CN201242971Y - 一种24kV户外柱上真空断路器 - Google Patents

Abstract

一种24kV户外柱上真空断路器，整体结构采用三相分立的敞开式结构，消除了“内部凝露”的威胁；绝缘结构采用采用环氧树脂与硅橡胶复合绝缘，并对真空灭弧室的结构绝缘结构做了改进，提高了断路器的绝缘性能；小型化的弹簧操动机构，同时增大弹簧操动机构的合闸力，使之能充分满足24kV户外断路器的合闸速度要求；采用专用真空灭弧室，使断路器的额定电流、短路开断电流和短路开断电流开断次数均得到提高；本实用新型真空断路器针对24kV高压输电线路，填补了国内此类设备的空白，具有可靠性高、小型化、智能化、免维护、短路电流开断能力强的特点。

Description

一种24kV户外柱上真空断路器

技术领域

本实用新型属于电力保护设备领域，具体为一种24kV户外柱上真空断路器。

背景技术

随着社会经济和科学技术的高速发展，城乡电网对高质量、高可靠性的电能供应提出了越来越高的要求，我国目前正投以巨资对城乡电网进行建设与改造。而随着我国大中城市的用电负荷急剧增大，以及农村电网线路长、设备老、线损高的问题日益突出，原有的10kV供电已经难以满足供电要求，逐渐暴露出其供电距离过大、线损率高、电压质量难以合乎要求等弱点，而采用20kV电压等级供电具有增加供电能力、保证电压质量、降低电网电能损耗、节省电网的建设费用等一系列优势，所以采用20kV电压配电等级是发展的必然趋势，势在必行。我国目前正对20kV电网进行建设，其中已经对江苏省部分地区进行了20kV配电线路的全面建设。断路器作为一种高压开关设备，是20kV配电网的重要组成部分，其作用举足轻重。然而国内目前用于20kV电压等级的户外断路器设备短缺，国外电气设备和配电装置其技术条件、绝缘配合、测试标准等还没有适应我国具体条件的相关标准。为满足国内20kV配网建设的需要，研制开发制造出适合我国国情的价格合理、质量过硬、技术先进的24kV户外高压交流真空断路器，无疑是摆在高压开关制造行业面前的迫切需要解决的课题。

发明内容

本实用新型要解决的问题是：为满足国内20kV配网建设的需要，需要一种适合我国国情的价格合理、质量过硬、技术先进的24kV户外高压真空断路器。

本实用新型的技术方案是：一种24kV户外柱上真空断路器，其三相真空灭弧室、主导电回路、绝缘拉杆分别组成三相集成固封极柱，三相集成固封极柱共同设置在机箱上，构成三相分立敞开式结构，机箱内设置夹板式弹簧操动机构，弹簧操动机构连接一传动主轴，三相真空灭弧室内的动触头与传动主轴通过绝缘拉杆联动；三相真空灭弧室均封装在环氧树脂和硅橡胶的复合绝缘内，真空灭弧室与绝缘拉杆之间的连接处外部设有橡胶套管。

本实用新型真空灭弧室为R触头结构，动触头、静触头外依次设置均压屏蔽罩、灭弧室瓷外壳、绝缘介质以及外绝缘层，动静触头表面端部导角为7mm，均压屏蔽罩端部的尖角为以0.5mm为半径的弧型。

本实用新型弹簧操动机构为夹板式结构，包括左右夹板、储能机构、弹簧驱动机构、合闸簧、合闸脱扣器、分闸脱扣器、储能电机，左右夹板通过连接轴连接构成装配间隔，储能机构、弹簧驱动机构置于两夹板之间，合闸簧、合闸脱扣器、分闸脱扣器安装在夹板外侧，合闸簧一端连接挂簧拐臂，另一端挂在穿过左右夹板底端的挂簧轴上，挂簧拐臂与储能机构的储能轴连接；储能电机为直流永磁电机，通过十字滑块联轴器与储能机构；弹簧驱动系统包括主轴、输出拐臂，弹簧驱动系统通过四连杆传动机构与合闸簧连接，所有连杆都采用对称铰接，弹簧驱动系统的主轴连接传动主轴。

本实用新型的有益效果是：1)整体结构采用三相分立的敞开式结构，消除了“内部凝露”的威胁；2)绝缘结构采用采用环氧树脂与硅橡胶复合绝缘，并对真空灭弧室的结构绝缘结构做了改进，提高了断路器的绝缘性能；3)小型化的弹簧操动机构，同时增大弹簧操动机构的合闸力，使之能充分满足24kV户外断路器的合闸速度要求；4)采用专用真空灭弧室，使断路器的额定电流、短路开断电流和短路开断电流开断次数均得到提高；本实用新型真空断路器针对24kV高压输电线路，填补了国内此类设备的空白，具有可靠性高、小型化、智能化、免维护、短路电流开断能力强的特点。

附图说明

图1为实用新型结构示意图。

图2为本实用新型真空灭弧室结构示意图。

图3为本实用新型真空灭弧室开距在100％下断路器整体的电位分布图。

图4为本实用新型真空灭弧室开距在80％下断路器整体的电位分布图。

图5为本实用新型真空灭弧室开距在50％下断路器整体的电位分布图。

图6为本实用新型弹簧机构结构示意图。

图7为本实用新型弹簧操动机构合闸保持单元方案1的示意图。

图8为本实用新型弹簧操动机构合闸保持单元方案2的示意图。

图9为本实用新型弹簧操动机构合闸保持单元方案3的示意图。

图2中，支撑杆1，储能电机2，小齿轮3，储能轴4，大齿轮5，挂簧拐臂6，输出拐臂7，分闸掣子8，分闸拐臂9，分闸半轴10，分闸脱扣器11，挂簧轴12，合闸簧13，合闸半轴14，合闸掣子15，主轴16，凸轮17，合闸半轴18，合闸脱扣器19，支撑柱20，夹板21。

具体实施方式

图1为本实用新型真空断路器的整体结构示意图，采用三相分立敞开式结构，将真空灭弧室、主导电回路、绝缘支撑等有机的结合为一个集成固封极柱，三相集成固封极柱共同设置在机箱上，机箱内装置夹板式弹簧操动机构，弹簧操动机构连接传动主轴，传动主轴通过绝缘拉杆同时拉动三相灭弧室内的动触头，实现对断路器的分、合操作。真空断路器整体采用三相支柱式结构，该结构简洁明快，设计精度高，安装方便，无需调整即可满足真空灭弧室开距和超程的要求，并且可以避免以往箱式结构出现的“内部凝露”问题。机箱外壳采用达克罗防锈处理，有效防止机箱在恶劣温度下变形，该设计为全密封、全绝缘、免维护结构。在真空灭弧室与绝缘拉杆之间设置橡胶套管，保护真空灭弧室的外表面不受周围环境的污染。

24kV电压等级的电力设备最大的特点是对绝缘性能的要求很高。本实用新型真空断路器采用环氧树脂和硅橡胶的复合绝缘方式，灭弧室套管和绝缘支柱由环氧树脂采用APG工艺注射而成，并且在真空灭弧室与绝缘管之间设计橡胶套管，提高了耐臭氧、抗紫外线、抗老化能力。

真空断路器的真空灭弧室封装在硅橡胶及环氧树脂复合绝缘内，灭弧室套管和绝缘支柱由环氧树脂采用APG工艺注射而成，其外部设有带伞裙的硅橡胶外套。如图2，真空灭弧室主要包括动触头101、静触头102、均压屏蔽罩103、灭弧室瓷外壳104、绝缘介质105以及外绝缘106，均压屏蔽罩103、灭弧室瓷外壳104、绝缘介质105以及外绝缘106依次设置在动、静触头101、102外。采用ANSYS软件，对三相分立的支柱式敞开式结构的24kV户外交流高压真空断路器进行三维电场计算：灭弧室内部气体为真空，相对介电常数取为1；外绝缘及绝缘拉杆是环氧树脂，环氧树脂的相对介电常数取为3.8；瓷外壳的相对介电常数取为6；填充的绝缘介质为硅橡胶，相对介电常数取为2.8；金属铜的相对介电常数取为2000，真空灭弧室的动静触头开距为12mm，灭弧室内有屏蔽罩，它是一个悬浮电位，因此计算中对其进行耦合。按照断路器触头关合与分断两个工位以及分断时触头的不同开距等情况，分别对灭弧室进行电场分析，确立电场分布特点及场强集中点，场强集中点是本文分析的重点区域，将各种不同情况下所获得的电场结果进行比较。

考察在额定雷电冲击耐受电压下，隔离断口间的绝缘性能，将断路器的静触头加高压125kV，动触头加零电位0，得出开距分别在100％、80％、50％下断路器整体的电位分布，如图3—5，灭弧室中由于屏蔽罩的存在，抑制了电场畸变，使得触头附近区域的电压分布很均匀，且动、静触头电位分布是对称的，屏蔽罩上的悬浮电位约为60kV；真空断路器在100％开距下的电场强度最大值出现在屏蔽罩端部，其电场强度为1.81kV/mm，均压屏蔽罩使触头附近的电压呈梯度分布，电场强度分布均匀，触头间的电场强度较大；真空断路器在80％开距下的电场强度最大值出现在屏蔽罩端部，其电场强度为2.12kV/mm；在50％开距下，真空断路器的电场强度最大值出现在触头表面的端部，其电场强度为2.54kV/mm，此时触头间的电场强度明显高于前两种开距下的电场强度。

可以看出当外绝缘介质一定且为均匀介质时，真空灭弧室的电场分布强度相对较大的地方主要集中分布在动、静触头表面端部和屏蔽罩上下两端部，这些绝缘危险区域易产生绝缘击穿。因此，本实用新型加大了动静触头表面端部的曲率，将动静触头表面端部导角由普通触头的3mm增加为7mm，同时钝化均压屏蔽罩两端部的尖角，将屏蔽罩端部的尖角由原来的直角改为以0.5mm为半径的弧型。通过上述的改善措施，场强集中点的电场分布情况明显减弱。真空灭弧室外表面的电场强度相对较小，真空灭弧室外表面的瓷外壳两端与灭弧室两端盖板相接近的附近区域，电场强度值相对于沿表面的其他位置的电场强度值较大。

本实用新型真空断路器触头闭合时，中心导体加高压125kV，取无穷远边界为零电位0，无论是断路器的内部还是外部的电场强度都很小，其中最大电场强度为0.08kV/mm，电场强度分布均匀，由触头为中心，周围的电压呈梯度分布趋势。

通过上述改进，本实用新型的绝缘性完全符合国家相关标准和技术文件规定，绝缘效果达到1分钟工频耐压相间、对地/断口为50/65kV，额定雷电冲击耐压相间、对地/断口为95/125kV

图6是本实用新型弹簧操动机构的示意图，弹簧操动机构采用小型化设计原则，具有电动机或手动储能、电磁或手动合分、过电流保护功能，为实现过流保护所配置的控制器具有涌流、延时和速断保护功能。整体布置采用夹板式结构，左右夹板21通过连接轴连接构成装配间隔，储能机构包括储能轴4、小齿轮3、大齿轮5，弹簧驱动机构包括主轴16、输出拐臂7，储能机构和弹簧驱动机构置于两夹板之间，合闸簧13、合闸脱扣器19、分闸脱扣器11安装在夹板外侧。合闸簧13一端连接挂簧拐臂6，另一端挂在穿过左右夹板底端的挂簧轴12上。整个机构各部件受力合理，稳定性好，脱扣器安装更换方便，所有轴两端都装有单列向心球轴承，使装配性好、转动灵活、效率高。储能电机2采用直流永磁电机，由于它的特性比较硬，故储能时间稳定，外加桥式整流，可用于交流操作，储能电机2通过十字滑块联轴器与储能机构相连，通过二级圆柱齿轮减速，即储能机构的小齿轮3和大齿轮5，驱动储能轴4转动，拉紧合闸簧13进行储能。24kV断路器对机构合闸特性的要求很高，机构必须满足足够大的合闸力，弹簧驱动系统通过四连杆传动机构与合闸簧连接，所有连杆都采用对称铰接，四连杆传动机构反映在合闸半轴18、输出拐臂7、凸轮17、主轴16之间设计成四连杆机构，受力合理，动力增大，所有连杆都采用对称铰接，考虑到24kV真空断路器负载特点，使四连杆工作在断路器的超行程阶段接近死区，机械利益大增，弹簧机构的合闸力增力效果明显。弹簧驱动系统的主轴连接传动主轴。

合闸及重合闸过程：

储能时使储能电机2转动，使储能轴4旋转并带动挂簧拐臂6转动，合闸簧13被逐渐拉长，使机构储能，当弹簧过中后由合闸掣子15保持，使机构处于准备合闸状态。

进行合闸操作时，给合闸脱扣器19施加电压，使合闸半轴18逆时针旋转，解除合闸掣子15的储能保持，合闸簧13释放能量，促使凸轮17旋转并带动输出拐臂7和主轴16。合闸将完成时，分闸拐臂9扣住分闸半轴10，使断路器处于合闸状态，分闸掣子8与分闸半轴10的扣接量为1.5～2.5mm。

机构在合闸状态下，当再次操作储能机构时，合闸簧又一次被拉长，弹簧过中后仍由合闸掣子15保持储能状态。

机构在合闸已储能状态下，即处于重合闸准备状态下，可实现“分—0.3S—合分”一次重合闸操作。

分闸及过电流脱扣过程：

断路器合闸后，给分闸脱扣器11施加电压，使分闸半轴10逆时针旋转，分闸掣子8解扣，断路器分闸，同样当分闸脱扣器上的过电流线圈通过的电流达到5A时，分闸脱扣器11动作，使分闸掣子8解扣，断路器分闸，实现过流保护。

影响合闸保持可靠性的主要因素为分闸掣子8，它受的应力是分闸簧13所提供的，将其工作循环数看作应力，疲劳寿命看作强度，它们均服从对数正态分布。计算其可靠度的公式为：

$R\left(t\right)=\mathrm{\Φ}\left[\frac{{\mathrm{\μ}}_{\ln \mathrm{\δ}}-{\mathrm{\μ}}_{\ln S}}{\sqrt{{\mathrm{\σ}}_{\ln \mathrm{\δ}}^2+{\mathrm{\σ}}_{\ln S}^2}}\right]$

式中：μ_lnδ、σ_lnδ可由表1碳索钢疲劳性能数据得到，其值随开断次数而按对数正态分布变化，μ_lnS＝5.000，σ_lnS＝0.0700。

表1

弹簧操动机构中储能机构和储能保持单元即合闸挚子15是串联关系，与合闸保持单元即分闸拐臂9是并联关系。设连锁结构可靠度为1，储能机构、储能保持单元、合闸保持单元、弹簧操动机构可靠度分别为R₁(t)、R₂(t)、R₃(t)R_S(t)。R_S(t)＝1-[1-R_s1(t)]×[1-R₃(t)]式中：R_s1(t)＝R₁(t}×R₂(t)为储能部分整体可靠度。

设计弹簧操动机构合闸保持单元有三种方案供选择，三种方案的结构图如图7—9所示，各方案的特点列于表2中。方案一中输出拐臂7直接作用在分闸拐臂9上，方案二中分闸挚子8与分闸拐臂9采用连动结构，输出拐臂7通过分闸挚子8作用在分闸拐臂9上，方案三在方案二的基础上，在分闸挚子8与分闸拐臂9的连接处增加了扭簧81。经过上式公式计算，当运行到5000次时，方案二的可靠度就只有0.12607695，而方案三的可靠度为0.50143182，显然方案三的可靠性要高于方案二，因而在实际中采用方案三。

表2

 

方案	特点
		一	二级扣接结构，平面与半轴扣接，抗击打能力强，分合闸不可靠
二	三级扣接结构，平面与半轴扣接，分合闸可靠。但A处在4000-5000次时发生断裂，A、B处容易断裂，C处易变形
		三	现用结构，三级扣接结构，平面与半轴扣接，分合闸可靠，将分闸拐臂改为一体铸件，使零件数目减少

本断路器使用的真空灭弧室使用京东方生产的6105B(24KV/1600，1250A-25KA)型，其专为24kV设计。通过管内真空优良的绝缘性使高压电路切断电源后能迅速熄弧并抑制电流，燃弧时间短、电弧电压低、电弧能量小、触头磨耗少、允许的开断次数多。设计上采用R触头设计，形成高强度纵向磁场，开断能力强，可靠性高；触头集成化，无引弧槽，表面几何形状完美，耐压高，机械强度好，并且开合过程无变形；灭弧室内部回路电阻小，内部电场均匀，触头截流值低，具有可靠的切容性、感性负载的能力。灭弧室采用特种不锈钢钎焊技术，无需电镀，焊接质量高，稳定可靠，漏气率低。制作工艺上使用特殊的陶瓷金属化配方和先进的陶瓷金属化工艺，保证了产品的气密性，抗拉强度大于130Mpa，完全一次封排。使断路器的额定电流达到1250A，额定短路开断电流25kA，额定短路开断电流开断次数30次，满足并超过了国家相关标准的规定。

Claims (5)

1、一种24kV户外柱上真空断路器，其特征是三相真空灭弧室、主导电回路、绝缘拉杆分别组成三相集成固封极柱，三相集成固封极柱共同设置在机箱上，构成三相分立敞开式结构，机箱内设置夹板式弹簧操动机构，弹簧操动机构连接一传动主轴，三相真空灭弧室内的动触头与传动主轴通过绝缘拉杆联动；三相真空灭弧室均封装在环氧树脂和硅橡胶的复合绝缘内，真空灭弧室与绝缘拉杆之间的连接处外部设有橡胶套管。

2、根据权利要求1所述的24kV户外柱上真空断路器，其特征是真空灭弧室为R触头结构，动触头、静触头外依次设置均压屏蔽罩、灭弧室瓷外壳、绝缘介质以及外绝缘层，动静触头表面端部导角为7mm，均压屏蔽罩端部的尖角为以0.5mm为半径的弧型。

3、根据权利要求1或2所述的24kV户外柱上真空断路器，其特征是弹簧操动机构为夹板式结构，包括左右夹板、储能机构、弹簧驱动机构、合闸簧、合闸脱扣器、分闸脱扣器、储能电机，左右夹板通过连接轴连接构成装配间隔，储能机构、弹簧驱动机构置于两夹板之间，合闸簧、合闸脱扣器、分闸脱扣器安装在夹板外侧，合闸簧一端连接挂簧拐臂，另一端挂在穿过左右夹板底端的挂簧轴上，挂簧拐臂与储能机构的储能轴连接；储能电机为直流永磁电机，通过十字滑块联轴器与储能机构；弹簧驱动系统包括主轴、输出拐臂，弹簧驱动系统通过四连杆传动机构与合闸簧连接，所有连杆都采用对称铰接，弹簧驱动系统的主轴连接传动主轴。

4、根据权利要求1或2所述的24kV户外柱上真空断路器，其特征是真空灭弧室使用京东方生产的6105B 24KV/1600，1250A-25KA型。

5、根据权利要求3所述的24kV户外柱上真空断路器，其特征是真空灭弧室使用京东方生产的6105B 24KV/1600，1250A-25KA型。

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