真空斷路器淺析

真空斷路器在中國運行有近30年的歷史,真空斷路器的開發有兩次大的技術飛躍,一次是20世紀70年代,出現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構,觸頭材料為銅鉍銀及銅鉍鋁兩大類,受其材料性能限制,開斷能力只能達到20 kA.另一次是20世紀80年代初期,在杯形觸頭上刻槽,使其在開斷時產生橫向磁場,讓電弧在觸頭上旋轉,減少觸頭燒損,提高觸頭壽命,同時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、機械壽命等方面有了較大的飛躍.在其20世紀80年代中后期,由北京開關廠引進德國西門子3AF,廣州南洋電器廠引進日本東芝公司VK10J,比利時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,在開斷時產生縱向磁場,使電弧呈擴散性,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生,開斷容性負載重擊穿幾乎不發生,弧后工頻耐壓基本不降低,克服了真空開關在20世紀70年代及20世紀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開斷容性負載經常發生重擊穿現象;③在感性電路中其操作過電壓特別高.這樣在國內掀起了真空開關熱,生產真空斷路器的廠家目前已突破350家,真空斷路器型號已達50多種,可稱位居世界之首.

1 現階段國產真空斷路器種類和區別

1.1 種類

目前中國生產的真空斷路器可粗略分為三大類:

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

1.2 第三類與一、二類真空斷路器區別

1)整體型結構的斷路器一般為1套四連桿傳動系統;而分體型結構與拼湊型結構均為2套四連桿相聯傳動系統或者1套五連桿與1套四連桿相聯的傳動系統.

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

3)整體型結構的斷路器是從斷路器在控制回路中的整體要求設計的;而分體型結構與拼湊型結構的斷路器是仿型(分體仿SN10-10)及湊合(將分體與操動機構湊合起來)出來的設計.

2 真空斷路器的優化設計

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,其機械壽命就從傳統斷路器的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構的機械壽命及可靠性就成了很的問題.一個產品的可靠性,主要由制造質量和設計質量來保證,前者要求制造者有嚴格的質量保證體系,其涉及到管理、人員素質和培訓,新設備的采用等諸因素.因此在中國目前人員素質還不很高、責任心還不很強、管理相對落后、設備陳舊的情況下,把產品的可靠性過多地依賴制造質量本身是不現實的.產品的可靠性便落在設計者的肩上.一個高可靠性的產品設計,必定是簡單的設計結構,即用少的零部件達到產品必要的功能.另外,經過優化設計后的產品應做到批量化生產,這樣有利于質量的提高和生產成本的降低.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 簡化連桿系統設計

在上面闡述過,國內真空斷路器普遍采用原少油開關操動機構CD10、CT8及其改進型CD17、CT17、CT19等.他們均為五連桿結構體系,其設計意圖是為了滿足具有自由脫扣功能,結構復雜.其中某些限位連桿脆弱.如CD10的死區連桿,CD17的半軸結構,CT17及CT19的各種半軸和扣板."自由脫扣"是在一定技術歷史背景下提出的,不但不能執行正常的分閘操作,還會對操作者造成人身安全事故.對于電磁機構,直流電源由老式CZO-40C型直流接觸器操作控制,它的"分閘時間"(切除控制線圈電源到主觸頭分開的時間)約為150~200 ms.若無自由脫扣功能,配電磁機構的斷路器也無法執行正常的分閘操作,即使采用專為斷路器設計的CZO-40D型直流接觸器(動作時間約70 ms),在少油開關做合分閘操作時,由于高質量的合閘鐵芯來不及復位,將阻攔動導電桿運動路線,降低分閘開關速度,影響開斷性能.而真空斷路器就無此顧慮.技術的發展,使某種限制消亡是歷史的必然.GB1984標準和電力部訂貨技術條件都取消了自由脫扣對電磁機構配真空開關的限制.因此新設計的CD17保留自由脫扣功能表明設計者思想不夠開放.而CT17及CT19彈簧機構搞自由脫扣無異是畫蛇添足,造成結構無謂的復雜,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導文章.

2.1.2 一體化設計

以真空滅弧室單元配用獨立型號的操動機構(電磁或彈簧)單元組成斷路器的構思是從少油開關延續下來的觀念.因為這種方式用在真空斷路器領域不論對機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,這樣使結構復雜,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,其中一個絞點即為斷路器的主軸,結構簡單,傳動損耗小,可靠性大為提高.因此,應大力發展此類真空斷路器.

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計優劣的重要標志.

2.2.1 處理好分閘起始階段(引弧階段)

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

加快分閘初始的電弧電流由集聚型向擴散型過程轉變,有三種措施.

①減少運動零部件的質量:在研制真空斷路器過程中,減小導電夾來減小運動的零部件質量,經對比,結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動.因為傳統的斷路器動靜觸頭接觸方式皆是插入式.當發生短路電流時,電動力使梅花觸指抱緊導電桿,在動導電桿的運動方向分力為零.而真空斷路器的動靜觸頭接觸方式為平面接觸,當短路電流發生時其強大電動力對觸頭運動是排斥力.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,它的分離和主軸運動時間并無滯后(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動.以便提高初分速度.因此現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,要減小的運動質量范圍就是全部運動的零部件.可見分體型結構及拼湊型結構移植到真空斷路器設計上來,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)

當觸頭分離至3~4 mm時,電弧向擴散型的轉變已完成,此時是滅弧的大好時機(從大量的試驗證實滅弧的開距為3~4 mm).如果此時電流過零,有限的金屬蒸汽密度衰減快,當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),斷口間絕緣強度迅速恢復,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呢(第二階段的運動速度的原動力是以分閘彈簧為主了).在三相系統中,開斷如果要在個零點熄弧將歷時3ms(觸頭在兩個零點中間分離,因此時的開距已足夠大).因此要在開距3~4 mm熄弧.其間的平均分閘速度應為0.8~1.1 m/s.折算成現今廣泛采用的6mm平均分閘速度約為11.0~1.3 ms,這數據幾乎被國內外的真空斷路器所采納.然而,這是空載時對斷路器機械操作所測得的數據.在開斷大電流時,分閘速度將大大超過此值.這是因為電動力的排斥力參與運動.因此,在同樣的時間內動觸頭將運行到6~8 mm外,L值過大,X在大多數情況下都超不過L,電弧還將延長3.3或6.6 mm熄滅,為了縮短燃弧時間,分閘后的第二階段應采取緩沖措施,將導電桿運動的速度及時大幅度降下來.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,現有的緩沖方式都不能滿足現代真空斷路器的技術要求.應盡快設計一種適合此要求的簡易緩沖器.目前國內很多型號的真空斷路器使用的分閘彈簧力都設計得很大(比國外同類產品大的多).分閘階段時觸頭分離要快,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,分閘過程時間短,快速運動的觸頭要在這么短的時間內停下來,不論用何種方式,終的速度變化率還是很大,強烈的震動不可避免,因此,余震一般還將延續30 ms.當今,國內外的真空斷路器分閘,動觸頭從分離到進入震區一般約歷時10~12 ms,而燃弧時間也大多為12~15 ms.顯然,電弧熔化的觸頭局部表面是進入震區后才開始冷卻凝固的.強烈的余震不可避免將液態金屬飛淺而形成觸頭表面尖狀物和觸頭間懸浮金屬微粒.這是造成重擊穿的外因之一.而這種設計上的不足在有限的型式試驗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識.

總之,作為真空斷路器的設計者應對分閘過程應給予重視.減小運動部件質量,提高初分速度.及時降低第二階段的分閘速度,縮短燃弧時間,使電弧熄滅在進入震區前,給觸頭表面一定的冷卻時間,同時也要求減弱震動強度,使整個分閘過程符合以上機理,這樣有利于提高機械壽命和電壽命.

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.電磁機構為0.35~0.50 m/s,彈簧機構為0.8~1.0 m/s.實際上真空斷路器對合閘速度并無多大嚴格要求,能完成合閘動作即可(包括關合能力).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."合閘彈跳時間"的定義見圖1(合閘操作波形示意圖).合閘彈跳時間T=T1+T2.其中T1為動觸頭在彈起前和靜觸頭接觸停滯時間,T2為動觸頭彈起騰空時間.合閘彈跳時間中的T1與合閘速度有關,合閘速度越快T1的值越小,反之T1越大.因此,彈簧機構的T值反而比電磁機構小.大量測試表明,凡合閘彈跳只發生一次騰空者,T=1.8~2.6ms;發生兩次者,T>5 ms.當人們設法消除彈跳又力求將T值縮到小于2 ms時,卻忽略了這僅僅是空載時所進行的機械操作.而在關合短路故障點時及關合負荷電流時其情況又是另一番景象,當動靜觸頭在合閘進入到擊穿距離時,引起擊穿,產生強大的電動排斥力,減緩了觸頭的撞擊.此時還會有空載時測得的彈跳嗎?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的由示波器記錄波形圖后,不難看出,均未發現有彈跳發生,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間,造成不必要的燒損.

3 選擇真空滅弧室

目前國內真空滅弧室的品種不比國外差,采用縱向、橫向的磁場技術的真空滅弧室,采用中央引燃觸頭技術的真空滅弧室,Cu-Cr合金觸頭材料性能達到世界水平.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,陶瓷管已占絕對優勢.但玻璃管仍有其生命力,因價格便宜,封接技術穩定,漏氣率比陶瓷管低,但陶瓷管的抗脆性高,便于批量生產.中國的真空滅弧室已達到較高的水平.真空斷路器可以選用國產的真空滅弧室.

4 真空斷路器型式試驗及其各種參數

真空斷路器的參數及型式試驗項目往往代表它的水平和身價.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中超過對手.相互提高試驗內容,而產品的本身卻很少改進,給一些不明真相的用戶造成錯誤的導向.實際上是弊多利少,應正確對待.

4.1 滿容量短路電流開斷次數 這是一項表明某種型號真空滅弧室,在一定技術水準結構形式的斷路器配合下開斷額定短路電流的電壽命.并不認為開斷次數多的斷路器就是好的斷路器,因斷路器在電網上運行時,不可能有如此多的短路故障發生,過多的開斷次數對用戶來說是無益的.

4.2 切合電容器組試驗

真空斷路器開斷能力強,且適于頻繁操作廣泛用于切合電容器組,有關標準規定,如果重擊穿引起的過電壓小于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選在3~4 mm內.

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,應在分閘的初始速度上(0~3mm)把好關.

4.5 合閘彈跳時間 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斷路器的基礎上提出來的,因為油斷路器、SF6斷路器的開斷能力是在觸頭分離后的某個區間,出了此區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自滅弧能力,在任何區間都有熄弧能力,同期性并不重要.即使真空斷路器不同期性高達5 mm,當電流過零恰逢落后相時,后果也只是每相多燃弧3.3 ms,而當電流過零在超前相時,則毫無不良后果.

分閘不同期對電網穩定性無不利的影響,因為三相系統滅弧時間總是不同期的,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及其斷路器自身并無多大的損害,對于真空斷路器設計的技術工作者應有足夠的認識,以便掌握什么是特別關鍵的,什么是無關緊要的.

5 結束語

綜上所述,中國真空斷路器經過30多年的發展,已積累了較豐富的設計和生產經驗,生產手段也在以較高的速度朝現代化的方向邁進,且有了相當大的生產規模.但在設計及工藝方面還有不少薄弱環節,克服這些弱點是當務之急.