真空斷路器淺析

真空斷路器在中國運(yùn)行有近30年的歷史,真空斷路器的開發(fā)有兩次大的技術(shù)飛躍,一次是20世紀(jì)70年代,出現(xiàn)了中國代真空斷路器.它采用的是阿基米德螺旋槽的觸頭結(jié)構(gòu),觸頭材料為銅鉍銀及銅鉍鋁兩大類,受其材料性能限制,開斷能力只能達(dá)到20 kA.另一次是20世紀(jì)80年代初期,在杯形觸頭上刻槽,使其在開斷時(shí)產(chǎn)生橫向磁場,讓電弧在觸頭上旋轉(zhuǎn),減少觸頭燒損,提高觸頭壽命,同時(shí)觸頭材料上研制了銅鉍銻、銅鉍鋁及銅鉻材料等,使其斷路器在電壽命、機(jī)械壽命等方面有了較大的飛躍.在其20世紀(jì)80年代中后期,由北京開關(guān)廠引進(jìn)德國西門子3AF,廣州南洋電器廠引進(jìn)日本東芝公司VK10J,比利時(shí)EIB公司VB5及其ABB公司VD4等為代表,采用在杯狀圓盤觸頭上刻槽,在開斷時(shí)產(chǎn)生縱向磁場,使電弧呈擴(kuò)散性,限度地減少燒損.觸頭材料全都采用銅鉻(CuCr)新材料,此種觸頭材料具有很低的截流值,一般僅為3~5 A.因此在感性電路中能限制其操作過電壓產(chǎn)生,開斷容性負(fù)載重?fù)舸缀醪话l(fā)生,弧后工頻耐壓基本不降低,克服了真空開關(guān)在20世紀(jì)70年代及20世紀(jì)80年代初的三大缺陷:①開斷故障電弧后工頻耐壓特別低;②開斷容性負(fù)載經(jīng)常發(fā)生重?fù)舸┈F(xiàn)象;③在感性電路中其操作過電壓特別高.這樣在國內(nèi)掀起了真空開關(guān)熱,生產(chǎn)真空斷路器的廠家目前已突破350家,真空斷路器型號已達(dá)50多種,可稱位居世界之首.

1 現(xiàn)階段國產(chǎn)真空斷路器種類和區(qū)別

1.1 種類

目前中國生產(chǎn)的真空斷路器可粗略分為三大類:

類為分體型結(jié)構(gòu),是按原少油斷路器SN10型模仿設(shè)計(jì)出來的,主要是為了舊少油斷路器開關(guān)設(shè)備的改造,也有安裝在新開關(guān)設(shè)備上的,如ZN7-10X、ZN13-10X、ZN19-10X、ZN28-10A等;第二類為具有獨(dú)立型號機(jī)構(gòu)的拼湊型結(jié)構(gòu),由CD10、CD17、CT8、CT17、CT19等機(jī)構(gòu)與真空滅弧室及轉(zhuǎn)軸、彈簧等拼湊成一臺斷路器,如ZN7-10、ZN13-10、ZN19-10、ZN28-10等;第三類為整體型結(jié)構(gòu),其特點(diǎn)是沒有獨(dú)立的機(jī)構(gòu),傳動損耗少的真空斷路器,此類斷路器主要以引進(jìn)技術(shù)占主體,如ZN12-10真空斷路器是以北京開關(guān)廠為代表引進(jìn)的西門子公司3AF真空斷路器,ZN18-10真空斷路器為廣州南洋電器廠引進(jìn)的東芝公司VK10J真空斷路器,廈門ABB開關(guān)有限公司的VD4真空斷路器、VM1永磁真空斷路器以及森源公司設(shè)計(jì)的VS1型真空斷路器等.

1.2 第三類與一、二類真空斷路器區(qū)別

1)整體型結(jié)構(gòu)的斷路器一般為1套四連桿傳動系統(tǒng);而分體型結(jié)構(gòu)與拼湊型結(jié)構(gòu)均為2套四連桿相聯(lián)傳動系統(tǒng)或者1套五連桿與1套四連桿相聯(lián)的傳動系統(tǒng).

2)整體型結(jié)構(gòu)的斷路器的觸頭壓縮行程一般為3~4 mm;而分體型結(jié)構(gòu)與拼湊型結(jié)構(gòu)的斷路器的觸頭壓縮行程一般為6~10 mm.

3)整體型結(jié)構(gòu)的斷路器是從斷路器在控制回路中的整體要求設(shè)計(jì)的;而分體型結(jié)構(gòu)與拼湊型結(jié)構(gòu)的斷路器是仿型(分體仿SN10-10)及湊合(將分體與操動機(jī)構(gòu)湊合起來)出來的設(shè)計(jì).

2 真空斷路器的優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 處理好斷路器可靠性

真空斷路器的可靠性對用戶有切身利益.真空斷路器從問世那一天,其機(jī)械壽命就從傳統(tǒng)斷路器的2 000次躍升增為10 000次,這幾年已有20 000次及30 000次的產(chǎn)品,國外西門子公司已有60 000次及120 000次的長壽命真空斷路器,這主要是在真空狀態(tài)下的低壓電弧無與倫比的特性,使用壽命增加的緣故.因此與其配合的操動機(jī)構(gòu)的機(jī)械壽命及可靠性就成了很的問題.一個產(chǎn)品的可靠性,主要由制造質(zhì)量和設(shè)計(jì)質(zhì)量來保證,前者要求制造者有嚴(yán)格的質(zhì)量保證體系,其涉及到管理、人員素質(zhì)和培訓(xùn),新設(shè)備的采用等諸因素.因此在中國目前人員素質(zhì)還不很高、責(zé)任心還不很強(qiáng)、管理相對落后、設(shè)備陳舊的情況下,把產(chǎn)品的可靠性過多地依賴制造質(zhì)量本身是不現(xiàn)實(shí)的.產(chǎn)品的可靠性便落在設(shè)計(jì)者的肩上.一個高可靠性的產(chǎn)品設(shè)計(jì),必定是簡單的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu),即用少的零部件達(dá)到產(chǎn)品必要的功能.另外,經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)后的產(chǎn)品應(yīng)做到批量化生產(chǎn),這樣有利于質(zhì)量的提高和生產(chǎn)成本的降低.國外真空斷路器都是貫徹此原則,可以從兩方面的工作來提高可靠性.

2.1.1 簡化連桿系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在上面闡述過,國內(nèi)真空斷路器普遍采用原少油開關(guān)操動機(jī)構(gòu)CD10、CT8及其改進(jìn)型CD17、CT17、CT19等.他們均為五連桿結(jié)構(gòu)體系,其設(shè)計(jì)意圖是為了滿足具有自由脫扣功能,結(jié)構(gòu)復(fù)雜.其中某些限位連桿脆弱.如CD10的死區(qū)連桿,CD17的半軸結(jié)構(gòu),CT17及CT19的各種半軸和扣板."自由脫扣"是在一定技術(shù)歷史背景下提出的,不但不能執(zhí)行正常的分閘操作,還會對操作者造成人身安全事故.對于電磁機(jī)構(gòu),直流電源由老式CZO-40C型直流接觸器操作控制,它的"分閘時(shí)間"(切除控制線圈電源到主觸頭分開的時(shí)間)約為150~200 ms.若無自由脫扣功能,配電磁機(jī)構(gòu)的斷路器也無法執(zhí)行正常的分閘操作,即使采用專為斷路器設(shè)計(jì)的CZO-40D型直流接觸器(動作時(shí)間約70 ms),在少油開關(guān)做合分閘操作時(shí),由于高質(zhì)量的合閘鐵芯來不及復(fù)位,將阻攔動導(dǎo)電桿運(yùn)動路線,降低分閘開關(guān)速度,影響開斷性能.而真空斷路器就無此顧慮.技術(shù)的發(fā)展,使某種限制消亡是歷史的必然.GB1984標(biāo)準(zhǔn)和電力部訂貨技術(shù)條件都取消了自由脫扣對電磁機(jī)構(gòu)配真空開關(guān)的限制.因此新設(shè)計(jì)的CD17保留自由脫扣功能表明設(shè)計(jì)者思想不夠開放.而CT17及CT19彈簧機(jī)構(gòu)搞自由脫扣無異是畫蛇添足,造成結(jié)構(gòu)無謂的復(fù)雜,降低了可靠性,在國外(如日本、德國)也有取消自由脫扣器來提高可靠性的報(bào)導(dǎo)文章.

2.1.2 一體化設(shè)計(jì)

以真空滅弧室單元配用獨(dú)立型號的操動機(jī)構(gòu)(電磁或彈簧)單元組成斷路器的構(gòu)思是從少油開關(guān)延續(xù)下來的觀念.因?yàn)檫@種方式用在真空斷路器領(lǐng)域不論對機(jī)械性能還是電氣性能是有百害而無一利的.不論CD10、CD17、CT8、CT17及CT19等本身是由五連桿體系組成的.它的輸出軸并不是斷路器的主軸,還必須使其輸出軸和斷路器主軸組成另一套四連桿來傳遞合閘力,這樣使結(jié)構(gòu)復(fù)雜,傳動損耗大.與其對比一體化的斷路器(如ZN12、ZN18、VD4、VM1、VS1,其中ZN12、ZN18、VD4、VS1為彈簧力操作;VM1為永磁力操作)是由一套四連桿組成,其中一個絞點(diǎn)即為斷路器的主軸,結(jié)構(gòu)簡單,傳動損耗小,可靠性大為提高.因此,應(yīng)大力發(fā)展此類真空斷路器.

2.2 處理好斷路器的分閘過程

真空斷路器的分閘過程并不是人們想象的這樣簡單,如何處理這些過程是真空斷路器設(shè)計(jì)優(yōu)劣的重要標(biāo)志.

2.2.1 處理好分閘起始階段(引弧階段)

現(xiàn)代理論證明真空斷路器的初分階段(0~3mm),對開斷性能至關(guān)重要.真空斷路器在分閘初始的電弧電流總是由集聚型向擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變,此過程轉(zhuǎn)變的越快越好.目前凡是搞這一行的技術(shù)人員都應(yīng)將此觀念貫徹到設(shè)計(jì)中去.

加快分閘初始的電弧電流由集聚型向擴(kuò)散型過程轉(zhuǎn)變,有三種措施.

①減少運(yùn)動零部件的質(zhì)量:在研制真空斷路器過程中,減小導(dǎo)電夾來減小運(yùn)動的零部件質(zhì)量,經(jīng)對比,結(jié)果是初分速度不同程度上有所提高.

②增大分閘彈簧彈力,且要使其在分閘初期(0~3 mm)發(fā)揮作用.

③觸頭壓縮行程必須盡量的小(2~3 mm),使分閘彈簧盡早地參加分閘運(yùn)動.因?yàn)閭鹘y(tǒng)的斷路器動靜觸頭接觸方式皆是插入式.當(dāng)發(fā)生短路電流時(shí),電動力使梅花觸指抱緊導(dǎo)電桿,在動導(dǎo)電桿的運(yùn)動方向分力為零.而真空斷路器的動靜觸頭接觸方式為平面接觸,當(dāng)短路電流發(fā)生時(shí)其強(qiáng)大電動力對觸頭運(yùn)動是排斥力.這樣觸頭的分離就不必等觸頭壓縮彈簧釋放之后由分閘彈簧來拉動了,它的分離和主軸運(yùn)動時(shí)間并無滯后(或滯后甚小),如果壓縮彈簧的行 程很小,則分閘彈簧可盡早地參加運(yùn)動.以便提高初分速度.因此現(xiàn)在研制的真空斷路器的觸頭壓縮彈簧的壓縮就盡量的小(2~3 mm),既然初分階段的原動力是電動力的排斥力,要減小的運(yùn)動質(zhì)量范圍就是全部運(yùn)動的零部件.可見分體型結(jié)構(gòu)及拼湊型結(jié)構(gòu)移植到真空斷路器設(shè)計(jì)上來,由于連桿太長、太多,對提高真空斷路器的初分速度是不利的.

2.2.2 處理好分閘的第二階段(滅弧階段3~8 mm)

當(dāng)觸頭分離至3~4 mm時(shí),電弧向擴(kuò)散型的轉(zhuǎn)變已完成,此時(shí)是滅弧的大好時(shí)機(jī)(從大量的試驗(yàn)證實(shí)滅弧的開距為3~4 mm).如果此時(shí)電流過零,有限的金屬蒸汽密度衰減快,當(dāng)XL不等式成立,(X為金屬粒子的碰撞自由行程;L為電的開距),斷口間絕緣強(qiáng)度迅速恢復(fù),開斷成功,為了使X更快地大于L,動觸頭的第二階段速度多少為準(zhǔn)呢(第二階段的運(yùn)動速度的原動力是以分閘彈簧為主了).在三相系統(tǒng)中,開斷如果要在個零點(diǎn)熄弧將歷時(shí)3ms(觸頭在兩個零點(diǎn)中間分離,因此時(shí)的開距已足夠大).因此要在開距3~4 mm熄弧.其間的平均分閘速度應(yīng)為0.8~1.1 m/s.折算成現(xiàn)今廣泛采用的6mm平均分閘速度約為11.0~1.3 ms,這數(shù)據(jù)幾乎被國內(nèi)外的真空斷路器所采納.然而,這是空載時(shí)對斷路器機(jī)械操作所測得的數(shù)據(jù).在開斷大電流時(shí),分閘速度將大大超過此值.這是因?yàn)殡妱恿Φ呐懦饬⑴c運(yùn)動.因此,在同樣的時(shí)間內(nèi)動觸頭將運(yùn)行到6~8 mm外,L值過大,X在大多數(shù)情況下都超不過L,電弧還將延長3.3或6.6 mm熄滅,為了縮短燃弧時(shí)間,分閘后的第二階段應(yīng)采取緩沖措施,將導(dǎo)電桿運(yùn)動的速度及時(shí)大幅度降下來.早期的膠皮緩沖(只能算后期緩沖)肯定是不行,油緩沖(中期緩沖)作用力太遲,效果欠佳.近美國西屋公司的氣動緩沖(全程緩沖)在第二階段的緩沖力不.因此,現(xiàn)有的緩沖方式都不能滿足現(xiàn)代真空斷路器的技術(shù)要求.應(yīng)盡快設(shè)計(jì)一種適合此要求的簡易緩沖器.目前國內(nèi)很多型號的真空斷路器使用的分閘彈簧力都設(shè)計(jì)得很大(比國外同類產(chǎn)品大的多).分閘階段時(shí)觸頭分離要快,它還來不及參與,第二階段要慢,它卻大顯神威,燃弧時(shí)間反而加長了,并對第三階段的處理造成了困難.

2.2.3 處理好分閘第三階段(震蕩階段8~11 mm)

由于真空斷路器開距小,分閘過程時(shí)間短,快速運(yùn)動的觸頭要在這么短的時(shí)間內(nèi)停下來,不論用何種方式,終的速度變化率還是很大,強(qiáng)烈的震動不可避免,因此,余震一般還將延續(xù)30 ms.當(dāng)今,國內(nèi)外的真空斷路器分閘,動觸頭從分離到進(jìn)入震區(qū)一般約歷時(shí)10~12 ms,而燃弧時(shí)間也大多為12~15 ms.顯然,電弧熔化的觸頭局部表面是進(jìn)入震區(qū)后才開始冷卻凝固的.強(qiáng)烈的余震不可避免將液態(tài)金屬飛淺而形成觸頭表面尖狀物和觸頭間懸浮金屬微粒.這是造成重?fù)舸┑耐庖蛑?而這種設(shè)計(jì)上的不足在有限的型式試驗(yàn)中往往不能充分反映出來.因而長期以來人們對此并無充分的認(rèn)識.

總之,作為真空斷路器的設(shè)計(jì)者應(yīng)對分閘過程應(yīng)給予重視.減小運(yùn)動部件質(zhì)量,提高初分速度.及時(shí)降低第二階段的分閘速度,縮短燃弧時(shí)間,使電弧熄滅在進(jìn)入震區(qū)前,給觸頭表面一定的冷卻時(shí)間,同時(shí)也要求減弱震動強(qiáng)度,使整個分閘過程符合以上機(jī)理,這樣有利于提高機(jī)械壽命和電壽命.

2.3 處理好真空斷路器的合閘過程 真空斷路器的合閘過程遠(yuǎn)比分閘過程要簡單得多,它的擊穿的距離很小(約1 mm),又不會如油、SF6斷路器那樣擊穿引弧后使介質(zhì)汽化膨脹.因此它合閘速度要比其它斷路器要低得多.電磁機(jī)構(gòu)為0.35~0.50 m/s,彈簧機(jī)構(gòu)為0.8~1.0 m/s.實(shí)際上真空斷路器對合閘速度并無多大嚴(yán)格要求,能完成合閘動作即可(包括關(guān)合能力).談到合閘過程必須談一下合閘彈跳問題,因真空斷路器的觸頭是平面接觸,碰撞下必有回彈.所以必須將回彈控制在一定的范圍內(nèi)."合閘彈跳時(shí)間"的定義見圖1(合閘操作波形示意圖).合閘彈跳時(shí)間T=T1+T2.其中T1為動觸頭在彈起前和靜觸頭接觸停滯時(shí)間,T2為動觸頭彈起騰空時(shí)間.合閘彈跳時(shí)間中的T1與合閘速度有關(guān),合閘速度越快T1的值越小,反之T1越大.因此,彈簧機(jī)構(gòu)的T值反而比電磁機(jī)構(gòu)小.大量測試表明,凡合閘彈跳只發(fā)生一次騰空者,T=1.8~2.6ms;發(fā)生兩次者,T>5 ms.當(dāng)人們設(shè)法消除彈跳又力求將T值縮到小于2 ms時(shí),卻忽略了這僅僅是空載時(shí)所進(jìn)行的機(jī)械操作.而在關(guān)合短路故障點(diǎn)時(shí)及關(guān)合負(fù)荷電流時(shí)其情況又是另一番景象,當(dāng)動靜觸頭在合閘進(jìn)入到擊穿距離時(shí),引起擊穿,產(chǎn)生強(qiáng)大的電動排斥力,減緩了觸頭的撞擊.此時(shí)還會有空載時(shí)測得的彈跳嗎?在查閱了西安高壓電器研究所及北京電科院的大小短路電流試驗(yàn)的由示波器記錄波形圖后,不難看出,均未發(fā)現(xiàn)有彈跳發(fā)生,充分證明了擊穿后電動排斥力是消除彈跳的有效手段,除此再搞外加緩沖器,以求空載無彈跳,可見是多余的,還將延長擊穿燃弧時(shí)間,造成不必要的燒損.

3 選擇真空滅弧室

目前國內(nèi)真空滅弧室的品種不比國外差,采用縱向、橫向的磁場技術(shù)的真空滅弧室,采用中央引燃觸頭技術(shù)的真空滅弧室,Cu-Cr合金觸頭材料性能達(dá)到世界水平.Cu-Cr合金材料制成觸頭已成功地開斷50 kA及63 kA.在真空滅弧室的外殼材料上,陶瓷管已占絕對優(yōu)勢.但玻璃管仍有其生命力,因價(jià)格便宜,封接技術(shù)穩(wěn)定,漏氣率比陶瓷管低,但陶瓷管的抗脆性高,便于批量生產(chǎn).中國的真空滅弧室已達(dá)到較高的水平.真空斷路器可以選用國產(chǎn)的真空滅弧室.

4 真空斷路器型式試驗(yàn)及其各種參數(shù)

真空斷路器的參數(shù)及型式試驗(yàn)項(xiàng)目往往代表它的水平和身價(jià).因此在市場競爭激烈的今天,各廠家不惜投入大量資金在型式試驗(yàn)中超過對手.相互提高試驗(yàn)內(nèi)容,而產(chǎn)品的本身卻很少改進(jìn),給一些不明真相的用戶造成錯誤的導(dǎo)向.實(shí)際上是弊多利少,應(yīng)正確對待.

4.1 滿容量短路電流開斷次數(shù) 這是一項(xiàng)表明某種型號真空滅弧室,在一定技術(shù)水準(zhǔn)結(jié)構(gòu)形式的斷路器配合下開斷額定短路電流的電壽命.并不認(rèn)為開斷次數(shù)多的斷路器就是好的斷路器,因斷路器在電網(wǎng)上運(yùn)行時(shí),不可能有如此多的短路故障發(fā)生,過多的開斷次數(shù)對用戶來說是無益的.

4.2 切合電容器組試驗(yàn)

真空斷路器開斷能力強(qiáng),且適于頻繁操作廣泛用于切合電容器組,有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,如果重?fù)舸┮鸬倪^電壓小于2.5判為合格.

4.3 行程和觸頭彈簧壓縮超程

目前國外真空斷路器的行程為8 mm,國內(nèi)的行程為11 mm;真空斷路器觸頭彈簧壓縮超程通過以上的闡述應(yīng)選在3~4 mm內(nèi).

4.4 分閘速度

目前真空斷路器的分閘速度大多為1.0~1.2 m/s,從上面的闡述分析,應(yīng)在分閘的初始速度上(0~3mm)把好關(guān).

4.5 合閘彈跳時(shí)間 合閘的彈跳是無害的,但彈跳一般以不大于2 ms至3 ms為宜.

4.6 分、合閘三相同期性

就斷路器而言,三相同期的要求是在傳統(tǒng)斷路器的基礎(chǔ)上提出來的,因?yàn)橛蛿嗦菲?、SF6斷路器的開斷能力是在觸頭分離后的某個區(qū)間,出了此區(qū)間開斷能力就減弱或消失,因此要求三相有較高的同期.而真空斷路器有很強(qiáng)自滅弧能力,在任何區(qū)間都有熄弧能力,同期性并不重要.即使真空斷路器不同期性高達(dá)5 mm,當(dāng)電流過零恰逢落后相時(shí),后果也只是每相多燃弧3.3 ms,而當(dāng)電流過零在超前相時(shí),則毫無不良后果.

分閘不同期對電網(wǎng)穩(wěn)定性無不利的影響,因?yàn)槿嘞到y(tǒng)滅弧時(shí)間總是不同期的,首開相與后開兩相總是相隔5 ms的,所以不同期對電網(wǎng)并無影響.

分閘都如此,合閘不同期也就同樣沒有什么多慮的了.

總之,分合閘不同期對電網(wǎng)及其斷路器自身并無多大的損害,對于真空斷路器設(shè)計(jì)的技術(shù)工作者應(yīng)有足夠的認(rèn)識,以便掌握什么是特別關(guān)鍵的,什么是無關(guān)緊要的.

5 結(jié)束語

綜上所述,中國真空斷路器經(jīng)過30多年的發(fā)展,已積累了較豐富的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn),生產(chǎn)手段也在以較高的速度朝現(xiàn)代化的方向邁進(jìn),且有了相當(dāng)大的生產(chǎn)規(guī)模.但在設(shè)計(jì)及工藝方面還有不少薄弱環(huán)節(jié),克服這些弱點(diǎn)是當(dāng)務(wù)之急.