淺談永磁機構(gòu)真空斷路器
2013-09-271495人瀏覽
根據(jù)我國目前使用的6-35kV真空斷路器的操縱機構(gòu)都是彈簧機構(gòu)和電磁機構(gòu)的現(xiàn)狀，鑒于彈簧機構(gòu)存在零部件多，制造工藝復雜，運行輕易引起機械故障，而電磁機構(gòu)存在驅(qū)動功率較大，接觸力較小且合閘時輕易引起觸頭跳動等題目，嚴重影響真空斷路器的性能和可靠性。為了克服彈簧機構(gòu)和電磁機構(gòu)的不足，進步6-35kV系列真空斷路器的可靠性、安全性及使用壽命，降低驅(qū)動功率。
ISB系列6-35Kv永磁機構(gòu)真空斷路用具有高可靠性、結(jié)構(gòu)簡單、安全性、使用壽命長、低驅(qū)動功率、性價比高等技術(shù)特點，可以滿足電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的要求。
永磁機構(gòu)是一種用于中壓真空斷路器的永磁保持，電子控制的電磁操縱機構(gòu)，與斷路器使用的傳統(tǒng)彈簧機構(gòu)和電磁機構(gòu)相比，永磁機構(gòu)采用了一種全新的工作原理和結(jié)構(gòu)，工作時主要運動部件極少，無需機構(gòu)脫、鎖扣裝置，故障源少，具有較高的可靠性，因而已成為開關制造企業(yè)與電網(wǎng)企業(yè)及高新重工企業(yè)關注的熱門，具有非常廣闊的市場遠景。
克服傳統(tǒng)彈簧機構(gòu)和電磁機構(gòu)的不足，將永久磁鐵應用于操動機構(gòu)中，使真空斷路器分、合閘位置的保持通過永久磁鐵實現(xiàn)，取代傳統(tǒng)的鎖扣裝置。
這種磁力機構(gòu)具有永久磁鐵和分閘、合閘控制線圈，這種機構(gòu)的特點是：
(1)永久磁鐵與分閘、合閘控制線圈結(jié)合，解決了合閘時需要大功率能量的題目。
(2)真空滅弧室的動觸頭靠永久磁鐵產(chǎn)生的力通過拐臂、盡緣拉桿使其保持在合閘、分閘位置上，取代傳統(tǒng)的機械鎖扣方式，機械結(jié)構(gòu)大為簡化，僅有幾個活動部件，零件總數(shù)約為50件左右，耗材少，節(jié)能且本錢低。
(3)操動機構(gòu)無需機械鎖扣和輔助電器，機械動作的可靠性大大進步，能夠?qū)崿F(xiàn)免維護，節(jié)省維修用度。
(4)真空斷路器采用永磁操動機構(gòu)，永磁力可保證100年不消失，該機構(gòu)壽命高達10萬次，以電磁力進行分合閘操縱，以永磁力進行雙穩(wěn)態(tài)保持，簡化了傳動鏈，降低了能耗和噪音。開斷能力強，安全可靠。與傳統(tǒng)的彈簧機構(gòu)和電磁機構(gòu)相比，機械壽命至少進步3倍。
(5)采用先進的真空滅弧室，額定電流為630A-3150A，額定短路開斷電流為31.5kA—40kA，技術(shù)性能達到************水平。
(6)斷路器機構(gòu)簡單，布局公道。真空滅弧室縱向安裝在盡緣筒內(nèi)，即使在惡劣的環(huán)境下，仍能保持很高的抗爬電性能及盡緣性能。本產(chǎn)品無爆炸、無污染、噪音低、體積孝重量輕、壽命長。
真空斷路器作為控制和分配電能的開關元件越來越廣泛的應用于電力行業(yè)。達到進步6-35kV系列真空斷路器可靠性、安全性及使用壽命的目的。
隨著社會科技程度的進步，電力行業(yè)及廣大終端用戶對開關設備的性能要求愈來愈高。目前，6-35Kv系列永磁機構(gòu)真空斷路器在發(fā)達國家作為中壓斷路器已被廣泛使用，國內(nèi)已開始進口永磁機構(gòu)真空斷路器，并投進財力、人力進行相關的研究和開發(fā)，一些國際著名企業(yè)(如：AAB公司，日本三菱，東芝公司)已經(jīng)開始銷售他們的產(chǎn)品。由于永磁機構(gòu)真空斷路用具有高可靠性、長壽命、免維護等突出上風，相信6- 35kV系列永磁機構(gòu)真空斷路器將逐步取代傳統(tǒng)的電磁機構(gòu)和彈簧機構(gòu)斷路器。
真空斷路器永磁機構(gòu)的發(fā)展
自1961年美國GE公司研制成功第一臺真空斷路器以來，真空斷路器的技術(shù)水平迅速進步，其中，隨著觸頭新結(jié)構(gòu)及材料的研制，真空斷路器的開斷能力不斷進步，真空斷路器作為控制和分配電能用的開關元件越來越廣泛地應用于電力系統(tǒng)，并在中壓領域保持著主導地位。
真空斷路器由于其真空滅弧室具有無與倫比的特性，使其電壽命大大增加，由于操縱機構(gòu)技術(shù)水平的不斷進步，其機械壽命也從傳統(tǒng)的兩千次躍增為幾萬次。真空斷路器由于采用了真空滅弧室這一先進技術(shù)產(chǎn)品，其電壽命得到充分保證。與之配合的操縱機構(gòu)的機械壽命及可靠性就成了影響真空斷路器綜合特性的突出題目。
開關設備的一個最基本性能的要求就是操縱機構(gòu)的可靠性，我國中壓開關設備最突出的題目就是操縱機構(gòu)可靠性不高和盡緣題目，這方面與發(fā)達國家相比有較大的差距。目前，在發(fā)達國家紛紛提出并推出新一代免維護的高壓開關產(chǎn)品。
真空斷路器的發(fā)展狀況
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，型號眾多，其特點各異，但概括起來，從盡緣角度來講，有空氣盡緣和復合盡緣，從總體結(jié)構(gòu)上講，有斷路器和機構(gòu)一體式和分體式(國內(nèi)居多)，從操動機構(gòu)上講作為中壓開關產(chǎn)品主要是電磁機構(gòu)和彈簧機構(gòu)。
目前，國際上真空斷路器的設計、制造領域逐步形成了以德國西門子公司為代表的空氣盡緣產(chǎn)品和以ABB公司為代表的復合盡緣產(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，其操動機構(gòu)均為彈簧機構(gòu)。從3AF到3AH，其操動機構(gòu)在設計上日趨公道，調(diào)整環(huán)節(jié)減少，更有利于進步初分速度，機構(gòu)也更加省力，但制造精度要求更高。
ABB公司的代表產(chǎn)品有VD4，它采用復合盡緣方式，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)緊湊，其操動機構(gòu)為彈簧機構(gòu)。
日本三菱電機VPR型真空斷路器，其滅弧室由一澆注的支架盡緣，該支架將三相分開，相間距小，結(jié)構(gòu)緊湊，采用彈簧機構(gòu)驅(qū)動，其特點是結(jié)構(gòu)簡單，零部件比老式機構(gòu)少，采用具有單向離合器的正齒輪機構(gòu)使儲能過程平穩(wěn)，能耗低，噪聲小。
國內(nèi)生產(chǎn)的真空斷路器回納起來大致可分為三類：1)引進技術(shù)并國產(chǎn)化的產(chǎn)品。如引進西門子3AF，產(chǎn)品技術(shù)生產(chǎn)的ZN12-12，ZN18-12，引進日本東芝公司VK系列產(chǎn)品技術(shù)，生產(chǎn)的ZN21-12，引進比利時EIB公司的產(chǎn)品技術(shù)；生產(chǎn)的ZN67-12等。2)在鑒戒國外同類產(chǎn)品的基礎上開發(fā)的產(chǎn)品，如：ZN63-12和ZN65-12分別效仿ABB公司的VD4產(chǎn)品和西門子公司的3AH產(chǎn)品，其操動機構(gòu)為彈簧機構(gòu)。3)自行設計的產(chǎn)品，如： ZN15-12，ZN28-12，ZN30-12等，其操動機構(gòu)為電磁機構(gòu)或彈簧機構(gòu)。
操動機構(gòu)
斷路器的全部使命，回根到底是體現(xiàn)在觸頭的分、合動作上，而分、合動作又是通過操動機構(gòu)來實現(xiàn)的，因此操動機構(gòu)的工作性能和質(zhì)量的優(yōu)劣，對斷路器的工作性能和可靠性起著極為重要的作用。開關設備的操動機構(gòu)需要較多的機械零件組成，這不僅本錢高，而且可靠性低，由于故障率上升的可能性是和零件的數(shù)目成正比的。目前常用的操縱機構(gòu)有彈簧機構(gòu)和電磁機構(gòu)兩種。彈簧操動機構(gòu)是利用已儲能的彈簧為動力使斷路器動作的操動機構(gòu)。彈簧儲能通常是由電動機通過減速裝置來完成。整個操動機構(gòu)大致可分為彈簧儲能、維持合閘與合閘維持和分閘四個部分。彈簧操動機構(gòu)的優(yōu)點是不需要大功率的直流電源，電動機功率小，交直流兩用，適宜交流操縱；其缺點是結(jié)構(gòu)比較復雜，零件數(shù)目多(約為200個)，且要求加工精度高，制造工藝復雜，本錢高，機構(gòu)的可靠性不易保證。
電磁操動機構(gòu)的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，零件數(shù)目少(約為120個)，工作可靠，制造本錢低，但其缺點是合閘線圈消耗的功率太大，觸頭的壓力較小，加上機構(gòu)的粗笨，動作時間較長要求用戶配備價格昂貴的蓄電池組等。
永磁操動機構(gòu)
永磁機構(gòu)是在彈簧機構(gòu)和電磁機構(gòu)的基礎上，克服其不足，將永久磁鐵應用于操動機構(gòu)中。設計中使真空斷路器分合閘位置的保持通過永久磁鐵實現(xiàn)，取代了傳統(tǒng)的鎖扣裝置。這種磁力機構(gòu)具有永久磁鐵和分閘、合閘控制線圈，當合閘控制線圈通電后，它使動鐵心向下運動，并由永久磁鐵保持在合閘位置；當分閘控制線圈通電，動鐵心向反方向運動，同樣由永久磁鐵將它保待在另一個工作位置即分閘位置上，也就是說，該機構(gòu)在控制線圈不通電流時它的動鐵心有兩個穩(wěn)定工作狀態(tài)，(合閘和分閘)。也稱雙穩(wěn)態(tài)電磁機構(gòu)。這種機構(gòu)的特點是：
(1)其吸力特性可以較為理想地滿足真空滅弧室的工作需要
真空斷路器操動機構(gòu)與其他類型如：空氣、油、SF6斷路器的操動機構(gòu)有著明顯不同，真空斷路器的滅弧室動觸頭行程小(8～12mm)，消息觸頭為平面接觸，合閘時，消息觸頭為碰撞接觸，為了防止真空斷路器在短路時，觸頭被巨大的電動力斥開，采用觸頭彈簧以使觸頭間有較大壓力(20kA,2000N； 31.5kA,3100N；40kA,5000N),同時有利于進步分閘速度。
(2)永久磁鐵與分、合閘控制線圈結(jié)合，解決了合閘時需要大功率能量的題目，因此，降低了分、合閘控制線圈的電流。也減小了操縱機構(gòu)的結(jié)構(gòu)和物理尺寸。
(3)真空滅弧室靠永久磁鐵產(chǎn)生的力使其保持在合閘、分閘位置上，取代了傳統(tǒng)的機械鎖扣方式，機械結(jié)構(gòu)大為簡化，(僅有幾個活動部件，零件總數(shù)約為50個)。
(4)操動機構(gòu)無需機械鎖扣和輔助電器，機械動作的可靠性大大進步，真正實現(xiàn)了免維護。
(5)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個活動元件組成的磁力驅(qū)動裝置代替有數(shù)百個零件組成的傳統(tǒng)機構(gòu)。其分合閘位置均靠永久磁鐵的磁能保持。采用這種無磨損的真空斷路器機構(gòu)在其10萬次的操縱壽命中不需維修，是傳統(tǒng)真空斷路器壽命的三倍，可節(jié)省維修用度。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12kV、17kV和24kV，額定電流為630-1250A，額定短路開斷電流為20kA或25kA。更高電壓等級和大開斷能力的產(chǎn)品正在研制中。
(6)荷蘭Holec的MMS型真空斷路器采用永磁機構(gòu)驅(qū)動，其短路開斷電流為31.5kA。該操動機構(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，機構(gòu)的終止位置是分閘位置，其分閘動作基本上是被動的，不需要提供額外的能量，僅靠觸頭彈簧和分閘彈簧的力完成。
——永磁材料的發(fā)展及應用
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，震動了與永磁材料有關的很多技術(shù)領域。釹鐵硼材料優(yōu)異的磁性能是其他永磁材料所瞠乎其后的，且其資源豐富、便宜，因而被廣泛推廣應用。這種新的永磁材料的出現(xiàn)，對產(chǎn)業(yè)技術(shù)領域產(chǎn)生了革命性的影響，被全世界各國重視。
我國近年永磁材料技術(shù)也獲得了突飛猛進的發(fā)展，與世界先進國家的差距正在日益縮校我國稀土資源非常豐富，蘊躲量居世界之最，其價格隨著生產(chǎn)技術(shù)的進步，工藝的改進，也在大幅度降低。
固然我國擁有永磁材料的生產(chǎn)技術(shù)，但永磁材料在中壓真空斷路器操動機構(gòu)中的應用尚屬空缺。新型的永磁機構(gòu)就是運用這些新材料、新工藝及新原理，使真空斷路器的磁力驅(qū)動裝置實現(xiàn)低能耗、高可靠性。
永磁機構(gòu)的關鍵性技術(shù)解析：
目前，真空斷路器在6～35kV輸配電系統(tǒng)中已經(jīng)得到了廣泛的應用。現(xiàn)在真空滅弧室技術(shù)應該說已經(jīng)相當成熟，比如世界上現(xiàn)在已經(jīng)有了可開斷100kA短路電流的斷路器，因此沒有更多的必要考慮往進步真空斷路器的開斷容量?；蛘哒f，對于中壓開關設備，目前迫切需要的不是進步開斷容量而是降低造價、進步可靠性及免維護設計。就目前的制造水平而言，包括我國自行設計和生產(chǎn)的真空滅弧室，其可靠性已經(jīng)達到了相當高的水平，但在實際運行中，開關設備的可靠性卻不容樂觀。統(tǒng)計資料表明，設備故障中約有70%～90%以上為操縱機構(gòu)機械故障。因此，進步真空斷路器可靠性的主要途徑就是改進真空斷路器的操縱機構(gòu)。永磁機構(gòu)真空斷路器在真空滅弧室和操縱機構(gòu)上采用了新設計，它可以使真空斷路器的電氣特性更好、機構(gòu)結(jié)構(gòu)更簡單。這種設備由以下部分組成： (1)固態(tài)聚碳酸脂制成的固體盡緣； (2)密封于固體盡緣中的主回路部件(真空滅弧室和接線端子)； (3)通過盡緣拉桿與真空滅弧室動觸頭連接，采用永磁閉鎖的操縱機構(gòu)；(4)利用同步軸實現(xiàn)三相聯(lián)動和機械互鎖。
永磁機構(gòu)的技術(shù)難點：(1) 驅(qū)動功率要小，體積也要?。?2 )電子控制系統(tǒng)的高可靠性；(3)手動分閘的初分速度要足夠大；
ISB(6-35Kv)系列永磁機構(gòu)真空斷路器已經(jīng)解決了上述困難。
主要技術(shù)路線是：原裝引進、消化、吸收俄羅斯ESP 電氣(團體)公司35kV、10kV永磁機構(gòu)真空斷路器的生產(chǎn)技術(shù)、生產(chǎn)工藝，把握6-35kV系列永磁機構(gòu)真空斷路器的技術(shù)難點題目。
實現(xiàn)降低機構(gòu)的驅(qū)動功率(≤2kW)，進步可靠性，保證手動分閘的速度足夠大(≥0.7m/s),機構(gòu)壽命5-10萬次，電壽命≥5萬次，短路開斷電流31.5kA或40kA等技術(shù)指標。
永磁操動機構(gòu)所具有的特點：
(1)采用雙穩(wěn)態(tài)機構(gòu)設計。這種磁力機構(gòu)具有永久磁鐵和分閘、合閘控制線圈。當合閘控制線圈通電后，它使動鐵心向下運動，并由永久磁鐵保持在合閘位置。當分閘控制線圈通電后，動鐵心向反方向運動，同樣由永磁鐵將它保持在另一個工作位置即分閘位置上。合閘和分閘位置均采用永磁鎖扣。
(2)由動鐵心的上下運動，通過拐臂桿，盡緣拉桿作用于真空滅弧室的動觸頭，實現(xiàn)合閘或分閘。
(3)雙線圈分別控制分合閘操縱。即分閘通過分閘線圈控制，合閘通過合閘線圈控制。進步了機構(gòu)的可靠性。
(4)新的磁路設計。增大合、分閘的保持力，減小對合、分閘時線圈電流的要求。
(5)解決合閘彈跳題目。設計軟連接、觸頭輔助壓簧和聚碳酸脂模鑄外殼，解決合閘彈跳題目。
(6) 控制首開相燃弧時間，使首開相燃弧時間控制在1ms。
(7)解決分閘反彈題目。設計中增加動觸頭壓簧，保證分閘時動觸頭不反彈。
(8)保證三相操縱的同期性。設計操縱機構(gòu)的下部基座聯(lián)動軸。保證三相同時進行分合閘操縱的同期性。同時可利用此聯(lián)動軸實現(xiàn)閉鎖等輔助功能。
(9)用磁控開關做輔助觸點，輔助觸點裝在聯(lián)動軸上，不需機械元件，簡便可靠。
設備盡緣水平高、結(jié)構(gòu)簡單、開斷能力強、斷路開斷電流大、壽命長、且具有無爆炸、無污染、噪音低、體積孝重量輕、免維護等特點。
ISB 系列6-35kV永磁機構(gòu)真空斷路用具有壽命長、可靠性高、開斷能力強、斷路開斷電流大、體積孝重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、免維護等明顯優(yōu)點。因此，可作為 220kV、110kV、35kV變電站、發(fā)電廠和10kV的變電所及煤炭、冶金等重工行業(yè)的配電系統(tǒng)的主要開關設備。
隨著電力系統(tǒng)改革的進一步深化，電網(wǎng)企業(yè)由原來的行業(yè)治理性質(zhì)已經(jīng)轉(zhuǎn)變成為客戶服務的基礎產(chǎn)業(yè)性的公益性企業(yè)，對開關設備的質(zhì)量和性能要求越來越高。新一代10kV永磁機構(gòu)真空斷路器的誕生，已經(jīng)成為廣大電網(wǎng)企業(yè)及終端用戶提供了一種全新的選擇。
永磁機構(gòu)采用了一種全新的工作原理和結(jié)構(gòu)，工作時主要運動部件只有一個，無需機構(gòu)脫、鎖扣裝置，故障源少，與傳統(tǒng)的彈簧機構(gòu)和電磁機構(gòu)相比具有較高可靠性，因而成為開關制造企業(yè)和電網(wǎng)企業(yè)關注的熱門。
據(jù)不完全統(tǒng)計，全國每年至少需要5萬臺6-35kV系列永磁機構(gòu)真空斷路器產(chǎn)品，就華中網(wǎng)局公司而言，每年新建220kV、110kV、35kV變電站就有上百座，對35kV、10KV永磁結(jié)構(gòu)真空斷路器的需求量非常大，市場遠景非常廣闊。
