真空断路器电磁操作机构设计

 一、引言
 高压开关是电力工业中重要的输配电设备，在电力系统中起着十分重要的作用，我国高压开关行业经过50年的发展已建立了品种齐全、参数性能与国际接轨的产品体系，这些产品在品种、性能、参数、质量和产品数量以及生产能力等方面，基本可以满足我国电力工业发展和城乡电网建设与改造的要求。不少产品已达到国际先进水平。我国在七十年代末开始引进法国MG公司500kV SF6瓷柱式气体断路器设计制造技术（天鹰集团），八十年又引进了日本三菱（西高）和日立公司（沈高）500kV 气体断路器（SF6 ）和封闭式组合电器（GIS）的设计制造技术，目前国产500kV气体断路器已在电网中大量使用，500kV封闭式组合电器在辽阳、五强溪等大型电站运行，110kV、220kV和330kV封闭式组合电器也在电网中大量使用。随着我国城市电网建设速度加快，封闭式组合电器将得到大量的运用，但相比国外产品，国产封闭式组合电器和气体断路器在可靠性和运行业绩方面存在较大差距。零部件的质量问题突出，配套能力差，在很大程度上制约了我国高压开关设备的发展。在10kV和35kV中压开关方面，八十年代中我国引进西门子（SIMENS）公司真空断路器和开关柜的设计制造技术，并在此基础上进一步优化设计，成为国内众多厂家的主导产品。进入九十年代，国外生产厂家纷纷到国内寻求合资合作，在一定程度上，带动了国内企业的新产品开发，新产品正朝着大容量真空开关和金属封闭气体绝缘方向发展。目前已有一些产品达到了国外九十年代初期水平，但在零部件和整机可靠性方面还有待进一步完善和提高。目前，销售收入排名在行业中前三位的是西安西开高压电气股份有限公司、平顶山天鹰集团有限责任公司、沈阳高压开关有限责任公司。
 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。
 随着我国改革开放的不断深化，国内石油、化工、电子和矿山等企业也陆续使用了各种真空开关。由于这些企业的动力都要求真空开关来配套，除部分企业直接从国外引进真空开关外，大多数企业采用了国产的真空开关，这样大大促进了我国真空开关的生产。但实际使用真空开关的主要用户是电力工业部门，而当时电力工业部门对真空开关的优点还不十分了解，同时国内生产的真空开关的质量亦不够稳定，例如，截流过电压偏高,真空灭弧室还有个别漏气的现象。当时只在少数电力用户开始应用和试用。关于上述一些问题，经过国内制造厂、科研单位和高等院校共同努力的结果，大约到1990年已基本上得到了解决，同时对真空开关的制造技术和产品质量也有显著提高，使电力工业部门认识到真空开关确实是一种比较优越的中压开关设备之一。
 由此真空开关市场容量扩大，市场占有率提高。而真空断路器市场主要集中在12～40.5kV中压领域，并占据绝对优势，从近年发展来看，真空断路器市场容量总体上在扩大，其市场份额基本逐年增加。2003年无油化开关中的真空断路器市场容量，12kV从2002年的144044台增长到209358台，比重从2002年的92.3%提高到95.8%，40.5kV从2002年的13532台增长到21656台，比重从2002年的57.5%提高到62.2%，变化比较明显，市场容量继续扩大，市场占有率进一步提高。
 数据统计显示，近些年来，行业市场无油化开关市场比重也一直在不断提高，截止2003年底，各电压等级的无油化开关市场比重已达到97%以上；2003年12kV无油开关（主要指SF6和真空断路器）比重从2002年的99.54%提高到2003年的99.85%；40.5kV无油开关（主要指SF6和真空断路器）比重从2002年的95.59%提高到2003年的97.55%；126kV无油开关（主要指SF6断路器）比重从2002年的97.4%提高到2003年的98.6%，市场继续向无油化方向发展趋势明显。
 无油化开关设备以其诸多优点“纵横天下”，这些年来其使用量和市场占有率一直在迅速增加，今后将依然如此。主要表现为高压、超高压断路器主要向SF6断路器方向调整和发展，而随着SF6产品价格下降，油断路器产量越来越少，126kV真空断路器也将有所需求；40.5kV SF6开关和真空开关将并驾齐驱向前发展，真空开关占优，12 kV产品将主要是向真空方向发展比重仍将继续增加。这种市场发展趋势也是今后
市场发展的主流。
 二、真空断路器及操动机构简述
 真空断路器的结构主要由操动机构、支撑用的绝缘子和真空灭弧室组成。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。操动机构是真空断路器的驱动装置，主要有电磁操动机构与弹簧操动机构。
 1。真空断路器对操动机构的要求
 机构的输出特性尽量与真空断路器的反力特性相匹配。
 要有足够的合闸输出功；保证真空断路器具有关合短路故障电流的能力。
 合闸后，即使在事故状态下也能稳定地保持合闸（即令开关具有动稳定性）。
 要保持在85%～110%合闸操作电压下能正常合闸；在65%～120%分闸电压下能正常分闸，而在30%额定操作电压下不得分闸。
 可以电动或手动操作。
 电磁机构应具有自由脱扣的功能。
 2。真空断路器及操作机构结构组成
 传统的高压断路器都是带触头的电器，通过触头的分、合动作达到开断与关合电路的目的，因此必须依靠一定的机械操动机构系统才能完成。在断路器本体以外的机械操作机构装置称为操动机构，而操动机构与断路器动触头之间连接的传动部分称为传动机构和提升机构。而它们之间的关系可用图1表示。
 
 图1  断路器与操动机构的组成
 3。操动机构的特点及分类
 操动机构是高压开关设备的重要组成部分，它的作用，是使开关设备准确地合闸和分闸。开关设备在运行中发生的事故，很大一部分是由于操动机构的故障而引起的。因此，对于它必须给予足够的重视。
 由于相同的操动机构可能配用不同型号的开关本体，因此操动机构通常与开关本体分离，而具有独立的型号。根据开关设备对操动机构性能的要求，可以分为断路器操动机构和隔离开关操动机构两大类。而断路器操动机构又可分为手动操动机构（CS）、电磁操动机构（CD）、电动机操动机构（CJ）、弹簧操作机构（CT）、液压操动机构（CY）和气动操动机构（CQ）。
 4。真空断路器电磁操动机构特点
 靠电磁力合闸的操作机构称为电磁操作机构。电磁操作机构的优点是结构简单、工作可靠、制造成本低，缺点是合闸线圈消耗的功率太大（见表1），因而用户须配备价格昂贵的蓄电池组。电磁操作机构的结构笨重，合闸时间长（0.2s～0.8s），主要用来操作126kV及以下的断路器。
操动机构
型    号 配用的断路器
型        号 合闸线圈
电  压/V 合闸线圈
电  流/A 功率
/kV
CD2 SN1.2-12，DW1-40.5 220 98 22
CD3 SW2-40.5 220 78.5 17.3
CD5 SW3-126 220 235 52
CD9 DW2-40.5 220 133 29
CD10 SN10-12 220 120 26
 
 
表1 电磁操动机构合闸线圈消耗的功率
 三、高压断路器更新改造中的问题
 ZN系列真空断路器与CD10系列电磁机构、传动机构的配合问题：
 高压断路器担负着电网中负荷电流的关合，故障电流的开断，线路重合闸的重要工作，是电网重要的高压设备之一，它的性能优劣与否，直接关系到电网的安全运行。以前在6～10kV配电网络中，绝大部分选用SN系列少油断路器，并配备CD10-10型电磁机构，此种高压断路器存在着遮断容量小、分闸时间长、维护工作量大、不能频
繁操作、存在火灾爆炸隐患等缺点。用ZN系列真空断路器替代SN系列少油断路器是农网设备发展的趋势。在设备更新改造中，一般方案是采用更换断路器本体，保留断路器的传动及操动机构，这就不可避免出现了ZN系列真空断路器本体与CD系列电磁机构的配合问题。CD系列电磁机构能够提供较大的关合功，能够满足SN系列少油断路器高关合的需求。与SN系列少油断路器触头采用插入式触头不同的是，ZN系列真空断路器采用的是平板式对接触头，触头间距为10～12mm，其真空灭弧室是采用铜焊工艺，且在高温下抽真空，它的机构强度较低，耐震动差，与少油断路器相比，所需的合闸功较小，其关合能一般约为同级同容量少油断路器所需关合能的1/5，在CD10
系列电磁机构与SN系列少油断路器相匹配时，传动机构中主拐臂的角度一般采用60°的大转角，且与断路器本体主拐臂臂长的比为1:1，这能满足SN系列少油断路器长行程的需求(一般为145±3mm)，而ZN系列真空断路器由于触头间距较小(一般为10～12mm)，所要求机构输出的行程也较小，在断路器本体拐臂角度一定的情况下，就要求传动机构的主拐臂转角较小，所以必须对传动机构进行改造，并注意断路器本体与
机构的配合。我们在改造过程中采用的方法是：适当减小传动机构主拐臂的转角(一般为50°左右)，断路器本体主拐臂与传动机构主拐臂的比例采用1.2:1，缩短断路器本体与传动机构主拐臂之间垂直拉杆的距离(一般比原来缩短100mm左右)，调整断路器本体分闸弹簧的长度，使合闸速度适应真空断路器需求(一般为0.4～0.6m/s左右)。这样可以减少机构对断路器本体的机械应力和机械振动，降低对真空泡中波纹管的冲击，提高波纹管的使用寿命，减少触头的弹跳，减轻触头的熔焊程度，从而提高真空断路器的使用寿命。
 四、国内操作机构的发展
 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，在发达国家的大电气公司，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难。实际上，在产品设计时尽可能地简化结构，对提高产品的可靠性很有帮助。
 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。
 最早的电磁机构，由于对电源要求较苛刻——需要专用的大容量电源屏供电，并且操作时冲击电流大，操作时间长，而逐渐被市场所淘汰，取而代之的是弹簧操作机构，其利用交直流两用电动机对弹簧进行预储能，利用弹簧能进行分、合闸操作，对电源要求低，交直流均可操作，对电源无冲击，因此在近些年得到广泛应用。但弹簧机构也有其自身不可刻服的缺点：零件数量多，要求加工精度高，制造工艺复杂，成本高，产品可靠性不易保证。
 研究表明,开关设备的故障率和其零件的数量成正比，弹簧操动机构缺点是结构比较复杂，零件数量多（约为200个），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。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，其缺点是合闸线圈消耗的功率太大，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，所以初逐步淘汰。

文 献 资 料
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现代高压电器技术         机械工业出版社      林  莘编著2002
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高压开关文献综述         中国电器工业协会高压开关分会编
高压断路器液压操作机构   机械工业出版社      苑  舜主编2000
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