CN112802721A - 一种高压断路器用长行程混合式快速操动机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高压断路器用长行程混合式快速操动机构，包括永磁保持组件、电磁斥力组件、分闸弹簧组件、合闸弹簧组件、储能组件和支撑架，其中：所述永磁保持组件用于实现断路器合分闸位置的保持；所述电磁斥力组件用于产生脉冲力，克服永磁保持组件合闸吸合力或分闸吸合力，使机构合分闸快速脱口，并通过脉冲力加速断路器的起始合分闸操动速度，缩短断路器合分闸时间；所述分闸弹簧组件用于提供断路器运动至长行程区间时的主要分闸动力；所述合闸弹簧组件用于提供断路器运动至长行程区间时的主要合闸动力。其可实现高压断路器的长行程快速操动。

Description

一种高压断路器用长行程混合式快速操动机构

技术领域

本发明涉及高压断路器技术领域，尤其涉及一种高压断路器用长行程混合式快速操动机构。

背景技术

随着国民经济持续增长和高端制造业迅猛发展，电力系统规模不断扩大，新能源系统规模化集中接入，工业和生活用电对电力系统安全稳定运行水平和供电质量提出了更高的要求。高压断路器是实现电力系统控制与保护的关键设备之一，一方面IEEE Std1564^TM-2014指出，断路器短路故障切除时间在20ms以内时，绝大多数负荷的供电质量不受影响；另一方面系统短路故障的快速切除，可大幅缩减新能源低电压穿越时间，有效防止新能源脱机事故的发生。系统短路故障的快速可靠切除，对系统运行的暂态稳定性具有重大意义。

然而受传统操动机构技术和熄弧技术的限制，现有高压断路器难以实现电力系统短路故障在20ms内的快速切除。传统操动机构采用液压、弹簧、永磁或电磁机构，受合分闸锁扣装置动作时间，以及动力传动时间影响，对于126kV及以上高压断路器，其合闸时间普遍大于80ms，分闸时间普遍＞40ms，加之系统继电保护动作时间(典型快速保护时间为5ms)和燃弧时间(典型SF6断路器额定短路开断电流最短燃弧时间≥10ms)，断路器故障切除时间远高于55ms，难以满足系统对短路故障在20ms内快速切除的需求。

电磁斥力机构的产生和发展，使之有望极大压缩断路器合分闸时间。对行程要求较低的真空断路器而言，采用电磁斥力机构可将断路器分闸时间由传统的20～40ms，降至0.5～5ms之内。然而，对于长行程SF6高压断路器而言，由于电磁斥力机构出力特性与涡流盘(也即斥力盘)和线圈的距离呈反比例关系，电磁斥力机构在断路器行程末端，所能提供的分闸操动力大幅降低，不利于长行程高压断路器合分闸可靠操动。专利CN201910624140.9公布了一种用于长行程断路器的电磁斥力机构，主要采用线圈——线圈式结构，通过电气串联连接的线圈产生的电磁斥力实现长行程合分闸快速操动，相对于线圈——涡流盘式电磁斥力机构而言，机构的出力特性和驱动效率近似翻倍，然而对于如126kV及以上高压SF6断路器而言，其行程大于140mm，在断路器合分闸行程末端，电磁斥力显著降低，甚至低于传动部件运动质量所产生的重力。

此外，采用传统操动机构的高压断路器，其分闸时间为自脱口系统被激励至触头刚分的时间，此时间主要受断路器分闸脱口时间和起始运动速度的影响。传统机构大多采用机械锁扣的方式，实现断路器在合分闸位置的闭锁，合分闸操动时，需经机械联锁传动脱口。对于126kV及以上采用弹簧操动机构的SF6断路器而言，受分闸线圈衔铁动作时间、合闸保持大掣子和小掣子脱口时间等影响，该脱口时间往往高于15ms，加之分闸弹簧释放压力时的线性出力特性，断路器起始加速过程相对缓慢，触头自始动至走完超行程所用时间约为15ms左右，导致断路器分闸时间≥30ms。如何实现高压断路器长行程快速操动是本领域亟需解决的技术问题。

发明内容

本发明实施例提供了一种高压断路器用长行程混合式快速操动机构，以解决现有技术的高压断路器用操动机构无法快速操动的问题。

本发明实施例公开了如下的技术方案：

一种高压断路器用长行程混合式快速操动机构，包括永磁保持组件、电磁斥力组件、分闸弹簧组件、合闸弹簧组件、储能组件和支撑架，其中，所述永磁保持组件用于实现断路器合分闸位置的保持；所述电磁斥力组件用于产生脉冲力，克服永磁保持组件合闸吸合力或分闸吸合力，使机构合分闸快速脱口，并通过脉冲力加速断路器的起始合分闸操动速度，缩短断路器合分闸时间；所述分闸弹簧组件用于提供断路器运动至长行程区间时的主要分闸动力；所述合闸弹簧组件用于提供断路器运动至长行程区间时的主要合闸动力；所述储能组件用于合闸弹簧组件的储能；所述支撑架用于支撑分闸弹簧组件、合闸弹簧组件和储能组件。

进一步：所述永磁保持组件包括第一缸体，设置在第一缸体上下两端的第一法兰，穿过第一法兰可滑动穿设在第一缸体内第一中心导杆和套设在第一缸体内并连接在第一中心导杆上的衔铁块，所述第一缸体上下两端的第一法兰内分别设置有合闸保持永磁体和分闸保持永磁体。

进一步：所述第一缸体上下两端的第一法兰上设置有隔磁垫。

进一步：所述第一缸体上下两端的第一法兰上还设置有导向环。

进一步：所述电磁斥力组件包括第二缸体，设置在第二缸体上下两端的第二法兰，穿过第二法兰可滑动穿设在第二缸体内第二中心导杆和套设在第二缸体内并连接在第二中心导杆上的斥力盘，所述第二缸体上下两端的第二法兰内分别设置有分闸线圈和合闸线圈；所述第二中心导杆与第一中心导杆连接。

进一步：所述分闸弹簧组件包括第三缸体、第一压簧杆、压簧块、分闸弹簧、分闸主轴、输出拐臂、分闸拐臂和压簧传动杆，所述第三缸体固定在支撑架上，所述第一压簧杆、压簧块和分闸弹簧可活动套设在第三缸体内，所述压簧块固定在第一压簧杆上，所述分闸弹簧抵接在第三缸体底壁与压簧块之间；所述分闸主轴可转动设置在支撑架上，其一端连接在分闸拐臂上，另一端连接在输出拐臂的中部，所述输出拐臂的一端与第二中心导杆连接，另一端与压簧传动杆连接，所述压簧传动杆远离输出拐臂的一端与第一压簧杆连接。

进一步：所述合闸弹簧组件包括第四缸体、第二压簧杆、合闸弹簧、压簧垫、凸轮、储能主轴、合闸压簧杆连接轴和棘轮，所述第四缸体固定在支撑架上，所述第二压簧杆、合闸弹簧和压簧垫可活动套设在第四缸体内，所述压簧垫固定在第二压簧杆上，所述合闸弹簧抵接在第四缸体顶壁和压簧垫之间；所述储能主轴可转动设置在支撑架上，所述凸轮和棘轮固定在储能主轴上，所述凸轮对应分闸拐臂设置，所述合闸压簧杆连接轴设置在棘轮外周，所述第二压簧杆远离压簧垫的一端枢接在合闸压簧杆连接轴上。

进一步：所述储能组件包括储能电机和防脱掣子，所述储能电机与储能主轴，所述防脱掣子固定在支撑架上，位于棘轮上方。

本发明实施例的高压断路器用长行程混合式快速操动机构，一方面，采用永磁保持组件替代传统弹簧操动机构的合分闸锁扣系统，大幅降低操动机构的合分闸脱口时间，使126kV及以上电压等级的长行程高压SF₆断路器实现快速合分闸成为可能；另一方面，断路器合分闸时间的显著降低，可降低断路器合分闸时间分散性，便于精准相控开断和关合的实现；另一方面，采用电磁斥力组件，在断路器合分闸起始阶段，提供操动助力，使126kV及以上电压等级的长行程高压SF₆断路器，可在短时间内达到较高的行程，通过相控技术，可实现短路电流的快速开断。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例的描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明较优实施例中高压断路器用长行程混合式快速操动机构(不含储能电机)结构示意图；

图2是图1中高压断路器用长行程混合式快速操动机构(不含储能电机和支撑架)结构示意图；

图3是图1中高压断路器用长行程混合式快速操动机构(不含储能电机)另一侧面的结构示意图；

图4是图3中高压断路器用长行程混合式快速操动机构(不含储能电机和支撑架)结构示意图；

图5是图1中永磁保持组件结构示意图；

图6是图1中电磁斥力组件结构示意图；

图7是图1中分闸弹簧组件剖视图；

图8是图1中分闸弹簧组件转动90°后剖视图；

图9是图1中合闸弹簧组件剖视图；

图10是图1中合闸弹簧组件转动90°后剖视图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获取的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明公开了一种高压断路器用长行程混合式快速操动机构。具体的，如图1～4所示，该高压断路器用长行程混合式快速操动机构包括：永磁保持组件1、电磁斥力组件2、分闸弹簧组件3、合闸弹簧组件4、储能组件和支撑架6。应当理解的是图中的永磁保持组件1和电磁斥力组件2只是示意位置，不代表实际大小比例。

其中，永磁保持组件1用于实现断路器合分闸位置的保持。电磁斥力组件2用于产生脉冲力，克服永磁保持组件1合闸吸合力或分闸吸合力，使机构合分闸快速脱口，并通过脉冲力加速断路器的起始合分闸操动速度，缩短断路器合分闸时间。分闸弹簧组件3用于提供断路器运动至长行程区间时的主要分闸动力。合闸弹簧组件4用于提供断路器运动至长行程区间时的主要合闸动力。储能组件用于合闸弹簧组件4的储能。支撑架6用于支撑分闸弹簧组件3、合闸弹簧组件4和储能组件。

具体的，如图5所示，永磁保持组件1包括第一缸体11，设置在第一缸体11上下两端的第一法兰12，穿过第一法兰12可滑动穿设在第一缸体11内第一中心导杆13和套设在第一缸体11内并连接在第一中心导杆13上的衔铁块14，第一缸体11上下两端的第一法兰12内分别设置有合闸保持永磁体15和分闸保持永磁体16。通过合闸保持永磁体15和分闸保持永磁体16与衔铁块14和第一缸体11构成的磁路，完成合分闸位置的保持功能。附图5所示永磁保持组件位于分闸保持位置，可通过设置分闸保持永磁体16的数量，确保永磁体对衔铁块14的吸合力大于合闸弹簧压缩储能后的弹簧压缩力，为此本具体实施方案中采用钕铁硼永磁体。当永磁保持装置位于合闸位置时，需要确保合闸保持永磁体15对衔铁块14的吸合力大于分闸弹簧压缩储能值。本实施方案中，永磁保持组件1置于电磁斥力组件2的前端，其第一中心导杆13作为机构的输出导杆，直接驱动断路器的合分闸操作。在合分闸过程中，衔铁块14在第一中心导杆13的带动下，运动行程为140mm，以达到可靠的合闸保持力和分闸保持力。

具体的，第一缸体11上下两端的第一法兰12上设置有隔磁垫17，防止磁性对外界的影响。

具体的，第一缸体11上下两端的第一法兰12上还设置有导向环18，保证第一中心导杆13运行的稳定性。

具体的，如图6所示，电磁斥力组件2包括第二缸体21，设置在第二缸体21上下两端的第二法兰22，穿过第二法兰22可滑动穿设在第二缸体21内第二中心导杆23和套设在第二缸体21内并连接在第二中心导杆23上的斥力盘24，第二缸体21上下两端的第二法兰22内分别设置有分闸线圈25和合闸线圈26；第二中心导杆23与第一中心导杆13连接。进一步的，上下第二法兰22处设置有限位结构，使斥力盘24与合闸线圈26、分闸线圈25在合、分闸位置时，保持1mm间隙，防止斥力盘24对线圈产生合分闸冲击应力，造成线圈机械损坏。在断路器合分闸操动的起始阶段，电磁斥力组件的合闸线圈26或分闸线圈25，通过储能电容器放电，在斥力盘24中感生出涡流，进而产生电磁斥力，推动斥力盘24和第二中心导杆23运动。由于电磁斥力为脉冲力，其幅值在20mF储能电容充600V条件下，可高达80kN，足以克服永磁保持组件1的合分闸保持电磁吸力，并在断路器起始合分闸操动阶段，提供较高助力。为防止第二缸体21在线圈通流阶段产生涡流，进而降低组件的驱动效率，第二缸体21采用非金属材料。为了进一步电磁斥力作用时第二缸体21内的稳定性，第二缸体21内还设置有缓冲导杆，缓冲导杆与斥力盘24固定连接。

具体的，如图7和8所示，分闸弹簧组件3包括第三缸体30、第一压簧杆35、压簧块36、分闸弹簧37、分闸主轴31、输出拐臂32、分闸拐臂33和压簧传动杆34，第三缸体30固定在支撑架6上，第一压簧杆35、压簧块36和分闸弹簧37可活动套设在第三缸体30内，压簧块36固定在第一压簧杆35上，分闸弹簧37抵接在第三缸体30底壁与压簧块36之间；分闸主轴31可转动设置在支撑架6上，其一端连接在分闸拐臂33上，另一端连接在输出拐臂32的中部，输出拐臂32的一端与第二中心导杆23连接，另一端与压簧传动杆34连接，压簧传动杆34远离输出拐臂32的一端与第一压簧杆35连接。分闸弹簧37主要提供断路器分闸过程，当触头运动至交大开距时的主要动力。在机构合闸操动过程完成分闸弹簧的压缩储能，同时在分闸过程，通过释放分闸弹簧的储能，提供断路器运动至长行程区间时的主要分闸动力。为提供126kV高压SF₆断路器足够的分闸动力，分闸弹簧37的压缩行程为140mm，初压力为18000N，终压力为24000N；分闸拐臂33和输出拐臂32采用1:1的传动比。更近一步的，还包括分闸缓冲器，分闸缓冲器采用常规126kV SF₆断路器所采用的油缓冲器，主要提供断路器分闸行程末和合闸行程末端断路器的缓冲。

具体的，如图9和10所示，合闸弹簧组件4包括第四缸体40、第二压簧杆44、合闸弹簧45、压簧垫46、凸轮41、储能主轴42、合闸压簧杆连接轴43和棘轮47，第四缸体40固定在支撑架6上，第二压簧杆44、合闸弹簧45和压簧垫46可活动套设在第四缸体40内，压簧垫46固定在第二压簧杆44上，合闸弹簧45抵接在第四缸体40顶壁和压簧垫46之间；储能主轴42可转动设置在支撑架6上，凸轮41和棘轮47固定在储能主轴42上，凸轮41对应分闸拐臂33设置，分闸拐臂33上对应凸轮41设置有一滚轮331，合闸压簧杆连接轴43设置在棘轮47外周，第二压簧杆44远离压簧垫46的一端枢接在合闸压簧杆连接轴43上。参照图4，凸轮41为一侧有凸起的类似叶型结构，当合闸储能时，凸轮41半径小的一侧面对分闸拐臂33上的滚轮331，储能主轴42的转动不对分闸拐臂33产生任何影响，即合闸储能过程不对分闸弹簧组件3产生任何影响；当合闸操作时，合闸弹簧释放压缩储能造成储能主轴42反转，凸轮41半径大的一侧与分闸拐臂33上的滚轮331接触并对其向远离第三缸体30的方向进行挤压，造成分闸主轴31的逆时针转动(仅针对图4所示)，带动输出拐臂32逆时针转动，进而压簧传动杆34带动第一压簧杆35对分闸弹簧37进行压缩储能，实现合闸的同时对分闸弹簧组件3进行压缩储能。由于分闸操作时合闸弹簧组件4中凸轮41已在储能组件作用下复位，分闸过程分闸拐臂33不会对凸轮41造成任何影响，即分闸过程不影响合闸弹簧组件4。合闸弹簧组件4一方面在断路器合闸操动的过程中提供断路器合闸行程近末端提供主要合闸动力，另一方面压缩分闸弹簧提供分闸初始压缩储能。在合闸操动过程中，通过释放合闸弹簧45的压缩储能，提供断路器运动至长行程区间时的主要合闸动力，并在合闸位置时通过永磁保持组件1中的衔铁块14和合闸保持永磁体15实现合闸位置的保持功能。为提供126kV高压SF₆断路器足够的分闸动力，合闸弹簧45的压缩行程为140mm，初压力为36000N，终压力为44000N。

具体的，如图4所示，储能组件包括储能电机(图中未示出)和防脱掣子52，储能电机与储能主轴42连接，防脱掣子52固定在支撑架6上，位于棘轮47上方。合闸储能过程中，储能电机带动储能轴42旋转，从而驱动棘轮47转动，再驱动棘轮47上第二压簧杆44压缩合闸弹簧45，防脱掣子52与棘轮47压紧接触，防止棘轮47反转。进一步的，防脱掣子52包括固定在支撑架6上的电磁端子521、设置在电磁端子521前端的推杆522、可摆动设置在支撑架6上的摆臂523和悬置在棘轮上方的掣子524，电磁端子521通电，带动推杆522挤压摆臂523，从而将掣子524压紧在棘轮47上，防止棘轮47反转。本具体实施方案中，储能电机和防脱掣子52也可采用常规126kV弹簧操动机构中设备，储能电机可配合行程开关与离合器等设备，实现更好的控制。储能电机的功率优选为200W，电机额定电压为200V。

综上，本发明实施例，通过上述设技术措施，可使126kV高压SF₆断路器分闸时间，由传统弹簧操动机构的30ms以上，降低至5ms之内。采用该混合式快速操动机构驱动的断路器，在电力系统短路故障发生后，配合短路电流过零点快速辨识技术，有望实现系统短路电流在30ms内的快速开断。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种高压断路器用长行程混合式快速操动机构，其特征在于，包括永磁保持组件、电磁斥力组件、分闸弹簧组件、合闸弹簧组件、储能组件和支撑架，其中，

所述永磁保持组件用于实现断路器合分闸位置的保持；

所述电磁斥力组件用于产生脉冲力，克服永磁保持组件合闸吸合力或分闸吸合力，使机构合分闸快速脱口，并通过脉冲力加速断路器的起始合分闸操动速度，缩短断路器合分闸时间；

所述分闸弹簧组件用于提供断路器运动至长行程区间时的主要分闸动力；

所述合闸弹簧组件用于提供断路器运动至长行程区间时的主要合闸动力；

所述储能组件用于合闸弹簧组件的储能；

所述支撑架用于支撑分闸弹簧组件、合闸弹簧组件和储能组件。

2.如权利要求1所述的高压断路器用长行程混合式快速操动机构，其特征在于：所述永磁保持组件包括第一缸体，设置在第一缸体上下两端的第一法兰，穿过第一法兰可滑动穿设在第一缸体内第一中心导杆和套设在第一缸体内并连接在第一中心导杆上的衔铁块，所述第一缸体上下两端的第一法兰内分别设置有合闸保持永磁体和分闸保持永磁体。

3.如权利要求2所述的高压断路器用长行程混合式快速操动机构，其特征在于：所述第一缸体上下两端的第一法兰上设置有隔磁垫。

4.如权利要求2所述的高压断路器用长行程混合式快速操动机构，其特征在于：所述第一缸体上下两端的第一法兰上还设置有导向环。

5.如权利要求2所述的高压断路器用长行程混合式快速操动机构，其特征在于：所述电磁斥力组件包括第二缸体，设置在第二缸体上下两端的第二法兰，穿过第二法兰可滑动穿设在第二缸体内第二中心导杆和套设在第二缸体内并连接在第二中心导杆上的斥力盘，所述第二缸体上下两端的第二法兰内分别设置有分闸线圈和合闸线圈；所述第二中心导杆与第一中心导杆连接。

6.如权利要求5所述的高压断路器用长行程混合式快速操动机构，其特征在于：所述分闸弹簧组件包括第三缸体、第一压簧杆、压簧块、分闸弹簧、分闸主轴、输出拐臂、分闸拐臂和压簧传动杆，所述第三缸体固定在支撑架上，所述第一压簧杆、压簧块和分闸弹簧可活动套设在第三缸体内，所述压簧块固定在第一压簧杆上，所述分闸弹簧抵接在第三缸体底壁与压簧块之间；所述分闸主轴可转动设置在支撑架上，其一端连接在分闸拐臂上，另一端连接在输出拐臂的中部，所述输出拐臂的一端与第二中心导杆连接，另一端与压簧传动杆连接，所述压簧传动杆远离输出拐臂的一端与第一压簧杆连接。

7.如权利要求6所述的高压断路器用长行程混合式快速操动机构，其特征在于：所述合闸弹簧组件包括第四缸体、第二压簧杆、合闸弹簧、压簧垫、凸轮、储能主轴、合闸压簧杆连接轴和棘轮，所述第四缸体固定在支撑架上，所述第二压簧杆、合闸弹簧和压簧垫可活动套设在第四缸体内，所述压簧垫固定在第二压簧杆上，所述合闸弹簧抵接在第四缸体顶壁和压簧垫之间；所述储能主轴可转动设置在支撑架上，所述凸轮和棘轮固定在储能主轴上，所述凸轮对应分闸拐臂设置，所述合闸压簧杆连接轴设置在棘轮外周，所述第二压簧杆远离压簧垫的一端枢接在合闸压簧杆连接轴上。

8.如权利要求7所述的高压断路器用长行程混合式快速操动机构，其特征在于：所述储能组件包括储能电机和防脱掣子，所述储能电机与储能主轴，所述防脱掣子固定在支撑架上，位于棘轮上方。

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