中压开关(断路器)操作机构的可靠性分析

断路器是配电网络关键电气设备之一，它是对配电网运行状态进行控制的唯一电气设备，正常运行时，利用它可改变网络结构，从而改变电能的供需联系及实现网络中某些电气设备的投入及切除。更重要的是当网络发生短路故障时，在继电保护装置的操纵下，可切除线路或电气设备的短路故障，使供电系统的整体及电气设备受到保护。为了提高配电网的可靠性，往往对重要线路和负载采用自动重合闸及备用电源自动投入技术，这些措施都必须通过断路器的开合实现。因而断路器是配电网络实现综合自动化，运动化及智能化的关键电气设备。
　　　断路器由三部分组成：断路器本体、操作机构、电源。作为断路器主要部件的断路器本体，它的功能是切断负载或短路电流。按其灭弧所采用的介质来分，可分为油断路器，真空断路器和无氟化硫（SF6）充电断路器。操作机构的功能是通过电动方式或手动方式实现断路器触头的开合及满足触头开合特性的各种要求。因此，虽然操作机构在断路器总造价中占较低的比率，但其时于断路器的开合特性起着至关重要的位置。电源部件的功能是为断路器以电动方式开合提供足够的能源。
　　　真空断路器和SF6充气断路器以其卓越的灭弧特性以及随之而来的其它特性正取代油断路器。就世界市场而言，欧洲和大部分中东国家倾向于SF6断路器，中国、日本和美国确定无疑的倾向于真空断路器；其它地区则对半地倾向于SF6和真空断路器。至于油断路器（包括多油和少油）在中国、东欧、印度和拉美一些国家还保留少部分，如在中国还有10%的市场份额，但这项技术很快会消亡，而完全被 SF6或真空断路器取代。目前在中国市场，真空断路器的份额已占到接近80％，再加上中国电力工业的飞速发展，真空断路器的绝对市场份额是相当大的。
　　　就真空断路器而言，目前真空技术已很“成熟”，世界上已经有了可断开100KA短路电流的真空断路器。因此，对配电网开关设备而言，人们关心的技术参数，已不是它的开断容量，而更主要的是关注高可靠性和免维护设计。而对于真空断路器而言，就目前的制造水平，包括我国自行设计和生产的产品，真空无弧室的可靠性已经达到相当高的水平，它的平均无故障时间已可达到250 年，然而在实际运行中，配电网开关设备的可靠性却并不乐观，远远低于真空无弧室已达到的可靠性水平。统计资料表明：设备故障中有70％——90％以上为操作机构的机械故障。传统的真空断路器，其操作机构主要是电动——弹簧储能机构类型和电磁操作机构。对于机械电动——弹簧储能机构，它所暴露出来的缺点是机械结构十分复杂，零件数量多，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。对于电磁操作机构，其结构复杂程度和工作可靠性比电动——弹簧储能机构要有所改善，但其致命的问题是合闸线圈消耗功率太大，要求配置价格昂贵和维护麻烦的蓄电池组，以及电磁机构结构笨重，动作时间较长。因此想依靠这两种操作机构的改进，来提高断路器的可靠性和免维护水平，以及实现开关设备的自动化、运动化和智能化。这种设想已走入了死胡同。
　　　自1989年英国曼彻斯特大学系统与能量组为GEC公司设计了第一台永磁操作机构模型起，永磁操作机构就成了世界各国开发的热点。永磁操作机构的显著优点是：结构简单零部件少，可靠性高及操作能耗小。当其与真空断路器配合使用，组成自动重合器系统，应用于变电站（开关柜）和柱上开关，使配电网的可靠性和自动化程度有很大提高。在欧洲市场已出现以电池作为操作能源，可10年免维护的永磁操作机构及控制系统。上世纪末，国际上永磁操作机构的发展概况大致如下：
　　 ABB Calor Emag开关设备公司，在1997年开发了一种新型利用永磁操作机构的VM1型真空断路器。操作机构是永磁方形双线圈结构，仅用7个活动元件代替了由数百个零件组成的传统结构。在10万次操作寿命中不需维修，是传统操作机构的3倍。目前VM1真空断路器的额定电压为12175和24KV，额定电流为2000-3150A，额定开断电流为25-50KA。
　　　英国IPEC公司的永磁操作机构采用圆粒形双线圈结构，并且把永磁体由静铁芯移到了动铁芯。
　　 荷兰Holec 公司的MMS型真空断路器采用的永磁操作机构其特点是：合闸、合闸保持和分闸的磁路是分开的，只有合闸位置靠永磁体保持，机构的终止位置是分闸位置，分闸操作仅靠开关触头的弹簧力和分闸弹簧力，通过合闸线圈使之释放能量。它的短路开断电流为31.5KA，分合闸时间偏差不超过1ms。
　　　国内在近一、二年里，一些高等院校、研究机构及从事高压断路器产品开发制造的公司，正开展永磁操作机构的研制，也已开发出了一些初级阶段的产品，还未形成系列化产品，性能也很不稳定。
　　　根据专家的估计，认为：“国际上这一领域内系统的理论还远未成熟，还有许多实验研究工作要做。国内的理论及实验研究工作还刚刚起步。因此这种使用新材料、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，高可靠性的永磁操作机构的研究发展前景及市场前景将是十分宽阔的。

下面简要地叙述目前采用的永磁操作机构的类型及其工作原理。永磁操作机构的类型大体可分为三种：双线圈式、单线圈式和分磁路式。
　　1.双线圈永磁操作机构
　　 双线圈永磁操作机构的结构简图如图1所示。它是利用永磁体保持合、分闸位置的双稳态永磁机构。
　　

图1 双线圈永磁机构的结构简图
　　　当断路器处于合闸位置时，永磁体利用动静铁芯提供的低磁阻抗通道将动铁芯保持在合闸位置，磁力线方向如图1（a）中的曲线I，当分闸线圈6带电，分闸线圈电流产生的环场方向如图中曲线Ⅱ、Ⅲ所示，分闸电流在上部工作气隙产生的磁场方向与永磁体产生的磁场方向相反，当分闸电流达到某一值时，动铁芯开始向下运动，伴随着上部工作气隙磁阻增大，下部工作气隙磁阻减小，进一步加速了动铁芯的运动速度，直到分闸位置，图1（b）给出了到达分闸位置时的磁力线分布图，此时分闸电流产生的磁力线和永磁体产生的磁力线基本上全都通过下部工作气隙，当切断分闸线圈电流，永磁体在下部工作气隙产生的磁场仍能使动铁芯保持在分闸位置。从分闸位置到合闸的过程与上类似。遇紧急情况时，必须采用机械方法强行将动铁芯与静铁芯拉开。
　　2.单线圈永磁操作机构。
　　　其结构简图如图2所示，它也是一种利用永磁体保持合、分闸位置的双稳态永磁机构。在由分闸位置到合闸位置的过程的电磁分析与双线圈永磁操作机构类似，所不同之处是当到达合闸位置时，动铁芯除了给触头弹簧储能外，还需给分闸弹簧储能。而在由合闸位置到分闸位置的过程中，在同一操作线圈中还以较小的（与合闸电流相比）反向分闸电流，它所产生的磁场仅需抵消永磁体的磁场，分闸能量主要由触头弹簧和分闸弹簧提供。当在紧急状况需开动分闸时，仅需分流永磁体工作气隙的磁通，使其保持力大大降低，而断路器在弹簧力的作用下实现分闸。
　　 3.分磁路永磁操作机构
　　　其结构简图如图3所示。它是一种单稳磁力机构，即永磁体只用于保持合闸位置，而分闸位置是靠分闸弹簧的预紧力来保持。
　　

　　图3 分离磁路式永磁机构原理图
　　　在由分闸位置到合闸位置过程中，合闸线圈通以合闸电流，其磁力线如图3（a）中曲线I所示，在此磁通回路中不含有任何分磁路，绝大部分磁力线将穿过上部工作气隙。当电流增加到某一值时，动铁芯向上的力大于分闸弹簧的阻力和摩擦力时，动铁芯向上运动，驱动断路器合闸，同时给分闸弹簧储能，当到达合闸位置时，永磁体磁场回路闭合产生足以克服弹簧的反力，使断路器保持在合闸位置。当由合闸位置到分闸位置的过程及紧急状况下的手动分闸操作，与单线圈永磁操作机构的情况类似。
　　几点看法：
　　①传统的电动——弹簧操作机构及电磁操作机构，由于它们的结构复杂，可靠性低，能耗大，成为提高真空断路器的可靠性和提高其免维护水平的障碍。同时，由于开关（断路器）是实现配电网控制的关键电气设备，因而传统操作机构也制约了配电网自动化，运动化和智能化的发展。
　　②由于永磁能级（40——50MG0e）及近似45度退化磁曲线的钕铁硼（Nd-Fe-B）永磁材料的曲线，产生了基于此原理的永磁双稳或单稳操作机构。这种永磁操作机械比传统操作机构，其结构大为简单。合、分闸能耗大大降低，从而极大的提高了真空断路器的运行可靠性和免维护水平，并为配电网实现自动化、运动化、智能化提供了必要的技术条件。

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