礦用固封式真空斷路器的研究

鄔曉璐

（大同煤礦集團(tuán)機(jī)電裝備科工安全儀器有限責(zé)任公司, 山西 大同 037000）

引言

目前，煤礦井下中高壓真空配電裝置存在分?jǐn)鄷r(shí)間較長(zhǎng)的問題，一旦發(fā)生線路短路故障，極可能引起較大的安全事故。礦用固封式真空斷路器作為煤礦隔爆型高壓真空配電裝置控制和保護(hù)的主要執(zhí)行元件，其性能好壞影響著井下電網(wǎng)的安全和穩(wěn)定[1]。

1 固封式真空斷路器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工作原理

固封式真空斷路器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，主要由真空滅弧室、永磁操作機(jī)構(gòu)、絕緣連接桿、分閘與合閘彈簧、二次控制等部件組成[2]。在煤礦工作過程中的工作原理為：當(dāng)系統(tǒng)處于分閘或短路狀態(tài)時(shí)，觸頭由于操作機(jī)構(gòu)作用向下發(fā)生運(yùn)動(dòng)，并在分離時(shí)產(chǎn)生電弧。觸頭間隙在真空滅弧室高真空度作用下產(chǎn)生縱向磁場(chǎng)，保證了電弧的均勻性和低電壓范圍；當(dāng)電弧電流出現(xiàn)過飄零時(shí)，殘留的離子、電子在磁場(chǎng)作用下凝聚在觸頭表面和屏蔽罩上，滅弧室斷口的絕緣強(qiáng)度的快速恢復(fù)，使電弧熄滅，達(dá)到分?jǐn)嗄康摹?/p>

2 固封式真空斷路器真空滅弧室性能分析

真空滅弧室是真空斷路器的重要組成部分，主要由動(dòng)導(dǎo)電桿、靜導(dǎo)電桿、波紋管、屏蔽筒、觸頭系統(tǒng)等部件組成[3]，采用先進(jìn)的固封極柱式絕緣結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)的復(fù)合絕緣、空氣絕緣相比具有如下特點(diǎn)。

2.1 絕緣性穩(wěn)定

由于真空滅弧室外側(cè)是通過環(huán)氧樹脂固體材料進(jìn)行包裹，可防止煤塵、潮氣等因素對(duì)真空滅弧室的影響；同時(shí)，環(huán)氧樹脂的絕緣強(qiáng)度是空氣的5-6倍，縮小了相間距的距離，保證了該結(jié)構(gòu)具有相對(duì)較穩(wěn)定的絕緣性。

2.2 高可靠性

隨著技術(shù)水平的提高，現(xiàn)有的真空滅弧室與傳統(tǒng)組裝式極柱相比，整體結(jié)構(gòu)的導(dǎo)體搭接面、零部件、連接用緊固件等均有大幅度的減小，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及主回路的裝配環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)，增加了結(jié)構(gòu)的安全保護(hù)性，降低了電阻值，從而提高了主回路連接的可靠性，降低了結(jié)構(gòu)的維修成本。

2.3 高強(qiáng)度性

真空滅弧室主要采用環(huán)氧樹脂一次澆注成型，具有較強(qiáng)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，可作為真空滅弧室的主絕緣體和機(jī)械支撐體，可為真空滅弧室提供更加充分的結(jié)構(gòu)保護(hù)，增加了整體結(jié)構(gòu)的防撞能力。

3 固封式真空斷路器不同類型操作機(jī)構(gòu)性能分析

操作機(jī)構(gòu)作為真空斷路器的重要組成部分，選擇合適類型的操作機(jī)構(gòu)，將直接影響真空斷路器對(duì)煤礦隔爆型高壓真空配電裝置的控制和保護(hù)功能。根據(jù)操作機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和使用功能，將固封式真空斷路器操作機(jī)構(gòu)分為永磁操作機(jī)構(gòu)、彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)、電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)等類型[4]。

3.1 永磁操作機(jī)構(gòu)性能分析

永磁操作機(jī)構(gòu)采用一種全新的工作原理和結(jié)構(gòu)形式，是繼液壓、電氣機(jī)構(gòu)及彈簧之后發(fā)展起來的真空斷路器操作機(jī)構(gòu)，與傳統(tǒng)操作機(jī)構(gòu)相比，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、機(jī)械部件少、累計(jì)運(yùn)動(dòng)公差小等優(yōu)點(diǎn)；同時(shí)，該機(jī)構(gòu)無須機(jī)械脫、鎖扣裝置，傳動(dòng)過程簡(jiǎn)單，零部件數(shù)量較少，整體機(jī)械壽命較長(zhǎng)，超過了10萬次。永磁操作機(jī)構(gòu)主要用于高壓真空斷路器的永磁保持，其性能的優(yōu)劣決定著高壓斷路器分合動(dòng)作的執(zhí)行情況、工作性能及可靠性[5]。通過永磁材料實(shí)現(xiàn)真空斷路器合閘與分閘位置的保持，達(dá)到整個(gè)結(jié)構(gòu)的高可靠性和頻繁操作，適用于各類惡劣環(huán)境場(chǎng)所的穩(wěn)定操作，目前已在真空斷路器中廣泛應(yīng)用。

3.2 彈簧操作機(jī)構(gòu)性能分析

彈簧操作機(jī)構(gòu)利用自身儲(chǔ)能的彈簧力作為驅(qū)動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)開關(guān)進(jìn)行分閘或開閘，也可采用小功率直流電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，在驅(qū)動(dòng)過程中，不受電源電流、電壓或液壓等外界因素影響，合閘速度相對(duì)較快，可快速完成合閘的重復(fù)操作，具有操作方便、機(jī)構(gòu)成本低等優(yōu)點(diǎn)，是真空斷路器中常用的一種操作機(jī)構(gòu)。

3.3 電磁操作機(jī)構(gòu)性能分析

電磁操作機(jī)構(gòu)又稱磁操作機(jī)構(gòu)，主要利用合閘線圈中的電流產(chǎn)生電磁力驅(qū)動(dòng)合閘鐵芯撞擊合閘四連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行合閘的操作機(jī)構(gòu)，其合閘能量完全取決于合閘電流的大小，具有機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、制造成本低等優(yōu)點(diǎn)。但由于合閘線圈消耗的功率太大，需要配備價(jià)格昂貴的蓄電池，整體結(jié)構(gòu)笨重，動(dòng)作時(shí)間較長(zhǎng)。

3.4 不同操作機(jī)構(gòu)性能對(duì)比（見表1）

表1 真空斷路器不同操作機(jī)構(gòu)性能對(duì)比表

4 VEG型固封式真空斷路器的設(shè)計(jì)應(yīng)用

結(jié)合分析選用永磁操作機(jī)構(gòu)，針對(duì)VEG型固封式真空斷路器，結(jié)合企業(yè)實(shí)際產(chǎn)品數(shù)據(jù)，確定了其性能指標(biāo)，并成功應(yīng)用到了煤礦井下環(huán)境中[6]，其主要性能參數(shù)如表2所示。

由表2可知，VEG型固封式真空斷路器具有分?jǐn)嗨俣瓤?、額定電流大、可靠性高、維修成本低等優(yōu)點(diǎn)，可將分?jǐn)鄷r(shí)間降低至10 ms范圍內(nèi)，保證了煤礦井下供電的連續(xù)性。同時(shí)，該設(shè)備的額定短路關(guān)合和開斷電流均有所提高，提高了真空斷路器的開斷能力。另外，額定電流和設(shè)備容量也隨著開采量的增加而呈現(xiàn)變大趨勢(shì)，符合礦下電器設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì)。因此，所設(shè)計(jì)選用的VEG型固封式真空斷路器能夠滿足煤礦井下環(huán)境的實(shí)際需求。

表2 VEG型固封式真空斷路器主要性能參數(shù)表

5 結(jié)論

1）永磁操作機(jī)構(gòu)為性能較好且應(yīng)用較廣的操作機(jī)構(gòu)。

2）選用VEG型固封式真空斷路器，有效解決了煤礦井下中高壓真空配電裝置分?jǐn)鄷r(shí)間較長(zhǎng)的問題。

3）該研究為煤礦企業(yè)提供了參考依據(jù)，對(duì)減小井下事故隱患、提高煤礦電網(wǎng)可靠性和保障人員安全具有重要意義。