断路器操纵机构

直流断路器的永磁操纵机构

1.1 地铁用直流断路器操纵机构概述

在输配电系统中常采用的高压开关电器主要是断路器，然而断路器大多是靠触头的打开、关合来实现电路的开断和接通,而触头的打开、关合必须由操动机构去完成。因此,操动机构对断路器的发展有着很大影响。目前,我国地铁牵引供电系统大多采用直流供电的方式。在地铁牵引供电系统中起着故障跳闹、保护牵引供电系统和其它电力设备的关键器件就是直流断路器,它是地铁供电系统中不可或缺的控制和保护器件。由于地铁供电系统故障时电流较大,在直流断路器动作时产生的电弧对其破坏严重,这就使得必须对直流断路器经常进行维护和更换。因此，加强对直流断路器的研究是实现安全可靠的地铁输配电系统的关键。

直流断路器的操动机构不仅要满足灭弧特性对操动机构的要求,而且要确保断路器长时间的动作可靠性,所采用的操动技术与断路器的动态特性有很大关系。长期的经验表明,断路器故障的很大比重是操动机构的故障率。因此，在要求断路器向大容量、高电压、高可靠性发展的今天,为了使电力系统对高可靠性的要求得以满足,从事于提高传统操动机构可靠性和质量的同时,要求突破传统意义上的机构动作原理,发展和研制新的断路器操动机构。

1.2 传统的操纵机构

用于高压断路器的传统的操动机构主要有气动操动机构、弹黃操动机构和液压操动机构三种。（一）、气动操动机构是采用压缩空气通过阀门控制气虹内活塞以保证开关分合闸的机构,但操作时噪音大、需要一套空气压缩装置,使得其应用场合受到较大的限制,遂渐被弹簧操动机构和液压操动机构所取代。（二）、弹賛操动机构是釆用已经储能的弹賛装置,在释放位能的同时所产生的力使得开关合闹的机构,它采用小功率交流或手动电动机储能,它的合闹功基本上不受电源电压影响,比较恒定,这样不但能够获得较高的合闹速度,而且可以完成快速的自动重合闹操作。然而这种机构完全依靠机械传动,零部件总数多,传动机构比较复杂,故障率较高,运动部件数目多,要求制造工艺较高。（三）、液压操动机构是采用液体作为力传递的介质,一般是用高压油来推动工作活塞运动,使开关合阐的操动机构。然而,液压机构本身结构复杂,管路的密封和零件的加工精度都要求很高,装配、调整和维修难度也较大。

因此，传统操动机构主要由锁扣和连杆等能量供应系统和传动机构组成,装置复杂、效率不高,且动作时间慢、响应时间分散。切除直流故障的主要问题是希望断路器尽快的动作,在故障电流未达到预期短路水平时切除故障。传统的操动机构明显无法满足快速的反应和快速的幵断动作,所以研制幵发具有以下意义的操动机构是目前的发展趋势。

1.3 永磁操纵机构

我们知道，传统的操动机构明显无法满足快速的反应和快速的开断动作,永磁操动机构的诞生为解决这些问题带来了希望。永磁操动机构的显著优点是：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。

永磁机构是经过将永久磁铁与电磁机构的特殊结合,来完成传统断路器机构的大多数功能,与传统机构在其结构上的最大区别是不需要脱锁扣装置就可以完成使机构终端位置得以保持的功能,使零部件数目大大减少,因而很大程度上断路器的机械可靠性得以提高。另外,由于永磁机构动作零部件少,连接机构和中间转换环节也比较少,减少了动作时间的不可控制性和分散性,为断路器完成智能化的操作提供了物质保证。通过使用微机系统或电子系统来进行控制分合闹线圈,就可以使得开关的智能操作和同步开断、关合得以实现。为了较好的适应电力系统自动化发展的要求,特别是永磁机构简单可电控的特点,采用电子式控制,应用各种传感技术,其最根本的发展方向是开发具有自诊断功能的智能化开关。

永磁操动机构主要由以下几个零件构成:1是静铁心,为操动机构提供磁路通道,圆形结构一般使用低碳钢或电工纯铁;方形结构大多使用陆钢片叠形结构。2是动铁心,通常使用低碳钢或电工纯铁结构,为整个操动机构中最重要的运动部件。

3、4是永久磁体,是给操动机构提供主要保持时需要的动力部件。5是分闸线圈。6是合闸线圈。7是驱动导杆，是连接操动机构和断路器传动机构的主要纽带。

永磁机构的合闹都采用电磁操动。按照机构在分闹操作时的不同,永磁机构可以分为电磁操动(也叫双稳态机构)和弹黃操动(也叫单稳态机构)两种形式。单稳态结构指永久磁铁只用于一个位置的保持;双稳态结构是指动铁心在行程终止的两个位置,不需要任何能量或锁扣即可保持。本文所使用的操动机构为双稳态永磁机构。如图所示。

静铁心1的中间镶着永磁体4和5,这两个永磁体的同名磁极向着中心。永磁体的上磁体8、下磁体7处分别安装着分闹线圈6、合闹线圈3。动铁心2处在静铁心上下磁极和永久磁体的之间。静铁心被动铁心上的驱动导杆9穿过,这个驱动导杆能够直接用于驱动断路器来完成分合闸运动。I表示永久磁体磁场,II 表示分闹励磁磁场,Ⅲ表示合闹励磁磁场。

从永磁机构的结构上可看出，其元件极少，动作过程简单，用其做的开关零件比弹簧机构减少80%，从而保证运行中的故障率极低，基本可达到免维护。另外其寿命特长，超过十万次，这就为研制真正免维护超长寿命的真空开关奠定了良好的基础。近几年来，永磁机构在

12kV电压等级的断路器上已广泛应用，表明其与真空灭弧室配合的优点。国内外在更高电压等级中已开始研制使用永磁机构，有些已投入试运行阶段。12kV 真空断路器已普遍使用永磁机构作为操作机构，可广泛用于铁道贯通线、自闭线线路中。更高电压领域的研制已取得成果，由郑州铁路局立项，西安铁路设计院与西安华力铁路电气公司合作开发的铁道专用真空断路器已试制成功，并进入现场试运行阶段。传统的铁道真空断路器均为电磁操动机构和弹簧操动机构，其零件多，故障率高，调试维护不便，给现场使用带来很多麻烦，更严重时会影响铁道的正常运营。而应用永磁操动机构的真空断路器可大大减少现场的工作量，提

高供电的可靠性，为我国铁路现代化事业做出很大的贡献。

1.4 真空直流断路器与永磁操纵机构

真空断路器之所以如此迅速发展，在于其真空灭弧室优异的开断特性，使其电寿命大大增加。真空断路器的灭弧室动触头行程小，要求分闸速度高。动静触头合闸时为平面接触，为了防止真空断路器在短路时触头被强大的冲击力斥开，动静触头间要施以较大的触头压力，这样也有利于提高分闸速度。真空灭弧室的优异性，使其机械及电寿命从传统的两千次跃增为上万次，沿用传统断路器操动机构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。永磁操作机构的出现就是为了解决这一问题，为研制新一代免维护断路器奠定了基础。

近年来,人们一直在追求这样一种操动机构:寿命长,结构简单,可靠性高,操作使用小功率电源,出力特性可以很好地与真空断路器的反力特性相配合,具有不大的合闸速度,分闹速度却很高,由前面分析可得,永磁机构便是接近于这种要求的。永磁机构的可靠性高,机械寿命也高于大部分断路器所使用的灭弧的机械寿命,而且永磁机构能够用小功率电源供电,结构简单。这些特点都比较好的符合了真空断路器的条件。真空断路器的触头行程小,触头闭合前很小的驱动力就可以使触头闭合,一旦触头关合,需要很大的驱动力使触头弹篑压缩。在合闹的初始阶段永磁机构的合阐特性与电磁操动机构相同。由于永磁体的吸力,在合闹的最后阶段,永磁体的吸力很快上升,所以永磁机构的这种合闹特性能够更好地与真空断路器相配合。永磁机构和真空断路器配合使用后,能够进一步地实现高可靠性,满足了免维护和在其它领域再拓宽的可能性,由于其可控制性好、零件数目省、中间环节简单,这样对于研制开发真空断路器的新品种有巨大的现实意义。避免了其它操动机构中分合闹时间分散性太大的问题。永磁机构是在真空灭弧被广泛应用后，人们为了克服传统机构的缺点，更充分发挥真空断路器的优点而研制开发的。

基于电流转移回路灭弧方案的直流断路器其直流开断需要解决直流供电系统短路故障电流大、短路时间常数小的问题。文中釆用了单机构同步操作的永磁操动机构,满足在短路故障电流上升初期快速地打开主断路器,并投入电流转移回路,产生反向高频电流,以限制短路故障电流上升的要求。