CN202373517U - 真空断路器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种真空断路器，包括真空管、与该真空管连接的永磁操动机构，该永磁操动机构包括永磁铁芯、用于产生磁场力并带动永磁铁芯向合闸、分闸方向运动的激磁线圈，该永磁铁芯上端连接分闸簧，下端连接分合闸驱动杆，所述的永磁操动机构还包括用于产生磁场力阻止永磁铁芯向分闸方向运动的分闸减速线圈，用以降低分闸簧的动作速度。低的分闸速度将使粘结有铷铁硼永久磁铁的铁芯高速分闸撞击变为低速分闸撞击，撞击速度变慢对脆性的铷铁硼永久磁铁材料有大幅度的保护，同时低的分闸速度也使真空管的波纹管受到拉伸的速度变慢，并且整个断路器的分闸过冲将被克服，对波纹管的拉伸变形起到保护作用，大幅度提高了真空管和断路器的机械寿命。

Description

真空断路器

技术领域

本实用新型涉及真空断路器，尤其涉及一种包括双分闸速度永磁操动机构的真空断路器。

背景技术

自1961年研制成功第一台真空断路器以来，真空断路器的技术水平迅速得到提高。随着真空管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，电寿命大大增加。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。

高压开关的一个最基本性能就是可靠性，电力运行和试验站的故障统计中表明，我国高压开关最突出的问题就是机械和绝缘问题，这与发达国家相比较为落后，在发达国家的先进公司，现在都纷纷提出并推出新一代免维护的电器产品。我国高压开关设备要真正做到产品免维护仍然很难。实际上，在产品设计上尽可能地简化结构，对提高产品的可靠性很有帮助。断路器的全部使命，归根到底是体现在触头的分、合动作，而分、合动作又是通过操动机构来实现的，因此操动机构的工作性能和质量的优劣，对高压断路器的工作性能和可靠性起着极为重要的作用。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渐普及的永磁操作机构。

最早的电磁机构，由于对电源要求较苛刻——需要专用的大容量电源屏供电，并且操作时冲击大，操作时间长，而逐渐被市场所淘汰，取而代之的是弹簧操作机构。

弹簧操作机构原理是通过外力(手动转动摇把或用交直流两用电动机)使操动机构中的合闸簧压缩到储能状态，这个时候，合闸簧储存了足够的能量，并且被机构挂扣机构锁住在这个储能状态。需要合闸时，用手按动合闸按钮或者用电信号使合闸线圈动作使得机构挂扣机构脱扣，机构释放合闸簧储存的力从而使开关在一瞬间合闸，在合闸过程中，分闸簧也同时被拉伸储备了足够的力量以准备需要的时候分闸。这个时候为防止开关一合闸立即又分闸，也需要挂扣机构使机构在合闸位置时扣住机构，不要使分闸簧释放能量。开关就一直处于合闸状态。需要分闸时，用手按动分闸按钮或者用电信号使分闸线圈动作使得开关操动机构脱扣，机构释放分闸簧储存的力从而使开关在一瞬间分闸。这种弹簧操作机构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，交直流均可操作，对电源无冲击，因此在近些年得到广泛应用。

永磁机构采用一种全新的工作原理和结构，按照其原理和结构主要分单稳态永磁机构和双稳态永磁机构两种。所谓双稳态永磁机构，指的是在合闸端、分闸端均采用永久磁铁保持，分、合闸的动作是分别通过两个激磁线圈通电驱动动铁心来完成。其特点是结构简单，可靠性强。但是双稳态永磁机构无法实现手动分闸。即使加手动机构使其脱离合闸的稳态位置后，不能以分闸速度到分闸位置，而是与人力(或者外部分闸机构的力量)相关。这样开关在需要开断短路电流时往往不能达到需要的分闸速度而试验失败。因此工程师又在此基础上开发出单稳态永磁机构。所谓单稳态永磁机构，指的是在合闸端采用永久磁铁保持，在分闸端则采用弹簧保持，合闸动作是通过合闸激磁线圈通电驱动动铁心来完成，同时在合闸的过程中对分闸保持弹簧储能，分闸动作是靠释放分闸保持弹簧来完成。优势：由于单稳态永磁机构的分闸动作是靠分闸弹簧来完成，因此其分闸的刚分速度和平均分闸速度优于双稳态永磁机构，与断路器的分闸反力特性曲线能较好匹配。另外，这种具有分闸簧的单稳态永磁机构，可实现手动紧急分闸。人力使其脱离合闸位置后，分闸弹簧提供足够的分闸速度，使其可靠分闸。

研究表明，开关设备的故障率和其零件的数量成正比，弹簧操动机构的结构比较复杂，零件数量多(约为200个左右)，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。与断路器的常规弹簧操动机构相比，永磁机构的零件数减少了70％，取消了复杂的机械锁扣及脱扣系统，因而具有无法替代的优势：故障少、可靠、寿命长(可达到几万次以上)、无需润滑，非常适用于一些要求可靠性高、操作频繁的场合如供电、煤矿、炼钢、铁路等。因此，永磁结构近年来得到快速应用和发展。

尽管永磁机构能够使真空断路器寿命提高至几万次以上，但仍然不能满足一些对机械寿命要求更高的领域。这些领域比如电气化铁路，每50公里一个输配电站，动车在行驶至下一个供电站前，要提前断开断路器，滑行至下一个供电站，进入这个供电站后，立即合闸，从这个供电站获取电力能量，使动车组有动力运行。在这个供电站行驶里程接近完毕时，又需要提前断开断路器，进入下一个供电站后又合闸，周而复始，每天反复分闸、合闸，分闸、合闸。所以，即使现在使用的永磁断路器也很快将几万次机械寿命使用完毕，需要对断路器进行维护，更换永磁机构和真空管。

维护时为什么要更换永磁机构？这是因为现有结构的永磁机构其铁芯一般是由低碳钢作为基体，在此低碳钢圆周用PU胶粘结铷铁硼永久磁铁，使铷铁硼永久磁铁和低碳钢形成一个具有一定机械强度和足够吸力的铁芯整体。足够的吸力使得这个铁芯可以有足够的力克服触头压簧和风闸簧的排斥力并且有足够的剩余力保持在合闸位置。一定的机械强度可以使得铁芯不被开关在合闸、分闸时撞击损坏。这种多次高速撞击会导致铷铁硼永久磁铁震动破碎，失去足够的吸力，因为铷铁硼永久磁铁是一种脆性磁石。

维护时为什么要更换真空管？频繁的机械开合时，其中的真空管内的波纹管会受到快速的拉伸和压缩，因此真空管的机械寿命一般只能达到2万次。如果断路器分闸缓冲器设计或者使用不当，断路器在分闸时产生的过冲会加大波纹管被拉伸量加大，对波纹管的寿命产生更加不良影响。

现有断路器都是要求断路器能够关合开断短路电流，这样断路器必须具有比较高的分合闸速度。比如一台额定电压12KV，额定电流1250A，额定短路开断电流31.5KA的真空断路器，要能够开断大于额定电流(1250A)25倍的短路电流(31.5KA)，断路器的速度必须在这个范围：合闸速度0.6-1.0m/s；分闸速度0.8-1.2m/s。低于这个速度，可能在开断额定短路电流时开断失败。所以设计断路器机构时要确保机构能够提供这样的分合闸速度给断路器。在这样的设计出发点上，一台真空断路器的机械寿命一般最大(在不出现异常的情况下)也就是2万次。断路器在实际运行时，像频繁开合的场合下，反复开断的是额定电流而不是短路电流，而额定电流只是短路电流的1/25。短路电流只是在系统运行出现故障时才产生，这个时候控制系统会发现出现短路异常，继电器需要立即动作，使开关立即快速分闸，否则配电系统将被烧坏或者造成更大损失，这种情况在正常运行时比较少见。

所以，假如现有永磁机构其机械寿命2万次，真空管机械寿命2万次，断路器使用完这2万次机械寿命后需要同时对永磁机构和真空管进行更换，这对于需要更多机械寿命的使用领域无疑是一件很麻烦的事情。

发明内容

针对现有技术的缺点，本实用新型的目的是提供一种真空断路器，能够大幅度提高断路器整体寿命。

为了实现上述目的，本实用新型的技术方案为：一种真空断路器，包括真空管、与该真空管连接的永磁操动机构，该永磁操动机构包括永磁铁芯、用于产生磁场力并带动永磁铁芯向合闸、分闸方向运动的激磁线圈，该永磁铁芯上端连接分闸簧，下端连接分合闸驱动杆，所述的永磁操动机构还包括用于产生磁场力阻止永磁铁芯向分闸方向运动的分闸减速线圈。

优选地，所述真空管主要由静触头和动触头组成，静触头与静导电杆形成一个整体延伸至陶瓷外壳外面用于连接进线端，动触头与动导电杆及波纹管形成一个整体延伸至陶瓷外壳外面用于连接出线端，静盖板和瓷壳及动盖板波纹管焊接成一个外壳将触头系统密封在这个外壳里面。

优选地，所述永磁铁芯、激磁线圈及分闸减速线圈组装进低碳钢圆筒外壳，在该圆筒外壳设置上、下盖板，永磁铁芯可上下移动地设置于低碳钢圆筒外壳内的中心，激磁线圈设置在低碳钢圆筒外壳内的下部，分闸减速线圈设置在低碳钢圆筒外壳内的上部。

优选地，它还包括手动分闸装置，该手动分闸装置包括手动分闸凸轮及手动分闸杆，手动分闸凸轮与手动分闸杆连接，手动分闸杆与永磁铁芯上端连接，分闸簧设置在永磁铁芯与手动分闸杆之间。

优选地，它还包括手动分闸装置，该手动分闸装置包括手动分闸凸轮及手动分闸杆，手动分闸凸轮与手动分闸杆连接，手动分闸杆穿过分闸簧与永磁铁芯上端连接，分闸簧被限位在手动分闸杆与低碳钢圆筒外壳的上盖板之间。

优选地，所述永磁铁芯由扇形铷铁硼磁铁均匀排布在一个圆柱形低碳钢铁芯周围，再用PU胶粘结牢固而成。

与现有技术相比，本实用新型在未出现短路异常、继电器没有动作时，由永磁机构控制电路板提供一个比较小的电流给另外一个线圈即分闸减速线圈，分闸减速线圈在得到这个小的电流后，产生一个阻止永磁铁芯向分闸方向运动的磁场力，用以降低分闸簧的动作速度。低的分闸速度将使粘结有铷铁硼永久磁铁的铁芯高速分闸撞击变为低速分闸撞击，撞击速度变慢对脆性的铷铁硼永久磁铁材料有大幅度的保护，同时，低的分闸速度也将使真空管的波纹管受到拉伸的速度变慢，并且整个断路器的分闸过冲将被克服，这也对真空管波纹管的拉伸变形起到保护作用，真空管的机械寿命也将大大提高，从而整个断路器的机械寿命将大幅度提高。

附图说明

下面结合附图对本实用新型作进一步的详细说明。

图1是本实用新型的双分闸速度永磁操动机构的合闸结构示意图。

图2是本实用新型的双分闸速度永磁操动机构的分闸结构示意图。

图3是本实用新型的真空管结构示意图。

图4是本实用新型的结构示意图。

具体实施方式

请参阅图1和图2，本实施例的永磁铁芯1由七片扇形铷铁硼磁铁均匀排布在一个圆柱形低碳钢铁芯周围，再用PU胶粘结牢固使之成为一个整体，该永磁铁芯端面具有一定的吸力使得断路器可以吸合保持在开关合闸位置。将这个永磁铁芯1和激磁线圈2及分闸减速线圈3组装进一个低碳钢的圆筒形外壳4，再在这个圆筒外壳4上、下分别装上盖板5和下盖板6，用螺丝紧固，再装上分合闸驱动杆7及分闸簧8，和手动分闸凸轮机构9组成一个完整的具有双分闸速度和手动分闸功能的永磁操动机构。

本实施例的双分闸速度永磁操动机构工作原理是：当真空管断路器需要合闸时，控制电路板给激磁线圈一个比较大的电流，线圈产生一个比较强的磁场，这个比较大的磁场力带动永磁铁芯向合闸方向运动，铁芯在运动时将开关迅速推向合闸位置，同时将装在永磁机构外面的分闸簧压缩一个行程，最终靠永磁铁芯的剩余吸力将断路器一直保持在合闸位置。当断路器需要分闸时，电路板给激磁线圈一个相反的比较小电流，线圈产生一个相反的比较弱的磁场，这个磁场力只需要克服永磁铁芯在合闸位置的比较小的剩余保持力，当永磁铁芯刚刚离开低碳钢下盖板端面时，磁铁的吸力大大降低，这时在分闸簧的推动下，永磁铁芯带动开关向分闸方向快速运动至分闸位置。这个分闸速度很高，一般达到0.8-1.2m/s。

为了降低断路器在开断额定电流时的分闸速度，在控制系统未出现短路异常、继电器没有动作时，由永磁操动机构控制电路板提供一个比较小的电流给另外一个线圈即分闸减速线圈，这个分闸减速线圈在得到这个小的电流后，产生一个阻止永磁铁芯向分闸方向运动的磁场力，用以降低分闸簧的动作速度。这样，在频繁动作的断路器应用场合，将大大提高断路器的机械寿命。当配电出现短路异常、继电器立即动作时，永磁机构控制电路板则不提供这个用以减速的电流给分闸减速线圈。即这个时候这个分闸减速线圈不起作用。

因为分闸是主要靠分闸簧实现的，实现手动分闸只需要克服永磁铁芯的剩余保持力，永磁铁芯剩余保持力＝永磁铁芯吸合力-开关触头压力-分闸簧力。所以利用旋转凸轮机构将比较小的永磁铁芯的剩余保持力顶开，然后由分闸簧迅速动作实现分闸。手动分闸时整个永磁机构控制电路板没有动作，所以分闸减速线圈也不动作，手动分闸速度没有受到影响，可以达到需要的分闸速度。

请参阅图3和图4，真空断路器包括双分闸速度永磁操动机构17和真空管18，双分闸速度永磁操动机构17和真空管18之间连接并封装在一外壳中。真空管18主要由静触头和动触头组成，静触头与静导电杆10形成一个整体延伸至陶瓷外壳11外面用于连接断路器进线端，动触头与动导电杆12及波纹管13形成一个整体延伸至陶瓷外壳11外面用于连接断路器出线端；静盖板14和陶瓷外壳11及动盖板15、波纹管13焊接成一个外壳将触头系统16密封在这个外壳里面，里面抽真空，使得触头系统16在这个真空管里面分合闸动作，所以命名为真空开关管。这种具有双分闸速度和手动分闸功能的永磁机构应用在真空断路器上，可以使真空断路器具有双分闸速度和手动分闸功能，大大提高机械寿命。

Claims (6)

1.一种真空断路器，包括真空管、与该真空管连接的永磁操动机构，该永磁操动机构包括永磁铁芯、用于产生磁场力并带动永磁铁芯向合闸、分闸方向运动的激磁线圈，该永磁铁芯上端连接分闸簧，下端连接分合闸驱动杆，其特征在于，所述的永磁操动机构还包括用于产生磁场力阻止永磁铁芯向分闸方向运动的分闸减速线圈。

2.根据权利要求1所述的真空断路器，其特征在于，所述真空管主要由静触头和动触头组成，静触头与静导电杆形成一个整体延伸至陶瓷外壳外面用于连接进线端，动触头与动导电杆及波纹管形成一个整体延伸至陶瓷外壳外面用于连接出线端，静盖板和瓷壳及动盖板波纹管焊接成一个外壳将触头系统密封在这个外壳里面。

3.根据权利要求1所述的真空断路器，其特征在于，所述永磁铁芯、激磁线圈及分闸减速线圈组装进低碳钢圆筒外壳，在该圆筒外壳设置上、下盖板，永磁铁芯可上下移动地设置于低碳钢圆筒外壳内的中心，激磁线圈设置在低碳钢圆筒外壳内的下部，分闸减速线圈设置在低碳钢圆筒外壳内的上部。

4.根据权利要求1所述的真空断路器，其特征在于，它还包括手动分闸装置，该手动分闸装置包括手动分闸凸轮及手动分闸杆，手动分闸凸轮与手动分闸杆连接，手动分闸杆与永磁铁芯上端连接，分闸簧设置在永磁铁芯与手动分闸杆之间。

5.根据权利要求3所述的真空断路器，其特征在于，它还包括手动分闸装置，该手动分闸装置包括手动分闸凸轮及手动分闸杆，手动分闸凸轮与手动分闸杆连接，手动分闸杆穿过分闸簧与永磁铁芯上端连接，分闸簧被限位在手动分闸杆与低碳钢圆筒外壳的上盖板之间。

6.根据权利要求1所述的真空断路器，其特征在于，所述永磁铁芯由扇形铷铁硼磁铁均匀排布在一个圆柱形低碳钢铁芯周围，再用PU胶粘结牢固而成。

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