基于高速斥力机构的72.5kV双断口真空断路器研究综述

秦立军 汤卓凡



基于高速斥力机构的72.5kV双断口真空断路器研究综述

秦立军 汤卓凡

（华北电力大学，北京 102206）

本文基于国内外研究者的理论分析与实验结果，提出分合闸性能良好的采用高速斥力机构的72.5kV双断口真空断路器设计方案。72.5kV真空断路器利用H型结构优势实现断口均压，由两个40.5kV标准电压真空灭弧室底部串联构成，采用一套永磁斥力操作机构进行操作,该机构由高速斥力和永磁保持操动机构组成。在此基础上制作了样机，通过实验验证了该设计的优越性。

双断口真空断路器；断口均压；快速斥力永磁机构；分合闸性能

我国电力系统的高速发展促进了高电压等级的快速真空断路器的开发与研制，特别是近年来高压电网多电源无扰动快速切换装置的研究应用。石油化工等大型企业变电站对供电连续性和稳定性要求很高，所以对备用电源切换装置中断路器的执行机构的动作速度、分合闸可靠性等提出了更高的要求。目前，在交流系统中，国内外有关单位开发和研制110kV高压真空快速断路器已有进展，在真空灭弧室的分断性能和机构设计等方面进行了相应的研究工作。但基于高速斥力机构的72.5kV双断口真空断路器在国内仍是空白，相关的关键技术和设备仍需要自主研制开发[1]。

断路器断口的击穿电压和断口的间隙长度二者之间具有饱和效应。当断口的真空间隙长度较长时，真空断路器的耐压等级并不能通过单纯的加大真空间隙的长度来提高。把相对稍长的真空间隙分成几个相对稍短的真空间隙，并把它们串联起来，即可提高其耐压等级，这实际上就是釆用多断口真空断路器的技术来获得高电压等级断路器的基本依据。通过利用多断口真空断路器的有利优势，促进真空断路器向更高电压等级发展与应用。

受杂散电容的影响，多断口断路器的各断口的分压并不是均匀的，近高压侧灭弧室承受的电压要远高于近地侧灭弧室承受的电压，近高压侧灭弧室会先发生重击穿，近地侧灭弧室因无法承受快速增加的恢复电压而相继击穿，若此时近高压侧灭弧室的介质强度来不及恢复，则断路器开断失败，因此断口均压成为研究多断口真空断路器技术的关键。本文也讨论了国内外研究者对断口均压问题的处理方式。

本文提出了一种采用高速斥力机构的新型72.5kV双断口真空断路器的设计方案，该断路器采用双断口形式，由两个40.5kV标准电压真空灭弧室底部串联构成，采用一套永磁斥力操作机构。该机构由高速斥力和永磁保持操动机构组成，并在此基础上制作了样机，通过实验验证了该设计的优越性。

1 72.5kV双断口高压真空断路器的理论基础

1.1 真空间隙的耐压饱和效应

真空气隙中的气体分子微乎其微，真空气隙的击穿受多种因素的影响，其物理过程十分复杂[2]。击穿电场强度和击穿电压与真空间隙长度之间的关系式[3]为

多断口真空断路器的击穿电压与真空间隙长度的函数关系式为

（3）

则多断口真空断路器的击穿电压增益倍数为

由式（2）、式（3）和式（4）可知，多断口真空断路器与单断口真空断路器相比，具有更高的耐压等级。

多断口快速真空断路器具有以下优势：在电压等级较高的交流系统中，若采用单断口断路器，则单断口断路器的真空间隙长；采用多断口断路器，可以使作用于每个断口上的电压减小，进而可以使每个断口的弧隙恢复电压减小；相对于同电压等级的单断口断路器而言，缩短了真空间隙的长度，操纵机构分合闸行程缩短，断路器的总的分闸时间减少，加快了介质的恢复速度。

1.2 多断口真空断路器的动态绝缘特性

多断口快速真空断路器的动态绝缘特性，主要包括断路器在进行大电流开断后各个断口的介质强度恢复能力和弧后重击穿特性。

文献[3]通过断路器开断性能试验，得出双断口快速真空断路器的开断性能比单断口快速真空断路器的开断性能好。文献[4]讨论分析了把两个24kV快速真空灭弧室进行串联，分析了其运行时的实验结果，发现双断口快速真空断路器与单断口快速真空断路器的开断性能相比提高了1.3倍。

2 72.5kV双断口高压真空断路器的断口均压技术

受杂散电容的影响，多断口断路器的各断口的分压并不是均匀的。目前国内外主要是通过增加装设均压电容器的途径，从而提高多断口快速断路器的断口电压的均匀分布特性。

文献[5]全面概述了增加装设均压电容器对多断口快速真空断路器开断能力的提高带来的积极影响和可能随之引入的新的需要解决的负面问题，同时针对带来的积极影响和新的需要解决的问题的产生原理进行了理论研究。提出了现存理论与实验研究的某些局限性，同时给出了初步大致的分析结果。文献[6]从理论和实验两方面论证了增加均压电容带来的负面效应。

为了规避增加装设均压电容器引入的风险，文献[4]得到了一种新型的双断口断路器的结构设计方案，通过充分合理规划利用断口的结构布置从而来优化配置两断口的分压。因为这两个真空灭弧室断口之间的连接距离很小，同时断口相连接的位置距离接地处的距离很远（一般来说超过1000mm），所以断口相连接处的导体对地的分散电容可以忽略不计。其等值回路如图1所示。

图1中：为电源电压；1、2为断口电压；d为断口电容；0为对地电容，0为10～50pF，d为1000～2000pF。可知，这种结构形式下，各断口电压基本相等，因为d远远大于0，可以将0忽略不计，则断口电压分布为1=2=/2，从而实现了断口均压，所以采用这种结构形式的断路器无需增设多余电容器就能实现各断口均压。

图1 新型双断口真空断路器等值回路

3 双断口高压真空快速断路器结构设计

3.1 72.5kV双断口高压真空断路器外观结构设计

双断口真空断路器的外观结构设计时，一般会采用“H”型结构和倒“A”型结构。

倒“A”型快速真空断路器的驱动机构必须采用转动部分才能将垂直移动的力转向有一定角度的斜向力，既影响断路器的开合速度，又影响操纵力的大小。而由本文第二章最后两段分析可知，“H”型结构能充分利用自身结构优势，实现各断口均压，所以72.5kV快速真空断路器外观采双断口的结构形式，由两个40.5kV标准电压真空灭弧室底部串联起来构成一个72.5kV的开断部件，两个40.5kV标准电压真空灭弧室采用一套斥力操作机构，单相断路器采用“H”型设计，如图2所示。

图2 单相快速真空断路器外观示意图

图2中、两个尺寸按照72.5kV电压等级设计，1与1是与72.5kV真空断路器相匹配的驱动器尺寸，室外安装要考虑密封性。综合考虑相关电压等级的绝缘标准，最终设计尺寸为=650mm，=1050mm，1=850mm，1=400mm。

3.2 72.5kV双断口高压真空断路器操动机构结构设计

1）操动机构综述

快速真空断路器的主要性能直接呈现于断路器的动静触头的分闸、合闸动作时间和动作速度上。因此，操动机构的性能好坏会直接影响高压真空断路器的工作稳定性和可靠性[7-8]。

传统的弹簧操动机构主要是通过内置弹簧的弹性性能，从而进行能量储存，并不需要大功率的直流电源作为操作电源，但装置的机械结构复杂，零部件多，生产成本高，精度低，可靠性不能保证；电磁式操动机构机械结构较为简单，但为了提供较大的操纵动力，通常需要较大的牵引电磁铁、电源装置、大面积电缆，需要配备昂贵的蓄电池组，因此结构笨重，动作时间长[9-12]。目前，采用涡流电磁斥力的原理的断路器操动机构的研究已有蓬勃发展之势。采用这种方式的断路器，可以在很短的时间内完成快速驱动负载快速动作的要求。许多学者都在关注这一方面的研究。截至现在，世界上已有许多国家有了相应的发展，特别是日本、德国等，利用电磁涡流斥力原理设计出了的一系列电压等级的快速断路器，同时也开发出了利用这一原理研发生产的相关产品。

2）72.5kV真空断路器斥力机构的组成

本文针对高压断路器的特点，对斥力操作机构结构进行设计及研究，提出了新的结构方案，该断路器的原理示意图如图3所示。

图3 双断口真空断路器斥力机构示意图

工作原理是：采取涡流电磁斥力作为操动机构的动力来源，采取永磁机构中的永磁体作为保持力来源。基本操动过程是：利用晶闸管来控制已经充电的电容器向高速涡流斥力机构的线圈放电，则线圈就可以产生瞬间变化的电磁场，铜盘则由于感应效应产生涡流形成反向的磁场，从而产生了推斥力，继而带动操纵机构的连杆运动，最终带动灭弧室的动触头进行相应的动作。相对于传统永磁机构而言，采用高速涡流斥力机构的断路器的分合闸速度提高，运动精度更高，并且斥力机构并不需要机械脱、锁扣装置，所以故障源很少，可以长时间安全可靠的运行。

图3中各元件标号如下：1为真空灭弧室；2为静触头，是固定触头，用来连接或断开电力线路；3为动触头；4为超程装置，保证触头压力及减小触头电阻；5为固定板，用来固定分、合闸线圈；6为分闸线圈，分闸励磁线圈，发出分闸指令时通电与金属斥力盘产生向下的斥力；7为金属斥力盘，是金属铜盘，与励磁线圈产生向上或向下的斥力，起到推动动触头移动的作用；8为合闸线圈，即合闸励磁线圈，用于发出合闸指令时通电与金属斥力盘产生向上的斥力；9为动铁心，即活动铁心，与磁铁一起起自保持作用；10为磁铁，用来固定动铁心。

本文通过对斥力结构影响的主要因素的分析，并对样机部件参数进行计算，特别对励磁圆盘线圈的绕制方法和结构进行了深入研究，最终设计出斥力机构，相关设计参数见表1。

表1 设计参数表

3.3 72.5kV双断口真空断路器性能试验

1）分合闸动作时间测试

建立该样机的分合闸动作时间测试平台，进行分合闸动作时间测试试验。进行合闸实验时，示波器一通道记录脉冲起动时间1，示波器另一通道记录停止时间2，则合闸时间=2-1。进行分闸实验时，示波器一通道记录脉冲起动时间1，由于设置了断路器常闭辅助触点（设置分闸成功时操纵机构的行程），示波器另一通道记录停止时间2，所以分闸时间=2-1。

通过实验，断路器分闸时间为18ms，合闸时间为27ms。本文所设计的断路器样机分合闸速度快，操作机构回路的设计满足电容放电可以操作真空断路器开、合一个周期的要求，断路器能成功分合闸，分合闸能力良好。

2）机械特性试验

采用图4所示的实验原理，建立该样机的机械特性实验平台，即将直线位移传感器的可动部分与断路器的动导杆连接，并将电位器输出电压接至示波器，由输出电压的变化即可得到该断路器行程变化与时间的对应关系。

图4 实验原理图

图4中，滑动变阻器总长度为50mm；断路器动导杆触头的行程范围为20mm。经过测试，得到断路器的分合闸机械特性曲线，开关合闸从开始到稳定一共经历了30ms，实际在27ms附近已经有一次探底；开关分闸在18ms附近已经探底，后来发生的跳跃使其到30ms稳定。

该断路器分合闸机械特性曲线不光滑，有若干个突起，说明本实验样机的制作工艺不完善，分合闸线圈产生的电磁场稳定性相对较弱，所以需要进一步提高断路器制作工艺以及进行相应的型式试验，确保有良好的稳定性之后才能在实际电网中应用。综上所述，本文所设计的断路器分合闸动作时间短，机械性能良好，在该电压等级下能迅速成功分合闸，具有一定的优越性。

4 结论

本文提出了一种新型72.5kV双断口高速真空断路器的设计方案，采用“H”型结构，基于高速斥力和永磁保持操动机构，由两个40.5kV标准真空断路器串联构成。在此基础上制作了样机，该断路器样机分合闸速度快，分闸时间为18ms，合闸时间为27ms，断路器在该电压等级下能成功分合闸，分合闸机械特性良好，具有一定的优越性。但该结构断路器只有在经过型式试验后方可在电网中得到推广和应用。

本文基于高速斥力机构研究开发的72.5kV双断口高速真空断路器，动作速度可完全满足高压电网电源无扰动快速切换装置的高速要求，具有非常广泛的应用前景。

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Review of 72.5kV Double-break Vacuum Circuit Breaker with Rapid Repulsion Actuator

Qin Lijun Tang Zhuofan

(North China Electric Power University, Beijing 102206)

Based on the theoretical analysis and experimental results from researchers, the design of 72.5kV double-break vacuum circuit breakers with rapid repulsion actuator was presented. It uses H-type structural advantages to achieve voltage distribution. It is composed of two standard 40.5kV vacuum interrupter in series at the bottom, driven by a permanent magnetic rapid repulsion actuator and has a good opening and closing performance. The permanent magnetic rapid repulsion actuator includes rapid repulsion actuator and magnetic retentivity actuator, using their own structural advantages to achieve voltage distribution. On the basis above, we produced the prototype, and the superiority of the design was verified through the experiments.

double-break vacuum circuit breakers; voltage distribution; permanent magnetic rapid repulsion actuator; opening and closing performance

秦立军（1962-），男，教授，研究方向为继电保护、变电站综合自动化技术，配电自动化技术。