中壓真空斷路器兩種常用操動機構的比較

芮祖存 汪禮平

〔摘要〕 說明操動機構在斷路器中的地位及要求，介紹各種操動機構在斷路器中的應用情況，著重比較了中壓真空斷路器兩種常用操動機構----彈簧操動機構和永磁操動機構。

〔關鍵詞〕真空斷路器 彈簧操動機構 永磁操動機構

1 引言

操動機構作為輸配電設備的一個部件，其重要性往往被忽視，但它卻在斷路器中占有重要作用。它不但要保證斷路器長期工作可靠性，而且要滿足滅弧特性對操動機構的要求。斷路器的分合閘所需時間或速度必須滿足其開斷和關合要求，以便通過快速切除故障而不使故障擴大，保持電力系統的穩定，并可減輕設備、線路、絕緣等的損傷，這就需要機構具有較好的機械特性。

2 操動機構的應用范圍

幾種操動機構的應用情況如附表所列。

3 彈簧操動機構與永磁操動機構的比較

3.1 動作原理和結構

真空斷路器永磁機構原理圖見圖1，彈簧機構見圖2。

目前用于中壓斷路器操動機構主要有電磁式和彈簧式兩種。電磁操動機構在真空斷路器發展初期得到了廣泛應用，這是由于電磁操動機構較好地迎合了真空滅弧室的要求：一是開距小（8-25mm），二是在合閘位置需要大的操動力（2000-4000N/相）。然而電磁操動機構也存在不容忽視的缺點，磁路電感L在合閘過程中變化較大，產生反電動勢，從而抑制了合閘線圈電流的增大，而且這種抑制作用隨著合閘速度增加而增強。相比之下，彈簧操動機構采用于手動或小功率交流電動機儲能，其分合閘速度不受電源電壓波動影響，相當穩定，能夠獲得較高的分合閘速度，能實現快速自動重合閘操作，在一定程度上克服了電磁操動機構的缺點。然而彈簧操動機構也存在以下缺點：完全依靠機械傳動，零部件數量多，一般彈簧操動機構有上百個零件，且傳動機構較為復雜，故障率較高，運動部件多，制造工藝要求較高。另外，彈簧操動機構的結構復雜，滑動摩擦面多，而且多在關鍵部位，在長期運行過程中，這些零件的磨損、銹蝕以及潤滑劑的流失、固化等都會導致操作失誤。

近年來，一種用于中壓真空斷路器的永磁保持、電子控制的電磁操動機構（簡稱永磁機構）備受關注。和傳統的斷路器操動機構相比，永磁機構采用了一種全新的工作原理和結構，工作時主要運動部件只有一個，無需機械脫扣、鎖扣裝置，故障源少，具有較高的可靠性。

3.2 操動機構與真空斷路器的配合

3.2.1力-行程特性

多年來，真空斷路器一直在努力追求著一種完美操動的機構：結構簡單，壽命長，可靠性高，可以用小功率交流電源操作，出力特性與真空斷路器的反力特性很好地匹配，能給出稍低的合閘速度和較高的分閘速度的操作機構。

真空斷路器觸頭行程很小，合閘過程中在觸頭接觸前只需要很小的驅動力，一旦觸頭閉合，就需要較大的驅動力，來壓縮觸頭彈簧以獲的足夠的觸頭壓力。因此真空斷路器的反力特性在觸頭接觸瞬間有一大幅度的正向突變，12kV真空斷路器合閘終了時的觸頭反力常常超過10kN.而真空斷路器所要求的平均合閘速度并不大，因為合閘速度太高容易引起觸頭合閘彈跳，是不希望的，因此合閘速度一般為0.6～0.8m/s。分閘時要求操動機構不給運動系統附加更多的運動慣量，以提高分閘初始加速度（或剛分速度）。

彈簧操動機構是依靠彈簧儲存能量的釋放使斷路器合閘的。彈簧釋能時總是一開始時出力大，以后逐漸減小。這與真空斷路器的反力特性正好相反。為了使其與真空斷路器合閘時的反力特性相匹配，通常要通過凸輪和連桿的轉換。經過凸輪輪廓曲線合理設計和連桿適當配置，彈簧操動機構的出力完全能與真空斷路器的反力特性很好匹配。

永磁機構在合閘過程中，隨著動鐵心的運動、空氣間隙減小、吸力增大，動靜鐵心吸合時可產生很大的吸力，在合閘的最后階段，由于永磁鐵的吸力，使吸合力上升得更快。在分閘特性方面因動鐵心參與分閘運動，使分閘時運動系統的運動慣量明顯增大，對提高剛分速度很不利。此外，永磁鐵的吸力在分閘過程中也起著阻礙作用，也對提高速度不利。在此方面，永磁機構不如彈簧機構。

永磁機構及彈簧機構的力----行程特性見圖3。

3.2.2合、分閘操作分散性

為了實現選相操作，斷路器的操動機構性能要穩定，才能減少操作分散性，取得準確合閘和分閘相位。每次合、分閘時間誤差必須在土0.5ms以內。

斷路器操動機構是一種典型的雙穩態操動機構，即操動機構具有將觸頭從合閘位置運動到分閘位置，或從分閘位置運動到合閘位置的功能。多年來一直使用彈簧和凸輪組成的彈簧操動機構，這種操動機構具有較高可靠性，但是由于彈簧不可控及有較多傳動零部件，因而分散性較大，電磁操動的操動機構與傳統彈簧操動機構相比，在可靠性、耐用性與動作時間準確性方面具有更好性能。由電力電子器件控制的、一種特殊設計的、結合帶永磁的電磁系統為觸頭的運動提供可控操動能量，永磁體無需任何外部能量，通過閉合磁路提供的鎖扣力，使滅弧室保持在分、合閘位置，因此永磁操動機構較優。

4 結束語

對于中壓真空斷路器來說采用永磁機構是最適合的，也最有發展前景，應加大研究力度，廣泛推廣應用。

參考文獻：

[1]馬永林.機械原理，高等教育出版社.2002.6；

[2]林莘.永磁機構與真空斷路器，機械工業出版社.2001.8；

[3]苑舜. 高壓斷路器彈簧操動機構，機械工業出版社.2002.6。