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电友之家 http://gyzjngdj. 感谢南京电友之家古典吉他QQ: 68097426技术支持 庆祝电友之家公众号已遍布全中国,电友之家将成为最好的资料库 随着国民经济持续、快速、健康的发展，我国电力工业也在不断高速发展，各电力公司也加大了配电网的管理和投资力度，以确保配电网的可靠性。 高压断路器是电力系统中最重要的开关设备，它担负着控制和保护的双重任务。为实现开断和关合，断路器必须有1、开断部分（包括导电和触头系统及灭弧室）2、操动和传动部分3、绝缘部分等这三个部分，而开断部分的灭弧室为整个断路器的核心部分。按照灭弧介质的不同，断路器可分为油断路器、真空断路器、SF6断路器。 油断路器是最早出现的高压断路器，虽然结构简单、价格便宜，但容易发生火灾和爆炸；开断能力难以做的很高；电气寿命有限、检修周期短。所以世界范围内要求开关电器的无油化。真空断路器以更好的可靠性、更低的维修费用、不可燃、无爆炸、环保无公害等优点在6～35kV配电系统中已经得到广泛的应用。近几年，真空断路器和SF6断路器已取代了油断路器；现在，真空断路器已成为市场的主流。 对于真空断路器，真空技术已经相当成熟，它的开断容量已达到了100kA。所以，对于真空断路器，目前迫切需要的是降低造价、提高可靠性及免维护设计。提高断路器的电气特性及要达到免维护，除了增加电器元件的绝缘性能，最主要的提高可靠性就是改进真空断路器的操作机构。（统计资料表明，设备故障70％～90％为操作机构的机械故障） 因此，近年来又出现了一种新的真空断路器――配永磁机构固封式断路器。真空断路器的驱动机构，从最初的电磁操动机构，发展到现在广泛应用的弹簧操动机构，带动了真空开关的发展。弹簧机构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，从而对电源要求低，交直流均可操作，电源丢失仍可完成一个合分循环，因此得到广泛应用。但弹簧机构也有其自身不可克服的缺点：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，限制了真空开关向电气寿命、免维护等要求更高的方向发展。因此，近年来出现了永磁机构真空断路器。为高参数真空开关开辟了一条新的路径。 永磁机构真空断路器在真空灭弧室和操作机构上采用了新设计，它可以使真空断路器的电气特性更好、机构结构更简单。这种设备主要由以下部分组成： （1）固态聚碳酸脂制成的固体绝缘； （2）密封于固体绝缘中的主回路部件(真空灭弧室和接线端子)； （3）通过绝缘拉杆与真空灭弧室动触头连接，采用永磁闭锁的操作机构； （4）利用同步轴实现三相联动和机械互锁。 （5）控制部分。 配永磁机构户内真空断路器，改变了传统的固定模式，吸收了大量的先进理论，如：卡扣、脱扣方式的突变，利用新近发现的稀土永磁材料的特殊性能及新颖的磁通布置方式，取代了传统的机械式挚子卡扣、脱扣，从而解决了机械挚子易磨损的缺陷。储能部分完成了由弹簧储能到电储能的转换，辅以全新的电子控制系统，不仅使能量的消耗降到了最低，而且做到了直观界面、人机对话，符合了现代国际发展潮流。在对真空灭弧室的改进过程中，采用了先进的固封工艺，加上专业的设计，使其使用寿命和性能参数在同类产品中独树一帜。新的操动机构――永磁机构的负载特性与真空灭弧室的完美匹配。（弹簧机构的弹簧在合闸过程中释放能量，它的特性与真空断路器刚好相反，因此必须通过弹簧的特性转换来满足力与行程关系曲线。这种转换伴随着连接机构的高速运动，不仅降低机构的效率和可靠性，还减小了产品结构的刚性。） 这种配永磁机构户内真空断路器的特点是： （1）永久磁铁与分闸、合闸控制线圈结合，解决了合闸时需要大功率能量的问题。 （2）真空灭弧室的动触头靠永久磁铁产生的力通过拐臂、绝缘拉杆使其保持在合闸、分闸位置上，取代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，耗材少，节能且成本低。 （3）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，能够实现免维护，节省维修费用。 （4）真空断路器采用永磁操动机构，永磁力可保证100年不消失，该机构寿命高达10万次，以电磁力进行分合闸操作，以永磁力进行双稳态保持，简化了传动链，降低了能耗和噪音。开断能力强，安全可靠。与传统的弹簧机构和电磁机构相比，机械寿命至少提高3倍。 （5）采用先进的真空灭弧室，额定电流为630A-3150A，额定短路开断电流为31.5kA—40kA，技术性能达到世界领先水平。 （6）断路器机构简单，布局合理。真空灭弧室纵向安装在绝缘筒内，即使在恶劣的环境下，仍能保持很高的抗爬电性能及绝缘性能。本产品无爆炸、无污染、噪音低、体积小、重量轻、寿命长。 永磁机构真空开关产品简单划分有以下3大类： （1）一种结构形状为圆柱型(见图1、2)，采用单稳态设计，合闸位置采用永磁锁扣，分闸位置采用弹簧锁扣，用一个电磁线圈来完成分合闸操作； （2）一种是垂直布置的带有储能电容的双稳态永磁结构(见图)； （3）一种是横置式的带有手分装置的双稳态永磁结构(见图)。 其中双稳态永磁操动机构的工作原理为分闸与合闸及都保持永磁力；单稳态永磁操动机构的工作原理为在储能弹簧的帮助下快速分闸，并保持分闸位置，只有合闸保持永磁力。 新型的单稳态永磁操动机构断路器，操动机构由顺磁硬合金制成。操动机构通过磁通保持在合闸位置上。在分闸位置，由分闸弹簧保持住。根据注入电流的方向，单线圈可以提供合闸和脱扣所需的能量。在每相电极中，单独安装有操动机构。这些操动机构与同步轴相连，为辅助开关和连锁提供控制。这种设计在产品的整个寿命期间可以获得较高的机械寿命和免维护特性。 永磁机构的特点是： （1）真空灭弧室的动触头靠永久磁铁产生的力通过拐臂、绝缘拉杆使其保持在合闸、分闸位置上，取代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，耗材少，节能且成本低。 （2）真空断路器采用永磁操动机构，永磁力可保证100年不消失，该机构寿命高达10万次，以电磁力进行分合闸操作，以永磁力进行双稳态保持，简化了传动链，降低了能耗和噪音。开断能力强，安全可靠。与传统的弹簧机构和电磁机构相比，机械寿命至少提高3倍。 （3）其吸力特性可以较为理想地满足真空灭弧室的工作需要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压力(20kA,2000N； 31.5kA,3100N；40kA,5000N),同时有利于提高分闸速度。 （4）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，因此，降低了分、合闸控制线圈的电流。也减小了操作机构的结构和物理尺寸。 （5）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，真正实现了免维护。 （6）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的磁能保持。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12kV、17kV和24kV，额定电流为630-1250A，额定短路开断电流为20kA或25kA。更高电压等级和大开断能力的产品正在研制中。 （7）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完成。 在中国国内的应用推广上，由于某些较早进入中国市场的国际知名大公司选择了双稳态结构作为真空断路器的研发方向，且不论这种选择是否恰当，都 在一定程度上对中国市场，尤其对中国国内的生产企业起到了引导作用。今天，我们所看到的中国企业自行开发的永磁真空断路器都是双稳态结构的。 双稳态永磁机构在中国问世以来，在实际应用中也出现了一些问题，其中，有些问题来自设计缺陷，有些则是产品质量问题；但是这些问题的出现给整个永磁机构的应用带来了一些阴影。 双稳态永磁真空断路器并没有解决传统弹操断路器机械零部件和传动部件过多的问题。下面列表分析单稳态永磁操动机构真空断路器与双稳态永磁操动机构真空断路器的特点。
永磁机构的技术难点：（1） 驱动功率要小，体积也要小；（2 ）电子控制系统的高可靠性；（3）手动分闸的初分速度要足够大； 永磁机构系统的应用可靠性问题 对于电子操动系统，可靠性体现在能源部分的失效问题，在控制部分是电磁兼容问题，在磁系统中则是磁性能劣化问题。 （1）能源部分的可靠性问题 电子操动的能源系统主要元件是储能电容器，其失效原因主要是过电压、高温运行，以及介质老化。在有一定过电压保护的情况下，长期使用中的主要问题是温升，这在设计电子器件的安装位置时加以充分考虑，避免造成较大的温升。 （2）磁系统的可靠性问题 永磁性材料磁性能的劣化是人们在接受永磁机构时所关注的另一个问题。其中工作条件造成的退磁劣化，如交变磁场下引起磁性能退化，应由工况设计解决；随时间推移的自然劣化则应在出厂工艺处理方面和冗余设计方面给予解决，如永磁铁充磁后出厂前，根据可能遇到的情况人工退掉10%左右的剩磁，可以提高磁稳定性。 （3）控制系统的可靠性问题 电子操动的控制系统涉及微电子器件，工作电压和信号传递电平低，耐压水平低，外界电磁场干扰很容易使其失效或损坏，而这种情况对于传统开关电器的影响是不大的，因此，电磁兼容是电子操动系统要添加的实验项目。国际电工委员会1990年发布了IEC 1000—4《电气与电子设备的电磁兼容性》的实验方法和标准，以后，在IEC 694《高压封闭开关设备和控制设备标准的共用技术要求》中又引用上述标准，要求相关的控制设备除满足例行实验要求外，还要进行电磁兼容实验。主要实验内容包括辐射电磁场干扰实验、振荡波干扰实验、舜变脉冲串实验和静电放电实验。 控制系统的电磁兼容与可靠性是除方案设计外的技术关键，人们在这一领域已做了大量的工作，有很多成熟而有效的措施可以借鉴。在组成系统时，元件的可靠性及使用寿命是至关重要的。从线路板的设计到元件的选型、筛选、老化及线路的焊接工艺，都要严格按照电子线路可靠性与电磁兼容的要求处理。 提高控制单元可靠性的设计 作为配永磁机构的户内真空断路器中的重要组成部分的控制单元，在设计中为达到高可靠性，必须遵循以下几个非常重要的原则。1)设计思路的完整性；2)电子元器件的优化选择；3)严格的型式及出厂试验；4)电磁兼容性。基于上述问题，下面就生产制造过程中可能遇到的问题及对永磁机构中的控制单元的高可靠性进行分析。
2.配永磁机构的真空断路器中控制单元要在较短的时间内设计出，并应用于永磁机构。单纯靠简单设计是满足不了高可靠性设计要求的，设计电源线路复杂，若设计思路混乱，稍有疏忽就会造成不可挽回的重大损失。因此必须拥有一批高技术人员，进行广泛的调研、方案论证，参照电气行业及机电行业各项标准，并且具备精确的检测设备和高性能的试验设备，这是设计高可靠性控制单元必可少的软硬件基础。 在设计配永磁机构的真空断路器控制单元的整个过程中，经过广泛的调研、方案论证，并充分吸取弹操机构的优缺点，考虑可靠性、免维护性、智能型、扩展性、实用性，针对，目前弹操机构加工零部件多，加工精度差，故障多等方面进行了充分的完整性设计考虑。这些都是设计的重要环节之一，是必不可少的前期工作，是保证设计思路清晰的先决条件。电气行业及机电行业各项标准是在设计的整个过程中必须严格遵守的原则。 配永磁机构的真空断路器必须保证可靠的分、合闸，决不允许出现其它诸如中间状态等故障位置，一旦出现故障位置，应及时分闸并报警。这就要求设计人员必须充分考虑这些问题，在设计中要设计可靠的分闸或合闸位置检测功能，采用安装方便，结构简单，响应速度快，体积小，功耗低，检测距离可调，抗干扰性强的电子接近开关来检则开关的分、合闸状态，这一点就比弹操机构考虑得要周到，更可靠，更智能化。 控制器的设计还要考虑具备防跳功能，这也是在设计过程中需考虑到的设计环节。当真空断路器的控制电路同时接收到分、合闸命令时，只响应分闸命令，同时封锁合闸命令；当发出合闸命令后，未取消合闸命令随即又发出分闸命令(或因过流、欠压等故障原因)，此时合闸到位后即刻响应分闸命令，同时封锁合闸命令，使其不会出现跳跃现象，相当于传统机械操动机构中防跳继电器部分，但电路更简单、无触点，可靠且稳定，体积小，成本也非常低。 3.电子元器件的优化选择 众所周知，电子元器件的优化选择是保证整个设计工作顺利完成必不少的程序之一。在设计永磁机构控制单元时，电子元器件的优化选择必须始终贯彻于设计的整个过程中。选择何种元器件作为电源就是首当其冲要考虑的问题之一。 电容器作为电源具有许多潜在的优点。电容器的充电时间较短，可采用具有滤波或非滤波、稳压或非稳压的直流输出的任何一种常规电源装置对其充电。因不必考虑充电过量的危险，所以不要求对精确的充电电流和充电时间进行监视。电容器的充、放电周期也几乎是无限的。电容器作为电源，在使用中不存在化学污染或电极氧化问题，可以经受数次短路，并可放电至任意电平都不会受损坏。除此之外，电容器还可以很容易地并联使用，而不会产生并联电池之间的偏置电流那样的侧流效应问题。因此，户内配永磁机构的真空断路器中的电源设计，我们采用电容器放电的方式是相对可靠的。 当然，用电容器作为电源也要充分考虑电容器的质量及寿命。现代的电解质电容器具有很高的质量及相当长寿命。图3给出了国外现代电解电容使用年限t与环境温度T的关系。即使在相对较高的运行温度5512时，其运行寿命至少可达5至8年。 在设计给电容器充电的电源时，同样必须考虑高可靠性。开关电源相对于线性电源，在设计电源方案时均考虑了电源行业标准，具备宽范围电压输入(65％～120％额定电压)，稳定的电压(1X2100V)输出及电磁兼容性。而且为交直流两用，具有体积小、效率高、稳压范围宽、稳压精度高、纹波小等优点，在动态负载特性和电磁兼容性两方面更具特色和优势。 因此，户内永磁机构中的电源设计从最经济、最安全、最可靠等方面来考虑，采用开关电源为电容器充电，而后采用电容器放电的方式是比较合理的。 但是，开关电源也是由电子元件组成，其可靠性同样也很重要，不仅要考虑元器件的可靠性，而且要考虑装焊后的抗震性。因此开关电源的选择尤其重要。必须选择经电源行业认证过，有经营许可证，守信誉的开关电源厂家。 分、合闸线圈为直流线圈，用传统的方法开断大容量直流(几十安培)是比较复杂的。当今电力半导体器件的发展十分迅速，以 MOS结构为基础的功率场效应晶体管 MOSFET等器件的特点是开关频率高，输入阻抗高，用电压控制。 功率场效应晶体管简称功率MOSFET，是由栅极和经过作为绝缘物的硅氧化膜，在硅基片形成的源领域和漏领域构成。 现代的功率场效应晶体管MOSFET开关管，由于工艺结构技术的不断改进，先进工艺的采用，使功率MOSFET具有很高的质量及相当快的开关能力，输入阻抗高，用单电源电压控制，且器件的体积小，开关频率高，因此驱动控制非常简单，功耗小，可采用集成驱动电路，从而大大简化了驱动电路，缩小了装置体积，提高了系统的效率和可靠性。另外，功率MOSFET开关管较之其它电力半导体器件有其独特的优点，即易于并联使用，且器件的体积小，驱动控制非常简单。 但采用单一的功率MOSFET开关管进行断路器的分合闸操作，存在一个与机构配合问题，即此控制电路不能很好解决分闸与合闸线圈互感问题，分闸速度受影响，而且功耗较大。针对此问题，新设计出的控制器iSPM300系列产品，彻底解决了分闸与合闸线圈互感问题，降低了功耗，而且断路器分闸速度有明显的提高。例如31．5kA断路器使用先前设计的控制器，分闸速度仅在0．9m／s至1．0m／s，始终无法超过1．0m／s，特别是对于40kA断路器，更是难以办到的事。现在使用新设计出的控制器iSPM300系列产品，它是采用高可靠性的功率MOSFET开关管与晶闸管有机的结合，既保证开关可靠的分合闸，又可有效地降低功耗，减少无用功，提升断路器分闸速度，降低真空灭弧室电磨损，提高断路器的使用寿命。无论是31．5kA断路器，还是40kA断路器，分闸速度都提升到1．0m／s至1．2m／s，有了质的飞跃。经过严格的3万次寿命考核，控制器使用一切正常，充分证明了控制器的高可靠性。 提高控制单元可靠性设计的保障 1.严格的电子元器件人厂检验及老化筛选 严格的电子元器件人厂检验及老化筛选是确保控制单元高可靠性的前期准备工作，是必不可少的重要环节。在设计配永磁机构的真空断路器控制单元时，必须考虑这一问题。电子元器件的入厂检验都必须经过专人专项负责，通过合格的检测设备(如精密电阻测量仪，电容电感测试仪，集成电路测试仪，耐压检测仪，高低温测试箱等)，进行严格的检验，并做好每一项记录，基本上做到100％检验，为最终设计目标打好坚实的基础。 电子元器件的老化筛选也是很重要的一环，将电子元器件放人高、低温老化箱进行高、低温老化筛选是考验电子元器件性能好坏的最好手段。这也是确保控制单元高可靠性前期准备工作中必不可少的重要环节。 2.高质量的元器件装焊及检验 （1）高质量的元器件装焊是保证控制单元正常工作的重要环节。错焊、虚焊、漏焊都会造成控制单元无法正常工作，甚至造成控制单元严重损坏，因而元器件装焊后的严格检验也是必不可少的。 （2）为确保质量，首先必须将焊接工作明文规定为特殊工种，其次必须制定严格的工艺文件及检验测试文件。在装焊永磁机构控制单元时，采用波峰焊机进行焊接，足以确保焊接质量，装焊完后再进行严格的检验，并做好各项记录，以确保控制单元正常可靠工作。 3.严格细致的调试 严格的调试工作是保障控制单元可靠工作的重要环节，不能有丝毫的马虎。调试工作是一项复杂的工作，需要细致周到。 在调试配永磁机构的真空断路器控制单元时，编制严格的调试工艺文件、质量跟踪卡等技术文件，并应专门设计一套调试用模拟平台，模拟现场工作发送各类信号，诸如分、合闸信号；过流、欠压信号等，并可以使用进口Tektronix示波器等设备观测信号输入及信号响应波形，记录在案。由各信号输入接口逐级向后监测动态响应波形，调试起来得心应手，及时发现问题，及时解决问题，不会留下任何潜在的问题，可确保控制单元安全可靠工作。 4.严格的形式及出厂试验 严格的型式试验及出厂试验是确保控制单元高可靠性的最后屏障。尤其是型式试验及出厂试验中的高、低温试验及寿命试验。 环境温度是随着气候变化而变化的，炎热的夏季、寒冷的冬季，环境温度变化特别大，高温可以达到+5512以上，低温可以达到—2012以下，要适应如此变化多端的环境，控制器系统在出厂前就必须严格按国家电气行业及机电行业各项标准做高、低温试验及寿命试验。 在设计配永磁机构的真空断路器控制单元时，必须考虑这一问题。电子元器件的优化选择都是为最终设计目标而作出的准备工作，为通过高、低温试验及寿命试验打下了良好的基础。 电磁兼容性 电子元件和设备对电磁干扰(即静电、传导的电气干扰和辐射电磁场的干扰)较敏感，尤其是“高频”和“瞬态”现象，因此必须采取多种形式及措施加以解决，否则就会因电气和电磁的干扰而引起机电设备和系统的误动作、损坏等，造成直接经济损失。 电磁兼容性的考核对作为永磁机构中的重要组成部分的控制单元是必不可少的。在设计永磁机构中的控制单元的整个过程中，都必须从多方面加以电磁兼容性的考虑。 如手动、自动分合闸控制电路，由两组电气绝缘达到2．5kV的光电隔离器与控制驱动电路隔离，可屏蔽外接电源的干扰；位置感应传感器探测出的分、合闸位置通过电气绝缘达到2。5kV的光电隔离器向控制驱动电路发出位置信号；位置感应传感器探测出不允许的中间位置，亦会通过电气绝缘达到2．5 kV的光电隔离器向控制驱动电路发出位置信号，则控制器立即封锁外部操作的分、合闸信号，同时立即自动给出分闸命令，使断路器立即分闸；另外所有的对外输入、输出电路均通过电气绝缘达到2．5kV的光电隔离器隔离，这样便可在一定程度上屏蔽外接电源及信号的干扰。 如今，随着科技的飞速发展，电力半导体器件自身的抗干扰能力也在不断加强，采用合格的电力半导体器件，再加以适当的屏蔽，就一定能满足电磁兼容性的要求。 综上所述，在设计永磁机构中的控制单元时，只要充分考虑了上述的几项原则和问题，就能设计出高可靠性的控制单元，使配永磁机构的真空断路器水平提高一大步，更加安全、可靠，且成本低、体积小，更具市场竞争力，满足免维护的需求。 |
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