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真空断路器的可靠性研究
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3秒自动关闭窗口一种新型电气化铁道交流高压真空断路器-中国水泵网
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>> 一种新型电气化铁道交流高压真空断路器
　　1概述自1961年美国0公司研制成功第台真空断路器以来，真空断路器的技术水平得到迅速提高。随新型触义结构及新材料的研制，真空断路器的开断能力不断提升，作为控制和分配电能用的开关越来越广泛地应用于电力系统，并在中压领域保持着主导地位。　　真空断路器山厂其真空火弧无与伦比的特性，使其电气寿命大大，加。其机械寿命从传统的两千次跃增为几万次，闪此与其配合的操作机构的机械性能及可靠性就成了较为突出的问。而作为真空断路器的主要元件操作机构，也历经了几代的发展，从最初的电磁机构，发展到现在广泛应用的弹簧操作机构，以及现阶段正迈向成熟并逐步普及早期的电磁机构，山厂讨电源要求较苛刻，操作时冲击电流大，操作时间长，需要专用的大容量路电；胡生旺，西安华力铁路电气公司，高级工程师，陕西西安710043，电话路电；潘延安，郑州铁路局郑州供电段，工程师河南郑州董晖，西安华力铁路电气公司，工程师，陕西西安电源屏供电，从而逐渐被市场所淘汰，取而代之的是弹簧操作机构，其利用交直流两用电动机对弹，进行预储能，利用弹簧能进行分合闸操作，对电源要求低，交直流均可操作，对电源无冲击，因此在近些年得到广泛应用。但弹簧机构也有其自身不可克服的缺点零件数量多，要求加工精度高，制造工艺复杂，成本高，产品可靠性不易保证。　　研究明，开关设备的故障率和其零件的数量成1比，弹贤操作机构结构复杂，零件数量多约为200个1.电磁操作机构结构相对沿，零件数量少约为120个，但合闸线圈消耗的功率太大，要求用户配备价格昂贵的蓄电池组，加上电磁机构器，其采用双稳态永磁机构做为操作拧制机构，人大减少了断路器的零件数，提高了断路器的可靠性，减小故障率，提高供电可靠性。　　2工作原理及主要技术参数2.1主要技术参数铁路火提速和跨越式发展，对中引供电系统的容量及可靠性要求越来越高，闪此木断路器在设汁时就为铁路以后的发展高速重载考虑了定路电气公司研制的，27.5200025型铁道真空断路器的主要技术参数额定电压为27.5kV；最高电压为31.51；额定电流为2000人；额定频率为50；额定短路开断电流为25；动稳定电流为63；热稳定电流为25；额定短路关合电流为25kA；短路电流持续时间为4s；lmin工频耐压为95kV；雷电冲击耐压为185kV.　　2.2结构考虑到现场大量使用的是弹簧操作机构的断路器和电磁操作机构的断路器，为保证与现运行断路器的互换性，断路器整体结构采用手车式结构，整体结构与现使用的弹簧机构相同，与电磁机构相似，可直接替换，而不需现场对次线路进行更改，方便安装。　　断路器主要由小车架永磁机构真空灭弧室支持绝缘子绝缘操作杆电流互感器等组成。下面主要针对永磁机构做详细介绍。　　支撑绝缘子2.3永磁机构的结构及动作原理意。机构处于分闸位置时，动铁心1上端气隙小，磁阻低；下端气隙大，磁阻高。永久磁铁2的磁场主要作用在动铁心的上端。23为在此位置时动铁心磁力线的分布。永久磁铁的磁力线几乎全部穿过动铁心的上端，产生相应的吸力。该吸力通过传动零件传至真空灭弧室的动触头上，使其保持分闸状态。　　8分闸位置1合闸前夕1动铁芯2永久磁铁3合闸线圈4分闸线圈5静铁芯合闸线圈3通电后产生磁场，其磁力线主要集中在动铁心的下端，并在上端与永久磁铁的磁力线相抵消。随着激磁电流的上升，下端吸力增加，上端吸力减少。当下端吸力大于反力，即线圈电流达到触动值后，动铁心开始向下运动。2为动铁心移动之前磁力线的瞬态分布。当动铁心运动到终端位置时，位置传感器输出动作信号，切断线圈电流。动铁心位于下端时，其磁力线分布状况与2上下相对称。　　2.4永磁机构的控制单元永磁操作机构的操作控制及故障监测和诊断功能全部由电子控制单元提供。3为电子控制单元的方框。　　1逻辑模块2电源3储能电容器4合闸按钮5分闸按钮6合闸线圈7分闸线圈8合闸位置检测9分闸位置检测续流极管充电状态指12开关管电源2为电子控制单元提供工作电源，也为储能电容器3提供充电屯能储能电容器预先储备了足够的能量，在进行合闸或分闸操作时，它向合闸线，6或分闸线圈7泄放高达数千伏的脉冲电能，使断路器完成接通或分断操作。胯次放电6，它能在数秒钟内被重新充电。　　分合闸线圈的接通与分断由电子半导体器件10进行控制。并联于线圈两端的续流极管8能降低线圈开断，的感电势，以保证导体器件不被损坏。　　动铁心的位置和电容器的充电状态分别由位置传感器89和电子电路进行监测，它们同介分闸命令起被送入逻辑模块1.逻辑模块对这些信号和命令进行识别，闭锁误操作命令，完成相应的操作。当永磁操作机构异常时，能给出报警信号。　　2.5永磁机构的优点及现阶段的应用从永磁机构的结构上可看出，其7件极少，动作过，简单，使零件比弹簧机构减少8，从而保证运行中的故障率极低，基本可达到免维护。另外其寿命极长，超过十万次，这就为研制真正免维护超长寿命的真宁关奠定了良好的基础。近几牢来，永磁机构在12电压等级的断路器上广泛应用，明其勾真空火弧室配合的优点，国内外在更高电压等级中己开始研制使用永磁机构，有些已投人试远亍阶段，3核心部件的选型3.1真空灭弧室真空火弧室是断路器的关键兀件，其在断路器开断和关合过程中起灭弧作用，因此，真空灭弧室的选择在这里起至关重要的作用。近几年真空灭弧室技术日益成熟，在中压领域应用相当广泛，己逐步向高压领域发展。考虑到铁路的发展，要求灭弧室的额定电流开断电流都有定的裕量。因此，应选择外带伞排陶瓷封装的人爬距真空灭弧省，额定电流选择2000尤额定短路开断电流选择25，以保证铁路高速发展的需要。　　3.2永磁机构中些关键元件的选择在永磁机构中基本不存在机械传动的直接摩擦，因此，永磁机构的寿命主要取决于永久磁铁。　　要保证永磁体在长时间工作后的磁体吸力，采用被称为磁王的第代稀土永磁材料钕铁硼村料做为永磁机构的永久磁铁，保证其长时间高寿命+退磁。永磁机构整体结构形式农双稳态，以保证动作的可靠性。永磁机构控制器中的关键元件大电流开关管MOSFET管，选择进口大功率矜并联使用，保证对永磁机构分介操作的可靠控制，3.3绝缘件的选择断路器选用的绝缘件均为环氧树脂浇铸的大爬距绝缘件，包括支撑绝缘子绝缘支撑杆绝缘操作杆，其爬趴均达到900以上，保证了绝缘3.4导电体的选择导电体也是断路器的关键部作，它决记断路器长期工作时的稳定性，+仅是导电件的要求，还有在短路时电动乃稳定性的要求。采用紫铜件为主导屯体，外面全部镀银，以提高导电性，解决长期工作时的发热。空灭弧室上下部装有大的钔散热器，以保证真空灭弧室长期工作时的发热要求，提高可靠性。　　4真空断路器在牵引供电系统中的应用该永磁机构真宁断路器己试制成功进入现场试运行阶段，运行情况良好。用其替代传统的电磁操作机构和弹簧操作机构的真空断路器，由于零件少调试方便故障率低，基本可达到少维护或免维护，给现场使带来很多方便，大大减少了现场的检修调工作量，提高供电的可靠性。　　相信永磁机构与真空灭弧室的配合，必将引起高压断路器划时代的革命，使用其开发的下代真免维护开关产品必将成为高压开关的上流方向，而永磁机构铁道真空断路器也将成为我国铁路电气化专用铁道断路器的主流，在铁路跨越式发展中发挥积极作用。
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随着新型触头结构和新材料的研制，真空断路器的开断能力不断提升，真空断路器作为控制和分配电能用的开关越来越广泛地应用于电力系统，并在中压领域保持着主导地位。
真空断路器由于其真空电弧无与伦比的特性，使其电寿命大大增加。其机械寿命从传统的两千次跃增为几万次，因此与其配合的操动机构的机械性能及可靠性就成为了较为突出的问题。
而作为真空断路器的主要元件&&操动机构，也历经了几代的发展。从重锤操动机构/手力操动机构、气动操动机构、电磁操动机构、发展到现在广泛应用的弹簧操动机构。近年来出现了永磁操动机构。
国际上，真空断路器的设计、制造领域里，操动机构逐步形成了弹簧操动机构的绝对潮流。弹簧操动机构在设计上日趋合理，调整环节减少，更有利于提高合分速度，机构也更加省力。同时零部件数量大大减少，结构简单化，从而弹簧操动机构的可靠性与寿命增加。
其利用交直流两用电动机对弹簧进行预储能，利用弹簧能进行分合闸操作，从而对电源要求低，交直流可操作，对电源无冲击，因此近些年得到广泛应用。
（一）&&&&&&& 弹簧操动机构
1、&&&&&&& 定义：
利用弹簧拉伸和收缩所储存的能量进行合、分闸控制的操动机构。其弹簧势能的储存是靠储能电机（或人力）传送的，而其合、分闸操作是靠合、分闸线圈控制的。合、分闸线圈电流一般在1A&&2A。
2、&&&&&&& 优点：
1)、合、分闸电流都不大，要求电源的容量也不大
2）、既可远方电动储能，电动合、分闸；也可就地手动储能，手动合、分闸。
3）、当操作电源消失的情况下，仍能进行合、分闸操作
4）、动作快，且能快速自动重合闸
（二）、永磁操动机构
1.&&&&&&& 定义：
利用永久磁铁将真空灭弧室的动、静触头保持在断开或关合两个极限位置。合、分闸控制的操动机构。它通过激励合、分闸线圈推动衔铁进行相应位置的运动。
2.&&&&&&& 分类：
1)&&&&&&& 按线圈数量分类：单线圈、双线圈
2)&&&&&&& 按有无复位弹簧分类：对称型、非对称型
3)&&&&&&& 按保持型式分类：单稳态、双稳态
3.&&&&&&& 原理说明：
永磁操动机构在电器理论的学名为双断口极化电磁铁，其将永久磁铁引入双断口电磁铁，将传统双断口电磁铁在两个断口位置的电保持和机械改用永久磁铁的磁力保持。
永磁操动机构的工作原理可概括为：&电子控制、电磁驱动、永磁保持&。
4.&&&&&&& 组成部分
永磁操动机构主要包括永磁缸、电子控制单元、铝电解电容器三部分。分、合闸两个位置信号由安装在该位置的两个接近开关（位置传感器）提供。永磁操动机构的操作控制及故障检测和诊断功能全部由电子控制单元提供，即&电子控制&。铝电解电容器是永磁操动机构的内部能源，对永磁缸的分合闸线圈进行脉冲放电，从而使永磁操动机构完成&电磁驱动&。
5.&&&&&&& 目前存在的问题
永磁缸本身的结构简单，元件少，性能稳定，运行中的机械故障率低。但永磁操动机构的电子控制单元、铝电解电容器的寿命与可靠性直接影响了整机的寿命和可靠性。
1)&&&&&&& 电子控制单元的结构及原理复杂，其电子元器件存在焊接松动、老化、或大电流冲击实效问题。
由于断路器在进行分合闸操作时，会产生很大的震动（永磁操动机构的震动要比弹簧操动机构大得多），电子控制单元中的电子元器件焊接极易产生松动、脱落、从而导致永磁操动机构的电子控制发生紊乱，出现误动、拒动等现象。
2)&&&&&&& 铝电解电容器的寿命问题和在线检测问题
铝电解电容器的工作环境温度对其寿命的影响极大。铝电解电容器的寿命与环境温度有成反比。根据国际知名品牌的铝电解电容器厂商提供的相关资料，105℃铝电解电容器在105℃工作温度下的寿命为2000h,在55℃工作温度下的理论寿命为5-8年（摘自《高压开关行业通讯》第1&2期。
&&& 铝电解电容器的性能，目前无法实现在线检测，期待传感技术与在线检测技术的提高。
3)&&&&&&& 对外部辅助电源的依赖性太大，无法进行手动合闸操作
&&& 目前市场上的永磁操动机构开关、均无法进行手动合闸操作。在无外部电源的场合，无法实现进线开关的合闸操作；挂网运行的永磁操动机构开关一旦失去外部电源，断路器即失去保护与控制功能，只能采用附加的一套专用的手动分闸操作装置进行紧急分闸。
4)&&&&&&& 须配专用手动分闸操作装置，紧急分闸的分闸速度太低
永磁操动机构开关一般在操作电源失电时要求能够进行1次手动分闸操作，由于永磁操动机构无脱扣装置，手动操作力很大，手动操作时分闸速度较慢。紧急分闸开端额定电流时，动静触头的电弧烧烧损情况严重，且极易出现重击穿而造成开断的失败。紧急分闸根本无法开断短路电流。
5)&&&&&&& 电子控制单元的抗干扰问题
永磁操动机构开关将机械的不可靠转化为电子的不可靠。电子控制单元易受到来自周围其他设备电场的干扰而发生误动作。
6)&&&&&&& 永久磁铁的退磁问题
单线圈永磁操动机构，机构内只有一个螺线管线圈（合、分公用线圈）。在进行合闸操作时，铝电解电容器向该线圈放电；在进行分闸操作时，铝电解电容器向该线圈通以正、反极性电流，产生与永久磁铁磁场相反的磁场。如此，反复的磁场交变，会引起永久磁铁退磁。
6.&&&&&&& 参考资料（摘自《高压开关行业通讯》）
目前新开发的一种永磁机构配于12KV真空断路器，没有运行经验，有的厂家的产品样本中谈到真空断路器&免维修&，而永磁机构的样本上更进一步写着&永远免维修&。笔者提出如下问题进行探讨：
1)&&&&&&& 样本上说：&当控制系统出现故障，可用手动分闸装置（带有分闸弹簧）&。换句话说，就是打开柜门临时安上手动分闸装置紧急分闸。
现在手车柜都是关门操作，柜前门有紧急分闸按钮较安全，即便是开前门可用操作杆压动分闸也比较安全。但永磁机构需进入柜内且手车在工作位置，安装手动分闸装置，距带电部位的距离相比弹簧机构安全性差。
如果合闸控制系统出现故障合不上闸，如何来操作？弹簧机构可手动储能进行合闸。如果煤矿用于抽水，当合闸控制系统出现故障，井下积水抽不了，煤矿工危险啊！
作为一种新型机构应该具备它的先进型、适用性。操作简便，易于维护，安全可靠。
2)&&&&&&& 产品样本中说：&完全免维修&和&永远免维修&这种提法比之&免维修&更进一步强调其产品质量是&百分之百&。且样本上还写明&如分闸回路发生故障还的临时安装手动分闸装置&，这不是与&完全免维修&和&永远免维修&相矛盾吗？这种提法欠妥。
3)&&&&&&& 布置不合理。辅助开关安装在内侧，而有1/3被电容挡住，当维修、检查回路端子接触是否良好，辅助开关以及连接拉杆螺栓紧固是否良好，就难以进行。
4)&&&&&&& 有的永磁机构的寿命就10万次，其真空灭弧室真能过关吗？真空灭弧室的寿命最多为3万次，永磁机构的10万次对真空断路器整机是无任何意义的。
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