高压真空断路器操动机构可靠性分析

摘要：从20世纪中后期，伴随着各项技术的发展，真空断路器得到了快速的发展。由于真空断路器具有一系列优点，在中压领域（3.6～40.5kV）中处于绝对的领先地位，因此真空断路器的使用越来越得到大家的认可。截止目前，真空断路器已发展为中压领域主导产品和主流产品，本文就对高压真空断路器操动机构可靠性进行了分析。

关键词：高压真空；断路器；可靠性分析

中图分类号： C35 文献标识码： A

一、真空断路器可靠性评估工作研究意义

高压断路器是电力系统中的关键控制、保护装置，对电网的安全运行起着核心作用。随着我国电网监控、检修的智能化，对真空断路器的运行可靠性的要求日益增高。智能化要求改进真空断路器可靠性评估思路和评估手段，以全面、准确的评估断路器的在载状态，为相关企业提供工作稳定性保证，也为相关运行监测机构指定监控、检修方案提供依据具有重要意义。其中，发电机出口保护断路器由于其环境友好性，利于提高设备的保护能力和系统的稳定性，需求日益增长，受到广泛关注。而高压断路器操动机构运动可靠性、稳健性，直接影响着断路器的可靠性。真空断路器操动机构的优化是工程领域中的前沿性课题，具有良好的应用价值，对它的研究有着重要的理论意义和实际意义。

二、高压真空断路器操动机构的分类

高压真空断路器作为一种性能优越的电器，以其体积小、重量轻、寿命长、维护方便和安全等优点，在中压领域市场中占据着主导地位，并且随着技术的不断发展，在高压领域也逐渐得到应用。同时，真空灭弧室技术的发展、新触头材料的发现、纵磁场触头结构的应用和操动机构性能的改进都促进了高压真空断路器的发展。操动机构可以按照驱动方式的不同分为以下几类。

1、手动操动机构：靠手动直接合闸的操动机构。

2、液压操动机构：利用液压作为动力传动介质，操动方式有两种：直接驱动和储能式。

3、电动操动机构：利用电动机经减速装置带动开关合闸的操动机构。

4、气动操动机构：利用压缩空气作为能源产生推力的操动机构。

5、电磁操动机构：靠电磁力合闸的操动机构。

6、弹簧操动机构：利用已储能的弹簧为动力使断路器动作的操动机构。弹簧储能通常由电动机通过减速装置来完成。

7、永磁从动机构：利用永磁体实现合闸保持和分闸保持的一种形式的电磁操动机构。其合闸都是采用电磁操作，分闸可有电磁操动和弹簧操动两种形式。

三、提升真空断路器可靠性面临的问题

一般而言，真空断路器断路器分合闸时，电网的电流或者电压的相位往往容易发生波动、紊乱，容易产生涌流及过电压，对微观子电力系统产生较大的冲击。真空断路器的额定工作电流和短路开断电流的要求都远高于一般电力系统中输配电用的断路器，实现起来难度很大。一直以来，大容量开断能力的真空断路器的新产品研发都是电力工程领域中关注的一个焦点。毋庸讳言，当前，真空断路器状态评估方法存在诊断信号单

一、评估结果难以量化、评估判据缺乏参数依据和数据来源杂乱等问题。

四、提升真空断路器可靠性的对策建议

1、从状态评估、故障诊断和信号处理等角度考虑

（3）利用软件，构建断路器运动特性虚拟样机模型，对模型内的静态保持力、系统反力、等效质量和接触器电弧进行模拟测算。根据所测信号数据，校验虚拟样机模型的准确性。

（4）断路器数据采集系统和多智能体评估系统可以实现对断路器正常状态、操作机构控制回路电阻增大、分闸弹簧单根脱落、操作及传动机构卡涩和行程传感器故障等状态的测算，验证断路器运动特性状态评估方法的准确性和评估系统的有效性。保证数据采集系统的可靠性。

2、开发研制新型“双触头”结构的大电流真空灭弧室

针对大电流真空断路器涉及到的开断、电流转移过程、温升以及分、合闸机械运动特性与负载特性配合等几个关键问题，设计由主、弧两对触头分别承载大的额定电流和开断高的短路电流的新型“双触头”结构的大电流真空灭弧室。大胆采用双波纹管，大幅度减小合闸弹跳；在杯状触头内部加入铁磁环，改善大电流真空灭弧室的磁场特性，提高真空灭弧室的开断能力。为了解决大电流真空灭弧室温升问题，对矩形直肋散热器进行优化设计。

3、积极探索同步关合技术的应用

同步关合技术出现，为缩短甚至避免出现断路器分合闸暂态过程提供了一直优化解决方案。鉴于断路器分合闸时间分散性是制约同步关合技术实现的难点之一。永磁真空断路器以其结构简单、零部件少、动作分散性小、可靠性高、寿命长等优点，是实现同步关合的理想元件，但永磁真空断路器受温度、控制电压、老化等因素的影响，分合闸时间仍会表现出较大的分散性。为减小分合闸时间分散性，同时减少操作能耗，优化真空断路器动触头的运动特性，提出了适用于一般永磁真空断路器的控制策略：对电容激励模式下

永磁真空断路器的动态方程进行了分析，提出基于电流源激励模式的动态方程。分析电流源激励模式与电容激励模式的区别，对两种模式下机构的动态特性进行对比。由于在电流源激励模式下，真空断路器的分合闸时间不受电容容量和控制电压的影响，更有利于保持分合闸时间的稳定性，为实现基于线圈电流闭环的控制方式，详细分析了滞环控制方法的实现原理，提出了基于线性插值PID模式的滞环控制策略，利用基于线性插值PID的滞环控制方法实现了对线圈电流的跟踪控制，提出了获取较优动态特性曲线的方法，实现了对断路器分合闸特性的控制。

4、对真空断路器弹簧操动机构进行优化设计

以机构构件的尺寸和分、合闸弹簧的刚度系数为设计变量，将加工误差等归入设计变量的容差中，以断路器的分、合闸速度的方差最小化且速度最稳健为目标，对此机构实施稳健优化设计，并对优化结果进行分析，找出该方法的局限性。以机构构件的尺寸和分、合闸弹簧的刚度系数为设计变量，将零部件的加工误差、老化、疲劳等归入设计变量的容差中，以断路器的分、合闸速度的方差最小化且最稳健为目标，建立了此机构的模糊稳健优化的数学模型，并对优化结果进行分析、比较；进一步提高此机构模糊稳健优化结果的稳健性。

结束语

综上所述，为了减少机械故障，提高产品质量，应该努力改进结构设计，提供加工精度和加工质量。提高操动机构的关键控制点设计精度，在设计阶段，进行仿真分析，清除不合理因素，使产品的设计与实际要求最大限度的吻合。严格把关操动机构的关键控制点零部件的选材，提高操动机构的关键控制点零部件的加工工艺，使产品的加工精度和加工质量与设计要求最大限度的吻合。