一种可用于12 kV 高速真空断路器的侧动式机械缓冲装置

李海国，郭伟祥

（山东普益电气有限公司，山东滨州 256600）

0 引言

随着电网规模的扩大和负荷特性复杂性显著增加，连接在电力系统的诸多敏感性负荷极易受到来自电力系统短时扰动的影响，如电压突升和电压突降等，这就对电能质量和运行可靠性提出了非常严格的要求。因此，为保护敏感性的重要工业负荷以及提高电力系统的电能质量，需要保护性器件高压断路器具有高速分合闸特性[1-4]。

目前，高压真空断路普遍采用弹簧操动机构、电磁操动机构、永磁操动机构或液压操动机构为合闸或分闸提供动力，它们的合闸时间一般为40～60ms，分闸时间一般为30～40 ms。最短的分闸时间也要大于20 ms，而故障电流持续的时间越长对电网的冲击和设备的损坏程度就会越强，合闸时间延长对电气元件的损坏也很大，采用上述传统操动机构的高压开关均难以实现快速分合闸的要求[5-6]。

笔者在调研过程中了解到，国内某单位研究过采用电磁斥力原理的快速断路器，采用超大碟簧双稳态结构，分合闸需先克服碟簧的巨大储能，因此需要很高的直流电压，产生巨大的推斥力，造成体积增大，斥力盘容易断裂，但合闸速度极快，经测定可达5 ms 左右，带来的直接后果就是严重的合闸弹跳和触头损坏。由于国内外尚无与之配套的真空灭弧室，只进行了几次试验，触头即损坏。

国外对电磁斥力操动机构的研究历史比较长，且取得了一定的成果，以日本的研究比较成熟。日本三菱公司研究的主攻方向是电磁斥力操动机构，以有限元分析法为基础，使用运动复合电磁场解析法进行仿真，开发了快速断路器用电磁斥力操动机构，合、分闸保持力由单片碟簧提供，此类碟簧结构虽然简单，但制造工艺复杂，并且任意一片碟簧出力特性已经固定，应用局限性特别突出，设计的灵活性也不高[7-8]。

1 12 kV 高速真空断路器问题分析及总体设计思路

1.1 问题分析

a）分合闸运动件质量大。目前多数高速真空断路器的结构采用的是直动式分合闸装置，直动式的优点是结构简单，运行稳定，但存在分合闸运动件质量大的问题。分合闸启动速度明显变慢，响应时间延长；由于惯性动能大，末端撞击力大，极易损坏真空灭弧室触头和永磁机构。

b）合闸弹跳时间长，分闸反弹幅值大。触头合闸弹跳时间要求一般为≤2 ms，触头分闸反弹幅值一般为≤2 mm。直动式分合闸装置往往超过这个数值，造成产品使用性能下降。

c）分合闸时间长。直动式永磁操动机构的合闸时间一般为40～60 ms，分闸时间一般为30～40 ms。合闸时间延长对电气元件的损坏很大，也容易因拉弧时间长而烧损触头。

1.2 总体设计思路

为解决运动部件质量大的困扰，专门设计了机械侧动式分合闸机构，这样参与分合闸运动部件就去除了永磁机构铁芯质量的干扰，为高速分合闸奠定了基础，可有效地延长真空灭弧室的机械寿命。

2 高速真空断路器的结构

12 kV 高速真空断路器主要由固封极柱、箱体、夹板、永磁机构4 部分组成。

2.1 固封极柱部分

固封极柱通俗来讲就是固封式真空灭弧室，将真空灭弧室以及主回路导电、安装元件等，用环氧树脂进行整体浇注封装成一个整体部件，主要由上出线端、真空灭弧室、绝缘外壳、环氧树脂层、软连接、下出线端和绝缘拉杆等零部件组成，具体结构如图1 所示。固封极柱为成熟技术，成功地解决了与其配套的真空断路器环境耐受问题以及绝缘问题。

图1 固封极柱结构图

2.2 箱体部分

箱体部分主要由箱体、压簧、芯轴、铰链板、分合闸指示板、压簧座、销轴、分闸块、吊环螺钉、合闸指示牌、分闸指示牌、挡销、计数器、端子排等零部件组成，具体结构如图2 所示。箱体上部有4 个小孔和1 个大孔，用来安装固定固封极柱和对接绝缘拉杆。设置1 个吊环螺钉用于吊装产品。箱体内部焊接有3 处定位块，用来固定夹板部分，其中下面2 处定位块还具有调整夹板部分上下位置的功能，用来调整弹簧超程。

在箱体内部安装分合闸指示板和铰链板，铰链板的一端连接指示板，另一端连接在夹板部分的分闸板上，分合闸指示板通过弹簧连接到计数器。设备分合闸时，由夹板部分的分闸板通过铰链板带动分合闸指示板运动，从而显示分合闸次数和位置。

压簧、芯轴、压簧座、分闸块和销轴等零件组成设备手动分闸装置。芯轴左端抵住永磁机构部分的驱动轴，右端靠紧分闸块下端。分闸块的上端设置1 个深孔，分闸时可用1 个手柄插入孔中用力向外拉动实现分闸。压簧可使分闸后的芯轴复位。

图2 箱体部分结构图

2.3 夹板部分

夹板部分主要由定位板、拉簧座、滚轮、铰链销、上铰链叉、下铰链叉、辅助触头、分闸拉簧、合闸拉簧、拉簧轴、分闸板、连接销轴、活接块、双头螺柱、左夹板、右夹板等零部件组成，具体结构如图3所示。夹板部分的左夹板和右夹板靠4 个双头螺柱定位宽度和夹紧，左夹板和右夹板中间部位各伸出1 个立板，用于安装永磁机构。上铰链叉、下铰链叉、活接块、拉簧座、铰链销、滚轮和拉簧等零件组成分合闸执行机构，上下铰链叉上下通过滚轮和铰链销安装到左右夹板的滑道长条孔中，中间通过一销轴连接。下铰链叉的中间孔连接永磁机构部分的连接块，为系统分合闸提供动力，通过合理设置下铰链叉中间孔的位置，可缩短永磁机构的行程，短行程永磁机构可提高运行速度。

活接块与固封极柱部分的绝缘拉杆连接，拉簧座一端连接拉簧另一端上面顶紧下铰链叉的铰链销，用于提供合闸时真空灭弧室触头额定压力。分闸弹簧一端固定到夹板上，另一端与分闸板连接。分闸板上安装1 个连接销轴与箱体部分铰链板相连接，用于分合闸指示和计数。分闸板中间部位插入永磁机构驱动轴后端的槽中，用来实现合闸失败时在分闸拉簧的拉力下能自动分闸。分闸拉簧的拉力设置要大于额定开距下的触头反力，小于合闸状态下的永磁机构保持力，以便顺利实现自动分闸。

在上铰链叉和活接块连接的铰链销下端、右夹板侧面安装有辅助触头，用来输出分合闸信号，左右夹板下边两端各安装一个定位板，用于将夹板部分固定于箱体部分上，并担负起调整弹簧超程距离的作用，定位板安装要牢固，防止影响系统稳定。

图3 夹板部分结构图

2.4 永磁机构部分

永磁机构主要由连接块、夹紧螺柱、左端盖、动铁芯、分闸线圈、套筒、永磁瓦块、内铁环、驱动轴、合闸线圈、右端盖等零部件组成，具体结构如图4所示。永磁机构分合闸保持力的大小是通过改变永磁瓦块的数量和体积来实现的，由于合闸时只有上下力保持平衡，水平方向无分力，因此合闸保持力相比分闸保持力可以做到更小，可以采用通过改变动铁芯和端盖的接触面积来实现。我们既可以在右端盖凸台左侧与铁芯接触的地方加工出台阶，通过减少与铁芯端面的接触面积，从而减小保持力；也可以在铁芯和端盖的接触面加一层高弹性垫片，适当增大永磁接触面距离，一方面可减小保持力，另一方面可在高速分合闸时实现接触面缓冲，有利于提高永磁机构的寿命。

图4 永磁机构结构图

如在合闸状态下进行分闸操作，只要在分闸线圈中通入直流电流，该电流所产生的磁力线方向与永磁机构在右端盖的磁力线方向相反，这样分闸线圈中的电流所产生的磁场使得动铁芯所受的吸力减小。当电流增大到较高的数值时，动铁芯的永磁吸力小于电磁驱动力时，动铁芯将向分闸方向移动，一旦动铁芯与右端盖端面出现间隙，这样合闸稳态磁路磁阻将迅速增大，永磁吸力由大突然变小，动铁芯在电磁驱动力的作用下迅速分闸。分闸后线圈断电，分闸稳态磁路形成保持力。由分闸到合闸原理相同。

在本装置中，由于侧动式分合闸结构的优越性，合闸后竖直方向的力达到平衡状态，无水平分力，理论上无需永磁保持力；分闸时永磁保持力仅需克服真空灭弧室触头反力即可。由于分合闸动作之初需先克服永磁保持力，这样势必导致分合闸时间延长，影响产品性能。但是为了确保系统分合闸保持的安全性和稳定性，可选用合闸永磁保持力100 N，分闸永磁保持力在真空灭弧室触头反力基础上增加100 N 的保持力。这样既提高了分合闸速度，又使得开关分合闸保持安全稳定，不至于发生突发性事故。

另外，为有效减小运动件的质量，降低惯性力，提升分合闸速度，对永磁机构进行了创新性结构设计，在保证电磁驱动力和分合闸保持力的前提下，将左右端盖在传统永磁机构的基础上改变结构，设计成一个凸台机构，这样动铁芯就可以做到最短，质量做到最轻，启动速度就自然更快了。

3 安装与调试

3.1 安装前准备与安装技术要求

安装前用酒精润湿的棉纱将固封极柱绝缘外壳擦拭干净，同时将固封极柱的导电连接表面擦拭干净。若由于购买的固封极柱存储时间过长而导致导电表面出现氧化，则应将氧化层彻底清除干净，以使其与整机有良好的电接触。

将固封极柱安装在整机上时，应保证动静导电杆之间的同轴度，并注意在安装过程中不要反复拆卸固封极柱，以防连接螺孔螺纹损坏。安装完毕后，再次用酒精润湿的棉纱将固封极柱绝缘外壳擦拭干净，以免装配中产生的污物影响固封极柱外绝缘性能。

3.2 具体安装步骤

安装时先将固封极柱部分用4 个螺栓紧固到箱体部分上，然后把夹板部分的活接块先行拧到固封极柱的绝缘拉杆上，并大致调整其位置，先不予拧紧。将永磁机构部分安装到夹板部分的左右夹板上，把连接块与夹板部分的下铰链叉用销轴连接，销轴可以在连接块的长条孔中滑动。

接下来将安装有永磁机构的夹板部分放到箱体部分3 处定位块上，其中下边2 处定位块用螺钉拧到夹板部分的定位板上，再将上铰链叉与事先拧到绝缘拉杆上的活接块用铰链销连接，并放置滚轮、卡簧等零件。夹板部分的后端分闸板插入永磁机构驱动轴的槽中，分闸板还与负责计数和指示的铰链板相连。

安装好后将各处拧紧，先进行预合闸动作，检查超程弹簧的超程距离是否合格，12 kV 高速真空断路器的超程距离一般为3 mm 左右，可通过调整下端2 处定位块的螺钉来实现。经过多次试验表明，该真空断路器合闸时间在15 ms 以内，分闸时间在10 ms 以内，合闸基本无弹跳，分闸无反弹，达到了预期目的。

4 结论

a）侧动式机械缓冲装置对真空灭弧室合闸冲击力小，有利于提高真空灭弧室的机械寿命，并且由于参与运动的零件少，破坏动能小，合闸弹跳时间短。

b）侧动式机械机构由于没有横向力的存在，所以永磁机构保持力可以做到很小，从而可提高驱动速度，进而有效地实现断路器分合闸的高速目标。

c）使用减轻动铁芯质量的永磁驱动机构，提高了驱动轴的反应速度。短行程永磁机构可缩短整体运行时间。

d）设置了合闸失败自动分闸装置，简单易行，稳定可靠。

e） 该类型真空断路器合闸时间在15 ms 以内，分闸时间在10 ms 以内。