关于真空断路器操动机构的专利概述

关于真空断路器操动机构的专利概述

谭子健

国家知识产权局专利局专利审查协作广东中心广东省广州市510535

摘要：随着我国经济的迅速发展，对配电网的稳定性提出越来越高的要求；而“真空断路器”因其灭弧介质和灭弧后触头间隙的绝缘介质都是高真空而得名；其具有体积小、重量轻、适用于频繁操作、灭弧不用检修的优点，在配电网中应用较为普及。真空断路器是3～10kV，50Hz三相交流系统中的户内配电装置，可供工矿企业、发电厂、变电站中作为电器设备的保护和控制之用，特别适用于要求无油化、少检修及频繁操作的使用场所，真空断路器可配置在中置柜、双层柜、固定柜中作为控制和保护高压电气设备用。

关键词：真空断路器；操动机构；电磁；弹簧；永磁

引言

随着社会的不断进步和发展，人们对于真空断路器的技术创新也从未止步，针对其中所包含的操动机构也作出各方面的技术改进，以满足现代配电网的各种要求。

真空断路器的工作原理是：当动、静触头在操动机构的作用下分闸时，触头间产生电弧，由于触头处在真空灭弧室的真空环境下，其电弧容易熄灭；真空断路器主要包含三大部分：真空灭弧室、操动机构及其他部件。

按照断路器型式不同，采用的操作机构不同，常用的操作机构有电磁操作机构、弹簧操作机构、永磁操作机构等。

一、几种常用的操作机构介绍

1.1电磁操动机构

电磁操作机构完全依靠合闸电流流过合闸线圈产生的电磁吸力来合闸同时压紧跳闸弹簧，跳闸时主要依靠跳闸弹簧来提供能量。所以该类型操作机构跳闸电流较小，但合闸电流非常大，瞬间能达到一百多个安培。这也是为什么变电站直流系统要分合闸母线、控制母线的缘故，合母提供合闸电源，控母给控制回路供电。合闸母线是直接挂在电池组上，合母电压即电池组电压（一般240V左右），合闸时利用电池放电效应瞬间提供大电流，同时合闸时电压瞬间下降的很厉害。而控制母线是通过硅链降压和合母连在一起（一般控制在220V），合闸时不会影响到控制母线电压的稳定。因为电磁操作机构合闸电流非常大，所以保护合闸回路不是直接接通合闸线圈，而是接通合闸接触器。跳闸回路直接接通跳闸线圈。合闸接触器线圈一般是电压型的，阻值较大。保护同这种回路配合时，应注意合闸保持一般启动不了，但这问题也不大，跳闸保持TBJ一般能启动，所以防跳功能还存在，该类型机构合闸时间较长，分闸时间较短。

电磁操动机构在真空断路器发展初期得到了比较广泛的应用，但是电磁操动机构结构笨重，动作时间较长，在没有电源情况下无法进行合闸操作。

1.2弹簧操动机构

该类型机构是目前最常用的机构，其合闸分闸都依靠弹簧来提供能量，跳合闸线圈只是提供能量来拔出弹簧的定位卡销，所以跳合闸电流一般都不大。弹簧储能通过储能电机压紧弹簧储能，合闸母线主要给储能电机供电，电流也不大，所以合母、控母区别不太大。

合闸弹簧和跳闸弹簧是独立的，储能机构一般只给合闸弹簧储能，而跳闸弹簧一般是靠断路器合闸动作储能.在合闸回路中串联有开关储能接点，也就是说开关未储能就不能进行合闸。但分闸回路中没有串联有开关未储能接点。所以就算开关未储能，也可以跳开。

在断路器断开时，分闸弹簧是还没储能的，而合闸弹簧已储能。合闸时，合闸弹簧释放能量，合闸同时给分闸弹簧储能。以确保开关在合上的时候能跳开。合闸弹簧释放完能量时（开关刚合上），电机开始给合闸弹簧储能，这个大概需要十秒钟，此时就算合于故障，因为分闸弹簧已储能，所以能跳开。这也说明在手合于故障时，开关能马上跳开，但这种跳开之后不能马上再次重合（需要区别于重合闸），因为合闸还没储能，要等储能结束后才能再次送电。而如果是开关本来是合上的，此时开关的合闸弹簧和分闸弹簧都已储能。

有故障时，分闸弹簧释放能量分闸。再过1秒左右，（由于合闸弹簧已储能）合闸弹簧释放能量进行合闸。而在合闸结束的时候，分闸弹簧已储能结束，但合闸弹簧还没有储能好。如果这次合闸于故障，由于分闸弹簧以储能结束，所以开关能马上跳开。但跳开之后就不能再次马上合上了，需要等到合闸弹簧储能结束以后才行。

弹簧操动机构是真空断路器最常用的一类操动机构，它的优点是不需要大功率的直流电源，只需要一个小功率的交直流两用的储能电动机，并且在没有电源情况下进行合分闸操作。其缺点是结构比较复杂，零件数量多，且要求加工精度高，故障率较高。并且弹簧操动机构的出力特性与真空断路器的负载特性不相匹配，要在轮廓曲线和连杆结构上进行合理设计。

1.3永磁操动机构

永磁操作机构是最近才应用到国内市场的一种新机构，它原理同电磁型大体有点类似，主动轴为永磁材料制成，永磁体周围有电磁线圈。正常情况下电磁线圈不带电，当开关要分闸或合闸时，通过改变线圈的极性利用磁力相吸或排斥的原理，驱动分闸或合闸。虽然这个电流也不小，但开关是通过一个大容量电容来“储能”，动作时通过电容放电来提供大电流。这种结构工作时主要运动部件只有一个，无需机械脱、锁扣装置，体积小，故障源少，可靠性较高，且使用寿命长，一般达十万次以上，同时控制分合闸相位，实现同步控制，从而减少过电压和涌流对系统的冲击，减少系统保护的投入，提高系统整体寿命。

永磁操动机构是一种发展时间较短的操动机构，它使用永磁体取代了传统的锁扣装置实现真空断路器分、合闸位置的保持，永磁操动机构工作时主要运动部件只有一个，分、合闸电流小，对操作电源的要求较低，其噪音也低。永磁操动机构结构比较简单，动作可靠性高，机械寿命长，体积小，重量轻。但在目前条件下，传统原理永磁操动机构也无法达到非常高的动作速度，并且在没有电源情况下无法进行合闸操作。

二、永磁操作机构的改进

永磁操动机构作为一个新生事物，还有一些不足，但它所体现出来的优点也越来越受到人们的关注，它既没有电磁操动机构耗电大的问题，也没有弹簧操动机故障率高的问题，随着技术的发展，永磁操动机构必将走向成熟，在断路器操动机构领域占有一席之地。为了克服永磁操动机构存在的问题，人们也做了不少的尝试，下面将结合其中几个例子说明情况。

例子1：公告号为CN2831409Y实用新型专利申请，涉及一种真空断路器的永磁操动机构。现有技术中，永磁操动机构在分闸时，由于要产生较大的反向电磁场，所以分闸电流要求较大，且分闸时，动铁芯开始运动较慢，造成初始分闸速度较低，不利于短路电流的开断。而本申请在操作杆上设置弹簧，使永磁操动机构在分闸时，在操作杆上额外施加了弹性推力，使操作杆能够更快速运动，而不需要通过增大分闸电流来提高磁性斥力，克服了现有永磁操动机构初始分闸速度较低，分闸电流要求较大的不足。

例子2：公告号为CN201966082U实用新型专利申请，涉及一种外磁旋转式永磁机构。现有技术中，永磁操动机构均为直动式，由于各零部件间的摩擦等多种因素，传动过程耗能大，所需分合闸的电流也相应增大。而本申请的永磁操动机构采用旋转式，减少了零部件之间的摩擦，从而减少传动过程的耗能，同时结构简单，设计紧凑，布局合理，体积小，制造成本低廉，工作稳定可靠，可大大确保传动轴的工作稳定性和可靠性。

例子3：公布号为CN103474287A发明专利申请，涉及一种双动铁心永磁操动机构。现有技术中，永磁操动机构为了可靠吸合动铁心，要提高合闸启动电流，从而造成耗能增多。而本申请通过增加辅动铁心，降低磁路的磁阻，从而在保证磁作用力不变的前提下，可降低合闸启动电流的大小。

例子4：公布号为CN105788985A发明专利申请，涉及一种永磁驱动装置。现有技术中，永磁机构通常采用四连杆机构驱动，结构复杂、零件多、安装不便。而本申请采用齿轮驱动组件驱动断路器分、合闸，装置零件少，故障率低，安装和时间调试少，操作简便，还配有手动分闸轴，除电动分闸外，还可以通过操动手动分闸轴进而带动齿轮驱动组件实现紧急手动分闸操作。

例子5：公布号为CN102938346A发明专利申请，涉及一种带手动分闸一体化永磁操动机构。现有技术中，弹簧操动机构结构复杂、故障率高，容易导致操作失误。而本申请提供一种结构简单、零部件少、可靠性高的带手动分闸一体化永磁操动机构，还配有凸轮轴，除自动分闸外，还可以通过操动凸轮轴进而推动永磁装置中的动铁芯运动以实现紧急手动分闸操作。