1、断路器操动机构的发展与应用教程来源：网络 作者：未知 点击：76 更新时间：2009-8-13 9:39:17 摘要：概述了断路器操动机构的分类，分析了 CY3 型液压机构运行中的问题，提出了处理其常见问题的方法，阐述了应用于 CY3 液压机构的故障诊断系统。展望了永磁操动机构的发展动态。 0 断路器操动机构 断路器由三部分组成：断路器本体、操动机构、电源。作为断路器主要部件的断路器本 体，它的功能是切断负载或短路电流。按其灭弧所采用的介质来分，可分为油断路器，真空断路器和 SF6 断路器。操动机构的功能是通过电动方式或手动方式实现 断路器触头的开合及满足触头开合特性的各种要求。因此，虽然操动
2、机构在断路器总造价中占较低的比率，但其在断路器的开合特性起着至关重要的位置。电源部件 的功能是为断路器以电动方式开合提供足够的能源。就真空断路器而言，目前真空技术已很“成熟”，世界上已经有了可断开100kA 短路电流的真空断路 器。因此，对配电网开关设备而言，人们关心的技术参数，已不是它的开断容量，而更主要的是关注高可靠性和免维护设计。而对于真空断路器而言，就目前的制造 水平，包括我国自行设计和生产的产品，真空灭弧室的可靠性已经达到相当高的水平，它的平均无故障时间已可达到 25年，然而在实际运行中，配电网开关设备的 可靠性却并不乐观，远远低于真空无弧室已达到的可靠性水平。统计资料表明：设备故障
3、中有 70%90%以上为操动机构的机械故障。传统的真空断路器，其操 动机构主要是电动弹簧机构和电磁操动机构。对于机械电动弹簧机构，它所暴露出来的缺点是机械结构十分复杂，零件数量多，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。对于电磁操动机构，其结构复杂程度和工作可靠性比电动弹簧储能机构要有所改善，但其致命的问题是合闸线圈消耗功率太大， 要求配置价格昂贵的蓄电池组，以及电磁机构结构笨重，动作时间较长。因此想依靠这两种操动机构的改进，来提高断路器的可靠性和免维护水平，以及实现开关设 备的自动化、运动化和智能化。这种设想是难以实现的。 从国外的产品发展趋势看，10kV 以下的真空
4、断路器还是以采用电磁机构为主，而 10kV 以上的真空 断路器以采用电动弹簧机构为主。随着真空断路器的迅速发展，对配套使用的弹簧操动机构有了更高的要求。早先的电磁操动机构，因合闸功率大、合闸速度低等逐 渐被弹簧操动机构取代。CT8 是我国开发研制的第一代弹簧操动机构产品，在此基础上，衍生出 CT10、CT12 等弹簧操动机构，得到了广泛的推广使用。 20 世纪 7080 年代，我国还没有适合于真空断路器使用的长寿命弹簧操动机构。1992 年以后发展了几种长寿命弹簧操动机构，我国开发第二代 CT17、 CT19 等新一代弹簧操动机构。它们的输出特性与真空断路器的反力特性有较好的匹配，输出功能满足
5、大容量真空断路器的要求，机械寿命已达到 30000 次。多数真空断路器用的操动机构 (包括电磁机构和弹簧机构)是集中布置的，即机构被设计成独立的元件，自成一体，这样做便于操动机构的集中生产，有利于保证产品质量。 1 CY3 型液压机构工作原理 110，220 kV 的少油断路器均采用 CY3 型液压操动机构，其液压部份如图 1 所示。贮压筒上部充以高压氮气，贮压筒下部充以航空油。由于氮气贮存了大量能量，于是航空 油便成了具有操作能量的压力油，通过油路进入液压操动机构部分，控制断路器的分、合闸。在运行中，由于油渗漏或操作中使用了一定量的压力油，使贮压筒中活 塞下移，氮气空间变大，压强降低，此时利
6、用活塞杆下移触动微动开关 2YJ，使之闭合，接通油泵启动回路，油泵便将油通过油路注入贮压筒下部，使活塞上移， 于是恢复了氮气的压强，亦即恢复了压力油的压强，当活塞杆上移过程中离开微动开关 1YJ 时，1YJ 断开，断开油泵启动回路，停止打油。图 1 中微动开关 3YJ 是重合闸闭锁开关，4YJ 是合闸闭锁开关，5YJ 是分闸闭锁或自动分闸开关，分 别接于相应的二次回路部份。2 CY3 型液压机构运行中存在的问题分析及处理2.1 油泵启动频繁 (1)故障现象;断路器的液压机构在没有任何操作的情况下，规程规定油泵电机每天启动的次数一般不得超过 25 次。我公司部分变电站多次出现 CY3 型液压机构
7、油泵电机启动频繁的故障，最多达到 70 次/天。 (2)原因分析;根据统计资料发现，油泵电机启动频繁问题具有一定的规律性，也就是夏季问题开始暴露，秋、冬季又趋于正常，这是由于液压油的温度过高导致密封圈的性能下降引起的，所以一定要注意保证机构箱的通风良好，加强设备的巡视。其主要原因有： 管路接头有漏油处; 一、二级阀钢珠密封不严，从泄油孔中渗油; 油泵出口的高压逆止阀有可能不严; 如果机构在分闸状态，油泵也启动频繁，这说明合闸的二级阀钢珠密封不严 放油阀关闭不严; 工作缸活塞密封圈密封不好; 液压油内有杂质，卡滞在各密封圈部位，导致密封不好。 (3)处理方法 处理漏油、渗油部位，更换全部密封圈;
8、 检查工作缸活塞连杆，如果存在纵向划痕，根据情况进行更换或用细砂纸轻轻打磨至光滑; 对液压油进行过滤或更换; 2.2 液压系统不能正常建压 (1)故障现象;断路器在分闸操作后再度合闸操作时，油泵电机长时间打压，压力升不到停泵压力。 (2)原因分析，主要原因有： 油泵内各高压密封圈损坏或球阀密封不良，滤油器有脏物堵塞，影响油通过; 高压放油阀没有复位，高压油直接放到油箱中; 油泵低压侧有空气;油泵大修后，柱塞在组装时没有注入适量液压油或柱塞杆及珠塞座没有擦干净，柱塞间隙配合过大，吸油阀钢珠不复位;一、二级阀密封不严，可能存在阀口磨损或球托翻倒;。 (3)处理方法 清洗滤油器及油泵;更换全部密封圈
9、; 检查高压放油阀是否复位，如损坏应更换; 多次打压排出油泵内空气;应重新组装各级分、合闸阀。 2.3 液压操动机构压力异常升高或异常降低 (1)故障现象;断路器在运行中出现压力异常，严重时导致高压闭锁分、合闸或压力降低至零位。 (2)压力异常升高原因分析 微动开关 1YLJ(1CK)失灵，使储压罐活塞杆超过 1YLJ 位置时，电机电源无法切断，继续打压; 储压罐密封圈损坏或者罐壁有磨损，液压油进入储气罐; 压力表失灵或存在误差; 中间继电器“粘住”，其触点断不开; 接触器卡滞，电机始终处于运转状态。(3)压力异常降低原因分析 压力表失灵或存在误差; 机构箱内有大量漏油处，阀体被油中脏物“垫起
10、”或胶圈损坏(此时油泵会连续运转); 如储压罐连杆在正常停止位置而压力继续降低，则是压力罐焊缝处可能存在渗漏现象; 氮气缸上单向逆止阀密封不严漏气或储压罐活塞杆头部两个密封圈损坏，使氮气进入油中。 (4)处理方法 信息请登陆 :输配电设备网 检查微动开关、压力表、中间继电器、接触器，如损坏应更换，对微动开关触点进行打磨; 检查储压罐，如罐体损坏应更换;更换全部密封圈; 2.4 故障现象;压力低于重合闸或合闸闭锁值 (1)油压远低于重合闸闭锁值，接近合闸闭锁值。 (2)原因分析：CY3 型液压操动机构在运行中，当室外温度发生较大变化时，由于氮气的热胀冷缩 (航空油的热胀冷缩系数极小，可以忽略不记
11、)现象，使氮气压强随温度变化而变化，即使压力油压随着变化，此时活塞杆几乎不会上下移动。微动开关 2YJ 的位 置是在常温(25) 下调整好的，在零下 10时，氮气压强下降 2.92 MPa。该装置设定油泵启动值为 27.3 MPa，停泵值为27.9 MPa，假设温度降低 35，则油压降低到 24.38 MPa，油泵才能启动打油，但此 时的油压远低于重合闸闭锁值，接近合闸闭锁值，对设备的安全运行构成威胁。 (3)改进措施;设备制造厂在解决这个问题时，采用在贮压筒下部安装一个发热器，但在实际运行中，天气冷时发热器由于长期频繁加热，容易烧毁，实用价值不是很大。建议采用下述两种方法消，效果较好。 文献
12、1采取消用微动开关 2YJ 控制油泵启动，改用接在油路上的压力开关 1YK 控制 ;取消用微 动开关 1YJ 控制油泵停运，改用接在油路上的压力开关 2YK 控制。在实际应用中，由于油路压力开关 1YK、2YK 的启停参数具体设定时，控制系统的滞后较 大，并受扰动的因素较多易造成压力异常，故采用2YJ 和 1YK，1YJ 和 2YK 串联的方式控制油泵的启停，提高了油压控制系统的可靠性。 根据文献1对贮压筒进行改造，如图 2 所。在贮压筒上部加装一个调压活塞贮压筒顶部改用密封盖 板密封，密封盖板与贮压筒用加密封垫螺栓联接，在调压活塞与密封盖板之间加一个调压弹簧，其空间充灌润滑脂(注意要保留一定
13、空间)。调压弹簧对调压活塞作 用的压强值为原装置油泵停运时的油压值，即调压弹簧的弹力选择为调压活塞截面积与原装置油泵停运时的油压值的乘积。当由于装置油渗漏或断路器操作中使用了一定体积的压力油时，活塞同样正常向下移动。为保证油泵能正 常打油补充，此措施可以在油压下降时，由于调压活塞两边压差的作用，调压活塞向下运动，压缩氮气体积，提高氮气压强，保证了油压基本恒定。当环境温度改变 时，氮气压强改变，调压活塞亦能上、下运动自动调节氮气压强，保证油压基本恒定。润滑脂主要用来作为调压活塞与贮压筒内壁间的密封，防止氮气泄漏，当运行时间过长，调压弹簧弹力降低时，可拆开密封盖板更换调压弹簧。使用该改进装置，任何
14、情况下油压基本恒定，提高了断路器运行中的安全可靠性。 3 永磁操动机构的发展概况 自 1989 年英国曼彻斯特大学系统与能量组为 GEC 公司设计了第一台永磁操动机构模型起，永磁操动 机构就成了世界各国开发的热点。永磁操动机构的显著优点是：结构简单零部件少，可靠性高及操作能耗小。当其与真空断路器配合使用，组成自动重合器系统，应 用于变电站(开关柜)和柱上开关，使配电网的可靠性和自动化程度有很大提高。在欧洲市场已出现以电池作为操作能源，可 10 年免维护的永磁操动机构及控制系 统。上世纪末，国际上永磁操动机构的发展概况大致如下： ABB Calor Emag 开关设备公司，在 1997 年开发了
15、一种新型利用永磁操动机构的 VM1 型真空断路器。操动机构是永磁方形双线圈结构，仅用 7 个活动元件代替了由数百 个零件组成的传统结构。在 10 万次操作寿命中不需维修，是传统操动机构的 3 倍。目前 VM1 真空断路器的额定电压为 12175 和24kV，额定电流为 20003150A，额定开断电流为 2550kA。 英国 IPEC 公司的永磁操动机构采用圆粒形双线圈结构，并且把永磁体由静铁芯移到了动铁芯。 荷兰 Holec 公司的 MMS 型真空断路器采用的永磁操动机构其特点是：合闸、合闸保持和分闸的磁路是分开的，只有合闸位置靠永磁体保持，机构的终止位置是分闸位置，分闸 操作仅靠开关触头的
16、弹簧力和分闸弹簧力，通过合闸线圈使之释放能量。它的短路开断电流为 31.5kA，分合闸时间偏差不超过1ms。 国内在近一、二年里，一些高等院校、研究机构及从事高压断路器产品开发制造的公司，正开展永磁操动机构的研制，也已开发出了一些初级阶段的产品，还未形成系列化产品，性能也很不稳定。 根据专家的估计，国际上这一领域内系统的理论还远未成熟，还有许多实验研究工作要做。国内的理论及实验研究工作还刚刚起步。因此这种使用新材料、新工艺及新原理，使真空断路器的磁力驱动装置实现低能耗，高可靠性的永磁操动机构的研究发展前景及市场前景将是十分宽阔的。传统的电动弹簧操动机构及电磁操动机构，由于它们的结构复杂，可靠性
17、低，能耗大，成为提高真空断路器的可靠性和提高其免维护水平的障碍。同时，由于断路器是实现配电网控制的关键电气设备，因而传统操动机构也制约了配电网自动化，运动化和智能化的发展。 而永磁操动机构比传统操动机构，其结构大为简单，合、分闸能耗大大降低，从而能极大的提高了真空断路器的运行可靠性和免维护水平，并为配电网实现自动化、运动化、智能化提供了必要的技术条件。 参考文献： 1. 王明俊，于尔铿，刘广一，配电系统自动化及其发展，中国电力出版社，1998.1 2. 张冠生，电器学，机械工业出版社，1980.11 作者简介：周志敏(1957-)，男，高级工程师，主要从事高压电气设备试验及检测工作。 双稳态永
18、磁操动机构与真空断路器的特性配合问题探讨 作者：魏本纪 时间：2007-11-25 12:05:00 来源：论文天下论文网摘要： 通过对实际工作经验的总结，论述了永磁机构传动方式、保持力大小以及与真空断路器匹配时确定永磁机构的合、分闸功及动作特性的原理。 关键词： 断路器 永磁机构 特性 配合 1 断路器与机构传动方式配合目前，国内外生产的永磁机构（双稳态） 动铁心行程（即动铁心与磁轭之间气隙） 都比较小（通常不大于 25 mm） ，远小于常规电磁、弹簧、液压和空压操动机构的行程。因此，目前它还只能配用在触头行程较小的中压真空断路器上。如果单从满足断路器行程方面要求，可以通过放大传动机构的输出
19、行程，满足大行程断路器要求。但是，目前国内外生产的永磁机构的分、合闸力也较小，通常在 2 0004 000 N ，最大也不大于 6 000 N。在将它与断路器配用中，往往只能利用传动机构的行程缩小、作用力放大，而不能利用行程放大、作用力缩小的功能。12 kV 真空灭弧室的触头开距一般约为 10 mm ，当触头弹簧直接设在动触杆上，超程约 3 mm 时，真空灭弧室要求行程（触头开距加超程） 为 13 mm 左右。如果选用行程为 25 mm 的永磁机构，就需设计中间传动机构使行程匹配，而且在设计传动比时必须考虑行程损失因素。40. 5 kV 真空灭弧室触头要求行程约 25 mm（开距约 20 mm
20、 ，超程约 4. 5 mm） ，正好与行程为 25 mm 的永磁机构相匹配，可采用操动机构与真空灭弧室动触杆同轴连接的传动方式。这样不仅可以减少行程损失，而且有利于抑制合闸弹跳。2 永磁机构分、合闸状态保持力的选择永磁机构结构简单，动作可靠性高，无需合分闸位置机械保持和脱机装置，它是由永久磁铁产生的吸力使断路器保持在分、合闸位置1 。真空断路器要求一定的触头接触压力，因此，永磁机构的吸力不仅要能克服触头弹簧的反作用力和其他反力，而且还必须具有足够的合闸位置有效保持力，防止受 到外界可能因素作用下（机械震动、电动力等） 出现自动误分闸。该保持力的大小不仅决定了断路器合闸保持性能，而且还决定了分闸
21、功及分闸速度等重要参数。根据试验得出合闸有效保持力:当开断电流为 20 kA 及以下者，宜选择在500700N ；开断电流为 31. 5 kA 及以上者，宜选择在 7001000 N。因为双线圈永磁机构不需要装设全行程的分闸弹簧，操动机构只需要不太大的保持力就可使断路器可靠地保持在分闸状态。考虑永磁机构必须有足够大的合闸功才 能保证断路器具有足够的关合能力。所以，永磁机构的分闸保持力也不能太小。根据试验得出永磁机构的分闸有效保持力宜选择在 2 0003 000 N。永磁机构的永久磁铁回路通常是按吸力要求最大的一侧（合闸侧） 设计的，而另一侧必须采取减小其吸力的措施，在动铁心与磁轭吸合面之间加隔
22、磁片及减小其有效吸合面积；在分闸侧装设短程弹簧抵消一部分分闸保持力，才能同时满足断路器分、合闸的特性要求。3 断路器与永磁机构分、合闸功的选配配用永磁机构的真空断路器所需要的合闸功如图 1 中的 oabcde 阴影部分面积。从合闸起始位置至触头刚闭合位置所需要的合闸力较小，一旦触头弹簧开始压缩，所需要的合闸力突然增大。abcd 是断路器需要的合闸力特性。它所输出的合闸功如图 1 中的 ofge 阴影部分面积；曲线 A 为机构永久磁铁产生的合闸力， B 为合闸电磁铁产生的合闸力， C 为 A 和 B 两方面力合成后的总合闸力输出特性。真空断路器与永磁机构两者理想的合闸配合，不仅要求 C 始终高于
23、 abcd 曲线， 而且还要求 ofge 的面积适当大于 oabcde 的面积。配用永磁机构的真空断路器所需要的分闸功为图 2 中 oabc 阴影部分的面积，它主要由断路器可动部分质量和真空灭弧室触头额定反力所构成， 呈均匀上升分闸力曲线，如图 2 中的 ab 曲线。释放出的分闸功如图 2 中的 ofgh 的阴影部分面积。永磁机构分闸操作时输出的分闸功如图 2 中的 odec 阴影部分面积。曲线A 为触头弹簧产生的分闸力， 曲线 B 为操动机构永久磁铁产生的分闸力，曲线 C 为分闸电磁铁产生的分闸力， D 是 A 、B 、C 合成后的总分闸力输出特性曲线。真空断路器与永磁机构两者理想的分闸配合
24、，不仅要求曲线 D 能够始终高于曲线 ab ，使断路器能够完成分闸操作， 而且还要求 odec 面积适当大于oabc 面积。4 如何获得理想的分、合闸速度特性永磁机构驱动真空断路器进行分、合闸操作的工作原理如图 3 所示。分闸或者合闸线圈从 a 点开始通电，线圈中电流经激磁时间 t 上升到最大值，b 点为操动机构动铁心开始运动，驱动断路器分闸或者合闸，线圈中电流下降到 c 点，断路器分闸或者合闸终了，线圈中电流又开始上升，直至电源被切断，断路器完成分闸或者合闸操作。试验表明，当操动机构的分闸或者合闸电磁铁回路结构、尺寸和形状，磁回路工作气隙，线圈的安匝数确定后，电 流上升陡度已确定，电流 i
25、值就取决于激磁时间 t 的长短，激磁时间愈长，电流愈大，操动机构输出的分闸或者合闸功就愈大，断路器的分闸或者合闸速度也愈快，反之亦然。同时，断路器处于合闸或分闸状态时永 磁机构必须提供合适的有效保持力。在通常情况下，有效保持力愈大，激磁时间愈长，电流也愈大。由于在分闸静态位置的有效保持力总是要比在合闸静态位置的有效保持力大得多（因为触头弹簧压力抵消了大部分合闸侧自保持力） ，如果不采取措施，断路器的合闸速度会偏大。根据实际工作经验，获得理想的分、合闸速度特性（不仅分、合闸速度在规定值，而且分闸速度不会出现明显的马鞍形） 具有很大难度。采取措施后才能获得相对理想的分、合闸速度特性（分闸速度仍有点呈马鞍形） 。提高永磁操动机构的分闸输出功是一个难以解决的问题，目前也只有将额定短路开断电流较大的真空断路器，每相配一台操动机构，解决提高永磁机构分闸输出功而不使外形尺寸增大的难题，但这毫无疑问使得断路器结构复杂、
