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真空断路器的前世今生
真空断路器的前世今生
 

    “真空断路器”因其灭弧介质和灭弧后触头间隙的绝缘介质都是高真空而得名;其具有体积小、重量轻、适用于频繁操作、灭弧不用检修的优点,在配电网中应用较为普及。 真空断路器是3~10kV,50Hz三相交流系统中的户内配电装置,可供工矿企业、发电厂、变电站中作为电器设备的保护和控制之用,特别适用于要求无油化、少检修及频繁操作的使用场所,断路器可配置在中置式KNY28A-12高压开关柜、双层柜、XG2-12固定式高压开关柜中作为控制和保护高压电气设备用。
发展简史
1893年,美国的里顿豪斯提出了结构简单的真空灭弧室,并获得了设计专利。1920年瑞典佛加公司第一次制成了真空开关。1926年美国索伦森等公布的研究成果也显示了在真空中分断电流的可能性,但因分断能力小,又受到真空技术和真空材料发展水平的限制,尚不能投入实际使用。随着真空技术的发展,50年代美国才制成第一批适用于切断电容器组等特殊要求的真空开关,分断电流尚停在4千安的水平。由于真空材料冶炼技术上的进步和真空开关触头结构研究上所取得的突破,1961年,美国通用电气公司开始生产15千伏、分断电流为12.5千安的真空断路器。1966年试制成15千伏、26千安和31.5千安的真空断路器,从而使真空断路器进入了高电压、大容量的电力系统。80年代中期,真空断路器的分断能力已达100千安。 中国从1958年开始研制真空开关,1960年西安交通大学和西安开关整流器厂共同研制成第一批6.7千伏、分断能力为600安的真空开关;随后又制成10千伏、分断能力为 1.5千安的三相真空开关。1969年华光电子管厂和西安高压电器研究所制成了 10千伏、2千安单相快速真空开关。70年代以后,中国已能独立研制和生产各种规格的真空开关。
真空断路器通常可分多个电压等级。低压型一般用于防爆电气使用。像煤矿等等。
真空断路器主要包含三大部分:真空灭弧室、电磁或弹簧操动机构、支架及其他部件。

 西门子真空断路器


开距
触头的开距主要取决于真空断路器的额定电压和耐压要求,一般额定电压低时触头开距选得小些。但开距太小会影响分断能力和耐压水平。开距太大,虽然可以提高耐压水平,但会使真空灭弧室的波纹管寿命下降。设计时一般在满足运行的耐压要求下尽量把开距选得小一些。10kV真空断路器的开距通常在8~12mm之间,35kV的则在30~40mm之间。
触头接触压力
在无外力作用时,动触头在大气压作用下,对内腔产生一个闭合力使其与静触头闭合,称之为自闭力,其大小取决于波纹管的端口直径。灭弧室在工作状态时,这个力太小不能保证动静触头间良好的电接触,必须施加一个外加压力。这个外加压力和自闭力之和称为触头的接触压力。这个接触压力有如下几个作用:
(1)保证动、静触头的良好接触,并使其接触电阻少于规定值。
(2)满足额定短路状态时的动稳定要求。应使触头压力大于额定短路状态时的触头间的斥力,以保证在该状态下的完全闭合和不受损坏。
(3)抑制合闸弹跳。使触头在闭会碰撞时得以缓冲,把碰撞的动能转为弹兴的势能,抑制触头的弹跳。
(4)为分闸提供一个加速力。当接触压力大时,动触头得到较大的分闸力,容易拉断会闹熔焊点,提高分闸初始的加速度,减少燃弧时间,提高分断能力。触头接触压力是一个很重要的参数,在产品的初始设计中要经过多次验证、试验才选取得比较合适。如触头压力选得太小,满足不了上述各方面的要求;但触头压力太大,一方面需要增大合闸操作功,另外灭弧室和整机的机械强度要求也需要提高,技术上不经济。
接触行程(压缩行程)
目前真空断路器毫无例外地采用对接式接触方式。动触头碰上静触头之后就不能再前进了,触头接触压力是由每极触头压缩弹簧(有时称作合闸缓冲弹簧)提供的。所谓接触行程,就是开关触头碰触开始,触头压簧施力端继续运动至终结的距离,亦即触头弹簧的压缩距离,故又称压缩行程。
接触行程有两方面作用,一是令触头弹簧受压而向对接触头提供接触压力;二是保证在运行磨损后仍然保持一定的接触压力,使之可靠接触。一般接触行程可取开距的20%~30%左右,10kV的真空断路器约为3~4mm。
真空断路器的实际结构中,触头合闸弹簧设计成即使处于分闸位置,也有相当的预压缩量,有预压力。这是为使合闸过程中,当动触头尚未碰到静触头而发生预击穿时,动触头有相当力量抵抗电动力,而不致于向后退缩;当触头碰接瞬间,接触压力陡然跃增至预压力数值,防止合闸弹跳,足以抵抗电动斥力,并使接触初始就有良好状态;随着接触行程的前进,触头间的接触压力逐步增大,接触行程终结时,接触压力达到设计值。接触行程不包括合闸弹簧的预压缩量程,它实际上是合闸弹簧的第二次受压行程。
平均合闸速度
平均合闸速度主要影响触头的电磨蚀。如合闸速度太低,则预击穿时间长,电弧存在的时间长,触头表面电磨损大,甚至使触头熔焊而粘住,降低灭弧室的电寿命。但速度太高,容易产生合闸弹跳,操动机构输出功也要增大,对灭弧室和整机机械冲击大,影响产品的使用可靠性与机械寿命。平均合闸速度通常取0.6m/s左右为宜。
平均分闸速度
断路器的分闸速度一般而言速度越快越好,这样可以使首开相在电流趋近于0前2~3ms时能开断故障电流;否则首开相不能开断而延续至下一相,原来首开相变为后开相,燃弧时间加长了,增加了开断的难度,甚至使开断失败。但分闸速度太快,分闸的反弹也大,反弹太大震动过剧亦容易产生重燃,所以分间速度亦应考虑这方面同素。分闸速度的快慢,主要取决于合闸时动触头弹簧和分闸弹簧的贮能大小。为了提高分闸速度,可以增加分闸弹簧的贮能量,也可以增加合闸弹簧的压缩量,这都必然需要提高操动机构的输出功和整机的机械强度,降低了技术经济指标。经过多年试验认为,10kV的真空断路器,平均分闸速度能保证在0.95~1.2m/s比较合适。
合闸弹跳时间
合闸弹跳时间是断路器在会闹时,触头刚接触开始计起,随后产生分离,可能又触又离,到其稳定接触之间的时间。
这一参数国外的标准中都没有明确规定,1989年底能源部电力司提出真空断路器合闸弹跳时间必须小于2ms。为什么合闸弹跳时间要小于2ms呢?主要是合闸弹跳的瞬间会引起电力系统或设备产生L.C高频振荡,振荡产生的过电压对电气设备的绝缘可能造成伤害甚至损坏。当合闸弹跳时;同小于2ms时,不会产生较大的过电压,设备绝缘不会受损,在关合时动静触头之间也不会产生熔焊。
合、分闸不同期性
合闸的不同期性太大容易引起合闸的弹跳,因为机构输出的运动冲量仅由首合闸相触头承受。分闸的不同期性太大可能使后开相管子燃弧时间加长,降低开断能力。
合闸与分闸的不同期性一般是同时存在的,所以调好了合闸的不同期性,分闸的不同期性也就有了保证。产品中要求合分闸不同期性小于2ms。
合、分闸时间
分、合闸时间是指从操动线圈的端子得电时刻计起,至三极触头全部合上或分离止的一段时间间隔。
合、分闸线圈是按短时工作制作设计的,合闸线圈的通电时间不到100ms,分闸线圈的不到60ms。分、合闸时间一般在断路器出厂时已调好,无须再动。
当断路器用在发电系统并在电源近端短路时,故障电流衰减较慢,若分闸时间很短,这时断路器分断的故障电流就可能含有较大的直流分量,开断条件更为恶劣,这对断路器的开断是很不利的。所以用于发电系统的真空断路器,其分闸时间尽可能设计长些为宜。
回路电阻
回路电阻值是表征导电回路的联接是否良好的一个参数,各类型产品都规定了一定范围内的值。若回路电阻超过规定值时,很可能是导电回路某一连接处接触不良。在大电流运行时接触不良处的局部温升增高,严重时甚至引起恶性循环造成氧化烧损,对用于大电流运行的断路器尤需加倍注意。回路电阻测量,不允许采用电桥法测量,须采用GB763规定的直流压降法。
触头系统
“真空断路器”的触头常采取对接式触头。因为一般的真空断路器在分闸状态下动静触头的距离只有16mm这么小的距离很难制作出其他形状的接触面,而且平直的接触面瞬间动作电弧的损伤也较小。真空断路器的优点之一是体积小,动静触头要在一个绝对真空的空间内动作,如果制作成其他的对接方式也会增加断路器自身的体积!
真空断路器在中压领域(12-40.5 kV)已占绝对优势,而在高压领域(72.5-252 kV)也已暂露头角,其发展前景看好。在我国,中压真空断路器2009年已占中压开关的99.39%。高压真空断路器也在72.5~126 kV等级不断研制出新品,并已有投运。在国外,许多国家和公司在研发高压真空断路器,且有的产品已投运多年,如日本、韩国、美国、德国、俄罗斯等。据统计,日本输电系统已使用72-252kV真空断路器3350台。目前,高压真空断路器已达到145 kV单断口,168 kV双断口,现正在研制更高电压等级产品。产品在结构上有罐式和瓷柱式,我国已作出瓷柱式126 kV真空断路器,而日本168 kV真空断路器采用罐式结构。在真空灭弧室外绝缘上,有用低压力SF6气体如(内充压力0.12 MPa)绝缘,也有用干压空气等作为外绝缘。
值得一提的是我国两家高压开关主流厂家最新开发出瓷柱式真空断路器,如2010年西电公司成功完成的国家科技部项目 126 kV真空断路器,并通过国家科技部验收。该产品的灭弧室采用纵磁场线圈结构,使用具有高开断能力和良好抗熔焊性的铜铬触头材料。该配套开发的真空灭弧室是国内首家完成的具有完全知识产权的产品,其技术水平处于国际先进水平。另一家为平高集团,平高集团在大力发展高电压大容量SF6断路器的同时,也不失时机地研发出高电压真空断路器。该集团于2011年11月同时进行了LW55-72.5型罐式SF6断路器、ZW55-63型高电压真空断路器、ZW55-2×31.5型和ZW55-31.5型真空断路器4种新产品国家鉴定,总体达到国际先进水平。
在2011年的汉诺威博览会上,西门子公司展出了用充氮(N2)绝缘的72.5 kV真空断路器取代了传统的SF6断路器,这说明西门子公司开始注重高压真空断路器的研发。西门子高压真空断路器是能大大减少SF6温室气体的使用量,有利于环境保护,减少大气中的温室效应。同时,高压真空断路器具有良好的耐低温特性,可以避免高寒地区SF6气体液化问题,是高寒地区高电压等级断路器的最佳选择。在研发高压真空断路器中需要解决一系列技术问题有:高电压真空绝缘、大电流真空开断、额定电流与温升、机械特性、真空灭弧室外绝缘及容性电流开断、小感性电流开断等。这些技术问题的解决,促进了真空断路器技术的进步。然而,高压真空断路器的发展方兴未艾,尚需大力开展研究工作。

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