1概述

　　真空斷路器是指觸頭在真空中關(guān)合、開斷的斷路器。

　　真空斷路器最初由英、美研究,隨后發(fā)展到日本、德國(guó)和原蘇聯(lián)等其他國(guó)家。我國(guó)從1959年起開始研究真空斷路器的理論,到20世紀(jì)70年代初正式生產(chǎn)各類真空斷路器。真空滅弧室、操動(dòng)機(jī)構(gòu)、絕緣水平等制造技術(shù)的不斷創(chuàng)新和改進(jìn),使真空斷路器的發(fā)展極為迅速,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。

　　真空斷路器以具備良好的滅弧特性,適宜頻繁操作,電氣壽命長(zhǎng)、運(yùn)行可靠性高、不檢修周期長(zhǎng)的優(yōu)勢(shì),在當(dāng)今我國(guó)電力工業(yè)城鄉(xiāng)電網(wǎng)改造、化工、冶金、-鐵道電氣化以及礦山等行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。產(chǎn)品從過去的ZN1-ZN5幾個(gè)品種到現(xiàn)在數(shù)十個(gè)型號(hào)、品種,額定電流達(dá)到4000A,開斷電流達(dá)到5OKA,甚至有63kA,電壓達(dá)到35kV等級(jí)。

　　下面將從真空斷路器的幾個(gè)主要方面看它的發(fā)展及特點(diǎn),分別是真空滅弧室的發(fā)展、操動(dòng)機(jī)構(gòu)的發(fā)展、絕緣結(jié)構(gòu)的發(fā)展。

　　2真空滅弧室的發(fā)展及特點(diǎn)

　　2.1真空滅弧室的發(fā)展

　　利用真空介質(zhì)來熄滅電弧的設(shè)想在19世紀(jì)末就己提出,20世紀(jì)20年代制造出了最早的真空滅弧室。但是由于受真空工藝、材料等技術(shù)水平的限制,當(dāng)時(shí)并未實(shí)現(xiàn)實(shí)用化。20世紀(jì)50年代以后,隨著新技術(shù)的發(fā)展解決了真空滅弧室制造中的很多難題,使真空開關(guān)逐漸達(dá)到實(shí)用水平。20世紀(jì)50年代中期美國(guó)通用電氣公司批量生產(chǎn)了額定開斷電流為12KA的真空斷路器。隨后在20世紀(jì)50年代末由于發(fā)展了具有橫向磁場(chǎng)觸頭的真空滅弧室,使額定開斷電流提高到3OKA的水平o20世紀(jì)70年代后,日本東芝電氣公司研制成功了具有縱向磁場(chǎng)觸頭的真空滅弧室,使額定開斷電流又進(jìn)一步提高到5OKA以上。目前真空斷路器己廣泛用于1OKV、35kV配電系統(tǒng)中,額定開斷電流己能做到5OKA-100KAo有些國(guó)家還生產(chǎn)了72kV/84kV級(jí)的真空滅弧室,但數(shù)量不多。

　　近年來,我國(guó)真空斷路器的生產(chǎn)發(fā)展也很快。目前國(guó)內(nèi)真空滅弧室的技術(shù)與國(guó)外產(chǎn)品不相上下,有采用縱向、橫向的磁場(chǎng)技術(shù)、采用中央引燃觸頭技術(shù)的真空滅弧室,Cu-Cr合金材料制成觸頭已成功地開斷5OKA、63kAo中國(guó)的真空滅弧室已達(dá)到較高的水平,真空斷路器完全可以選用國(guó)產(chǎn)的真空滅弧室。

　　2.2真空滅弧室的特點(diǎn)

　　真空滅弧室是真空斷路器的關(guān)鍵部件,它是采用玻璃或陶瓷作支撐及密封,內(nèi)部有動(dòng)、靜觸頭和屏蔽罩,室內(nèi)有負(fù)壓,真空度為133×10九133×lOJPa,保證其開斷時(shí)的滅弧性能和絕緣水平。當(dāng)真空度降低時(shí),其開斷性能明顯降低,因此真空滅弧室不得受任何外力碰撞,嚴(yán)禁敲擊、手拍打,搬動(dòng)及維護(hù)時(shí)不得受力o禁止把任何東西放在真空斷路器上,以防止落下時(shí)打壞真空滅弧室。出廠前真空斷路器經(jīng)過嚴(yán)格平行度檢查和裝配,維修時(shí)應(yīng)緊固滅弧室的各螺栓,以保證其受力均勻。

　　真空斷路器在真空滅弧室內(nèi)開斷電流并進(jìn)行滅弧,而真空斷路器本身沒有定性、定量監(jiān)測(cè)真空度特性的裝置,所以真空度降低故障為隱性故障,同時(shí),真空度降低將嚴(yán)重影響真空斷路器開斷過電流的能力,并導(dǎo)致斷路器的使用壽命急劇下降嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起開關(guān)爆炸。

　　綜上所述真空滅弧室存在的主要問題真空度降低。真空度降低的主要原因有以下幾點(diǎn)。

　　(1)真空斷路器是一個(gè)比較嬌嫩的元件,電子管廠出廠后,經(jīng)過多次運(yùn)輸顛簸、安裝震動(dòng)、意外碰撞等,都有可能產(chǎn)生玻璃或陶瓷封接的滲漏。

　　(2)真空滅弧室材質(zhì)或制作工藝存在間題,多次操作后出現(xiàn)漏點(diǎn)。

　　(3)分體式真空斷路器,如使用電磁式操作機(jī)構(gòu),在操作時(shí),由于操作連桿的距離比較大,直接影響開關(guān)的同期、彈跳、超行程等特性加快真空度降低。

　　真空滅弧室真空度降低的處理方法:

　　經(jīng)常觀察真空滅弧室定期使用真空開關(guān)真空度測(cè)試儀對(duì)真空滅弧室進(jìn)行真空度的測(cè)量,確保真空滅弧室的真空度在規(guī)定范圍內(nèi);當(dāng)真空度降低時(shí),必須更換真空滅弧室,并做好行程、同期、彈跳等特性試驗(yàn)。

　　3操動(dòng)機(jī)構(gòu)的發(fā)展

　　操動(dòng)機(jī)構(gòu)是衡量真空斷路器性能優(yōu)劣的重要方面之一,影響真空斷路器可靠性的主要原因就是操動(dòng)機(jī)構(gòu)的機(jī)械特性。根據(jù)操動(dòng)機(jī)構(gòu)的發(fā)展可分為以下幾類。

　　3.1手動(dòng)操動(dòng)機(jī)構(gòu)

　　靠于動(dòng)直接合閘的操動(dòng)機(jī)構(gòu)稱為手動(dòng)操動(dòng)機(jī)構(gòu),它主要用來操動(dòng)電壓等級(jí)低、額定開斷電流很小的斷路器。除工礦企業(yè)用戶外電力部門中手動(dòng)機(jī)構(gòu)已很少采用。手動(dòng)操動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、不要求配備復(fù)雜的輔助設(shè)備及操動(dòng)電源缺點(diǎn)是不能自動(dòng)重合閘,只能就地操作,不夠安全。因此,手動(dòng)操動(dòng)機(jī)構(gòu)已幾乎被手力儲(chǔ)能的彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)所代替。

　　3.2電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)

　　靠電磁力合閘的操動(dòng)機(jī)構(gòu)稱為電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)d配合國(guó)產(chǎn)ZN28-12型產(chǎn)品發(fā)展的有CD17型機(jī)構(gòu),結(jié)構(gòu)上也采用與真空滅弧室前后布置的方式。

　　電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、制造成本低,缺點(diǎn)是合閘線圈消耗的功率太大,需要備價(jià)格昂貴的蓄電池、合閘電流較大、結(jié)構(gòu)比較笨重、動(dòng)作時(shí)間較長(zhǎng),市場(chǎng)占有量逐漸減少。

　　3.3彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)

　　彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)是利用儲(chǔ)能的彈簧為動(dòng)力使開關(guān)實(shí)現(xiàn)合閘動(dòng)作。它可采用人力或小功率交、直流電機(jī)來驅(qū)動(dòng),因而合閘功基本不受外界因素(如電源電壓、氣源氣壓、液壓源液壓)的影響,既能夠獲得較高的合閘速度,又能夠?qū)崿F(xiàn)快速自動(dòng)重復(fù)合閘操作;另外,與電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)相比,彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)成本低,價(jià)格便宜,是真空斷路器中最常用的一種操動(dòng)機(jī)構(gòu),其廠家也比較多,在不斷的完善和改進(jìn)中。典型的有CT17，CT19機(jī)構(gòu),與之相配備使用的有ZN28-17、VS1、VGl。

　　一般彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)有上百個(gè)零件,且傳動(dòng)機(jī)構(gòu)較為復(fù)雜,故障率較高,運(yùn)動(dòng)部件多,制造工藝要求較高。另外,彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜,滑動(dòng)摩擦面多,而且多在關(guān)鍵部位,在長(zhǎng)期運(yùn)行過程中,這些零件的磨損、銹蝕以及潤(rùn)滑劑的流失、固化等都會(huì)導(dǎo)致操作失誤。主要存在著以下缺點(diǎn)。

　　(1)斷路器拒動(dòng),即給斷路器發(fā)出操作信號(hào)而不合閘或分閘。

　　(2)合不上閘或合上后即分?jǐn)唷?/p>

　　(3)事故時(shí)繼電保護(hù)動(dòng)作、斷路器分不下來。

　　(4)燒壞合閘線圈。

　　操作機(jī)構(gòu)故障原因分析:

　　斷路器拒動(dòng),可能是操作電壓失壓或欠壓、操作回路斷開、合用線圈或分閘線圈斷線、機(jī)構(gòu)上的輔助開關(guān)觸點(diǎn)接觸不良。

　　合不上閘或合上后即分?jǐn)?可能是操作電源欠壓、斷路器動(dòng)觸頭接觸行程過大、輔助開關(guān)聯(lián)鎖接點(diǎn)斷開、操作機(jī)構(gòu)的半軸與掣子扣接量太小;

　　事故時(shí)繼電保護(hù)動(dòng)作、斷路器分不下來,可能是分閘鐵心內(nèi)有異物使鐵心受阻動(dòng)作不靈、分閘脫扣半軸轉(zhuǎn)動(dòng)不靈活、分閘操作回路斷線。

　　燒壞合閘線圈,可能是原因有:合閘后直流接觸器不能斷開、輔助開關(guān)在合閘后沒有聯(lián)動(dòng)轉(zhuǎn)至分閘位置、輔助開關(guān)松動(dòng)。

　　3.3永磁機(jī)構(gòu)

　　永磁機(jī)構(gòu)采用新的工作原理將電磁機(jī)構(gòu)與永久磁鐵有機(jī)地組合起來,避免了合分閘位置機(jī)械脫扣、鎖扣系統(tǒng)所造成的不利因素元需任何機(jī)械能而通過永久磁鐵產(chǎn)生的保持力就可使真空斷路器保持在合、分閘位置上。配以控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)真空斷路器所要求的全部功能。主要可以分為兩個(gè)類型:單穩(wěn)態(tài)永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)和雙穩(wěn)態(tài)永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)口其中雙穩(wěn)態(tài)永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的工作原理為分閘與合閘及保持都靠永磁力;單穩(wěn)態(tài)永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的工作原理為在儲(chǔ)能彈簧的幫助下快速分閘,并保持分閘位置,只有合閘保持靠永磁力。特瑞德電氣主要產(chǎn)品就是單穩(wěn)態(tài)永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu),國(guó)內(nèi)企業(yè)自行研發(fā)的主要是雙穩(wěn)態(tài)永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)。

　　雙穩(wěn)態(tài)永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)變化多樣但其原理只有兩種:即雙線圈式(對(duì)稱式)和單線圈式(非對(duì)稱式),以下對(duì)這兩種結(jié)構(gòu)作簡(jiǎn)單介紹。

　　(1)雙線圈永磁機(jī)構(gòu)

　　雙線圈式永磁機(jī)構(gòu),它的特點(diǎn)為:采用永久磁鐵使真空斷路器分別保持在分閘和合閘極限位置上,使用激磁線圈將機(jī)構(gòu)的鐵心從分閘位置推動(dòng)到合閘位置,使用另一激磁線圈將機(jī)構(gòu)的鐵心從合閘位置推動(dòng)到分閘位置。例如ABB公司的VMl開關(guān)的機(jī)構(gòu)即采用此種結(jié)構(gòu)。

　　(2)單線圈永磁機(jī)構(gòu)

　　單線圈式永磁機(jī)構(gòu),也是采用永久磁鐵使真空斷路器分別保持在分閘和合閘極限位置上,但分合閘用一個(gè)激磁線圈。也有分合閘用兩個(gè)激磁線圈,但兩個(gè)線圈在同一側(cè),并線圈的通流方向相反。其原理與單線圈式永磁機(jī)構(gòu)相同。合閘的能量主要來自激磁線圈,分閘的能量主要來自分閘彈簧。如英國(guó)Whipp&Bourne公司推出的GVR柱上真空斷路器就是采用這種機(jī)構(gòu)。

　　根據(jù)永磁機(jī)構(gòu)的以上特點(diǎn)可以歸納出它的優(yōu)缺點(diǎn),優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單與彈簧機(jī)構(gòu)相比其部件減少約60%;由于部件少,則故障率也隨之減少,故可靠性高;機(jī)構(gòu)壽命長(zhǎng);體積小、重量輕。缺點(diǎn)是在分閘特性方面因動(dòng)鐵心參與分閘運(yùn)動(dòng)使分閘時(shí)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)慣量明顯增大對(duì)提高剛分速度很不利;因操作功率大而受到電容器容量的限制。

　　4絕緣結(jié)構(gòu)的發(fā)展

　　據(jù)有關(guān)的歷史資料對(duì)全國(guó)電力系統(tǒng)高壓斷路器運(yùn)行中的事故類型統(tǒng)計(jì)分析拒分事故占22.67%;拒合事故占6.48%;開斷關(guān)合事故占9.07%;絕緣事故占35.47%;誤動(dòng)事故占7.02%;截流事故占7.95%;外力及其他事故占11.439毛,其中以絕緣事故和拒分事故最為突出,約占全部事故的60%。所以絕緣結(jié)構(gòu)也是真空斷路器的一大要點(diǎn)根據(jù)相柱絕緣經(jīng)歷的變化發(fā)展,可基本上劃分為三代:空氣絕緣方式、復(fù)合絕緣方式、固封極柱絕緣方式。

　　4.1空氣絕緣方式

　　產(chǎn)品的相間絕緣、對(duì)地絕緣和滅弧室外絕緣均為空氣介質(zhì)。這樣斷路器的真空滅弧室多采用懸掛支撐方式,并且要遵循嚴(yán)格的安裝調(diào)試工藝。典型產(chǎn)品國(guó)內(nèi)有江蘇長(zhǎng)江股份公司的ZN68-12,國(guó)外有西門子公司的3AFJAG及3AH等系列產(chǎn)品。

　　干凈清潔的空氣是良好的絕緣介質(zhì),使用歷史最悠久?？紤]到環(huán)境的影響對(duì)單純以空氣作為絕緣介質(zhì)的斷路器及開關(guān)柜的空氣絕緣凈距和爬電比距作出了規(guī)定,在相應(yīng)試驗(yàn)基礎(chǔ)上,對(duì)12kV開關(guān)設(shè)備要求各相導(dǎo)體相間和對(duì)地凈距達(dá)到125mm,對(duì)于瓷質(zhì)和有機(jī)材料絕緣件的爬電比距分別要求18mm/kV、2Omm/kVD但有時(shí)還免不了發(fā)生絕緣事故,在絕緣凈距和爬電比距滿足上述規(guī)定外最好對(duì)裸露母線增加硅橡膠套,以進(jìn)一步提高絕緣水平。

　　為了保證空氣絕緣凈距和爬電比距致使該類型產(chǎn)品的小型化比較困難。

　　4.2復(fù)合絕緣方式

　　產(chǎn)品的絕緣結(jié)構(gòu)采用固體絕緣和空氣絕緣相結(jié)合的方法,一方面提高了絕緣性能,另一方面可以減少設(shè)備的尺寸。采用絕緣套筒式結(jié)構(gòu),真空滅弧室通過螺栓固定在環(huán)氧樹脂絕緣套筒內(nèi)然后與機(jī)構(gòu)組裝成斷路器。這種斷路器技術(shù)日趨成熟,具有代表性的產(chǎn)品如國(guó)產(chǎn)ZN63A、ZN63B型和ABB公司技術(shù)產(chǎn)品VD4型斷路器。

　　這些措施提高了相間和對(duì)地的絕緣,可以避免外部機(jī)械力對(duì)滅弧室的沖撞,斷路器尺寸也能減小,但是環(huán)境氣候條件對(duì)滅弧室外絕緣的影響還不可避免,對(duì)極柱的裝配還是有比較高的工藝要求。

　　4.3固封極柱絕緣方式

　　固封極柱又稱為澆注式極柱結(jié)構(gòu),這是中壓真空斷路器絕緣結(jié)構(gòu)的重大變革。固封式真空斷路器的研究工作始于上個(gè)世紀(jì)末,德國(guó)ABBCalorEIIlang公司為發(fā)展免維護(hù)真空斷路器而開發(fā)在國(guó)內(nèi),2003年7月西安高壓電器研究所與廈門華電開關(guān)有限公司聯(lián)合開發(fā)的ZN96(VEP)-12/1250-315型固封式真空斷路器率先通過國(guó)家級(jí)鑒定,之后該產(chǎn)品發(fā)展很快,高參數(shù)產(chǎn)品不斷推出產(chǎn)品正在完成系列化,它已經(jīng)成為近年來發(fā)展最快的一類高壓電器產(chǎn)品。

　　它的主要特點(diǎn)是將真空滅弧室及導(dǎo)電端子等零件用環(huán)氧樹脂通過APG工藝(環(huán)氧樹脂自動(dòng)壓力凝膠工藝)包封成極柱,然后與機(jī)構(gòu)組裝成斷路器。

　　固封式真空斷路器的結(jié)構(gòu)在機(jī)構(gòu)部分根據(jù)選用不同的機(jī)構(gòu)可能差異比較大些,但極柱的外形、結(jié)構(gòu)差異不大,但其功能都是一樣的,它的優(yōu)點(diǎn)主要有:

　　(1)提高了產(chǎn)品的絕緣水平及抗污能力。

　　(2)小型化,減小了斷路器及其配用的開關(guān)柜體積。

　　(3)防止了真空滅弧室易受外界撞擊的危險(xiǎn)。

　　(4)增強(qiáng)了主回路的外爬距,提高了滅弧室耐受電壓水平。

　　(5)滅弧室的免維護(hù),為斷路器免維護(hù)創(chuàng)造了條件。

　　固封式真空斷路器的電氣性能除了決定真空滅弧室外,極柱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也至關(guān)重要。極柱結(jié)構(gòu)除考慮絕緣外,還應(yīng)考慮強(qiáng)度及散熱問題。大電流情況下,甚至要與真空滅弧室一并考慮。從性能、成本上綜合考慮,真空滅弧室亦單獨(dú)設(shè)計(jì)成一個(gè)系列較為合理。

　　5展望發(fā)展

　　從國(guó)內(nèi)外真空斷路器新產(chǎn)品品種的產(chǎn)生上及展覽會(huì)上,德國(guó)漢諾威博覽會(huì)為世界上最大的工業(yè)展覽會(huì),素有新產(chǎn)品櫥窗之美,可以看出真空斷路器的發(fā)展趨向于專用化、小型化、智能化、低過電壓幾大方向。

　　5.1專用化

　　面臨極其不同的開斷任務(wù)新的專用斷路器應(yīng)運(yùn)而生。如用于發(fā)電機(jī)保護(hù)斷路器的特大容量真空斷路器(短路開斷電流高達(dá)3~8OKA及以上),標(biāo)準(zhǔn)型真空斷路器(短路開斷電流25~5OKA),經(jīng)濟(jì)型真空斷路器(16KA~25KA),頻繁型真空斷路(如操作次數(shù)54萬(wàn)次),超頻繁型真空斷路器(如操作次數(shù)1615萬(wàn)次)。

　　5.2小型化、高可靠性

　　真空斷路器的小型化研究工作進(jìn)行了很多年,并取得了一定成效。雖然真空斷路器零件數(shù)較少,但各國(guó)為了提高可靠性、降低成本一直努力減少零件數(shù)、縮小管徑。

　　5.3智能化

　　智能化真空斷路器在保留斷路器原有的各種功能外,必須具有對(duì)電路的異常狀況進(jìn)行檢測(cè)與判定以及具有一定的指令功能等也就是把計(jì)算機(jī)加入機(jī)械系統(tǒng),使開關(guān)系統(tǒng)有了"大腦",再加"傳感器"采集信息,用光纖傳導(dǎo)信息,使開關(guān)系統(tǒng)有了"知覺",大腦根據(jù)"知覺"做出判斷與決定使系統(tǒng)有了"智能",這是配電自動(dòng)化的需要,也是斷路器本身控制保護(hù)的需要。如Alstorn公司的DCX型可編程序數(shù)字控制裝置,ABB公司的REF542型控制和保護(hù)裝置,西門子公司第二代數(shù)字保護(hù)裝置等。

　　5.4低過電壓

　　真空斷路器開斷小電流容易發(fā)生截流,引起過電壓。過電壓是人們使用真空斷路器最關(guān)心的問題。一般解決方法有兩種:第一種是加裝過電壓吸收裝置(RC回路、ZnO避雷器),但它作為真空斷路器的附加裝置,不僅使真空斷路器結(jié)構(gòu)復(fù)雜化,而且增加成本;另一種方法也是今后要致力研究的課題,采用低電壓觸頭材料。研究采用低電壓觸頭材料日本幾家公司走在前列。富士康公司開發(fā)了CuCr添加高蒸氣材料、三菱公司開發(fā)了CuCrBiα多元觸頭材料,東芝公司開發(fā)了新型的AgWC觸頭材料開斷短路電流達(dá)40KA。