一種可用于12 kV 高速真空斷路器的側動式機械緩沖裝置

李海國，郭偉祥

（山東普益電氣有限公司，山東濱州 256600）

0 引言

隨著電網規模的擴大和負荷特性復雜性顯著增加，連接在電力系統的諸多敏感性負荷極易受到來自電力系統短時擾動的影響，如電壓突升和電壓突降等，這就對電能質量和運行可靠性提出了非常嚴格的要求。因此，為保護敏感性的重要工業負荷以及提高電力系統的電能質量，需要保護性器件高壓斷路器具有高速分合閘特性[1-4]。

目前，高壓真空斷路普遍采用彈簧操動機構、電磁操動機構、永磁操動機構或液壓操動機構為合閘或分閘提供動力，它們的合閘時間一般為40～60ms，分閘時間一般為30～40 ms。最短的分閘時間也要大于20 ms，而故障電流持續的時間越長對電網的沖擊和設備的損壞程度就會越強，合閘時間延長對電氣元件的損壞也很大，采用上述傳統操動機構的高壓開關均難以實現快速分合閘的要求[5-6]。

筆者在調研過程中了解到，國內某單位研究過采用電磁斥力原理的快速斷路器，采用超大碟簧雙穩態結構，分合閘需先克服碟簧的巨大儲能，因此需要很高的直流電壓，產生巨大的推斥力，造成體積增大，斥力盤容易斷裂，但合閘速度極快，經測定可達5 ms 左右，帶來的直接后果就是嚴重的合閘彈跳和觸頭損壞。由于國內外尚無與之配套的真空滅弧室，只進行了幾次試驗，觸頭即損壞。

國外對電磁斥力操動機構的研究歷史比較長，且取得了一定的成果，以日本的研究比較成熟。日本三菱公司研究的主攻方向是電磁斥力操動機構，以有限元分析法為基礎，使用運動復合電磁場解析法進行仿真，開發了快速斷路器用電磁斥力操動機構，合、分閘保持力由單片碟簧提供，此類碟簧結構雖然簡單，但制造工藝復雜，并且任意一片碟簧出力特性已經固定，應用局限性特別突出，設計的靈活性也不高[7-8]。

1 12 kV 高速真空斷路器問題分析及總體設計思路

1.1 問題分析

a）分合閘運動件質量大。目前多數高速真空斷路器的結構采用的是直動式分合閘裝置，直動式的優點是結構簡單，運行穩定，但存在分合閘運動件質量大的問題。分合閘啟動速度明顯變慢，響應時間延長；由于慣性動能大，末端撞擊力大，極易損壞真空滅弧室觸頭和永磁機構。

b）合閘彈跳時間長，分閘反彈幅值大。觸頭合閘彈跳時間要求一般為≤2 ms，觸頭分閘反彈幅值一般為≤2 mm。直動式分合閘裝置往往超過這個數值，造成產品使用性能下降。

c）分合閘時間長。直動式永磁操動機構的合閘時間一般為40～60 ms，分閘時間一般為30～40 ms。合閘時間延長對電氣元件的損壞很大，也容易因拉弧時間長而燒損觸頭。

1.2 總體設計思路

為解決運動部件質量大的困擾，專門設計了機械側動式分合閘機構，這樣參與分合閘運動部件就去除了永磁機構鐵芯質量的干擾，為高速分合閘奠定了基礎，可有效地延長真空滅弧室的機械壽命。

2 高速真空斷路器的結構

12 kV 高速真空斷路器主要由固封極柱、箱體、夾板、永磁機構4 部分組成。

2.1 固封極柱部分

固封極柱通俗來講就是固封式真空滅弧室，將真空滅弧室以及主回路導電、安裝元件等，用環氧樹脂進行整體澆注封裝成一個整體部件，主要由上出線端、真空滅弧室、絕緣外殼、環氧樹脂層、軟連接、下出線端和絕緣拉桿等零部件組成，具體結構如圖1 所示。固封極柱為成熟技術，成功地解決了與其配套的真空斷路器環境耐受問題以及絕緣問題。

圖1 固封極柱結構圖

2.2 箱體部分

箱體部分主要由箱體、壓簧、芯軸、鉸鏈板、分合閘指示板、壓簧座、銷軸、分閘塊、吊環螺釘、合閘指示牌、分閘指示牌、擋銷、計數器、端子排等零部件組成，具體結構如圖2 所示。箱體上部有4 個小孔和1 個大孔，用來安裝固定固封極柱和對接絕緣拉桿。設置1 個吊環螺釘用于吊裝產品。箱體內部焊接有3 處定位塊，用來固定夾板部分，其中下面2 處定位塊還具有調整夾板部分上下位置的功能，用來調整彈簧超程。

在箱體內部安裝分合閘指示板和鉸鏈板，鉸鏈板的一端連接指示板，另一端連接在夾板部分的分閘板上，分合閘指示板通過彈簧連接到計數器。設備分合閘時，由夾板部分的分閘板通過鉸鏈板帶動分合閘指示板運動，從而顯示分合閘次數和位置。

壓簧、芯軸、壓簧座、分閘塊和銷軸等零件組成設備手動分閘裝置。芯軸左端抵住永磁機構部分的驅動軸，右端靠緊分閘塊下端。分閘塊的上端設置1 個深孔，分閘時可用1 個手柄插入孔中用力向外拉動實現分閘。壓簧可使分閘后的芯軸復位。

圖2 箱體部分結構圖

2.3 夾板部分

夾板部分主要由定位板、拉簧座、滾輪、鉸鏈銷、上鉸鏈叉、下鉸鏈叉、輔助觸頭、分閘拉簧、合閘拉簧、拉簧軸、分閘板、連接銷軸、活接塊、雙頭螺柱、左夾板、右夾板等零部件組成，具體結構如圖3所示。夾板部分的左夾板和右夾板靠4 個雙頭螺柱定位寬度和夾緊，左夾板和右夾板中間部位各伸出1 個立板，用于安裝永磁機構。上鉸鏈叉、下鉸鏈叉、活接塊、拉簧座、鉸鏈銷、滾輪和拉簧等零件組成分合閘執行機構，上下鉸鏈叉上下通過滾輪和鉸鏈銷安裝到左右夾板的滑道長條孔中，中間通過一銷軸連接。下鉸鏈叉的中間孔連接永磁機構部分的連接塊，為系統分合閘提供動力，通過合理設置下鉸鏈叉中間孔的位置，可縮短永磁機構的行程，短行程永磁機構可提高運行速度。

活接塊與固封極柱部分的絕緣拉桿連接，拉簧座一端連接拉簧另一端上面頂緊下鉸鏈叉的鉸鏈銷，用于提供合閘時真空滅弧室觸頭額定壓力。分閘彈簧一端固定到夾板上，另一端與分閘板連接。分閘板上安裝1 個連接銷軸與箱體部分鉸鏈板相連接，用于分合閘指示和計數。分閘板中間部位插入永磁機構驅動軸后端的槽中，用來實現合閘失敗時在分閘拉簧的拉力下能自動分閘。分閘拉簧的拉力設置要大于額定開距下的觸頭反力，小于合閘狀態下的永磁機構保持力，以便順利實現自動分閘。

在上鉸鏈叉和活接塊連接的鉸鏈銷下端、右夾板側面安裝有輔助觸頭，用來輸出分合閘信號，左右夾板下邊兩端各安裝一個定位板，用于將夾板部分固定于箱體部分上，并擔負起調整彈簧超程距離的作用，定位板安裝要牢固，防止影響系統穩定。

圖3 夾板部分結構圖

2.4 永磁機構部分

永磁機構主要由連接塊、夾緊螺柱、左端蓋、動鐵芯、分閘線圈、套筒、永磁瓦塊、內鐵環、驅動軸、合閘線圈、右端蓋等零部件組成，具體結構如圖4所示。永磁機構分合閘保持力的大小是通過改變永磁瓦塊的數量和體積來實現的，由于合閘時只有上下力保持平衡，水平方向無分力，因此合閘保持力相比分閘保持力可以做到更小，可以采用通過改變動鐵芯和端蓋的接觸面積來實現。我們既可以在右端蓋凸臺左側與鐵芯接觸的地方加工出臺階，通過減少與鐵芯端面的接觸面積，從而減小保持力；也可以在鐵芯和端蓋的接觸面加一層高彈性墊片，適當增大永磁接觸面距離，一方面可減小保持力，另一方面可在高速分合閘時實現接觸面緩沖，有利于提高永磁機構的壽命。

圖4 永磁機構結構圖

如在合閘狀態下進行分閘操作，只要在分閘線圈中通入直流電流，該電流所產生的磁力線方向與永磁機構在右端蓋的磁力線方向相反，這樣分閘線圈中的電流所產生的磁場使得動鐵芯所受的吸力減小。當電流增大到較高的數值時，動鐵芯的永磁吸力小于電磁驅動力時，動鐵芯將向分閘方向移動，一旦動鐵芯與右端蓋端面出現間隙，這樣合閘穩態磁路磁阻將迅速增大，永磁吸力由大突然變小，動鐵芯在電磁驅動力的作用下迅速分閘。分閘后線圈斷電，分閘穩態磁路形成保持力。由分閘到合閘原理相同。

在本裝置中，由于側動式分合閘結構的優越性，合閘后豎直方向的力達到平衡狀態，無水平分力，理論上無需永磁保持力；分閘時永磁保持力僅需克服真空滅弧室觸頭反力即可。由于分合閘動作之初需先克服永磁保持力，這樣勢必導致分合閘時間延長，影響產品性能。但是為了確保系統分合閘保持的安全性和穩定性，可選用合閘永磁保持力100 N，分閘永磁保持力在真空滅弧室觸頭反力基礎上增加100 N 的保持力。這樣既提高了分合閘速度，又使得開關分合閘保持安全穩定，不至于發生突發性事故。

另外，為有效減小運動件的質量，降低慣性力，提升分合閘速度，對永磁機構進行了創新性結構設計，在保證電磁驅動力和分合閘保持力的前提下，將左右端蓋在傳統永磁機構的基礎上改變結構，設計成一個凸臺機構，這樣動鐵芯就可以做到最短，質量做到最輕，啟動速度就自然更快了。

3 安裝與調試

3.1 安裝前準備與安裝技術要求

安裝前用酒精潤濕的棉紗將固封極柱絕緣外殼擦拭干凈，同時將固封極柱的導電連接表面擦拭干凈。若由于購買的固封極柱存儲時間過長而導致導電表面出現氧化，則應將氧化層徹底清除干凈，以使其與整機有良好的電接觸。

將固封極柱安裝在整機上時，應保證動靜導電桿之間的同軸度，并注意在安裝過程中不要反復拆卸固封極柱，以防連接螺孔螺紋損壞。安裝完畢后，再次用酒精潤濕的棉紗將固封極柱絕緣外殼擦拭干凈，以免裝配中產生的污物影響固封極柱外絕緣性能。

3.2 具體安裝步驟

安裝時先將固封極柱部分用4 個螺栓緊固到箱體部分上，然后把夾板部分的活接塊先行擰到固封極柱的絕緣拉桿上，并大致調整其位置，先不予擰緊。將永磁機構部分安裝到夾板部分的左右夾板上，把連接塊與夾板部分的下鉸鏈叉用銷軸連接，銷軸可以在連接塊的長條孔中滑動。

接下來將安裝有永磁機構的夾板部分放到箱體部分3 處定位塊上，其中下邊2 處定位塊用螺釘擰到夾板部分的定位板上，再將上鉸鏈叉與事先擰到絕緣拉桿上的活接塊用鉸鏈銷連接，并放置滾輪、卡簧等零件。夾板部分的后端分閘板插入永磁機構驅動軸的槽中，分閘板還與負責計數和指示的鉸鏈板相連。

安裝好后將各處擰緊，先進行預合閘動作，檢查超程彈簧的超程距離是否合格，12 kV 高速真空斷路器的超程距離一般為3 mm 左右，可通過調整下端2 處定位塊的螺釘來實現。經過多次試驗表明，該真空斷路器合閘時間在15 ms 以內，分閘時間在10 ms 以內，合閘基本無彈跳，分閘無反彈，達到了預期目的。

4 結論

a）側動式機械緩沖裝置對真空滅弧室合閘沖擊力小，有利于提高真空滅弧室的機械壽命，并且由于參與運動的零件少，破壞動能小，合閘彈跳時間短。

b）側動式機械機構由于沒有橫向力的存在，所以永磁機構保持力可以做到很小，從而可提高驅動速度，進而有效地實現斷路器分合閘的高速目標。

c）使用減輕動鐵芯質量的永磁驅動機構，提高了驅動軸的反應速度。短行程永磁機構可縮短整體運行時間。

d）設置了合閘失敗自動分閘裝置，簡單易行，穩定可靠。

e） 該類型真空斷路器合閘時間在15 ms 以內，分閘時間在10 ms 以內。