矿用固封式真空断路器的研究

引言

目前，煤矿井下中高压真空配电装置存在分断时间较长的问题，一旦发生线路短路故障，极可能引起较大的安全事故。矿用固封式真空断路器作为煤矿隔爆型高压真空配电装置控制和保护的主要执行元件，其性能好坏影响着井下电网的安全和稳定[1]。

1 固封式真空断路器结构特点及工作原理

固封式真空断路器结构简单，主要由真空灭弧室、永磁操作机构、绝缘连接杆、分闸与合闸弹簧、二次控制等部件组成[2]。在煤矿工作过程中的工作原理为：当系统处于分闸或短路状态时，触头由于操作机构作用向下发生运动，并在分离时产生电弧。触头间隙在真空灭弧室高真空度作用下产生纵向磁场，保证了电弧的均匀性和低电压范围；当电弧电流出现过飘零时，残留的离子、电子在磁场作用下凝聚在触头表面和屏蔽罩上，灭弧室断口的绝缘强度的快速恢复，使电弧熄灭，达到分断目的。

2 固封式真空断路器真空灭弧室性能分析

真空灭弧室是真空断路器的重要组成部分，主要由动导电杆、静导电杆、波纹管、屏蔽筒、触头系统等部件组成[3]，采用先进的固封极柱式绝缘结构，与传统的复合绝缘、空气绝缘相比具有如下特点。

2.1 绝缘性稳定

由于真空灭弧室外侧是通过环氧树脂固体材料进行包裹，可防止煤尘、潮气等因素对真空灭弧室的影响；同时，环氧树脂的绝缘强度是空气的5-6倍，缩小了相间距的距离，保证了该结构具有相对较稳定的绝缘性。

2.2 高可靠性

随着技术水平的提高，现有的真空灭弧室与传统组装式极柱相比，整体结构的导体搭接面、零部件、连接用紧固件等均有大幅度的减小，简化了系统结构及主回路的装配环节设计，增加了结构的安全保护性，降低了电阻值，从而提高了主回路连接的可靠性，降低了结构的维修成本。

2.3 高强度性

真空灭弧室主要采用环氧树脂一次浇注成型，具有较强的结构强度，可作为真空灭弧室的主绝缘体和机械支撑体，可为真空灭弧室提供更加充分的结构保护，增加了整体结构的防撞能力。

3 固封式真空断路器不同类型操作机构性能分析

操作机构作为真空断路器的重要组成部分，选择合适类型的操作机构，将直接影响真空断路器对煤矿隔爆型高压真空配电装置的控制和保护功能。根据操作机构结构特点和使用功能，将固封式真空断路器操作机构分为永磁操作机构、弹簧操动机构、电磁操动机构等类型[4]。

3.1 永磁操作机构性能分析

永磁操作机构采用一种全新的工作原理和结构形式，是继液压、电气机构及弹簧之后发展起来的真空断路器操作机构，与传统操作机构相比，具有结构简单、机械部件少、累计运动公差小等优点；同时，该机构无须机械脱、锁扣装置，传动过程简单，零部件数量较少，整体机械寿命较长，超过了10万次。永磁操作机构主要用于高压真空断路器的永磁保持，其性能的优劣决定着高压断路器分合动作的执行情况、工作性能及可靠性[5]。通过永磁材料实现真空断路器合闸与分闸位置的保持，达到整个结构的高可靠性和频繁操作，适用于各类恶劣环境场所的稳定操作，目前已在真空断路器中广泛应用。

3.2 弹簧操作机构性能分析

弹簧操作机构利用自身储能的弹簧力作为驱动力，驱动开关进行分闸或开闸，也可采用小功率直流电机进行驱动，在驱动过程中，不受电源电流、电压或液压等外界因素影响，合闸速度相对较快，可快速完成合闸的重复操作，具有操作方便、机构成本低等优点，是真空断路器中常用的一种操作机构。

3.3 电磁操作机构性能分析

电磁操作机构又称磁操作机构，主要利用合闸线圈中的电流产生电磁力驱动合闸铁芯撞击合闸四连杆机构进行合闸的操作机构，其合闸能量完全取决于合闸电流的大小，具有机构简单、可靠性高、制造成本低等优点。但由于合闸线圈消耗的功率太大，需要配备价格昂贵的蓄电池，整体结构笨重，动作时间较长。

3.4 不同操作机构性能对比（见表1）

表1 真空断路器不同操作机构性能对比表

4 VEG型固封式真空断路器的设计应用

结合分析选用永磁操作机构，针对VEG型固封式真空断路器，结合企业实际产品数据，确定了其性能指标，并成功应用到了煤矿井下环境中[6]，其主要性能参数如表2所示。

由表2可知，VEG型固封式真空断路器具有分断速度快、额定电流大、可靠性高、维修成本低等优点，可将分断时间降低至10 ms范围内，保证了煤矿井下供电的连续性。同时，该设备的额定短路关合和开断电流均有所提高，提高了真空断路器的开断能力。另外，额定电流和设备容量也随着开采量的增加而呈现变大趋势，符合矿下电器设备的发展趋势。因此，所设计选用的VEG型固封式真空断路器能够满足煤矿井下环境的实际需求。

表2 VEG型固封式真空断路器主要性能参数表

5 结论

1）永磁操作机构为性能较好且应用较广的操作机构。

2）选用VEG型固封式真空断路器，有效解决了煤矿井下中高压真空配电装置分断时间较长的问题。

3）该研究为煤矿企业提供了参考依据，对减小井下事故隐患、提高煤矿电网可靠性和保障人员安全具有重要意义。