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真空断路器浅析

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真空断路器在中国运行有近30年的历史,真空断路器的开发有两次大的技术飞跃,一次是20世纪70年代,出现了中国第一代真空断路器.它采用的是阿基米德螺旋槽的触头结构,触头材料为铜铋银及铜铋铝两大类,受其材料性能限制,开断能力只能达到20 kA.另一次是20世纪80年代初期,在杯形触头上刻槽,使其在开断时产生横向磁场,让电弧在触头上旋转,减少触头烧损,提高触头寿命,同时触头材料上研制了铜铋锑、铜铋铝及铜铬材料等,使其断路器在电寿命、机械寿命等方面有了较大的飞跃.在其20世纪80年代中后期,由北京开关厂引进德国西门子3AF,广州南洋电器厂引进日本东芝公司VK10J,比利时EIB公司VB5及其ABB公司VD4等为代表,采用在杯状圆盘触头上刻槽,在开断时产生纵向磁场,使电弧呈扩散性,最大限度地减少烧损.触头材料全都采用铜铬(CuCr)新材料,此种触头材料具有很低的截流值,一般仅为3~5 A.因此在感性电路中能限制其操作过电压产生,开断容性负载重击穿几乎不发生,弧后工频耐压基本不降低,克服了真空开关在20世纪70年代及20世纪80年代初的三大缺陷:①开断故障电弧后工频耐压特别低;②开断容性负载经常发生重击穿现象;③在感性电路中其操作过电压特别高.这样在国内掀起了真空开关热,生产真空断路器的厂家目前已突破350家,真空断路器型号已达50多种,可称位居世界之首.

1 现阶段国产真空断路器种类和区别

1.1 种类

目前中国生产的真空断路器可粗略分为三大类:

第一类为分体型结构,完全是按原少油断路器SN10型模仿设计出来的,主要是为了旧少油断路器开关设备的改造,也有安装在新开关设备上的,如ZN7-10X、ZN13-10X、ZN19-10X、ZN28-10A等;第二类为具有独立型号机构的拼凑型结构,由CD10、CD17、CT8、CT17、CT19等机构与真空灭弧室及转轴、弹簧等拼凑成一台断路器,如ZN7-10、ZN13-10、ZN19-10、ZN28-10等;第三类为整体型结构,其特点是没有独立的机构,传动损耗少的真空断路器,此类断路器主要以引进技术占主体,如ZN12-10真空断路器是以北京开关厂为代表引进的西门子公司3AF真空断路器,ZN18-10真空断路器为广州南洋电器厂引进的东芝公司VK10J真空断路器,厦门ABB开关有限公司的VD4真空断路器、VM1永磁真空断路器以及森源公司设计的VS1型真空断路器等.

1.2 第三类与一、二类真空断路器区别

1)整体型结构的断路器一般为1套四连杆传动系统;而分体型结构与拼凑型结构均为2套四连杆相联传动系统或者1套五连杆与1套四连杆相联的传动系统.

2)整体型结构的断路器的触头压缩行程一般为3~4 mm;而分体型结构与拼凑型结构的断路器的触头压缩行程一般为6~10 mm.

3)整体型结构的断路器是从断路器在控制回路中的整体要求设计的;而分体型结构与拼凑型结构的断路器是仿型(分体仿SN10-10)及凑合(将分体与操动机构凑合起来)出来的设计.

2 真空断路器的优化设计

2.1 处理好断路器可靠性

真空断路器的可靠性对用户最有切身利益.真空断路器从问世那一天,其机械寿命就从传统断路器的2 000次跃升增为10 000次,这几年已有20 000次及30 000次的产品,国外西门子公司已有60 000次及120 000次的长寿命真空断路器,这主要是在真空状态下的低压电弧无与伦比的特性,使用寿命增加的缘故.因此与其配合的操动机构的机械寿命及可靠性就成了很突出的问题.一个产品的可靠性,主要由制造质量和设计质量来保证,前者要求制造者有严格的质量保证体系,其涉及到管理、人员素质和培训,新设备的采用等诸因素.因此在中国目前人员素质还不很高、责任心还不很强、管理相对落后、设备陈旧的情况下,把产品的可靠性过多地依赖制造质量本身是不现实的.产品的可靠性便落在设计者的肩上.一个高可靠性的产品设计,必定是最简单的设计结构,即用最少的零部件达到产品必要的功能.另外,经过优化设计后的产品应做到批量化生产,这样有利于质量的提高和生产成本的降低.国外真空断路器都是贯彻此原则,可以从两方面的工作来提高可靠性.

2.1.1 简化连杆系统设计

在上面阐述过,国内真空断路器普遍采用原少油开关操动机构CD10、CT8及其改进型CD17、CT17、CT19等.他们均为五连杆结构体系,其设计意图是为了满足具有自由脱扣功能,结构复杂.其中某些限位连杆极其脆弱.如CD10的死区连杆,CD17的半轴结构,CT17及CT19的各种半轴和扣板."自由脱扣"是在一定技术历史背景下提出的,不但不能执行正常的分闸操作,还会对操作者造成人身安全事故.对于电磁机构,直流电源由老式CZO-40C型直流接触器操作控制,它的"分闸时间"(切除控制线圈电源到主触头分开的时间)约为150~200 ms.若无自由脱扣功能,配电磁机构的断路器也无法执行正常的分闸操作,即使采用新型专为断路器设计的CZO-40D型直流接触器(动作时间约70 ms),在少油开关做合分闸操作时,由于高质量的合闸铁芯来不及复位,将阻拦动导电杆运动路线,降低分闸开关速度,影响开断性能.而真空断路器就无此顾虑.技术的发展,使某种限制消亡是历史的必然.GB1984标准和电力部订货技术条件都取消了自由脱扣对电磁机构配真空开关的限制.因此新设计的CD17保留自由脱扣功能表明设计者思想不够开放.而CT17及CT19弹簧机构搞自由脱扣无异是画蛇添足,造成结构无谓的复杂,降低了可靠性,在国外(如日本、德国)也有取消自由脱扣器来提高可靠性的报导文章.

2.1.2 一体化设计

以真空灭弧室单元配用独立型号的操动机构(电磁或弹簧)单元组成断路器的构思是从少油开关延续下来的观念.因为这种方式用在真空断路器领域不论对机械性能还是电气性能是有百害而无一利的.不论CD10、CD17、CT8、CT17及CT19等本身是由五连杆体系组成的.它的输出轴并不是断路器的主轴,还必须使其输出轴和断路器主轴组成另一套四连杆来传递合闸力,这样使结构复杂,传动损耗大.与其对比一体化的断路器(如ZN12、ZN18、VD4、VM1、VS1,其中ZN12、ZN18、VD4、VS1为弹簧力操作;VM1为永磁力操作)是由一套四连杆组成,其中一个绞点即为断路器的主轴,结构简单,传动损耗小,可靠性大为提高.因此,应大力发展此类真空断路器.

2.2 处理好断路器的分闸过程

真空断路器的分闸过程并不是人们想象的这样简单,如何处理这些过程是真空断路器设计优劣的重要标志.

2.2.1 处理好分闸起始阶段(引弧阶段)

现代理论证明真空断路器的初分阶段(0~3mm),对开断性能至关重要.真空断路器在分闸初始的电弧电流总是由集聚型向扩散型转变,此过程转变的越快越好.目前凡是搞这一行的技术人员都应将此观念贯彻到设计中去.

加快分闸初始的电弧电流由集聚型向扩散型过程转变,有三种措施.

①减少运动零部件的质量:在研制真空断路器过程中,减小导电夹来减小运动的零部件质量,经对比,结果是初分速度不同程度上有所提高.

②增大分闸弹簧弹力,且要使其在分闸初期(0~3 mm)发挥作用.

③触头压缩行程必须尽量的小(2~3 mm),使分闸弹簧尽早地参加分闸运动.因为传统的断路器动静触头接触方式皆是插入式.当发生短路电流时,电动力使梅花触指抱紧导电杆,在动导电杆的运动方向分力为零.而真空断路器的动静触头接触方式为平面接触,当短路电流发生时其强大电动力对触头运动是排斥力.这样触头的分离就不必等触头压缩弹簧完全释放之后由分闸弹簧来拉动了,它的分离和主轴运动时间并无滞后(或滞后甚小),如果压缩弹簧的行 程很小,则分闸弹簧可尽早地参加运动.以便提高初分速度.因此现在研制的真空断路器的触头压缩弹簧的压缩就尽量的小(2~3 mm),既然初分阶段的原动力是电动力的排斥力,要减小的运动质量范围就是全部运动的零部件.可见分体型结构及拼凑型结构移植到真空断路器设计上来,由于连杆太长、太多,对提高真空断路器的初分速度是不利的.

2.2.2 处理好分闸的第二阶段(灭弧阶段3~8 mm)

当触头分离至3~4 mm时,电弧向扩散型的转变已完成,此时是灭弧的大好时机(从大量的试验证实灭弧的最佳开距为3~4 mm).如果此时电流过零,有限的金属蒸汽密度衰减极快,当XL不等式成立,(X为金属粒子的碰撞自由行程;L为电极的开距),断口间绝缘强度迅速恢复,开断成功,为了使X更快地大于L,动触头的第二阶段速度多少为准呢(第二阶段的运动速度的原动力是以分闸弹簧为主了).在三相系统中,开断如果要在第一个零点熄弧将历时3ms(触头在两个零点中间分离,因此时的开距已足够大).因此要在开距3~4 mm熄弧.其间的平均分闸速度应为0.8~1.1 m/s.折算成现今广泛采用的6mm平均分闸速度约为11.0~1.3 ms,这数据几乎被国内外的真空断路器所采纳.然而,这是空载时对断路器机械操作所测得的数据.在开断大电流时,分闸速度将大大超过此值.这是因为电动力的排斥力参与运动.因此,在同样的时间内动触头将运行到6~8 mm外,L值过大,X在大多数情况下都超不过L,电弧还将延长3.3或6.6 mm熄灭,为了缩短燃弧时间,分闸后的第二阶段应采取特殊缓冲措施,将导电杆运动的速度及时大幅度降下来.早期的胶皮缓冲(只能算后期缓冲)肯定是不行,油缓冲(中期缓冲)作用力太迟,效果欠佳.最近美国西屋公司的气动缓冲(全程缓冲)在第二阶段的缓冲力不显著.因此,现有的缓冲方式都不能满足现代真空断路器的技术要求.应尽快设计一种适合此要求的简易缓冲器.目前国内很多型号的真空断路器使用的分闸弹簧力都设计得很大(比国外同类产品大的多).分闸第一阶段时触头分离要快,它还来不及参与,第二阶段要慢,它却大显神威,燃弧时间反而加长了,并对第三阶段的处理造成了困难.

2.2.3 处理好分闸第三阶段(震荡阶段8~11 mm)

由于真空断路器开距小,分闸过程时间短,快速运动的触头要在这么短的时间内停下来,不论用何种方式,最终的速度变化率还是很大,强烈的震动不可避免,因此,余震一般还将延续30 ms.当今,国内外的真空断路器分闸,动触头从分离到进入震区一般约历时10~12 ms,而燃弧时间也大多为12~15 ms.显然,电弧熔化的触头局部表面是进入震区后才开始冷却凝固的.强烈的余震不可避免将液态金属飞浅而形成触头表面尖状物和触头间悬浮金属微粒.这是造成重击穿的外因之一.而这种设计上的不足在有限的型式试验中往往不能充分反映出来.因而长期以来人们对此并无充分的认识.

总之,作为真空断路器的设计者应对分闸过程应给予重视.减小运动部件质量,提高初分速度.及时降低第二阶段的分闸速度,缩短燃弧时间,使电弧熄灭在进入震区前,给触头表面一定的冷却时间,同时也要求减弱震动强度,使整个分闸过程符合以上机理,这样有利于提高机械寿命和电寿命.

2.3 处理好真空断路器的合闸过程 真空断路器的合闸过程远比分闸过程要简单得多,它的击穿的距离很小(约1 mm),又不会如油、SF6断路器那样击穿引弧后使介质汽化膨胀.因此它合闸速度要比其它断路器要低得多.电磁机构为0.35~0.50 m/s,弹簧机构为0.8~1.0 m/s.实际上真空断路器对合闸速度并无多大严格要求,能完成合闸动作即可(包括关合能力).谈到合闸过程必须谈一下合闸弹跳问题,因真空断路器的触头是平面接触,碰撞下必有回弹.所以必须将回弹控制在一定的范围内."合闸弹跳时间"的定义见图1(合闸操作波形示意图).合闸弹跳时间T=T1+T2.其中T1为动触头在弹起前和静触头接触停滞时间,T2为动触头弹起腾空时间.合闸弹跳时间中的T1与合闸速度有关,合闸速度越快T1的值越小,反之T1越大.因此,弹簧机构的T值反而比电磁机构小.大量测试表明,凡合闸弹跳只发生一次腾空者,T=1.8~2.6ms;发生两次者,T>5 ms.当人们设法消除弹跳又力求将T值缩到小于2 ms时,却忽略了这仅仅是空载时所进行的机械操作.而在关合短路故障点时及关合负荷电流时其情况又是另一番景象,当动静触头在合闸进入到击穿距离时,引起击穿,产生强大的电动排斥力,减缓了触头的撞击.此时还会有空载时测得的弹跳吗?在查阅了西安高压电器研究所及北京电科院的大小短路电流试验的由示波器记录波形图后,不难看出,均未发现有弹跳发生,充分证明了击穿后电动排斥力是消除弹跳的有效手段,除此再搞外加缓冲器,以求空载无弹跳,可见是多余的,还将延长击穿燃弧时间,造成不必要的烧损.

3 选择真空灭弧室

目前国内真空灭弧室的品种不比国外差,采用纵向、横向的磁场技术的真空灭弧室,采用中央引燃触头技术的真空灭弧室,Cu-Cr合金触头材料性能达到世界先进水平.Cu-Cr合金材料制成触头已成功地开断50 kA及63 kA.在真空灭弧室的外壳材料上,陶瓷管已占绝对优势.但玻璃管仍有其生命力,因价格便宜,封接技术稳定,漏气率比陶瓷管低,但陶瓷管的抗脆性高,便于批量生产.中国的真空灭弧室已达到较高的水平.真空断路器完全可以选用国产的真空灭弧室.

4 真空断路器型式试验及其各种参数

真空断路器的参数及型式试验项目往往代表它的水平和身价.因此在市场竞争激烈的今天,各厂家不惜投入大量资金在型式试验中超过对手.相互提高试验内容,而产品的本身却很少改进,给一些不明真相的用户造成错误的导向.实际上是弊多利少,应正确对待.

4.1 满容量短路电流开断次数 这是一项表明某种型号真空灭弧室,在一定技术水准结构形式的断路器配合下开断额定短路电流的电寿命.并不认为开断次数多的断路器就是最好的断路器,因断路器在电网上运行时,不可能有如此多的短路故障发生,过多的开断次数对用户来说是无益的.

4.2 切合电容器组试验

真空断路器开断能力强,且适于频繁操作广泛用于切合电容器组,有关标准规定,如果重击穿引起的过电压小于2.5判为合格.

4.3 行程和触头弹簧压缩超程

目前国外真空断路器的行程为8 mm,国内的行程为11 mm;真空断路器触头弹簧压缩超程通过以上的阐述应选在3~4 mm内.

4.4 分闸速度

目前真空断路器的分闸速度大多为1.0~1.2 m/s,从上面的阐述分析,应在分闸的初始速度上(0~3mm)把好关.

4.5 合闸弹跳时间 合闸的弹跳是无害的,但弹跳一般以不大于2 ms至3 ms为宜.

4.6 分、合闸三相同期性

就断路器而言,三相同期的要求是在传统断路器的基础上提出来的,因为油断路器、SF6断路器的最大开断能力是在触头分离后的某个区间,出了此区间开断能力就减弱或消失,因此要求三相有较高的同期.而真空断路器有很强自灭弧能力,在任何区间都有熄弧能力,同期性并不重要.即使真空断路器不同期性高达5 mm,当电流过零恰逢落后相时,后果也只是每相多燃弧3.3 ms,而当电流过零在超前相时,则毫无不良后果.

分闸不同期对电网稳定性无不利的影响,因为三相系统灭弧时间总是不同期的,首开相与后开两相总是相隔5 ms的,所以不同期对电网并无影响.

分闸都如此,合闸不同期也就同样没有什么多虑的了.

总之,分合闸不同期对电网及其断路器自身并无多大的损害,对于真空断路器设计的技术工作者应有足够的认识,以便掌握什么是特别关键的,什么是无关紧要的.

5 结束语

综上所述,中国真空断路器经过30多年的发展,已积累了较丰富的设计和生产经验,生产手段也在以较高的速度朝现代化的方向迈进,且有了相当大的生产规模.但在设计及工艺方面还有不少薄弱环节,克服这些弱点是当务之急.

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