真空断路器的发展及特点

真空断路器的发展及特点

摘 要 真空断路器在中压电器行业中广泛应用,随着技术的进步,也不断的变化。本文针对真空断路器有的发展顺序进行描述,并对现在广泛使用的弹簧操动机构、固封极柱绝缘方式详细介绍。

关键词 真空断路器 弹簧机构 永磁机构 固封极柱

1 概述

真空断路器是指触头在真空中关合、开断的断路器。

真空断路器最初由英、美研究,随后发展到日本、德国和原苏联等其他国家。我国从1959年起开始研究真空断路器的理论,到20世纪70年代初正式生产各类真空断路器。真空灭弧室、操动机构、绝缘水平等制造技术的不断创新和改进,使真空断路器的发展极为迅速,在大容量、小型化、智能化及可靠性研究方面取得了一系列重大成果。

真空断路器以具备良好的灭弧特性,适宜频繁操作,电气寿命长、运行可靠性高、不检修周期长的优势,在当今我国电力工业城乡电网改造、化工、冶金、-铁道电气化以及矿山等行业得到了广泛的应用。产品从过去的ZN1-ZN5几个品种到现在数十个型号、品种,额定电流达到4000A,开断电流达到5OKA,甚至有63kA,电压达到35kV等级。

下面将从真空断路器的几个主要方面看它的发展及特点,分别是真空灭弧室的发展、操动机构的发展、绝缘结构的发展。

2 真空灭弧室的发展及特点

2.1真空灭弧室的发展

利用真空介质来熄灭电弧的设想在19世纪末就己提出,20世纪20年代制造出了最早的真空灭弧室。但是由于受真空工艺、材料等技术水平的限制,当时并未实现实用化。20世纪50年代以后,随着新技术的发展解决了真空灭弧室制造中的很多难题,使真空开关逐渐达到实用水平。20世纪50年代中期美国通用电气公司批量生产了额定开断电流为12KA的真空断路器。随后在20世纪50年代末由于发展了具有横向磁场触头的真空灭弧室,使额定开断电流提高到3OKA的水平o20世纪70年代后,日本东芝电气公司研制成功了具有纵向磁场触头的真空灭弧室,使额定开断电流又进一步提高到5OKA以上。目前真空断路器己广泛用于1OKV、35kV配电系统中,额定开断电流己能做到5OKA-100KAo有些国家还生产了72kV/84kV级的真空灭弧室,但数量不多。

近年来,我国真空断路器的生产发展也很快。目前国内真空灭弧室的技术与国外产品不相上下,有采用纵向、横向的磁场技术、采用中央引燃触头技术的真空灭弧室,Cu-Cr合金材料制成触头已成功地开断5OKA、63kAo中国的真空灭弧室已达到较高的水平,真空断路器完全可以选用国产的真空灭弧室。

2.2真空灭弧室的特点

真空灭弧室是真空断路器的关键部件,它是采用玻璃或陶瓷作支撑及密封,内部有动、静触头和屏蔽罩,室内有负压,真空度为133×10九133×lOJPa,保证其开断时的灭弧性能和绝缘水平。当真空度降低时,其开断性能明显降低,因此真空灭弧室不得受任何外力碰撞,严禁敲击、手拍打,搬动及维护时不得受力o禁止把任何东西放在真空断路器上,以防止落下时打

坏真空灭弧室。出厂前真空断路器经过严格平行度检查和装配,维修时应紧固灭弧室的各螺栓,以保证其受力均匀。

真空断路器在真空灭弧室内开断电流并进行灭弧,而真空断路器本身没有定性、定量监测真空度特性的装置,所以真空度降低故障为隐性故障,同时,真空度降低将严重影响真空断路器开断过电流的能力,并导致断路器的使用寿命急剧下降严重时会引起开关爆炸。

综上所述真空灭弧室存在的主要问题真空度降

低。真空度降低的主要原因有以下几点。

(1)真空断路器是一个比较娇嫩的元件,电子管厂出厂后,经过多次运输颠簸、安装震动、意外碰撞等,都有可能产生玻璃或陶瓷封接的渗漏。

(2)真空灭弧室材质或制作工艺存在间题,多次操作后出现漏点。

(3)分体式真空断路器,如使用电磁式操作机构,在操作时,由于操作连杆的距离比较大,直接影响开关的同期、弹跳、超行程等特性加快真空度降低。

真空灭弧室真空度降低的处理方法:

经常观察真空灭弧室定期使用真空开关真空度测试仪对真空灭弧室进行真空度的测量,确保真空灭弧室的真空度在规定范围内;当真空度降低时,必须更换真空灭弧室,并做好行程、同期、弹跳等特性试验。

3 操动机构的发展

操动机构是衡量真空断路器性能优劣的重要方面之一,影响真空断路器可靠性的主要原因就是操动机构的机械特性。根据操动机构的发展可分为以下几类。

3.1 手动操动机构

靠于动直接合闸的操动机构称为手动操动机构,它主要用来操动电压等级低、额定开断电流很小的断路器。除工矿企业用户外电力部门中手动机构已很少采用。手动操动机构结构简单、不要求配备复杂的辅助设备及操动电源缺点是不能自动重合闸,只能就地操作,不够安全。因此,手动操动机构已几乎被手力储能的弹簧操动机构所代替。

3.2 电磁操动机构

靠电磁力合闸的操动机构称为电磁操动机构d配合国产ZN28-12型产品发展的有CD17型机构,结构上也采用与真空灭弧室前后布置的方式。

电磁操动机构的优点是机构简单、工作可靠、制造成本低,缺点是合闸线圈消耗的功率太大,需要备价格昂贵的蓄电池、合闸电流较大、结构比较笨重、动作时间较长,市场占有量逐渐减少。

3.3 弹簧操动机构

弹簧操动机构是利用储能的弹簧为动力使开关实现合闸动作。它可采用人力或小功率交、直流电机来驱动,因而合闸功基本不受外界因素(如电源电压、气源气压、液压源液压)的影响,既能够获得较高的合闸速度,又能够实现快速自动重复合闸操作;另外,与电磁操动机构相比,弹簧操动机构成本低,价格便宜,是真空断路器中最常用的一种操动机构,其厂家也比

较多,在不断的完善和改进中。典型的有CT175T19机构,与之相配备使用的有ZN28-17、VS1、VGl。

一般弹簧操动机构有上百个零件,且传动机构较为复杂,故障率较高,运动部件多,制造工艺要求较高。另外,弹簧操动机构的结构复杂,滑动摩擦面多,而且多在关键部位,在长期运行过程中,这些零件的磨损、锈蚀以及润滑剂的流失、固化等都会导致操作失误。主要存在着以下缺点。

(1)断路器拒动,即给断路器发出操作信号而不合闸或分闸。

(2)合不上闸或合上后即分断。

(3)事故时继电保护动作、断路器分不下来。

(4)烧坏合闸线圈。

操作机构故障原因分析:

断路器拒动,可能是操作电压失压或欠压、操作回路断开、合用线圈或分闸线圈断线、机构上的辅助开关触点接触不良。

合不上闸或合上后即分断,可能是操作电源欠压、断路器动触头接触行程过大、辅助开关联锁接点断开、操作机构的半轴与掣子扣接量太小;

事故时继电保护动作、断路器分不下来,可能是分闸铁心内有异物使铁心受阻动作不灵、分闸脱扣半轴转动不灵活、分闸操作回路断线。

烧坏合闸线圈,可能是原因有:合闸后直流接触器不能断开、辅助开关在合闸后没有联动转至分闸位置、辅助开关松动。

3.3 永磁机构

永磁机构采用新的工作原理将电磁机构与永久磁铁有机地组合起来,避免了合分闸位置机械脱扣、锁扣系统所造成的不利因素元需任何机械能而通过永久磁铁产生的保持力就可使真空断路器保持在合、分闸位置上。配以控制系统实现真空断路器所要求的全部功能。主要可以分为两个类型:单稳态永磁操动机构和双稳态永磁操动机构口其中双稳态永磁操动机构的工作原理为分闸与合闸及保持都靠永磁力;单稳态永磁操动机构的工作原理为在储能弹簧的帮助下快速分闸,并保持分闸位置,只有合闸保持靠永磁力。特瑞德电气主要产品就是单稳态永磁操动机构,国内企业自行研发的主要是双稳态永磁操动机构。

双稳态永磁操动机构的结构变化多样但其原理只有两种:即双线圈式(对称式)和单线圈式(非对称式),以下对这两种结构作简单介绍。

(1)双线圈永磁机构

双线圈式永磁机构,它的特点为:采用永久磁铁使真空断路器分别保持在分闸和合闸极限位置上,使用激磁线圈将机构的铁心从分闸位置推动到合闸位置,使用另一激磁线圈将机构的铁心从合闸位置推动到分闸位置。例如ABB公司的VMl开关的机构即采用此种结构。

(2)单线圈永磁机构

单线圈式永磁机构,也是采用永久磁铁使真空断路器分别保持在分闸和合闸极限位置

上,但分合闸用一个激磁线圈。也有分合闸用两个激磁线圈,但两个线圈在同一侧,并线圈的通流方向相反。其原理与单线圈式永磁机构相同。合闸的能量主要来自激磁线圈,分闸的能量主要来自分闸弹簧。如英国Whipp&Bourne公司推出的GVR柱上真空断路器就是采用这种机构。

根据永磁机构的以上特点可以归纳出它的优缺点,优点是结构比较简单与弹簧机构相比其部件减少约60%;由于部件少,则故障率也随之减少,故可靠性高;机构寿命长;体积小、重量轻。缺点是在分闸特性方面因动铁心参与分闸运动使分闸时运动系统的运动惯量明显增大对提高刚分速度很不利;因操作功率大而受到电容器容量的限制。

4 绝缘结构的发展

据有关的历史资料对全国电力系统高压断路器运行中的事故类型统计分析拒分事故占22.67%;拒合事故占6.48%;开断关合事故占9.07%;绝缘事故占35.47%;误动事故占7.02%;截流事故占7.95%;外力及其他事故占11.439毛,其中以绝缘事故和拒分事故最为突出,约占全部事故的60%。所以绝缘结构也是真空断路器的一大要点根据相柱绝缘经历的变化发展,可基本上划分为三代:空气绝缘方式、复合绝缘方式、固封极柱绝缘方式。

4.1 空气绝缘方式

产品的相间绝缘、对地绝缘和灭弧室外绝缘均为空气介质。这样断路器的真空灭弧室多采用悬挂支撑方式,并且要遵循严格的安装调试工艺。典型产品国内有江苏长江股份公司的ZN68-12,国外有西门子公司的3AFJAG及3AH等系列产品。

干净清洁的空气是良好的绝缘介质,使用历史最悠久。考虑到环境的影响对单纯以空气

作为绝缘介质的断路器及开关柜的空气绝缘净距和爬电比距作出了规定,在相应试验基础上,对12kV开关设备要求各相导体相间和对地净距达到125mm,对于瓷质和有机材料绝缘件的爬电比距分别要求18mm/kV、2Omm/kVD但有时还免不了发生绝缘事故,在绝缘净距和爬电比距满足上述规定外最好对裸露母线增加硅橡胶套,以进一步提高绝缘水平。

为了保证空气绝缘净距和爬电比距致使该类型产品的小型化比较困难。

4.2 复合绝缘方式

产品的绝缘结构采用固体绝缘和空气绝缘相结合的方法,一方面提高了绝缘性能,另一方面可以减少设备的尺寸。采用绝缘套筒式结构,真空灭弧室通过螺栓固定在环氧树脂绝缘套筒内然后与机构组装成断路器。这种断路器技术日趋成熟,具有代表性的产品如国产ZN63A、ZN63B型和ABB公司技术产品VD4型断路器。

这些措施提高了相间和对地的绝缘,可以避免外部机械力对灭弧室的冲撞,断路器尺寸也能减小,但是环境气候条件对灭弧室外绝缘的影响还不可避免,对极柱的装配还是有比较高的工艺要求。

4.3 固封极柱绝缘方式

固封极柱又称为浇注式极柱结构,这是中压真空断路器绝缘结构的重大变革。固封式真空断路器的研究工作始于上个世纪末,德国ABBCalorEIIlang公司为发展免维护真空断路器而开发在国内,2003年7月西安高压电器研究所与厦门华电开关有限公司联合开发的ZN96(VEP)-12/1250-315型固封式真空断路器率先通过国家级鉴定,之后该产品发展很快,高参数产品不断推出产品正在完成系列化,它已经成为近年来发展最快的一类高压电器产

品。

它的主要特点是将真空灭弧室及导电端子等零件用环氧树脂通过APG工艺(环氧树脂自动压力凝胶工艺)包封成极柱,然后与机构组装成断路器。

固封式真空断路器的结构在机构部分根据选用不同的机构可能差异比较大些,但极柱的外形、结构差异不大,但其功能都是一样的,它的优点主要有:

(1)提高了产品的绝缘水平及抗污能力。

(2)小型化,减小了断路器及其配用的开关柜体积。

(3)防止了真空灭弧室易受外界撞击的危险。

(4)增强了主回路的外爬距,提高了灭弧室耐受电压水平。

(5)灭弧室的免维护,为断路器免维护创造了条件。

固封式真空断路器的电气性能除了决定真空灭弧室外,极柱的结构设计也至关重要。极柱结构除考虑绝缘外,还应考虑强度及散热问题。大电流情况下,甚至要与真空灭弧室一并考虑。从性能、成本上综合考虑,真空灭弧室亦单独设计成一个系列较为合理。

5 展望发展

从国内外真空断路器新产品品种的产生上及展览会上,德国汉诺威博览会为世界上最大的工业展览会,素有新产品橱窗之美,可以看出真空断路器的发展趋向于专用化、小型化、

智能化、低过电压几大方向。

5.1 专用化

面临极其不同的开断任务新的专用断路器应运而生。如用于发电机保护断路器的特大容量真空断路器(短路开断电流高达3~8OKA及以上),标准型真空断路器(短路开断电流25~5OKA),经济型真空断路器(16KA~25KA),频繁型真空断路(如操作次数54万次),超频繁型真空断路器(如操作次数1615万次)。

5.2 小型化、高可靠性

真空断路器的小型化研究工作进行了很多年,并取得了一定成效。虽然真空断路器零件数较少,但各国为了提高可靠性、降低成本一直努力减少零件数、缩小管径。

5.3 智能化

智能化真空断路器在保留断路器原有的各种功能外,必须具有对电路的异常状况进行检测与判定以及具有一定的指令功能等也就是把计算机加入机械系统,使开关系统有了\"大脑\再加\"传感器\"采集信息,用光纤传导信息,使开关系统有了\"知觉\大脑根据\"知觉\"做出判断与决定使系统有了\"智能\这是配电自动化的需要,也是断路器本身控制保护的需要。如Alstorn公司的DCX型可编程序数字控制装置,ABB公司的REF542型控制和保护装置,西门子公司第二代数字保护装置等。

5.4 低过电压

真空断路器开断小电流容易发生截流,引起过电压。过电压是人们使用真空断路器最关

心的问题。一般解决方法有两种:第一种是加装过电压吸收装置(RC回路、ZnO避雷器),但它作为真空断路器的附加装置,不仅使真空断路器结构复杂化,而且增加成本;另一种方法也是今后要致力研究的课题,采用低电压触头材料。研究采用低电压触头材料日本几家公司走在前列。富士康公司开发了CuCr添加高蒸气材料、三菱公司开发了CuCrBiα多元触头材料,东芝公司开发了新型的AgWC触头材料开断短路电流达40KA。

参考文献

[1]徐国政,张节容,钱家骗,等.高原断路器原理和应用.清华大学出版社.200010:229-235

[2]郑军,李鹏,楼钢,等.高压开关设备国内外产品水平.西安高压电器研究所.2004:65-84

作者简介

丁益(1980-),男,技术部工程师,中压断路器的开发研究。

裴军(1974-),男,技术副总,中压电器的开发研究。

陈爱军(1979-),男,开发部经理,中压断路器的开发研究。