单相磁操作机构真空断路器及智能真空断路器系统的利记博彩app
【专利摘要】本实用新型涉及一种单相磁操作机构真空断路器及包括该断路器和驱动控制器的智能真空断路器系统，该断路器的磁操作机构包括筒形导磁环，连接在导磁环上、下两端的上、下磁轭，磁回路组件，可动磁芯，激磁线圈，分闸弹簧和触头压力弹簧，激磁线圈设置在导磁环内，可动磁芯的至少上部位于激磁线圈的内孔所限定的柱状空间内，可动磁芯中上下贯穿有输出杆，输出杆上端与动触头连接，分闸弹簧和触头压力弹簧同轴套在输出杆上，下端均抵在可动磁芯上，分闸弹簧的上端抵在上磁轭上，触头压力弹簧的上端与输出杆相对固定。本实用新型结构简单、造价低，无合闸弹跳，能长期保持磁性，可以实现选相操作和在线自我监测，能满足智能电网的使用要求。
【专利说明】单相磁操作机构真空断路器及智能真空断路器系统
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种采用永磁操作机构的单相真空断路器以及包含该断路器的智能系统，属于高压开关设备领域，可用于电力3.6KV-40.5KV线路，用来关合负荷电流、短路故障电流，同时也能在国家标准GB1984规定的时间内承受短路及峰值电流。
【背景技术】
[0002]现有断路器具有如下特点:(I)操作机构为弹簧储能操作机构或者为钕铁硼永磁操作机构。弹簧储能操作机构的机械部件多，容易出现机械故障，从而给电力系统运行造成隐患，且合闸有弹跳。而钕铁硼永磁操作机构在运行中的退磁率非常高，可能会导致机构失效；分合闸放电电容非常大，高达几十万微法，因此对操作电源容量的要求比较高，并且这样大的电容容量，会存在安全隐患；另外，由于用到稀土材料，成本较高。(2)—个操作机构同时拖动3相断路器来操作，操作功非常大，且无法实现选相操作，无法满足智能电网的选相操作要求。(3)操作机构与真空灭弧单元为前后布置，前后方向占用空间较大，且二者间通过由拐臂、连杆等零件组成的传动机构联动，对操作机构与真空灭弧单元的同轴度要求较高。(4)不能在线监测自身的运行状态，无法满足智能电网的要求。
【发明内容】
[0003]为了克服现有技术下的上述缺陷，本实用新型的目的在于提供一种单相磁操作机构真空断路器，结构简单、材料和制造成本低，可以实现选相操作和在线自我监测，能满足智能电网的使用要求。
[0004]本实用新型的技术方案是:
[0005]一种单相磁操作机构真空断路器，包括磁操作机构和带绝缘外壳的高压一次导电部分，其特征在于所述高压一次导电部分包括真空灭弧室、上出线端和下接线端，所述上出线端和下接线端伸出所述绝缘外壳，所述磁操作机构包括磁回路组件、可动磁芯、激磁线圈、分闸弹簧和触头压力弹簧，所述磁回路组件设有筒形导磁环和分别连接在所述导磁环上、下两端的上磁轭和下磁轭，所述激磁线圈环形布置在所述导磁环内，所述可动磁芯的至少上部位于所述激磁线圈的内孔所限定的柱状空间内，并与所述激磁线圈间存在空隙，所述可动磁芯中上下贯穿有输出杆，所述输出杆向上延伸穿出所述上磁轭并与所述真空灭弧室的动触头连接，所述分闸弹簧和触头压力弹簧同轴套设在所述输出杆上，二者的下端均抵在所述可动磁芯上，所述分闸弹簧的上端抵在所述上磁轭上，所述触头压力弹簧的上端与所述输出杆相对固定。
[0006]所述可动磁芯与所述磁回路组件之间的设置方式可以是下列任意一种:(I)所述可动磁芯完全位于所述磁回路组件内；(2)所述下磁轭设有中央通孔，所述可动磁芯贯穿所述中央通孔，所述可动磁芯的上部位于所述磁回路组件内，下部位于所述磁回路组件外。
[0007]所述可动磁芯与所述磁回路组件之间采用设置方式(2)的情况下，所述可动磁芯设有其径向最大线性尺寸大于所述中央通孔当量直径的凸缘，或者，所述磁回路组件内的中下部可以设有避免可动磁芯向下脱出所述磁回路组件的磁芯下行限位件。
[0008]所述单相磁操作机构真空断路器还包括直动操作绝缘杆，所述动触头、直动操作绝缘杆和输出杆优选由上至下依次同轴连接。
[0009]所述可动磁芯可以为一体式结构或者分体式结构，当为分体式结构时，所述可动磁芯可以包括上下固定连接的磁芯主体和磁芯底座。
[0010]所述触头压力弹簧的上端与所述输出杆相对固定的方式可以为下列任意一种:(I)所述输出杆上设有凸缘，使所述触头压力弹簧的上端抵在该凸缘的下表面上；(2)所述输出杆上设有上大下小的台肩，或者所述输出杆为上大下小的阶梯轴结构，阶梯处形成台肩，将触头压力弹簧的上端抵在台肩的环形平面上；(3)所述输出杆上设有环槽，环槽内安装有环形挡片，使所述触头压力弹簧的上端抵在所述挡片的下环面上。
[0011]对于前述任意一种所述单相磁操作机构真空断路器，所述可动磁芯的部分或全部采用磁硬化的FeGa磁致伸缩合金制成。
[0012]一种智能真空断路器系统，包括前述任意一种所述的单相磁操作机构真空断路器，还设有驱动控制器，所述驱动控制器可以包括中央处理单元、输入单元、状态检测单元、放电单元和为所述中央处理单元供电的电源，所述输入单元和状态检测单元的输出分别接入所述中央处理单元，所述中央处理单元则输出送至所述放电单元，所述放电单元的放电输出端与所述单相磁操作机构真空断路器的激磁线圈的电气回路电连接。
[0013]所述驱动控制器还可以包括与所述中央处理单元连接的通信单元，所述通信单元设有通信接口，所述状态检测单元包括检测所述激磁线圈所在电气回路电压、电流的检测元器件，检测所述电源输出线路电压、电流的检测元器件，以及检测分合闸位置的检测元器件和/或检测合闸回路电流的检测元器件。
[0014]所述智能真空断路器系统可以包括三个所述单相磁操作机构真空断路器，相应的三个所述激磁线圈的电气连接关系可以为下列任意一种:(I)三个所述激磁线圈的电气回路并联；(2)任意两个所述激磁线圈的电气回路串联，并与另外一个所述激磁线圈的电气回路并联；(3)任意两个所述激磁线圈的电气回路并联，并与另外一个所述激磁线圈的电气回路串联。
[0015]本实用新型的有益效果为:
[0016](I)以单相操作为基础，可实现选相操作，这也是今后智能电网的发展方向。用户可以根据需要来实现三相同步操作，只需使用该实用新型的3个单相断路器，把激磁线圈并联即可。
[0017](2)传统钕铁硼的机构分合闸电流一般都在几十安培甚至上百安培，而本实用新型的单相合闸操作电流峰值最大6A，分闸的驱动电流只有0.3A，而驱动器的待机功率只有几瓦。
[0018](3)对于磁驱动操作机构，它的退磁率只有传统钕铁硼机构退磁率的1%。传统钕铁硼的磁保持力在3到5年后会下降到70%左右，因此需要人工对机构做调整。而本机构的退磁率只有万分之五，即使100年后，它的磁力仍然可以达到99.5%，因此该断路器在使用寿命内不需要人为做任何调整。并且驱动控制器独有的充磁技术，会使整个机构的磁力永远保持在100%的状态下。
[0019](4)由于本断路器为上下布置，操作机构与灭弧单元垂直同轴，在进行分合闸操作时不存在同轴度的影响，因此对开断、关合短路电流具有很好的改善作用。而传统的断路器都为操作机构与灭弧单元前后布置，通过拐臂、连杆等机械部件传递操作功到灭弧单元，这样的出力机构具有同轴的要求，这个因素对断路器的开断瑞特性有一定影响。
[0020](5)本断路器本体由于可动的部件非常少，只有I个，和传统弹簧操作机构以及钕铁硼操作机构几十个甚至上百了活动部件相比，机械可靠性得到了极大提高。同时由于操作机构与灭弧单元的上下布置，使整个断路器系统体积和重量只有传统的1/3。
[0021](6)驱动控制器具有自我监测功能，诸如:辅助电源失电、操作命令与断路器状态不一致、激磁回路开路、短路、手动分闸报警，该驱动控制器都可以实现，并给后台提供故障信号接口。
[0022](7)在整个寿命周期内，无合闸弹跳。
[0023](8)可以实现手动合闸功能，方便用户现场安装调试。通过手摇发电机，对手动合闸模块充电，然后自动执行合闸操作。
[0024](9)断路器具有防跳闭锁功能，本实用新型的独特之处在于，该功能不与继电保护的防跳闭锁相冲突，而传统断路器的防跳闭锁与机电保护配合使用时，需要去掉一方的防跳闭锁功能。
[0025](10)由于结构简单，控制精确，因此分合闸时间的分散性非常小，在±0.5毫秒内。
【专利附图】
【附图说明】
[0026]图1是本实用新型的单相磁操作机构真空断路器的一个实施例的结构示意图；
[0027]图2是本实用新型的智能真空断路器系统的驱动控制器原理框图；
[0028]图3是本实用新型的智能真空断路器系统的一个实施例的驱动控制框图；
[0029]图4是本实用新型的智能真空断路器系统的三相同期操作实施例的结构示意图。
【具体实施方式】
[0030]如图1所示，本实用新型提供了一种单相磁操作机构真空断路器，包括高压一次导电部分1、直动操作绝缘杆2和非稀土材料制成的磁驱动操作机构(以下简称为磁操作机构)3和包裹在高压一次导电部分和直动操作绝缘杆之外的绝缘外壳。其中高压一次导电部分包括上出线端11、真空灭弧室12、软连接13和下接线端14，所述上出线端和下接线端伸出所述绝缘外壳，所述真空灭弧室、直动操作绝缘杆和磁操作机构由上至下依次布置，所述真空灭弧室的动触头、直动操作绝缘杆和输出杆由上至下依次同轴连接。磁操作机构3包括磁回路组件、可动磁芯、激磁线圈5、分闸弹簧9和触头压力弹簧10，所述磁回路组件设有筒形导磁环6和分别连接在所述导磁环上、下两端的上磁轭4和下磁轭7，所述激磁线圈环形布置在所述磁回路组件内，例如可以位于所述导磁环内靠近上端的内壁处，所述可动磁芯的至少上部位于所述激磁线圈的内孔所限定的柱状空间内，并与所述激磁线圈间存在空隙，以不妨碍所述可动磁芯的上下往复运动，所述可动磁芯中上下贯穿有输出杆，且所述输出杆可相对所述可动磁芯上下运动。所述输出杆的上端穿出所述上磁轭，并与所述直动操作绝缘杆固定连接，所述直动操作绝缘杆的上端与所述真空灭弧室的动触头连接，所述输出杆上下运动可以带动所述直动操作绝缘杆上下运动，从而带动所述真空灭弧室的触头闭合或打开，实现对电力线路的故障电流、负荷电流的开断或关合功能。当然，所述输出杆与所述直动操作绝缘杆也可以是呈一体的同一个零件。
[0031]所述分闸弹簧和触头压力弹簧同轴套设在所述输出杆上，所述分闸弹簧的上端抵在所述上磁轭的下表面，下端抵在所述可动磁芯上。所述触头压力弹簧的上端与所述输出杆相对固定，下端抵在所述可动磁芯上。进一步地，所述上磁轭的下表面可设有浅槽，所述分闸弹簧的上端可抵在所述浅槽的底面上。
[0032]所述单相磁操作机构真空断路器的工作过程为:断路器处于分闸位置等待合闸命令；收到合闸命令后，给激磁线圈施加正方向的激磁电流,所产生磁场带动可动磁芯向上运动，同时所述分闸弹簧和触头压力弹簧被进一步压缩储能，其中触头压力弹簧的弹力释放推动输出杆向上移动，当可动磁芯上行大部分行程后，动触头运动到刚合位置，由于激磁电流仍然存在，可动磁芯继续上移，当可动磁芯向上走完剩余行程时，可动磁芯完全与上磁轭接触，同时动触头上达到与静触头可靠接触、严密贴合，完成整个合闸过程。停止施加激磁电流，断路器依靠永磁力保持在合闸位置。当激磁线圈被注入非常小的反向退磁电流时，磁操作机构的磁平衡被打破，分闸弹簧释放，分闸弹簧的反力驱动可动磁芯带动动触头向下运动，实现断路器分闸，在此过程中，动触头先达到刚分位置，之后伴随其继续下行，动触头开始灭弧，行程结束后保持在分闸位置。合闸过程中，触头压力弹簧对动触头始终存在压力，不仅起到推动动触头移动的作用，还起到减缓或消除触头合闸弹跳的作用。
[0033]可动磁芯的行程、触头压力弹簧的结构尺寸和弹性系数等参数的选取最好满足如下要求:所述可动磁芯向上运动全行程的60%-80%时所述触头压力弹簧所积蓄的弹力可推动动触头运动到刚合位置，即以可动磁芯上行末端的20%-40%行程来满足断路器的超程需要。
[0034]所述触头压力弹簧的上端与所述输出杆相对固定可以采用如下几种方式:(I)采用其上设置了一段凸缘的输出杆，使触头压力弹簧的上端抵在该凸缘的下表面上；(2)在输出杆上某处加工出一个上大下小的台肩，或者将输出杆加工成上大下小的阶梯轴结构，阶梯处形成台肩，将触头压力弹簧的上端抵在台肩的环形平面上；(3)在输出杆上某处加工出一环槽，环槽内安装环形挡片，使所述触头压力弹簧的上端抵在所述挡片的下环面上。
[0035]本实施例中，所述下磁轭设有中央通孔，所述可动磁芯贯穿所述中央通孔，所述可动磁芯的上部位于所述磁回路组件内，下部位于所述磁回路组件外。当然，也可以使所述可动磁芯以及位于其下部随其动作的全部零件完全位于所述磁回路组件内，相比前一种情况，缺点是所述磁回路组件需要做得较高，占用空间较大。
[0036]为了避免可动磁芯从下方脱出所述磁回路组件，可以在可动磁芯上设置其径向最大线性尺寸大于所述中央通孔当量直径的凸缘，用该凸缘作为限位结构；也可以在所述磁回路组件内(如中下部)设置磁芯下行限位件，例如带有中心通孔的环形圆台或锥台，利用所述圆台或锥台与所述凸缘的接触限制所述可动磁芯继续下行，所述磁芯下行限位件的上表面与所述上磁轭的下表面之间的距离决定了可动磁芯的行程，此时，仅要求所述凸缘的径向最大线性尺寸大于所述中心通孔的当量直径即可。当然，所述磁芯下行限位件也可以是非旋转体结构，且所述磁芯下行限位件既可以是单独的一个零件，也可以是与下磁轭一体的同一零件。
[0037]所述可动磁芯可以为一体式结构，也可以为分体式结构。本实施例采用的分体式结构，所述可动磁芯包括上下固定连接的磁芯主体8和磁芯底座，所述输出杆的下端穿过所述磁芯底座。这种结构下，所述分闸弹簧和触头压力弹簧的下端抵在所述磁芯底座上。
[0038]本实用新型中，所述可动磁芯的部分或全部采用磁硬化的FeGa磁致伸缩合金制成，对于前述分体结构的可动磁芯来说，优选为磁芯主体采用磁硬化的FeGa磁致伸缩合金制成。
[0039]本实用新型采用的磁操作机构使用非稀有金属，摆脱了传统永磁机构的使用稀土材料的局限性，制造成本得到显著的降低；退磁率只有传统钕铁硼操作机构的1%，极大的提高了供电系统的可靠性；另外，可通过自动控制给磁操作机构自动充磁，避免由于断路器长期带电不操作而退磁。
[0040]如图2、3所示，本实用新型还提供了一种智能真空断路器系统，包括前述的任意一种所述的单相磁操作机构真空断路器以及驱动控制器，所述驱动控制器包括中央处理单元、输入单元、状态检测单元、放电单元和为所述中央处理单元供电的电源，所述输入单元和状态检测单元的输出分别接入所述中央处理单元，所述中央处理单元则输出送至所述放电单元，所述放电单元的放电输出端与所述单相磁操作机构真空断路器的激磁线圈的电气回路电连接。所述驱动控制器实现了整个断路器系统的控制、驱动、自我监测功能。其中，放电单元用来对所述激磁线圈放电，施加正向激磁电流或反向退磁电流。所述电源可以是开关电源，其输入电源可以是交直流两用，电压范围为AC:80V到265V，DC:80V到300V。中央处理单元是整个系统的大脑，它可以实现对整个系统的监测、控制、命令执行。
[0041]所述驱动控制器还可以包括与所述中央处理单元连接的通信单元，所述通信单元设有通信接口，如串口、网络接口等。所述状态检测单元包括检测所述激磁线圈所在电气回路电压、电流的检测元器件，检测所述电源输出线路电压、电流的检测元器件，以及检测分合闸位置的检测元器件和/或检测合闸回路电流的检测元器件，以实现断路器运行状态的在线监测，检测激磁线圈开路、短路、电源失电以及不正常的操作状态。根据用户需要，使用不同的功能插件板即可。选相功能插件可以实现对线路电压过零的检测，进而实现相控操作。通信功能插件可以实现断路器状态的信息上传，它支持主流的通信协议。
[0042]当执行完合闸操作后，驱动控制器进入系统自检状态，可以检测包括:辅助电源掉电、操作命令与断路器状态不一致、激磁回路开路、短路、手动分闸等外部故障。同时驱动控制器上电后会向所述磁操作机构在线充磁，来保证磁力处于100%的状态。
[0043]所述智能真空断路器系统可以包括三个所述单相磁操作机构真空断路器，相应的三个所述激磁线圈的电气连接关系可以为下列任意一种:(I)三个所述激磁线圈的电气回路并联；(2)任意两个所述激磁线圈的电气回路串联，并与另外一个所述激磁线圈电气回路并联；(3)任意两个所述激磁线圈的电气回路并联，并与另外一个所述激磁线圈电气回路串联。由此实现选相操作，AB+C操作或者通过同期连杆实现三相同步操作(参见图4)。以三相同步操作为例，只需把激磁线圈电气回路并联，把三个单相断路器固定在一个框架上，即可以实现同期操作，并且同期满足国标要求，每一相的相间距可以灵活调整，加上手动分闸连杆可以实现手动分闸，以及与隔离开关实现连锁。
[0044]此外，本实用新型的断路器可适应4-18mm的真空灭弧室触头开距；所述驱动控制器可设置有防跳闭锁功能。所述断路器还可设置手动分、合闸装置，手动合闸装置包括专用手摇发电机和手动合闸放电驱动模块，当变电站无辅助电源时，可以使用该装置来手动合闸。
[0045]本实用新型可以用于常规断路器方案，也可用在电容无功补偿的选相过零操作、变电站消弧线圈的单极开关、进出线变压器的过零投切方案等。本实用新型可用于电力网10-40.5KV系统，可以用在SF6充气柜、固定柜、手车柜、固体绝缘柜等。应用领域除常规领域外，还可用于舰船、航空航天等要求体积小的领域。
[0046]本实用新型所称的“上、下”、“竖直方向”和“前后方向”仅仅是为说明组成本实用新型的各部分间的相对位置关系，并不构成对本实用新型的各部分的绝对方位的限定。
【权利要求】
1.一种单相磁操作机构真空断路器，包括磁操作机构和带绝缘外壳的高压一次导电部分，其特征在于所述高压一次导电部分包括真空灭弧室、上出线端和下接线端，所述上出线端和下接线端伸出所述绝缘外壳，所述磁操作机构包括磁回路组件、可动磁芯、激磁线圈、分闸弹簧和触头压力弹簧，所述磁回路组件设有筒形导磁环和分别连接在所述导磁环上、下两端的上磁轭和下磁轭，所述激磁线圈环形布置在所述导磁环内，所述可动磁芯的至少上部位于所述激磁线圈的内孔所限定的柱状空间内，并与所述激磁线圈间存在空隙，所述可动磁芯中上下贯穿有输出杆，所述输出杆向上延伸穿出所述上磁轭并与所述真空灭弧室的动触头连接，所述分闸弹簧和触头压力弹簧同轴套设在所述输出杆上，二者的下端均抵在所述可动磁芯上，所述分闸弹簧的上端抵在所述上磁轭上，所述触头压力弹簧的上端与所述输出杆相对固定。
2.如权利要求1所述的单相磁操作机构真空断路器，其特征在于所述可动磁芯与所述磁回路组件之间的设置方式为以下任意一种:(I)所述可动磁芯完全位于所述磁回路组件内；(2)所述下磁轭设有中央通孔，所述可动磁芯贯穿所述中央通孔，所述可动磁芯的上部位于所述磁回路组件内。
3.如权利要求2所述的单相磁操作机构真空断路器，其特征在于所述可动磁芯与所述磁回路组件之间采用设置方式(2)的情况下，所述可动磁芯设有其径向最大线性尺寸大于所述中央通孔当量直径的凸缘，或者，所述磁回路组件内设有避免可动磁芯向下脱出所述磁回路组件的磁芯下行限位件。
4.如权利要求1所述的单相磁操作机构真空断路器，其特征在于还包括直动操作绝缘杆，所述动触头、直动操作绝缘杆和输出杆由上至下依次同轴连接。
5.如权利要求4所述的单相磁操作机构真空断路器，其特征在于所述可动磁芯为一体式结构或者分体式结构，当为分体式结构时，所述可动磁芯包括上下固定连接的磁芯主体和磁芯底座。
6.如权利要求5所述的单相磁操作机构真空断路器，其特征在于所述触头压力弹簧的上端与所述输出杆相对固定的方式为下列任意一种:(I)所述输出杆上设有凸缘，使所述触头压力弹簧的上端抵在该凸缘的下表面上；(2)所述输出杆上设有上大下小的台肩，或者所述输出杆为上大下小的阶梯轴结构，阶梯处形成台肩，将触头压力弹簧的上端抵在台肩的环形平面上；(3)所述输出杆上设有环槽，环槽内安装有环形挡片，使所述触头压力弹簧的上端抵在所述挡片的下环面上。
7.如权利要求1、2、3、4、5或6所述的单相磁操作机构真空断路器，其特征在于所述可动磁芯的部分或全部采用磁硬化的FeGa磁致伸缩合金制成。
8.一种智能真空断路器系统，包括权利要求1-7中任一权利要求所述的单相磁操作机构真空断路器，还设有驱动控制器，所述驱动控制器包括中央处理单元、输入单元、状态检测单元、放电单元和为所述中央处理单元供电的电源，所述输入单元和状态检测单元的输出分别接入所述中央处理单元，所述中央处理单元则输出送至所述放电单元，所述放电单元的放电输出端与所述单相磁操作机构真空断路器的激磁线圈的电气回路电连接。
9.如权利要求8所述的智能真空断路器系统，其特征在于所述驱动控制器还包括与所述中央处理单元连接的通信单元，所述通信单元设有通信接口，所述状态检测单元包括检测所述激磁线圈所在电气回路电压、电流的检测元器件，检测所述电源输出线路电压、电流的检测元器件，以及检测分合闸位置的检测元器件和/或检测合闸回路电流的检测元器件。
10.如权利要求8或9所述的智能真空断路器系统，其特征在于所述单相磁操作机构真空断路器有三个，相应的三个所述激磁线圈的电气连接关系为下列任意一种:(1)三个所述激磁线圈的电气回路并联；(2)任意两个所述激磁线圈的电气回路串联，并与另外一个所述激磁线圈的电气回路并联；(3)任意两个所述激磁线圈的电气回路并联，并与另外一个所述激磁线圈的电气 回路串联。
【文档编号】H01H33/66GK203799951SQ201420054187
【公开日】2014年8月27日 申请日期:2014年1月28日 优先权日:2014年1月28日
【发明者】张兆先, 张国成 申请人:北京麦吉凯科技有限公司