扼閉合，形成一永磁鐵磁路，且氣隙很小，磁阻很小。與之相比，在動(dòng)鐵心下端，永久磁鐵、動(dòng)鐵心和磁扼所成磁路，其氣隙較大，因而磁阻較大。磁力線幾乎全部由上面磁路的氣隙通過，永久磁鐵高度密集的磁力線在該處產(chǎn)生一很大的吸力，并通過主軸、拉桿作用在真空滅弧室導(dǎo)電桿上，使真空滅弧室觸頭保持在分閘位置?！ 》趾祥l線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向相反。合閘時(shí)，合閘線圈通過電流，產(chǎn)生的磁場(chǎng)增加了下面磁路的磁場(chǎng)強(qiáng)度，通過下面氣隙的磁力線增多，對(duì)動(dòng)鐵心下端產(chǎn)生的吸力增加，而上端的吸力減小。當(dāng)線圈電流增加到一定值時(shí)，動(dòng)鐵心動(dòng)作。圖3b表示的是動(dòng)鐵心即將動(dòng)作前的磁力線分布，當(dāng)動(dòng)鐵心到達(dá)最終位置時(shí)，合閘線圈不再有電流通過，磁力線分布同圖3a，只不過，此時(shí)動(dòng)鐵心在另一個(gè)工作位置(合閘位置)?！ ?設(shè)計(jì)中的幾個(gè)關(guān)鍵問題 (1)反力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 真空斷路器機(jī)械動(dòng)作的可靠性，決定于操動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，而反力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算則是磁力系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算的依據(jù)。真空斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)的反力有真空滅弧室的自閉力、波紋管的彈性力、運(yùn)動(dòng)部分的重力和觸頭彈簧的壓力等?！ 「鶕?jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力分析，給出滿足真空斷路器要求的合閘速度、時(shí)間和合分閘保持等?！ ?2)機(jī)構(gòu)磁路的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算 在永磁磁路中，永久磁鐵相當(dāng)于一個(gè)磁勢(shì)的作用，同時(shí)它又具有磁阻，計(jì)算時(shí)磁路的克希荷夫二定律仍然適用，該磁路在工作中，其工作磁阻是變化的，永久磁鐵的工作點(diǎn)處于回復(fù)線上。永久磁鐵的計(jì)算主要是確定永久磁鐵的工作點(diǎn)(Ba,Ha)，它取決于兩個(gè)條件： 1)內(nèi)部條件，即工作點(diǎn)位于祛磁曲線上，還是位于回復(fù)曲線上，絕大部分電器的永久磁鐵都是工作在回復(fù)線上，這種情況比較穩(wěn)定?！ ?)外部條件，即磁路內(nèi)的磁阻和漏磁情況。工作點(diǎn)必須位于一條通過原點(diǎn)而和-H軸成α角的"負(fù)載線"上?！ ≡O(shè)計(jì)永磁鐵時(shí)應(yīng)根據(jù)所選永磁材料的磁性能合理確定其長度和截面積，使其工作點(diǎn)恰好位于(BH)乘積******處，使工作氣隙內(nèi)的儲(chǔ)能為******，使永久磁鐵體積最小。 3永磁材料及軟磁材料的選擇 永磁材料選擇原則：1)永磁材料產(chǎn)品的恒定磁場(chǎng)應(yīng)具有相對(duì)穩(wěn)定性，以保證吸力的穩(wěn)定，即在環(huán)境的溫度、濕度、沖擊、振動(dòng)、核輻射、鹽霧和鐵器接觸等因素作用下該磁場(chǎng)的變化必須在預(yù)定的指標(biāo)范圍內(nèi)。2)機(jī)械性能：應(yīng)具有一定的韌性和抗張強(qiáng)度等。3)價(jià)格適中：磁性能越好(磁能積大)的永磁材料，其價(jià)格越高。軟磁材料的選擇：在永磁回路系統(tǒng)中，還需要軟磁材料以便盡量減少磁阻，增加關(guān)鍵部位的磁通密度，應(yīng)選擇導(dǎo)磁性能好、損耗低的導(dǎo)磁材料，如硅鋼片。 4吸力特性及與反力特性的配合 分析控制線圈通過電流前后，永磁鐵磁場(chǎng)單獨(dú)作用和永磁鐵與線圈磁場(chǎng)共同作用產(chǎn)生的吸力，建立數(shù)學(xué)模型，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行分合閘過程中的動(dòng)態(tài)仿真。
