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                   1 引言 
　　隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民物質(zhì)文化生活水平的不斷提高，人們對(duì)電力的需求量愈來(lái)愈大，促使電力事業(yè)迅速發(fā)展，電網(wǎng)不斷擴(kuò)大，用戶對(duì)供電質(zhì)量和供電可靠性的要求也越來(lái)越高，同時(shí)也要求電力供應(yīng)部門(mén)提供安全、經(jīng)濟(jì)、可靠和高質(zhì)量的電力。國(guó)外的幾次重大停電事故，每一次都造成了嚴(yán)重的社會(huì)混亂和巨大的經(jīng)濟(jì)損失[1-9]；尤其是近期俄羅斯首都莫斯科及其周邊地區(qū)發(fā)生的大面積停電，引發(fā)的社會(huì)混亂和恐慌又一次給我國(guó)的城市電網(wǎng)可靠供電敲響了警鐘。我國(guó)電網(wǎng)發(fā)展滯后，結(jié)構(gòu)薄弱，部分設(shè)備老化，惡劣天氣和外力破壞等因素已對(duì)其安全運(yùn)行構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。 
　　國(guó)家電網(wǎng)公司對(duì)城市電網(wǎng)建設(shè)改造中所用的設(shè)備和裝置提出了如下要求：適度超前，為今后發(fā)展留有余地；安全可靠、技術(shù)先進(jìn)、自動(dòng)化程度高、占地少、維護(hù)少，能保障電網(wǎng)安全；標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一，節(jié)約投資和成本。因此，城市電網(wǎng)建設(shè)改造對(duì)高中壓開(kāi)關(guān)設(shè)備提出了新的要求，對(duì)于中壓等級(jí)，要求作為無(wú)油斷路器兩大支柱的中壓SF6斷路器和真空斷路器更加可靠、更加小型、維護(hù)更少。 
　　由于真空介質(zhì)在開(kāi)斷短路電弧時(shí)不會(huì)產(chǎn)生對(duì)人體有害的物質(zhì)，而SF6在高溫電弧的作用下可分解成SF4、SO2F2、SOF2 等劇毒的低氟化物，在開(kāi)斷失敗的情況下會(huì)發(fā)生爆炸；與此同時(shí)，人們還擔(dān)憂多年以后SF6氣體回收處理將對(duì)環(huán)境造成影響，因此現(xiàn)在真空斷路器的應(yīng)用已在中壓領(lǐng)域占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)[10]。 
　　本文結(jié)合中國(guó)電網(wǎng)建設(shè)和改造的實(shí)際情況及對(duì)環(huán)境保護(hù)的要求，介紹一項(xiàng)出自前蘇聯(lián)軍事試驗(yàn)室的中壓真空斷路器的研制情況，并對(duì)其應(yīng)用前景進(jìn)行評(píng)估。 
2 中壓真空斷路器技術(shù)的發(fā)展 
　　真空斷路器技術(shù)的發(fā)展取決于兩個(gè)技術(shù)的發(fā)展：真空滅弧室技術(shù)；操動(dòng)機(jī)構(gòu)技術(shù)[11-15]。真空滅弧室是真空斷路器的心臟，其關(guān)鍵部位是：觸頭結(jié)構(gòu)和觸頭材料，真空密封。觸頭結(jié)構(gòu)中縱磁場(chǎng)的應(yīng)用以及特殊觸頭材料的使用將顯著提高滅弧室的開(kāi)斷性能和耐壓水平。但真空滅弧室的使用壽命還與其波紋管性能密切相關(guān)，傳統(tǒng)的密封波紋管采用壓沿鍛壓工藝制造，波紋管受力以后易產(chǎn)生疲勞，因此一般的真空泡機(jī)械壽命最多只有30000次；而特殊的焊接工藝能改善波紋管的受力結(jié)構(gòu)，提高波紋管密封性能，顯著延長(zhǎng)滅弧室的使用壽命。操動(dòng)機(jī)構(gòu)被稱為真空斷路器的神經(jīng)中樞。最早使用電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)，后來(lái)出現(xiàn)了彈簧機(jī)構(gòu)，最近出現(xiàn)的是永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)。 
    
　　特瑞德電氣集團(tuán)（Tavrida Electric Group，TEG）從1967年就開(kāi)始研發(fā)永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)真空斷路器，其永磁機(jī)構(gòu)使用中等強(qiáng)度的磁性材料，可稱之為半永磁材料。1974 年在實(shí)驗(yàn)室里生產(chǎn)出首臺(tái)配永磁機(jī)構(gòu)的真空斷路器模型，1989 年配永磁機(jī)構(gòu)的免維護(hù)真空斷路器投放市場(chǎng)，1993年在荷蘭KEMA試驗(yàn)站通過(guò)了型式試驗(yàn)，1994年獲得俄羅斯專利。此后，ABB、Josly、Cooper、Whipp＆Bourn等公司均著手開(kāi)發(fā)自己的配永磁機(jī)構(gòu)的真空斷路器，如ABB公司的VM1型雙線圈、雙穩(wěn)態(tài)真空斷路器等。既出現(xiàn)了用于戶內(nèi)的配永磁機(jī)構(gòu)的真空斷路器，也出現(xiàn)了用于戶外的斷路器和重合器，如TEG 的OSM 型重合器和Whipp＆Bourne公司的GVR型重合器等。
 
　　20 世紀(jì)90 年代后期，配永磁機(jī)構(gòu)的真空斷路器技術(shù)傳入我國(guó)，我國(guó)的一些公司也開(kāi)發(fā)出了配永磁機(jī)構(gòu)的VSM、VSIA、ZN23-40.5、ZN65、ZWD-12、ZND-40.5 型等真空斷路器。 
　　由于TEG 是世界上研發(fā)永磁真空斷路器時(shí)間最長(zhǎng)、技術(shù)力量最雄厚的公司，其永磁真空斷路器經(jīng)過(guò)了15 年實(shí)際運(yùn)行的檢驗(yàn)，本文將著重探討該公司永磁真空斷路器的研發(fā)歷程及技術(shù)特點(diǎn)。 
3 永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)真空斷路器的研發(fā)歷程及技術(shù)特點(diǎn) 
3.1 斷路器的設(shè)計(jì)理念 
　　TEG 的永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)真空斷路器最早的設(shè)計(jì)思路來(lái)源于如何將斷路器更好地應(yīng)用于鋼廠電弧爐領(lǐng)域[16,17]。而這種應(yīng)用是對(duì)斷路器最嚴(yán)酷的考驗(yàn)。煉鋼技術(shù)需要斷路器每天頻繁操作，其中10%屬于故障開(kāi)斷操作，開(kāi)斷容量由變壓器的短路阻抗決定。20 世紀(jì)80 年代末，油斷路器在該領(lǐng)域的應(yīng)用非常廣泛，但其機(jī)構(gòu)和滅弧室需要經(jīng)常維護(hù)。試驗(yàn)證明，真空斷路器的開(kāi)斷性能優(yōu)異，但同樣存在機(jī)械故障。這是因?yàn)閭鹘y(tǒng)真空斷路器與油斷路器使用同樣復(fù)雜的操動(dòng)機(jī)構(gòu)：一個(gè)操動(dòng)機(jī)構(gòu)通過(guò)連桿、軸承等部件將運(yùn)動(dòng)傳遞至三相滅弧室，需要機(jī)械鎖扣將動(dòng)觸頭分別固定在分合閘位置，這些機(jī)械部件在合分操作過(guò)種中很容易發(fā)生故障。為解決無(wú)休止的機(jī)械故障，一些鋼廠成立了專業(yè)部門(mén)負(fù)責(zé)斷路器維修，同時(shí)準(zhǔn)備了大量的備品備件用于日常維護(hù)以及具有很高專業(yè)技能的運(yùn)行人員來(lái)處理各種各樣的故障。 
　　TEG 決定開(kāi)發(fā)一種在壽命期內(nèi)完全免維護(hù)的真空斷路器來(lái)結(jié)束這種狀態(tài)。該公司認(rèn)為，如果對(duì)易發(fā)生故障的機(jī)械部分進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，最好的方法就是去除它，因此形成了最終的解決方案：改變傳統(tǒng)的傳動(dòng)方式，無(wú)需機(jī)械鎖扣。 
3.2 斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)的原理 
3.2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 
　　新一代的單穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)尺寸非常小，每相一個(gè)操動(dòng)機(jī)構(gòu)，這項(xiàng)成果被視為中壓真空開(kāi)關(guān)誕生以來(lái)該領(lǐng)域中出現(xiàn)的最大突破。圖1為三相獨(dú)立單穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 


3.2.2 工作原理 
　　單穩(wěn)態(tài)永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)使用的運(yùn)動(dòng)部件最少，因此可將機(jī)械部件的磨損減到最小，故障率降到最低。機(jī)構(gòu)的中心部分有兩塊磁鐵，可提供超過(guò)230kg的觸頭壓力。合閘位置時(shí)，依靠閉合磁路產(chǎn)生的觸頭壓力將機(jī)構(gòu)保持在合閘位置，同時(shí)磁軛將單線圈封在中間，線圈為機(jī)構(gòu)操作提供能源。 
（1）合閘操作 
　　在分閘位置，真空滅弧室的動(dòng)觸頭通過(guò)與驅(qū)動(dòng)絕緣子連接的分閘彈簧保持在分閘位置。需要實(shí)行合閘操作時(shí)，由控制模塊內(nèi)的合閘電容器向機(jī)構(gòu)線圈內(nèi)注入一脈沖電流，當(dāng)動(dòng)靜觸頭接觸后，動(dòng)觸頭停止運(yùn)動(dòng)，但動(dòng)鐵心繼續(xù)運(yùn)動(dòng)2mm，壓縮觸頭的壓力彈簧。動(dòng)鐵心和磁軛之間通過(guò)磁力實(shí)現(xiàn)鎖扣，此時(shí)線圈電流進(jìn)一步增大，使得永磁材料達(dá)到飽和狀態(tài)。因此，在合閘位置切斷控制模塊發(fā)出的線圈電流時(shí)，飽和現(xiàn)象將使永磁材料的磁性增加到一定程度，使動(dòng)鐵心保持在合閘位置。動(dòng)鐵心的運(yùn)動(dòng)同時(shí)使分閘彈簧儲(chǔ)能，為下次分閘做好準(zhǔn)備。
 
（2）分閘操作
 
　　分閘操作時(shí)，由控制模塊內(nèi)的分閘電容器向機(jī)構(gòu)線圈注入一反向脈沖電流，時(shí)間為15～20ms。該電流將會(huì)對(duì)磁性材料產(chǎn)生部分消磁效應(yīng)，并減小合閘保持力，已儲(chǔ)能的分閘彈簧和觸頭壓力彈簧的反向力將使動(dòng)鐵心釋放，并向分閘方向加速運(yùn)動(dòng)，最終靠分閘彈簧保持在分閘位置。
 
　　如圖1 所示，所有的開(kāi)關(guān)元件軸向?qū)ΨQ裝配，所有機(jī)械運(yùn)動(dòng)均為直線運(yùn)動(dòng)，省掉了電機(jī)、齒輪、連桿、鏈條和機(jī)械鎖扣等元件。 
　　傳統(tǒng)的真空斷路器由一個(gè)機(jī)構(gòu)操動(dòng)三相開(kāi)關(guān)，因此必須使用傳動(dòng)件。對(duì)真空斷路器的故障統(tǒng)計(jì)分析顯示：75%的斷路器故障為機(jī)械故障。三相獨(dú)立機(jī)構(gòu)的使用是單穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)最主要的優(yōu)點(diǎn)，它因此省去了機(jī)構(gòu)和真空滅弧室之間的大部分機(jī)械連接元件，從而最大程度地降低了故障率。 
3.2.3 電氣控制 
　　任何永磁機(jī)構(gòu)都需要一個(gè)合適的電子控制器來(lái)控制，由控制器為機(jī)構(gòu)線圈提供合適能量，以及與開(kāi)關(guān)設(shè)備的接口和防跳、閉鎖等功能。作為斷路器的一部分，控制器同樣需要高可靠性，TEG 主要從以下幾方面保證其質(zhì)量：設(shè)計(jì)原則；精選元件，尤其是分合閘電容；制造原則；軟件測(cè)試。其中，分合閘電容作為儲(chǔ)能元件在控制器中是最重要的，其壽命主要受溫度影響。 
　　單穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)的低能耗設(shè)計(jì)也是保證電容器長(zhǎng)壽命的一個(gè)因素，從其控制模塊注入到操動(dòng)機(jī)構(gòu)線圈的最大合閘電流只有10A （20kA型）、17A（31.5kA型），分閘電流只有1A。 
3.3 單穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)斷路器的真空滅弧室技術(shù)
 
　　由于要與可靠性高、壽命長(zhǎng)并適于頻繁操作的單穩(wěn)態(tài)永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)相匹配，真空滅弧室性能的改進(jìn)顯得非常迫切。既需要提高其故障電流下的開(kāi)斷能力，又需要改善其在負(fù)荷電流下的可靠性。單穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)斷路器的真空滅弧室在觸頭系統(tǒng)設(shè)計(jì)和密封性能兩方面實(shí)現(xiàn)的突破性改進(jìn)，使其在可靠性和使用壽命上完全能與其操動(dòng)機(jī)構(gòu)的性能相匹配。 
　　縱磁場(chǎng)能改善真空電弧在觸頭表面的分布狀況，進(jìn)而減輕觸頭在電弧下的燒蝕程度[18-23]。真空電弧可被視為具有巨大能量的放電現(xiàn)象，它能將觸頭表面嚴(yán)重?zé)龘p。因此使電弧迅速而均勻地分布在觸頭表面，才能使觸頭表面每個(gè)點(diǎn)的電流密度降至最低，達(dá)不到使觸頭表面燒損的程度，這是提高真空滅弧室觸頭系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素。 
    （1）均勻縱磁場(chǎng)下的大電流真空電弧1967 年，Ito 和 Okura 第一次提出了關(guān)于縱磁場(chǎng)在控制大電流真空電弧上的應(yīng)用，試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，縱磁場(chǎng)分布的真空滅弧室的開(kāi)斷能力能夠顯著提高（約提高50%～100%）。
 
　　更多的研究顯示，縱磁場(chǎng)的強(qiáng)度與其控制電弧能力之間的關(guān)系互相依賴。如果磁場(chǎng)太弱，則顯示陰極斑點(diǎn)不穩(wěn)定，甚至?xí)撾x觸頭的水平表面；對(duì)于較強(qiáng)但低于一定特征值的磁場(chǎng)強(qiáng)度，陰極斑點(diǎn)分布于整個(gè)觸頭表面；如果磁場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)一步增加，則陰極斑點(diǎn)不能分布于整個(gè)觸頭表面，因此不能有效利用觸頭的整個(gè)表面積。圖2為T(mén)EG在真空滅弧室中利用縱磁場(chǎng)得到最優(yōu)化的陰極斑點(diǎn)分布示意圖。


    （2）非均勻縱磁場(chǎng)下的大電流真空電弧 
　　商業(yè)用真空滅弧室一直致力于非均勻縱磁場(chǎng)的研究。首次將縱磁場(chǎng)應(yīng)用于真空滅弧室產(chǎn)品是在20世紀(jì)70年代。80年代初期發(fā)現(xiàn)了非均勻縱磁場(chǎng)對(duì)真空電弧的影響。大量對(duì)不同磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)顯示，在特定電流和磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)下，無(wú)論磁場(chǎng)強(qiáng)弱，陰極斑點(diǎn)都會(huì)移動(dòng)。從這個(gè)結(jié)論中發(fā)現(xiàn)，觸頭邊緣部位具有類似磁屏障的強(qiáng)磁場(chǎng)，觸頭中心區(qū)域強(qiáng)度最弱的磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)是最優(yōu)化的磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)。這一點(diǎn)已通過(guò)測(cè)量觸頭陰極電流密度而得到證明。此外，在電極的中心區(qū)域不需要縱磁場(chǎng)來(lái)限制陰極斑點(diǎn)及穩(wěn)定電弧。 
    （3）具有縱磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)和最佳觸頭材料的真空滅弧室 
　　要將上述研究成果應(yīng)用到真空滅弧室產(chǎn)品中，還需要做許多工作，包括需要確定最佳的觸頭形狀、選擇最適合的觸頭材料等。觸頭形狀能決定縱磁場(chǎng)的結(jié)構(gòu)，并因此決定電弧的分布。觸頭材料則要同時(shí)滿足真空滅弧室苛刻的電氣和機(jī)械性能要求。例如，觸頭材料應(yīng)具有極強(qiáng)的抗熔焊性能，因此它需要具有良好的導(dǎo)電性能和較低的熔焊機(jī)械強(qiáng)度；同時(shí)又要求觸頭材料具有較高的非電氣性能（這一點(diǎn)在很大程度上與機(jī)械強(qiáng)度相關(guān)）；還需要它具有良好的導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能以提供高開(kāi)斷能力。 
　　TEG 通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，幾種不同材料相配合產(chǎn)生的合金可滿足以上要求。利用這種合金觸頭生產(chǎn)的真空滅弧室，在額定電流下的開(kāi)斷次數(shù)能容易達(dá)到10 萬(wàn)次，在額定短路電流下能開(kāi)斷100 次。 
    （4）通過(guò)創(chuàng)新設(shè)計(jì)和工藝提高金屬波紋管的真空密封性能 
　　除觸頭系統(tǒng)以外，金屬波紋管的密封性能是決定真空滅弧室壽命的另一個(gè)重要因素。傳統(tǒng)的金屬波紋管由不銹鋼沖壓而成（如圖3（a）所示），在滅弧室的分合過(guò)程中，極高的加速度會(huì)對(duì)波紋管產(chǎn)生巨大壓力，波紋管因疲勞產(chǎn)生漏氣是目前真空滅弧室故障的主要原因。 


　　TEG 的單穩(wěn)態(tài)永磁真空斷路器所用的波紋管由一組不銹鋼環(huán)片在內(nèi)側(cè)和外側(cè)交替焊接而成。采用這種設(shè)計(jì)的波紋管，在分合操作過(guò)程中機(jī)械應(yīng)力均勻分布到整個(gè)環(huán)片上，單點(diǎn)受到的壓力大大減小（如圖3（b）所示）。這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用，不僅使真空滅弧室實(shí)現(xiàn)外型小巧，而且其額定機(jī)械壽命可達(dá)到15萬(wàn)次。 
3.4 小結(jié)
 
　　單穩(wěn)態(tài)永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)可被描述為一種不需要機(jī)械控制和閉鎖的單穩(wěn)態(tài)開(kāi)關(guān)，它的機(jī)械操作次數(shù)可輕易達(dá)到10 萬(wàn)次以上，同時(shí)不需要任何維護(hù)。 
　　這種操動(dòng)機(jī)構(gòu)與一個(gè)基于微處理器技術(shù)的控制模塊配套使用。控制模塊的作用是為操動(dòng)機(jī)構(gòu)提供能量，提供斷路器所必須的電氣接口，同時(shí)還具有實(shí)時(shí)監(jiān)控功能并易于和監(jiān)視控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)合。使用以上觸頭系統(tǒng)及波紋管系統(tǒng)設(shè)計(jì)的真空滅弧室，完全可與操動(dòng)機(jī)構(gòu)的長(zhǎng)壽命、高可靠性相匹配。
　　這種斷路器幾乎適用于所有場(chǎng)合，包括需要斷路器進(jìn)行頻繁操作的情況，如單相電容器組和電弧爐等。它的應(yīng)用可使配電系統(tǒng)在可靠性明顯提高的同時(shí)，成本也得到降低。 
4 永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)真空斷路器在我國(guó)電網(wǎng)改造中的應(yīng)用前景 
　　保障城市電網(wǎng)的供電可靠性是國(guó)家電網(wǎng)公司目前的工作重點(diǎn)之一，根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)公司對(duì)31 個(gè)重點(diǎn)城市電網(wǎng)改造的設(shè)備要求，首先要求安全可靠，其次要求占地少、維護(hù)少；在此基礎(chǔ)上，還要求選用技術(shù)先進(jìn)、自動(dòng)化程度高的設(shè)備。因此，單穩(wěn)態(tài)永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)真空斷路器以其小型化、高可靠性、免維護(hù)、長(zhǎng)壽命而表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢(shì)。永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)真空斷路器在城市電網(wǎng)改造中的應(yīng)用可歸納為以下幾方面： 
　　（1）應(yīng)用于緊湊型、固定式的中壓開(kāi)關(guān)柜中
　　由于永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)真空斷路器尺寸小、重量輕、安裝靈活，壽命長(zhǎng)，并可完全免除運(yùn)行維護(hù)，因此可安裝于占地少、而不利于維護(hù)的固定式開(kāi)關(guān)柜中。 
　　（2）應(yīng)用于小型充氣柜中
　　可進(jìn)一步節(jié)省空間、美化環(huán)境、提高系統(tǒng)的可靠性。
 
　　（3）應(yīng)用于現(xiàn)有正在運(yùn)行的開(kāi)關(guān)柜中 
　　實(shí)施改造項(xiàng)目時(shí)不換柜子，只更換其中的斷路器，既節(jié)省成本，又節(jié)省時(shí)間。已應(yīng)用于湖北襄樊220kV變電站XGN 型開(kāi)關(guān)柜的改造中。 
　　（4）應(yīng)用于城網(wǎng)入地電纜分支箱中 
　　在電纜分支箱中采用斷路器，可使事故影響范圍縮減到最小范圍。
 
　　（5）應(yīng)用于投切電容器組中 
　　永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)真空斷路器也適合頻繁操作，因此可將它應(yīng)用于投切電容器組。已在浙江金華月泉變電站110kV 投切電容器組中得到應(yīng)用，柜型為XGN-10。
 
　　（6）應(yīng)用于小型預(yù)裝式開(kāi)關(guān)站和變電站中
 
　　在小型預(yù)裝式開(kāi)關(guān)站和變電站中采用永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)真空斷路器也能發(fā)揮它體積小、重量輕、安裝靈活，壽命長(zhǎng)，免維護(hù)、可靠性高的特點(diǎn)。