小型智能化真空断路器设计

4.1GE的iVB小型智能断路器，额定电流1250A，额定开断电流31.5kA，相间距150mm，断路器宽度480mm，采用低压断路器（以下简称ACB）紧凑型弹簧操作机构，可靠性高；采用优质真空灭弧室及触头元件，固封极柱，免维护，无需监测。低压框架断路器的机构简单、小巧，过压、过流等附件齐全，还配有智能脱扣单元，实现电流、电压监测保护，断路器自动脱扣跳闸，可实现四组常规分合闸、欠压、过流线圈配置，及网络闭锁线圈实现断路器之间的互锁，快速脱扣装置需要时可实现断路器的快速分闸。因此采用低压框架式断路器机构作为小型化、智能化中压断路器不失为一种方案。

采用低压断路器机构的好处有以下几点：

（1）机构小巧，重量轻；

（2）价格低廉，加上电机单元价格在500元左右，由于低压断路器数量巨大，操作机构已形成规模化生产，中压断路器采用低压机构可以进一步平摊成本；

（3）低压机构的欠压，过流线圈、钥匙锁、按钮挂锁盖等附件齐全，使用方便；

（4）低压机构和脱扣保护单元配合，实时监测过流过压信号，自动脱扣。

采用低压机构优点明显，缺点是低压机构的输出功小，不能满足真空灭弧室合闸所需的能量。因此低压机构、保护单元集成到中压断路器上，需要解决以下问题：

（1）低压机构输出功小，低压机构的主轴在断路器上部；

（2）保护脱扣单元的供电问题；

（3）电流传感器的绝缘问题，ACB的罗氏线圈采用增强塑料固封形式，工频耐压3kV，冲击耐压12kV，比12kV断路器要求的工频42kV要低的多，因此必须优化电场设计，即可以方便安装，又不会影响性能。

4.2 机械传动设计

低压断路器由于采用灭弧栅灭弧，操作机构所需能量小，ACB的合闸能量一般为90焦耳，以DW45操作机构为例，采用三根弹簧，虽然三根弹簧直径分别为3、5、6mm，但由于做功压缩距离只有25mm，因此计算下来弹簧能量为90焦耳。

根据断路器对操动机构合闸功能的要求，其输出力特性应符合下列条件：

（1）起始输出力应大于系统的起始阻力(两者等效到同一构件上的等效力)，否则，运动系统不能动作；

（2）输出功必须大于断路器所需的合闸功，否则，合闸不能到位；

（3）具有合适的输出力特性，以获得较好的合闸速度特性；

4.2.1初始条件

（1）采用低压框架断路器GACB操作机构，低压断路器机构主轴位于断路器中上部；

（2）作用在主轴上的最大允许扭矩限制为 70 Nm。过大的扭矩会导致低能量脱扣线圈或分闸线圈脱扣力无法脱扣断路器。因此，操作机构和分闸弹簧所需的最大扭矩不超过 70Nm；

（3）低压框架断路器的GACB操作机构的储能由两根压缩弹簧组成，总能量165.5焦耳，可以满足中压断路器合闸能量的要求；

（4）真空灭弧室触头压力3100N；

（1）断路器开距+超行程=8+3=11mm;

超行程指当真空灭弧室的动触头由分闸位置运动到动静触头接触后，断路器的触头弹簧被压缩的位移。开距和超行程之和即为行程 。超行程 的作用：（a）保证触头在一定程度的磨损后仍保持一定的接触压力；（b）在触头闭合时提供缓冲，减少弹跳；（c）分闸时，提供一定的初始速度。

4.2.2 设计计算

（1）触头压力计算

触头弹簧采用22片碟簧组合设计，安装在绝缘拉杆内部。

单个碟簧自由高度：2.45mm

22片自由高度：2.45×22=53.9mm

根据碟簧的变形压力曲线得知：压缩0.41mm时力为3100N;

22片共压缩量 0.41×22=9.02mm

超程3mm后，要满足3100N的触头压力要求，

初始压缩量为 9.02-3=6.02mm，对应的压缩力为2169N,

因此得出，对于新的灭弧室，触头压力:

平均值=3400 N (4 mm 超程)

最大值= 3730 N (5 mm 超程)

最小值 = 3100 N (3 mm 超程)

灭弧室触头3mm磨损后，触头压力:

平均值=2450 N (4 mm 超程)

最大值=2771 N (5 mm 超程)

最小值= 2169 N (3 mm 超程)

（2）分合闸所需能量计算

克服压缩触头弹簧操作机构所需能量计算如下，压缩触头弹簧能量由2部分组成。真空断路器合闸能量计算见图5。

图5 真空断路器合闸能量

合闸所需能量计算：

区域1=1/2×(11.02-6.02) ×(3730-2169)/1000=3.9焦耳

区域2=2169×（11.02-6.02）/1000=10.85焦耳

单相总能量=3.9+10.85=14.75焦耳

3相总能量=14.75×3=44.25焦耳

分闸所需能量计算

触头弹簧分闸时的能量释放及做功，见图6。

图 6 真空断路器触 头弹簧做功

区域1= 1/2×(12-11) ×(3400-3100) /1000=0.15 焦耳

区域2 = 3100×(12-11)/1000=3.1 焦耳

总能量 = 0.15+3.1 = 3.25 焦耳

分闸弹簧能量

假定每相运动部件的等效质量15kg，初始分闸速度1.1m/s，

因此要保证分闸速度所需要能量计算如下：

Pr=1/2×15×1.1 ² =9.08焦耳

所需能量去除触头弹簧分闸释放的能量即为分闸弹簧还需提供的能量

Pon=6.05-3.25 = 2.8 Nm

三相一共还需要的能量2.8×3 = 8.4焦耳

以此为基础计算、设计分闸弹簧直径尺寸等参数。

4.3智能化集成设计

4.3.1电流传感器的绝缘设计

智能保护脱扣单元采用自供电模式，即电源由套在出线侧的电流互感器提供，出线侧还套有罗氏线圈电流传感器，为保护单元提供信号，和低压框架断路器相同，采用罗氏线圈作为电流传感器与电子保护单元配合，基于罗氏线圈原理传感器采用空气骨架，避免磁饱和，无二次开路危险，测量范围广，线性度好，一种规格实现全范围测量。智能型断路器系统的示意框图，见图7。

电流传感器参数：

测量精度1级(满足IEC60044-8标准)；

保护精度，传感器在1500%额定电流（1250A）范围内(短延时最大限度)提供± 1%的精度；

1500%额定电流到额定开断电流31.5kA提供± 3% 的精度。

图7  智能型 断路器系统的示意框图

电流传感器的触臂安装采用非固封结构，方便安装、更换，通过胶囊式内带接地屏蔽结构，优化绝缘设计、电场分析，顺利通过耐压45kV 1分钟工频耐压试验，及85kV雷电冲击耐压试验。电流传感器绝缘布置，见图8。

图 8 电流传感器绝缘布置

4.3.2电子脱口器的集成

断路器机构箱内集成EntelliGuard?TU 电子保护单元。负责监控一次回路中电流及电压信号，并提供对一次回路电流、电压、频率、功率等的测量和保护、诊断以及通讯功能。电流信号通过罗氏线圈电流传感器测量输出信号150mV直接与保护单元相连，电压信号通过航空插头将电压互感器测量电压引进保护单元，需要把100V的电压信号降低到1.58V供保护单元使用，保护单元的电源是直流24V，通过航空插头直流电源供电。智能脱扣器主要特点如下：

（1）LCD显示和下拉式菜单、触摸式按键，便于显示参数和参数设置；

（2）故障记录和波形捕捉、数据记录；

（3）Modbus通讯协议，选配HMI通讯管理器，可以与上级实现IEC61850通讯，满足智能电网通讯规约要求；

（4）完整的保护曲线，可实现线路、电缆、变压器、电容器等保护。

4.3.3低能量脱扣线圈

低能耗脱扣线圈（双稳态线圈）是一种类似螺线管的设备。它具有一个装有弹簧的柱塞，该柱塞被一个永磁铁保持在适当的位置。当电子保护装置释放时，它会产生一个电流脉冲，该电流脉冲会立即打破永磁铁的磁场平衡，从而使弹簧将柱塞移向脱扣位置并脱扣断路器。低能量脱扣线圈直接作用在断路器主轴上，脱扣时间短，所需能量小，在电子脱扣器没有电源的情况下，也可完成断路器跳闸，实现短路故障时无源自脱扣保护。

4.4试验验证

iVB除完成普通断路器的型式试验外，还通过了电磁兼容实验，包括冲击电压试验、电快速瞬变脉冲群试验、振荡波抗扰性试验等；以及传感器采集电流信号，由电子脱扣驱动断路器脱扣试验及由电子脱扣器驱动的断路器1000次机械寿命试验。

5. 结语

小型智能化真空断路器的优势显著，通过精细化、小型化设计以及智能化高度集成实现开关的节能环保、智能可靠。而真正要做到小型智能并不容易，不是简单的把相间距等尺寸缩小，把温升等监测传感器集成到断路器上就是小型智能，需要对操作机构、真空灭弧室、一次回路绝缘、智能化设计等全新设计。真空灭弧室需要小型化，对触头进行尺寸小、重量轻、触头压力小等优化，这样才能降低对操作机构能量的要求，进而采用小型化、模块化操作机构。而智能化集成需要和操作机构高度集成，低能量脱扣线圈实现断路器的自主保护跳闸，数值化信号微机处理，多种类、多功能的附件实现断路器间的系统保护、互锁。断路器的小型、智能化可以进而实现开关设备的小型化、模块化、智能化，使配电应用更加灵活、更加安全可靠、低碳环保。