再谈智能一体化永磁机构真空断路器

1、问题的提出

 

目前中国开关市场上，常见的有以下几种类型，一类是以ABB公司VD4真空断路器，其类同的国产VS1（ZN63）等或其他派生出来的产品；一种是以西门子公司3AH（AF）真空断路器，其类同的国产ZN12、ZN65等真空断路器；还有一种是西高所研制的ZN28型真空断路器。VS1（ZN63）、ZN12、ZN65等真空断路器国内的生产厂家过多，各个厂家为了巩固和扩大市场占有份额，不断采取降价措施，不少产品出厂价格已经到了低于正常生产成本边缘，完全丧失了核心竞争力。恶性竞争的结果是企业利润不断下降，威胁到了企业的生存与发展。这样带给最终用户的质量问题越来越令人担忧。广大用户也迫切需要一种安全可靠、维护操作方便、价格适中的真空断路器，这样在九十年代末就逐渐的出现了一种新型的真空断路器---智能一体化永磁机构真空断路器。

该型断路器以永磁机构为基础采用电磁操作、永磁保持的方式，元件极少，动作过程简单，用其做的开关零件比弹簧机构减少80%，从而保证运行中的可靠性，降低了故障率，达到免调试、少维护，为其智能化、自动化控制奠定了基础。因此国内很多厂家竞相进行开发及生产，制造出了多种多样的产品，形成一小股热潮。由于多种多样的产品，参差不齐质量控制，就必然要出一些问题：一些用户在煤体上披露的的诸如电容器储能元件的质量问题，电动分、合闸不可靠等问题、没有手动分闸装置或手分不彻底、在停电的情况下没办法进行检修和调试等等，这些问题的存在，给用户造成一些不好的影响，认为智能一体化永磁真空开关技术还不成熟，大规模推广时间还未到等。严重的影响了这一技术的进一步发展。

针对上述问题，2001年北京龙源开关设备有限责任公司联合中科院、大连理工大学、四方华能等单位进行了永磁真空技术的研发，经过几年不断的探索和努力，终于在2004年初成功研制了MDS系列新一代永磁真空断路器，并在当年顺利通过了型式试验。由于我公司在研制之初就针对永磁机构真空断路器可能出现的问题，做了大量的试验和不断的改进，使我公司的永磁真空系列产品广泛的应用于钢铁、石油、化工、电厂等变电所、配网自动化改造及建设中，作为主要的开关设备，深受用户好评。

 

 

 

2、北京龙源永磁产品的特点、分类、运行情况

 

2.1 北京龙源永磁机构

北京龙源公司的永磁机构真空断路器，采用双线圈、双稳态、横置式安装的永磁机构，操作时靠双线圈控制分合闸操作，开关处在分、合闸位置时采用永磁保持，简单可靠。分合闸线圈电流为小，功耗低（见表1） ，具有快速手分装置（手分速度为1.0m/s），可直接用标准电压（DC110/220V）进行操作，没有储能电容及分闸弹簧等附加装置。

目前我们国内的继电保护及操作电源多采用直流操作电源，电源电压为DC220V和DC110V,永磁机构的线圈工作电压应DC220V+10-15和DC110V+10 -5。这样用户可以用已有的电源系统，节省开支。我们经过上千次的设计、验证、修改、再验证，最终使横置式永磁机构能可靠的完成低电压下自动重合闸功能，并且其机械参数（速度、弹跳、分、合闸时间、同期性等）完全满足技术条件的要求。其分合闸线圈工作电流如下：

表1

从上表可以看出，分、合闸线圈功耗是比较低的，在有直流电源的情况下可完全不需要电容器。

2.2        北京龙源永磁产品

   北京龙源的永磁真空产品，按照使用环境可划分为户内及户外，按照电压等级来划分可分为10KV、35KV及2KV以下。

型号简介

  

1）、MDS1-12户内永磁真空断路器

 应用：固定安装，既可安装在XGN2-12、DXG等固定式开关柜中，也可独立固定安装，作为单独开关控制设备使用；抽出安装，安装在KYN28（48）-12、KYN44-12 等中置式开关柜中，特别是由于安装尺寸与VS1（ZN63A）一致，也适合一些老开关柜的改造。

 

实列1：洛阳中硅高科技有限公司 （国家重点工程，国内最大多晶硅生产企业）  

固定安装，控制10KV多晶硅还原炉，频繁操作，每月平均操作20次左右；

    抽出安装，安装在KYN28（48）-12中置柜内，控制10KV还原炉变压器。

 

 

实列2：邯郸钢铁集团三炼钢厂

    抽出安装，安装在KYN28（48）-12中置柜内，控制10KV电动机。

 

2）、MDS2-12户内永磁真空断路器

 

实列1：北京清畅科技发展有限公司所生产的电缆分接箱、环网柜中  

固定安装，安装在XGN15-12环网柜及电缆分接箱中，做为主开关使用，可分断短路故障电流，减少事故影响面积。广泛应用于山东、河北等地供电系统的开闭站、电缆分接等配电系统。

实列2：北京龙源开关设备有限公司公司所生产的DFW8-12电缆分接箱、XGNL-12小型固定柜中。  

外型尺寸小巧，大大减少占地面积，节省基建投资。广泛应用于北京、河北、山东等地的供电系统。

 

3）、MDS3-12户外柱上智能永磁真空断路器

 

3、可加装FTU智能控制单元，组成开关智能控制系统，满足配网自动化要求。

户外永磁真空断路器的操作电源

户外永磁机构真空断路器如果安装在离有交流AC220V电源不远的地方，可直接从那里引过来，如果安装的地方距离操作电源比较远，可在安装柱上开关旁边加装一只户外PT（电压互感器），将10KV电压变换成AC200V交流电源提供给永磁控制器；在光照条件比较强的北方地区，可直接使用经济、环保的太阳能板电池，该太阳能板电池可直接将太阳能转换成电能给永磁机构控制箱内电池充电，可保证户外永磁真空开关的正常操作电源。

应用：广泛应用于城市或农村电网中作为分段、联络或重合器使用，或作为农网配电系统户外变电站的出线开关等。

实列1：石家庄灵寿供电局  

双杆或单杆安装，带过流速断保护，柱下遥控操作，大大节省劳动强度，减少运营成本。

实列2：石家庄井陉供电局（配网自动化）

单杆安装，带FTU智能测控单元，GPRS无线控制通讯方式，配网自动化终端产品。大大节省劳动强度，减少运营成本。

基于GPRS无线网络实现大范围内供电线路运行状态监测，为用户省去了昂贵的网络建设和维护费用，实时性高，租网费用低。

实列3：福建省电力公司

与北京四方华能合作，将柱上永磁真空产品批量进入福建省电力公司，在南方高温、潮湿的环境中可靠的运行。深受用户好评。

 

4）、DZNL-4000A智能低压永磁真空断路器

 

   特别适合环境比较恶劣的地方及需要频繁操作的场所。

实例1：  航天工业部航天中心试验站

该试验站要求开关设备额定对地工频耐压要求5万伏  1min，额定电流为2500A，我公司产品已经顺利通过验收。

实例2：  昆明钢铁集团有限公司

与北京三义电力电子公司合作，在该地用了一批额定电流1250~2500A，额定电压1140V智能低压永磁开关，用于配电系统，现已可靠运行。

 

3、智能一体化永磁机构真空断路器可靠运行的原因分析

 

北京龙源公司生产的上述四大类智能一体化永磁机构真空断路器产品在各个供电、工矿、冶金等系统可靠运行至今已有两年多，还未发生过媒体上用户说过的一些问题，主要是我们对于可能发生的问题，做了深入的研究和分析，例如：长寿命、高温、冷冻、锈蚀、防尘等试验验证，得到了深层次的了解，并在设计和工艺上进行了大量的完善和创新工作。

 

 

1）   手动可靠分闸问题

北京龙源公司每一种永磁真空产品机构上均有一个可靠的手动分闸装置，在紧急的情况下可手动分闸，手分速度可完全满足技术要求，具备分断短路电流的能力。

 

2） 合闸控制系统出现故障

也就是说当合闸控制系统出现故障，而这时必须要合闸的情况下（这种情况是非常少的），这时候有两种情况，一种是操作电源也没有了，另一种是还有操作电源，这时候，在有操作电源的情况下，可直接将电源加到合闸线圈的两端（该线圈两端已经引到端子上）可用16-25A直流、或交流接触器操作，通电就可直接合闸；在没有操作电源的情况下，可用我公司提供的手提电源箱，该电源箱在一次性充满电的情况下可进行30次的分、合闸循环操作，只要将它与端子上引出的合闸线圈两端相接，直接可进行合闸操作，由于手提电源箱带有继电保护接口，所以不会失去继电保护。

 

3） 使用在交流操作的变电站

   在一些小型的变电站中，一般操作电源直接从PT柜中引来，我公司生产的永磁开关控制线圈电流为直流系统，因此需要加装充电整流模块及超级电容器等电源系统，经过这套整流系统提供的操作功在PT停电的情况下，48小时内可满足开关进行分合闸循环操作30次的要求（标准配置），完全满足用户在停电检修和调试所需要。如果用户还需要更多的操作次数及时间，我们均可按照您的要求进行配置。

 

4） 电磁线圈烧损的问题

    在原来弹簧机构和电磁操作机构中，由于辅助开关的击穿或机构的卡滞等原因造成分、合闸线圈长时间的通电，使得分、合闸线圈烧损经常发生。而我公司采取的措施是两个线圈前均加有一个长延时保护直流空气开关，能可靠的保护线圈，并在开关动作设计上，使得分、合闸线圈不可能长期通电。控制过程上我们给出了两个条件，一是在固定分合闸时间内检测到位置信号，经短延时断开电源；没检测到位置信号，到达固定分合闸时间断开电源并报警输出故障信号，这样就可避免上述故障，提高了可靠性。

 

5） 机构布置的合理性

   从图2可以看出，我公司生产的双线圈、双稳态、横置式安装的永磁机构，辅助开关安装在左侧，容易对辅助开关进行安装及对螺钉进行紧固，并且，我公司生产的永磁真空产品在有直流电源的情况下可完全不需要电容器，在交流操作时，所加装的整流电容器安装在机构的底部，完全不会对辅助开关安装位置及维修造成任何影响，操作控制时，我们采用的是位置传感器检测分、合闸位置，通过永磁控制器来进行控制和操作，辅助开关主要提供的是一些信号接点。横置式安装的永磁机构真空断路器有足够的空间，未来我们考虑的是智能一体化开关，综合保护及测控装置准备安装在机构旁边。因此，我们现在的布置是比较合理的。

 

6） 电容器的质量问题

   首先，如果在有直流电源的情况下，我们永磁真空开关操作由于功耗低，直接用直流电源进行操作，不需要电容器，所以不存在这个问题，如果交流电源功率够（60A/65MS）的情况下，可直接用整流电源操作。在交流电源功率不足的情况下（如用小功率电压互感器获取的交流电源），才需要用整流及电容器储能装置作为操作电源。

关于电解电容的使用寿命，按照其规范，失效原因主要是过电压、深度冲放电、纹波系数大等高温运行引起的介质老化等。由于我们在设计制造上全满足了其使用规范，因此，我们用的电容器储能装置，按其制造厂提供的数据寿命达160000小时。其工作温度在40度以下，其寿命可以提高1-2个数量级，既可达到10年到20年，因此在10年内是不用担心其寿命的。

 

7） 永磁控制器的可靠性问题

控制回路的发展经历了从普通继电器控制方式向大功率电力电子器件控制方式转变的过程。普通继电器控制方式采用直流继电器控制分合闸线圈，来达到控制开关分合闸的目的。继电器控制方式存在体积大、寿命短、延迟时间长、接点粘连等问题，因此其使用受到了很大的限制。

永磁控制器采用大功率电力电子器件IGBT开关管。该方式采用单片机的设计方案，因此其具有以下优点：体积小、功能强大、延迟时间短、寿命长等。基于上述优点该类型的永磁控制器获得了较为广泛的应用。我们通过电路的优化、器件的筛选、保护电路的完善、以及元器件的老化试验等手段解决控制回路中大功率电力电子元件损坏的问题。并在设备的抗干扰性能、抗震性等方面做了很多设计和改进，在这方面我们做了大量的工作，积累了丰富的实验数据，找到了比较好的办法，从而提高了控制设备的可靠性。

8）关于位置开关问题

我们经过多次验证发现，市场上电子式的接近开关其质量不稳定，包括国外的一些产品。而且由于其特点是适合接受直线运动所感应到的位置，而位置接触装置安装在主轴上随主轴做的是弧线运动，因此接受到的信号不可避免的造成偏移。为进一步提高位置开关的准确度及可靠性，在硬件上，我们采用具有高可靠性、高寿命的干簧式接近开关，接受位置信号更为准确，并做了磁回路的屏蔽，防干扰性更强。在软件上，我们对永磁控制器的软件进行了升级，将位置开关的功能定为只接受位置检测，控制命令由永磁控制器发出。并同时将控制与辅助开关配合起来，在位置开关出现故障的情况下，完全不影响开关的动作情况。在此我们做了如下试验：1、位置开关完全损坏，开关仍能正常分、合；2、位置开关摘除，仍能正常分合。通过上述试验，可靠的保证了开关的动作，大大提高了开关的可靠性。

真空开关采用永磁机构是一个更新换代的工作，市面上关于永磁真空开关的报道很多。有正面也有负面的，我们希望通过采用新技术，不断提高产品的档次和技术含量，提高开关的智能化水平，赶超国际先进水平；对于电力系统的用户，我们希望能采用智能化开关，积极扶持新产品，从根本上解决电力系统的硬件水平问题，加速电力系统的现代化步伐。只要我们生产厂、科研工作者以及应用领域密切结合，携手共进，我国的开关智能化水平就一定能达到国际前沿水平。