摘要：为了提高高压真空断路器的可靠性和使用寿命；提高断路器分合闸时间的重复性；缩短断路器的分闸时间，本文介绍了一种由永磁机构操动的40.5KV户外高压真空断路器，通过大量的试验数据及研究分析，配有永磁操动机构的高压真空断路器，具有动作可靠，使用寿命长，分合闸时间的重复性好，分闸时间短等优点，在电力系统中的应用更为广泛。
关键词：户外高压真空断路器；永磁操动机构；快速分闸；应用
引言
高压断路器是电力系统中重要的开关设备，它具有控制与保护双重功能，如果断路器不能在电力系统发生故障时迅速、准确、可靠地切除故障，就会使事故扩大，造成大面积的停电或电网事故，因此高压断路器动作可靠性是决定电力系统安全的重要因素。
高压断路器的全部使命，归根到底是体现在触头的分、合动作上，而分、合动作又是通过操动机构来实现的，因此操动机构的质量优劣，对高压断路器的工作性能和可靠性起着极为重要的作用。目前，40.5KV的户外高压真空断路器，大多使用弹簧操动机构。这种操动机构是利用已储能的弹簧为动力，使断路器动作的。弹簧操动机构的优点是不需要大功率的直流电源，电动机功率小，交直流两用；其缺点是机械结构十分复杂，零件数量多（约为200个），且要求加工精度高，制造工艺复杂，成本高，产品的可靠性不易保证。由于弹簧操动机构的结构特性，决定了其运动部件易磨损，造成了高压断路器使用寿命较短，维护工作量较大，其分合闸时间的重复性较差，限制了高压断路器向电气寿命长、免维护等要求更高的方向发展。
综上所述，研发一种动作更可靠，使用寿命更长，分合闸时间的重复性更好，分闸更快速的高压真空断路器十分必要。
一、技术方案
1.总体结构
这种由永磁机构操动的40.5KV户外高压真空断路器，其总体结构与配有弹簧操动机构的产品相似，为三相分立瓷套支柱式。真空灭弧室置于封闭的上瓷套中。瓷套内部充有0.02MPa的SF6（20℃时）气体作为灭弧室和瓷套内部的辅助绝缘介质，三极通过管路连通。断路器由真空灭弧室、瓷套、绝缘拉杆、传动系统、SF6气体、支架及永磁操动机构等主要部分组成。断路器配单稳态双线圈永磁操动机构。断路器外形及内部结构见图1-1。
1. 端盖 2.上接线板 3. 上磁套 4.下接线板 5.下磁套 6.吊环 7.支架
8.操作箱 9. 底脚 10.真空灭弧室 11.动触头 12.触头弹簧 13.绝缘拉杆 14.密封传动箱 15.辅助拐臂 16.传动拐臂 17.拉簧拐臂 18.分闸弹簧 19.极柱拐臂 20.输出联杆 21.输出拐臂 22.调节螺杆 23.永磁操动机构
图1-1 永磁机构操动的40.5KV户外高压断路器结构示意图
1.1
灭弧室是断路器的核心部件。本断路器采用真空灭弧室，该灭弧室触头由CuCr50材料加工而成，开断电流时触头间形成纵向磁场，不但耐烧蚀而且抗截流，同时开断容量大；灭弧室为陶瓷外壳，机械强度高，受温度变化影响小，性能稳定。
1.2
瓷套作为主导电回路的支撑和绝缘构件，内充0.02MPa（20℃时）的SF6气体，具有一定的机械强度。
1.3
绝缘拉杆起着对地绝缘和操动灭弧室的作用，采用SMC压制件，具有足够的机械强度和良好的绝缘性能。
1.4
SF6气体作为断路器的辅助绝缘介质，其充气压力为0.02MPa（20℃时）密封充气是避免温度变化时造成内部凝露，充0.02MPa的SF6气体而不是零表压，一是为了监视方便（可由压力表直接读出），二是防止低温时出现负表压。
1.5
支架起着支撑断路器三相一次组件的作用，它是由钢板冷折成“U”形再经焊接而成，不但机械强度高，而且刚度大，断路器三极置于支架的上方，支架的下方是机构箱，断路器气体压力表装在其中。“U”形支架的下方两端有两条“U”形支垫，高度可根据用户的要求而定，不但新建电站便于安装施工，而且极大地方便老电站的改造。
2.单稳态永磁操动机构的定义及其特点
2.1
永磁操动机构是一种用于高压真空断路器的永磁保持，电磁控制的操动机构。所谓单稳态，指的是在合闸端采用永久磁铁保持，在分闸端则采用弹簧保持，合闸动作是通过合闸激磁线圈通电驱动铁心来完成，同时在合闸的过程中对分闸保持弹簧及触头弹簧进行储能，分闸动作是靠释放分闸保持弹簧及触头弹簧来完成。
2.2
高壓真空断路器的操动机构，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，带动了高压真空断路器的发展。永磁机构与传统弹簧操动机构相比较，具有主要部件少，是弹簧操作机构零部件的10%，无需机械脱扣锁扣装置，故障点少，高可靠性，使用寿命长，其中永磁操作机构寿命可达10万次以上，适合频繁操作及高可靠变电站等场所的应用。操动机构的性能与灭弧室开断、关合特性相吻合，延长了真空灭弧室的使用寿命。
为了限制短路电流，就要在故障发生瞬时以最快的速度切断短路电流，断路器必须具备更短的分闸时间。经过反复的计算与试验，为高压断路器配置单稳态双线圈永磁机构，即一组合闸线圈，一组分闸线圈，可以解决这个问题。为缩短分闸时间，让分闸线圈的励磁速度变快，可以通过减少分闸线圈的匝数，从而减小R L电路的时间常数τ值来实现。经过大量的试验，最终这种40.5KV户外高压真空断路器分闸时间可以做到≤10ms，可以应用到更多需要快速分闸的电力系统中。
3永磁操动机构的工作原理
断路器所配永磁机构为单稳态双线圈结构。分、合闸操作分为本地手动操作和远程光纤信号操作。永磁操动机构工作时仅有一个运动部件，极大地提高了断路器的机械可靠性。合闸时电磁场与永磁场正向叠加，驱动动衔铁完成触头压簧和分闸弹簧的储能，靠永磁力使开关保持在合闸位置；分闸时电磁场与永磁场反向叠加，使保持力骤然下降至临界值，分闸弹簧和触头弹簧共同驱动动衔铁到达分闸终端位置，靠弹簧势能保持开关于分闸状态。永磁机构外形结构见图1-2。
1.机构安装支架2.传动主轴 3.驱动拐臂 4.驱动连板 5.轴瓦 6.拉簧拐臂 7.连杆 8.分闸弹簧 9.永磁机构 10.活动连杆 11.输出拐臂
图1-2 永磁操动机构结构示意图
4电气控制系统
其电气控制装置采用的是以IGBT器件为核心的控制系统，见图1-3。IGBT器件的功率以能够满足永磁操动机构的需要为准，再配以IGBT相应的驱动电路板和±15V稳压电源。IGBT器件的集电极工作电源采用的是储能电源，由若干个直流电解电容器和相应的整流电路板所组成。永磁机构采用的是双线圈方式工作的，其电气控制系统中的IGBT器件需要两只，且每只IGBT与永磁机构的一个线圈接成普通的串联电路。当采用双永磁机构时，其相应功能的永磁机构线圈并联在一起，也可以按照前述的方法进行接线和安装。
5断路器的动作过程
当高压断路器的电气控制装置接到合闸指令时，通过相应的驱动电路，驱动合闸回路IGBT器件，使断路器的永磁机构合闸线圈得电，永磁机构开始动作。操动机构通过一个可调联杆来操动断路器的极柱拐臂和转轴，转轴经内拐臂带动绝缘拉杆从而操动真空灭弧室的动导电杆，动触头与动导电杆一起运动，直至真空灭弧室内动、静触头闭合，并依靠永磁机构的保持力，稳定地保持在合闸位置上，至此，合闸过程结束。此时，分闸弹簧由于受到拉簧拐臂的向上拉力而储能。当断路器的电气控制装置接到分闸指令时，通过相应的驱动电路板驱动分闸回路的IGBT器件，使断路器的分闸线圈得电，永磁机构开始动作，直至真空灭弧室内动、静触头分开，并依靠分闸弹簧的拉力，稳定地保持在分闸位置上，至此，分闸过程结束。真空灭弧室内部高度真空，具有很高的绝缘性能，当动、静触头间形成电弧时，由于在灭弧室动、静触头上加工有螺旋槽，便会在动、静触头间形成强的纵向磁场，维持电弧的扩散性，电流过零时熄灭电弧。
二、永磁机构高压断路器的应用
由于永磁操动机构，其动作过程简单，机构零件少，大大降低了故障率，永磁操动机构的高可靠性，也使得断路器的分合闸时间非常一致，通过改变分闸线圈的匝数，缩短了高压断路器的分闸时间，这种断路器几乎适用于所有场合，包括需要断路器进行频繁操作的情况。它的应用可使配电系统在可靠性明显提高的同时，成本也得到了降低。
1. 电网短路限流及节能
随着电网的跨越式发展，断路器遮断容量与系统短路电流间的矛盾日渐突出，随着系统容量的增大，短路电流值也不断上升，强大短路电流产生的电动力破坏性很大，严重威胁到电网的安全运行，必须采取措施加以限制。目前系统短路电流限制措施主要包括以下三种类型：安装限流电抗器、采用高阻抗变压器以及改变系统运行方式。这些措施存在运行损耗大或导致系统运行灵活性和供电可靠性降低的缺点和不足。现利用永磁断路器快速分闸的特性，能在故障瞬间迅速切断短路电流，避免被保护设备及断路器本身受到巨大的热量冲击和电动力的破坏。因此永磁机构高压断路器可以应用到电网短路限流及节能方面。
1.1 永磁断路器与限流电抗器并联
永磁断路器与限流电抗器并联，见图2-1。根据永磁断路器的特点，提出了断路器与限流电抗器并联的限流方案。正常运行时断路器合闸将限流电抗器短接，不产生功率和电压损失，一旦线路发生短路故障，断路器快速分闸，限流电抗器投入，把短路电流限制在系统断路器可以接受的水平。在供电系统设计时，可加大电抗器阻抗，使负荷侧断路器的开断电流进一步减小，降低造价。
1.2应用于升压变压器与电网之间
应用于升压变压器，见图2-2。当升压变压器与电网之间的线路发生短路故障时，从短路开始到电流第一次过零，经历的时间长，这会给变压器造成很大的危害，同时对保护设备有更高的要求。用永磁机构高压断路器切断短路故障，具有很好的保护作用，因为在短路电流最大值未通过变压器时，断路器将短路电流直接切除，有效避免变压器因穿越性故障而損坏的事故。
1.3 应用于重要负荷
应用于重要负荷见图2-3。若线路中带有重要用户，不允许瞬时断电，或须强行自启动的重要负荷，线路短路时，永磁断路器快速断开，将电抗器投入，电抗器上的残压，可设计得足以维持重要负荷连续运行，而不受影响。
2 预防配电网单相接地事故
国内35 k V 配电网通常为中性点经消弧线圈接地。当系统发生单相接地时，系统电容电流经接地点流入大地，一般采用消弧线圈对该电容电流进行补偿，从而使残余电流大为减小，促使电弧熄灭，以减少弧光接地过电压的作用时间。然而研究表明，接地残流电弧远不是在电流第一次过零点时就能熄灭，有时电弧可存在几秒钟之久，消弧线圈已难以胜任补偿接地电容电流的作用。
利用永磁断路器预防配电网单相接地事故，工作原理如图2-4。在35kV三相母线上分别安装单相永磁断路器，一端接母线，另一端直接接地。正常运行时三台单相断路器处于分闸状态。当线路发生单相接地时，非接地相电压抬升至线电压，接地相电压降至接近0，装置根据母线三相电压变化情况（幅值、变化率）对接地相作出判断，并向接地相断路器发出合闸信号，将接地相母线金属性接地，从而使线路弧光接地转化为金属性接地，线路接地点对地电位降至0，为电弧熄灭或触电人员脱困创造了条件。
三、结语
由永磁机构操动的高压真空断路器与配置传统弹簧机构的相比较，性能更可靠，使用寿命更长，分合闸时间的重复性更好，分闸更快速，不存在机械拒动。可以使变压器及高压线路不再受短路电流峰值的冲击，提高了电力系统供电可靠性和安全性的同时，延长了设备使用寿命，成本也得到了降低。通过经济和技术比较，具有很大的优势。
高压真空断路器采用永磁操动机构是一个更新换代的工作。因为涉及了很多新的概念，需要我们做更多深入细致的工作。结合必要的理论计算和大量试验，大大推进了研究开发工作。对于高压断路器的生产企业，我们希望通过采用新技术，不断提高产品的性能和技术含量，提高产品的智能化程度，赶超国际先进水平；对于电力系统的用户，我们希望能积极扶持新产品，从根本上解决电力系统的硬件水平问题，加速电力系统的现代化步伐。
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