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真空断路器磁力驱动装置

文字:[大][中][小] 2014-11-23    浏览次数:2730    
  一、概述
  自1961年美国GE公司研制成功第一台真空断路器以来,真空断路器的技术水平迅速提高,其中,随着新触头结构及材料的研制,真空断路器的开断能力不断提高,真空断路器作为控制和分配电能用的开关元件越来越广泛地应用于电力系统,并在中压领域保持着主导地位。
  真空断路器由于其真空电弧无与伦比的特性,使其电寿命大大增加。其机械寿命从传统的两千次跃增为几万次,因此,与其配合的操动机构的机械寿命及可靠性就成了较为突出的问题。
  高压开关的一个最基本性能就是机械可靠性,电力运行和试验站的故障统计中表明,我国高压开关最突出的问题就是机械和绝缘问题,这与发达国家相比较为落后,在发达国家的先进公司,现在都纷纷提出并推出新一代免维护的电器产品。我国高压开关设备要真正做到产品免维护仍然很困难,实际上,在产品设计上尽可能地简化结构,最简化的产品结构也就是最可靠的产品。
  1真空断路器的发展状况
  目前,国内外电力系统中使用的中压真空断路器品种繁多,型号众多,其特点各异,但概括起来,从绝缘角度来讲,有空气绝缘和复合绝缘,从总体结构上讲,有断路器和机构一体式和分体式(国内居多),从操动机构上讲作为中压产品主要是电磁机构和弹簧机构。
  目前国际上,真空断路器的设计、制造领域里逐步形成了以德国西门子公司为代表的空气绝缘产品和以ABB公司为代表的复合绝缘产品的两大派别。西门子公司的产品有3AF、3AG及3AH等系列产品,其操动机构均为弹簧机构。从3AF到3AH,其操动机构在设计上日趋合理,调整环节减少,更有利于提高初分速度,机构也更加省力,但制造精度要求更高。
  ABB公司的代表产品有VD4,它采用复合绝缘方式,产品结构紧凑,其操动机构为弹簧储能式。
  日本三菱电机VPR型真空断路器,其灭弧室由一浇注的支架绝缘,该支架将三相分开,相间距小,结构紧凑,采用弹簧机构驱动,其特点是结构简单,零部件比老式机构少,采用具有单向离合器的正齿轮机构使储能过程平稳,能耗低,噪声小。
  国内生产的真空断路器归纳起来大致可分为三类:1)引进技术并国产化的产品。如ZN12-12,引进西门子3AF;ZN18-12,引进日本东芝公司VK系列产品;ZN21-12,引进比利时EIB公司的产品技术;ZN67-12,引进日本三菱电机VPR型真空断路器等。2)在借鉴国外同类产品的基础上开发的产品,如:ZN63-12和ZN65-12分别效仿ABB的VD4和西门子3AH,其操动机构为弹簧机构,机构与开关一体,无独立型号。3)自行设计的产品,如:ZN15-12,ZN28-12,ZN30-12等,其操动机构为电磁机构或弹簧机构,目前以CD17、CT17和CT19型机构较多,机构结构较为复杂,零件数量多,CD系列通常有约120个零件,CT系列有约200个零件,操动机构通过一套或几套四连杆与开关主轴相连(与油开关的驱动方式相似),传动效率较低。
  2操动机构
  断路器的全部使命,归根到底是体现在触头的分、合动作上,而分、合动作又是通过操动机构来实现的,因此操动机构的工作性能和质量的优劣,对高压断路器的工作性能和可靠性起着极为重要的作用。开关设备的操动机构需要较多的机械零件配合组成,这不仅成本高,而且可靠性不足,因为故障率上升的可能性是和零件的数量成正比的。弹簧操动机构是利用已储能的弹簧为动力使断路器动作的操动机构。弹簧储能通常是由电动机通过减速装置来完成。整个操动机构大致可分为弹簧储能、维持储能、合闸与合闸维持和分闸四个部分。弹簧操动机构的优点是不需要大功率的直流电源,电动机功率小,交直流两用,适宜交流操作;其缺点是结构比较复杂,零件数量多(约为200个),且要求加工精度高,制造工艺复杂,成本高,产品的可靠性不易保证。靠电磁力合闸的操动机构称为电磁操动机构,电磁操动机构的优点是结构简单,零件数量少(约为120个),工作可靠,制造成本低,但其缺点是合闸线圈消耗的功率太大,见表1,因而要求用户配备价格昂贵的蓄电池组,加上电磁机构的结构笨重,动作时间较长。
  表1
  项目
  ZN□-12/315(机构与开关一体)
  CD17(配315kA断路器)CD17(配40kA断路器)
  电压/V220 110220 110220 110
  电流/A136 272128 256121 242
  3永磁操动机构
  真空断路器之所以如此迅速发展,在于其真空灭弧性能的优异,沿用传统断路器操动机构来驱动真空断路器显然很难体现出其高寿命、高可靠性的优点,因此需要一结构高度简化、节能和高可靠性的机构来满足真空断路器的驱动要求。在弹簧机构和传统电磁机构的优点基础上,克服其不足,将永久磁铁应用于操动机构中,设计中使真空断路器分合闸位置的保持通过永久磁铁实现,取代了传统的锁扣装置。这种磁力机构具有永久磁铁和分闸、合闸控制线圈,当合闸控制线圈通电后,它使动铁心向下运动,并由永久磁铁保持在合闸位置;当分闸控制线圈通电,动铁心向反方向运动,同样由永久磁铁将它保待在另一个工作位置即分闸位置上,即该机构在控制线圈不通电流时它的动铁心有两个稳定工作状态,合闸与分闸,也称双稳态电磁机构。这种机构的特点是:
  真空断路器操动机构与其他类型如:空气、油、SF6断路器的操动机构有着明显不同,真空断路器的灭弧室动触头行程小(8~12mm),动静触头为平面接触,合闸时,动静触头为碰撞接触,为了防止真空断路器在短路时,触头被巨大的电动力斥开,采用触头弹簧以使触头间有较大的触头压力(20kA,2000N;31.5kA,3100N;40kA,5000N),同时有利于提高分闸速度,因而在机构的设计计算时应将触头压力所需能量给予充分考虑。
  (2)永久磁铁与分、合闸控制线圈结合,解决了合闸时需要大功率能量的问题,因而磁系统结构尺寸比普通电磁机构减小了,分、合闸控制线圈电流小。
  (3)真空灭弧室靠永久磁铁产生的力使其保持在合闸与分闸位置上,取代了传统的机械锁扣方式,机械结构大为简化,仅有几个活动部件,零件总数约为50件左右,耗材省,节能且成本低。
  (4)操动机构无需机械锁扣和辅助电器,机械动作的可靠性大大提高,能实现免维护,节省维修费用。
  二、国内外的发展动态
  1真空断路器永磁机构的发展
  (1)前不久,由ABB在英国和美国的工程师联合开发了一种新型VM1型真空断路器,采用了仅有7个活动元件组成的磁力驱动装置代替有数百个零件组成的传统机构。其分合闸位置均靠永久磁铁磁能保持。采用这种无磨损的真空断路器机构在其10万次的操作寿命中不需维修,是传统真空断路器寿命的三倍,可节省维修费用。VM1的创新还包括将真空灭弧室用环氧树脂完全浇注形成一体,这样可不受外界因素的影响。真空灭弧室额定短路开断电流的次数为100次。VM1真空断路器的额定电压目前为12、17和24kV,额定电流为630或1250A,额定短路开断电流为20或25kA。较高电压等级和大开断能力的产品正在研制中。
  (2)荷兰Holec的MMS型真空断路器采用永磁机构驱动,其短路开断电流为31.5kA。该操动机构中,合闸、合闸保持和分闸的磁路是分开的,且只有真空灭弧室的合闸位置是靠永久磁铁保持的,机构的终止位置是分闸位置,其分闸动作基本上是被动的,不需要提供额外的能量,仅靠触头弹簧和分闸弹簧的力,通过分闸线圈使之释放能量。MMS型永磁机构的结构非常简单,它的组成部件不足15个,特别是还能实现分相可控操作,在关合容性负载时,可减小涌流,在分闸时可减小过电压,且分合闸时间偏差不超过1ms。
  2永磁材料的发展及应用
  永久磁铁能够吸持铁磁物质的物理特性早已被人们所发现,并在生产实践中得到广泛的应用。随着永磁材料性质被人们的逐渐认识,以及永磁材料本身的不断发展,永磁材料单位体积的磁能从5.1提高到50MGOe(397.9kJ/m3),其用途更是越来越广泛。现在,冶金采矿、通信广播、电机电器、交通运输和医序器械等许多领域,无不应用永久磁铁。特别是1983年,被称为“磁王”的第三代稀土永磁材料--钕铁硼材料的问世,震动了与永磁材料有关的许多技术领域。钕铁硼材料优异的磁性能是其他永磁材料所望尘莫及的(见表2),且其资源丰富、便宜,因而被广泛推广。这种新的永磁材料的出现,对工业技术领域产生变革性的影响,被全世界各国重视。
  我国近年永磁材料也获得了突飞猛进的发展,与世界先进国家的差距正在日益缩小。我国稀土资源非常丰富,储藏量是世界之最,其价格随着生产的发展,工艺的改进,也在大幅度降低。
  虽然如此,但在高压真空断路器操动机构中的应用,在我国尚属空白。新型的永磁机构就是运用这些新材料、新工艺及新原理,使真空断路器的磁力驱动装置实现低能耗、高可靠性。
  三、永磁机构的设计
  1确定真空断路器的总体结构
  为提高真空断路器的可靠性,实现高寿命,且利于操作机构的设计,断路器的总体结构应尽可能紧凑,外形尺寸小,将灭弧室封闭在绝缘壳内,使结构既紧凑又具有良好的绝缘性能(见图2)。
  2电磁机构的设计
  工作原理:
  传统的弹簧储能机构,有大量的机械零件,通常有近200个零件,其中尚不包括标准件。永磁机构与其相比则结构非常简单(见图2),除去真空灭弧室外,仅有带压缩弹簧的连杆、焊接轴和永磁机构图中3~6组成,其零件数量可减少到弹簧机构的25%。
  用磁力线分布说明机构的工作原理(见图3)。图中a)所示机构的工作位置为分闸位置。动铁心上端与磁扼闭合,形成一永磁铁磁路,且气隙很小,磁阻很小。与之相比,在动铁心下端,永久磁铁、动铁心和磁扼所成磁路,其气隙较大,因而磁阻较大。磁力线几乎全部由上面磁路的气隙通过,永久磁铁高度密集的磁力线在该处产生一很大的吸力,并通过主轴、拉杆作用在真空灭弧室导电杆上,使真空灭弧室触头保持在分闸位置。
  分合闸线圈产生的磁场方向相反。合闸时,合闸线圈通过电流,产生的磁场增加了下面磁路的磁场强度,通过下面气隙的磁力线增多,对动铁心下端产生的吸力增加,而上端的吸力减小。
  当线圈电流增加到一定值时,动铁心动作。图3b表示的是动铁心即将动作前的磁力线分布,当动铁心到达最终位置时,合闸线圈不再有电流通过,磁力线分布同图3a,只不过,此时动铁心在另一个工作位置(合闸位置)。
  3设计中的几个关键问题
  (1)反力系统的设计计算
  真空断路器机械动作的可靠性,决定于操动机构的设计,而反力系统的设计计算则是磁力系统设计计算的依据。真空断路器操动机构的反力有真空灭弧室的自闭力、波纹管的弹性力、运动部分的重力和触头弹簧的压力等。
  根据结构设计进行运动和动力分析,给出满足真空断路器要求的合闸速度、时间和合分闸保持等。
  (2)机构磁路的结构设计及计算
  在永磁磁路中,永久磁铁相当于一个磁势的作用,同时它又具有磁阻,计算时磁路的克希荷夫二定律仍然适用,该磁路在工作中,其工作磁阻是变化的,永久磁铁的工作点处于回复线上。
  永久磁铁的计算主要是确定永久磁铁的工作点(Ba,Ha),它取决于两个条件:
  1)内部条件,即工作点位于祛磁曲线上,还是位于回复曲线上,绝大部分电器的永久磁铁都是工作在回复线上,这种情况比较稳定。
  2)外部条件,即磁路内的磁阻和漏磁情况。工作点必须位于一条通过原点而和-H轴成α角的“负载线”上。
  设计永磁铁时应根据所选永磁材料的磁性能合理确定其长度和截面积,使其工作点恰好位于(BH)乘积最大处,使工作气隙内的储能为最大,使永久磁铁体积最小。
  3永磁材料及软磁材料的选择

  永磁材料选择原则:

   1)永磁材料产品的恒定磁场应具有相对稳定性,以保证吸力的稳定,即在环境的温度、湿度、冲击、振动、核辐射、盐雾和铁器接触等因素作用下该磁场的变化必须在预定的指标范围内。

   2)机械性能:应具有一定的韧性和抗张强度等。3)价格适中:磁性能越好(磁能积大)的永磁材料,其价格越高。软磁材料的选择:在永磁回路系统中,还需要软磁材料以便尽量减少磁阻,增加关键部位的磁通密度,应选择导磁性能好、损耗低的导磁材料,如硅钢片。

  4吸力特性及与反力特性的配合
  分析控制线圈通过电流前后,永磁铁磁场单独作用和永磁铁与线圈磁场共同作用产生的吸力,建立数学模型,利用计算机进行分合闸过程中的动态仿真。
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