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概述真空斷路器的發展及特點
發表日期:2016-10-9
[概述真空斷路器的發展及特點]:真空斷路器是指觸頭在真空中關合、開斷的斷路器。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...

真空斷路器是指觸頭在真空中關合、開斷的斷路器。

真空斷路器最初由英、美研究,隨後發展到日本、德國和原蘇聯等其他國家。我國從1959年起開始研究真空斷路器的理論,到20世紀70年代初正式生産各類真空斷路器。真空滅弧室、操動機構、絕緣水平等制造技術的不斷創新和改進,使真空斷路器的發展極爲迅速,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、運行可靠性高、不檢修周期長的優勢,在當今我國電力工業城鄉電網改造、化工、冶金、-鐵道電氣化以及礦山等行業得到了廣泛的應用。産品從過去的ZN1-ZN5幾個品種到現在數十個型號、品種,額定電流達到4000A,開斷電流達到5OKA,甚至有63kA,電壓達到35kV等級。

下面將從真空斷路器的幾個主要方面看它的發展及特點,分別是真空滅弧室的發展、操動機構的發展、絕緣結構的發展。

2、真空滅弧室的發展及特點

2.1真空滅弧室的發展

利用真空介質來熄滅電弧的設想在19世紀末就己提出,20世紀20年代制造出了最早的真空滅弧室。但是由于受真空工藝、材料等技術水平的限制,當時並未實現實用化。20世紀50年代以後,隨著新技術的發展解決了真空滅弧室制造中的很多難題,使真空開關逐漸達到實用水平。20世紀50年代中期美國通用電氣公司批量生産了額定開斷電流爲12KA的真空斷路器。隨後在20世紀50年代末由于發展了具有橫向磁場觸頭的真空滅弧室,使額定開斷電流提高到3OKA的水平o20世紀70年代後,日本東芝電氣公司研制成功了具有縱向磁場觸頭的真空滅弧室,使額定開斷電流又進一步提高到5OKA以上。目前真空斷路器己廣泛用于1OKV、35kV配電系統中,額定開斷電流己能做到5OKA-100KAo有些國家還生産了72kV/84kV級的真空滅弧室,但數量不多。直流高壓發生器

近年來,我國真空斷路器的生産發展也很快。目前國內真空滅弧室的技術與國外産品不相上下,有采用縱向、橫向的磁場技術、采用中央引燃觸頭技術的真空滅弧室,Cu-Cr合金材料制成觸頭已成功地開斷5OKA、63kAo中國的真空滅弧室已達到較高的水平,真空斷路器完全可以選用國産的真空滅弧室。

2.2真空滅弧室的特點

真空滅弧室是真空斷路器的關鍵部件,它是采用玻璃或陶瓷作支撐及密封,內部有動、靜觸頭和屏蔽罩,室內有負壓,真空度爲133×10九133×lOJPa,保證其開斷時的滅弧性能和絕緣水平。當真空度降低時,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,嚴禁敲擊、手拍打,搬動及維護時不得受力o禁止把任何東西放在真空斷路器上,以防止落下時打壞真空滅弧室。出廠前真空斷路器經過嚴格平行度檢查和裝配,維修時應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開斷電流並進行滅弧,而真空斷路器本身沒有定性、定量監測真空度特性的裝置,所以真空度降低故障爲隱性故障,同時,真空度降低將嚴重影響真空斷路器開斷過電流的能力,並導致斷路器的使用壽命急劇下降嚴重時會引起開關爆炸。

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。

(1)真空斷路器是一個比較嬌嫩的元件,電子管廠出廠後,經過多次運輸顛簸、安裝震動、意外碰撞等,都有可能産生玻璃或陶瓷封接的滲漏。

(2)真空滅弧室材質或制作工藝存在間題,多次操作後出現漏點。

(3)分體式真空斷路器,如使用電磁式操作機構,在操作時,由于操作連杆的距離比較大,直接影響開關的同期、彈跳、超行程等特性加快真空度降低。直流高壓發生器

真空滅弧室真空度降低的處理方法:

經常觀察真空滅弧室定期使用真空開關真空度測試儀對真空滅弧室進行真空度的測量,確保真空滅弧室的真空度在規定範圍內;當真空度降低時,必須更換真空滅弧室,並做好行程、同期、彈跳等特性試驗。

3、操動機構的發展

操動機構是衡量真空斷路器性能優劣的重要方面之一,影響真空斷路器可靠性的主要原因就是操動機構的機械特性。根據操動機構的發展可分爲以下幾類。直流高壓發生器

3.1手動操動機構

靠于動直接合閘的操動機構稱爲手動操動機構,它主要用來操動電壓等級低、額定開斷電流很小的斷路器。除工礦企業用戶外電力部門中手動機構已很少采用。手動操動機構結構簡單、不要求配備複雜的輔助設備及操動電源缺點是不能自動重合閘,只能就地操作,不夠安全。因此,手動操動機構已幾乎被手力儲能的彈簧操動機構所代替。

3.2電磁操動機構

靠電磁力合閘的操動機構稱爲電磁操動機構d配合國産ZN28-12型産品發展的有CD17型機構,結構上也采用與真空滅弧室前後布置的方式。

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[概述真空斷路器的發展及特點]:真空斷路器是指觸頭在真空中關合、開斷的斷路器。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...

價格昂貴的蓄電池、合閘電流較大、結構比較笨重、動作時間較長,市場占有量逐漸減少。

3.4彈簧操動機構直流高壓發生器

彈簧操動機構是利用儲能的彈簧爲動力使開關實現合閘動作。它可采用人力或小功率交、直流電機來驅動,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,又能夠實現快速自動重複合閘操作;另外,與電磁操動機構相比,彈簧操動機構成本低,價格便宜,是真空斷路器中最常用的一種操動機構,其廠家也比較多,在不斷的完善和改進中。典型的有CT17,CT19機構,與之相配備使用的有ZN28-17、VS1、VGl。

一般彈簧操動機構有上百個零件,且傳動機構較爲複雜,故障率較高,運動部件多,制造工藝要求較高。另外,彈簧操動機構的結構複雜,滑動摩擦面多,而且多在關鍵部位,在長期運行過程中,這些零件的磨損、鏽蝕以及潤滑劑的流失、固化等都會導致操作失誤。主要存在著以下缺點。

(1)斷路器拒動,即給斷路器發出操作信號而不合閘或分閘。

(2)合不上閘或合上後即分斷。

(3)事故時繼電保護動作、斷路器分不下來。

(4)燒壞合閘線圈。

操作機構故障原因分析:

斷路器拒動,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、機構上的輔助開關觸點接觸不良。

合不上閘或合上後即分斷,可能是操作電源欠壓、斷路器動觸頭接觸行程過大、輔助開關聯鎖接點斷開、操作機構的半軸與掣子扣接量太小;

事故時繼電保護動作、斷路器分不下來,可能是分閘鐵心內有異物使鐵心受阻動作不靈、分閘脫扣半軸轉動不靈活、分閘操作回路斷線。

燒壞合閘線圈,可能是原因有:合閘後直流接觸器不能斷開、輔助開關在合閘後沒有聯動轉至分閘位置、輔助開關松動。

3.5永磁機構

永磁機構采用新的工作原理將電磁機構與永久磁鐵有機地組合起來,避免了合分閘位置機械脫扣、鎖扣系統所造成的不利因素元需任何機械能而通過永久磁鐵産生的保持力就可使真空斷路器保持在合、分閘位置上。配以控制系統實現真空斷路器所要求的全部功能。主要可以分爲兩個類型:單穩態永磁操動機構和雙穩態永磁操動機構口其中雙穩態永磁操動機構的工作原理爲分閘與合閘及保持都靠永磁力;單穩態永磁操動機構的工作原理爲在儲能彈簧的幫助下快速分閘,並保持分閘位置,只有合閘保持靠永磁力。特瑞德電氣主要産品就是單穩態永磁操動機構,國內企業自行研發的主要是雙穩態永磁操動機構。

雙穩態永磁操動機構的結構變化多樣但其原理只有兩種:即雙線圈式(對稱式)和單線圈式(非對稱式),以下對這兩種結構作簡單介紹。

(1)雙線圈永磁機構

雙線圈式永磁機構,它的特點爲: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,使用激磁線圈將機構的鐵心從分閘位置推動到合閘位置,使用另一激磁線圈將機構的鐵心從合閘位置推動到分閘位置。例如ABB公司的VMl開關的機構即采用此種結構。

(2)單線圈永磁機構

單線圈式永磁機構,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,但分合閘用一個激磁線圈。也有分合閘用兩個激磁線圈,但兩個線圈在同一側,並線圈的通流方向相反。其原理與單線圈式永磁機構相同。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Whipp&Bourne公司推出的GVR柱上真空斷路器就是采用這種機構。

根據永磁機構的以上特點可以歸納出它的優缺點,優點是結構比較簡單與彈簧機構相比其部件減少約60%;由于部件少,則故障率也隨之減少,故可靠性高;機構壽命長;體積小、重量輕。缺點是在分閘特性方面因動鐵心參與分閘運動使分閘時運動系統的運動慣量明顯增大對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、絕緣結構的發展

據有關的曆史資料對全國電力系統高壓斷路器運行中的事故類型統計分析拒分事故占22.67%;拒合事故占6.48%;開斷關合事故占9.07%;絕緣事故占35.47%;誤動事故占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爲突出,約占全部事故的60%。所以絕緣結構也是真空斷路器的一大要點根據相柱絕緣經曆的變化發展,可基本上劃分爲三代:空氣絕緣方式、複合絕緣方式、固封極柱絕緣方式。

4.1空氣絕緣方式

産品的相間絕緣、對地絕緣和滅弧室外絕緣均爲空氣介質。這樣斷路器的真空滅弧室多采用懸挂支撐方式,並且要遵循嚴格的安裝調試工藝。典型産品國內有江蘇長江股份公司的ZN68-12,國外有西門子公司的3AFJAG及3AH等系列産品。

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[概述真空斷路器的發展及特點]:真空斷路器是指觸頭在真空中關合、開斷的斷路器。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...

和爬電比距滿足上述規定外最好對裸露母線增加矽橡膠套,以進一步提高絕緣水平。

爲了保證空氣絕緣淨距和爬電比距致使該類型産品的小型化比較困難。

4.2複合絕緣方式

産品的絕緣結構采用固體絕緣和空氣絕緣相結合的方法,一方面提高了絕緣性能,另一方面可以減少設備的尺寸。采用絕緣套筒式結構,真空滅弧室通過螺栓固定在環氧樹脂絕緣套筒內然後與機構組裝成斷路器。這種斷路器技術日趨成熟,具有代表性的産品如國産ZN63A、ZN63B型和ABB公司技術産品VD4型斷路器。

這些措施提高了相間和對地的絕緣,可以避免外部機械力對滅弧室的沖撞,斷路器尺寸也能減小,但是環境氣候條件對滅弧室外絕緣的影響還不可避免,對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

固封極柱又稱爲澆注式極柱結構,這是中壓真空斷路器絕緣結構的重大變革。固封式真空斷路器的研究工作始于上個世紀末,德國ABBCalorEIIlang公司爲發展免維護真空斷路器而開發在國內,2003年7月西安高壓電器研究所與廈門華電開關有限公司聯合開發的ZN96(VEP)-12/1250-315型固封式真空斷路器率先通過國家級鑒定,之後該産品發展很快,高參數産品不斷推出産品正在完成系列化,它已經成爲近年來發展最快的一類高壓電器産品。

它的主要特點是將真空滅弧室及導電端子等零件用環氧樹脂通過APG工藝(環氧樹脂自動壓力凝膠工藝)包封成極柱,然後與機構組裝成斷路器。

固封式真空斷路器的結構在機構部分根據選用不同的機構可能差異比較大些,但極柱的外形、結構差異不大,但其功能都是一樣的,它的優點主要有:

(1)提高了産品的絕緣水平及抗汙能力。

(2)小型化,減小了斷路器及其配用的開關櫃體積。

(3)防止了真空滅弧室易受外界撞擊的危險。

(4)增強了主回路的外爬距,提高了滅弧室耐受電壓水平。

(5)滅弧室的免維護,爲斷路器免維護創造了條件。

固封式真空斷路器的電氣性能除了決定真空滅弧室外,極柱的結構設計也至關重要。極柱結構除考慮絕緣外,還應考慮強度及散熱問題。大電流情況下,甚至要與真空滅弧室一並考慮。從性能、成本上綜合考慮,真空滅弧室亦單獨設計成一個系列較爲合理。

5、展望與發展

從國內外真空斷路器新産品品種的産生上及展覽會上,德國漢諾威博覽會爲世界上最大的工業展覽會,素有新産品櫥窗之美,可以看出真空斷路器的發展趨向于專用化、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新的專用斷路器應運而生。如用于發電機保護斷路器的特大容量真空斷路器(短路開斷電流高達3~8OKA及以上),標准型真空斷路器(短路開斷電流25~5OKA),經濟型真空斷路器(16KA~25KA),頻繁型真空斷路(如操作次數54萬次),超頻繁型真空斷路器(如操作次數1615萬次)。

5.2小型化、高可靠性

真空斷路器的小型化研究工作進行了很多年,並取得了一定成效。雖然真空斷路器零件數較少,但各國爲了提高可靠性、降低成本一直努力減少零件數、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,必須具有對電路的異常狀況進行檢測與判定以及具有一定的指令功能等也就是把計算機加入機械系統,使開關系統有了"大腦",再加"傳感器"采集信息,用光纖傳導信息,使開關系統有了"知覺",大腦根據"知覺"做出判斷與決定使系統有了"智能",這是配電自動化的需要,也是斷路器本身控制保護的需要。如Alstorn公司的DCX型可編程序數字控制裝置,ABB公司的REF542型控制和保護裝置,西門子公司第二代數字保護裝置等。

5.4低過電壓

真空斷路器開斷小電流容易發生截流,引起過電壓。過電壓是人們使用真空斷路器最關心的問題。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),但它作爲真空斷路器的附加裝置,不僅使真空斷路器結構複雜化,而且增加成本;另一種方法也是今後要致力研究的課題,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。富士康公司開發了CuCr添加高蒸氣材料、三菱公司開發了CuCrBiα多元觸頭材料,東芝公司開發了新型的AgWC觸頭材料開斷短路電流達40KA。