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(hào)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(hào)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(tái)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(dòng)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(dòng)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(dòng)系統(tǒng)或者1套五連桿與1套四連桿相聯(lián)的傳動(dòng)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(dòng)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(duì)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(dòng)機(jī)構(gòu)的機(jī)械壽命及可靠性就成了很的問題.一個(gè)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(duì)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(gè)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(dòng)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(huì)對(duì)操作者造成人身安全事故.對(duì)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(dòng)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(dòng)導(dǎo)電桿運(yùn)動(dòng)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(duì)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(hào)的操動(dòng)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(duì)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(dòng)損耗大.與其對(duì)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(gè)絞點(diǎn)即為斷路器的主軸,結(jié)構(gòu)簡單,傳動(dòng)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(duì)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(dòng)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(dòng)的零部件質(zhì)量,經(jīng)對(duì)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(dòng).因?yàn)閭鹘y(tǒng)的斷路器動(dòng)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(dòng)力使梅花觸指抱緊導(dǎo)電桿,在動(dòng)導(dǎo)電桿的運(yùn)動(dòng)方向分力為零.而真空斷路器的動(dòng)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(dòng)力對(duì)觸頭運(yùn)動(dòng)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(dòng)了,它的分離和主軸運(yùn)動(dòng)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(dòng).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(dòng)力是電動(dòng)力的排斥力,要減小的運(yùn)動(dòng)質(zhì)量范圍就是全部運(yùn)動(dòng)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(duì)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(dòng)觸頭的第二階段速度多少為準(zhǔn)呢(第二階段的運(yùn)動(dòng)速度的原動(dòng)力是以分閘彈簧為主了).在三相系統(tǒng)中,開斷如果要在個(gè)零點(diǎn)熄弧將歷時(shí)3ms(觸頭在兩個(gè)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(duì)斷路器機(jī)械操作所測(cè)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?dòng)力的排斥力參與運(yùn)動(dòng).因此,在同樣的時(shí)間內(nèi)動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(hào)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(duì)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(duì)此并無充分的認(rèn)識(shí).

總之,作為真空斷路器的設(shè)計(jì)者應(yīng)對(duì)分閘過程應(yīng)給予重視.減小運(yùn)動(dòng)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(dòng)強(qiáng)度,使整個(gè)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(huì)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(duì)合閘速度并無多大嚴(yán)格要求,能完成合閘動(dòng)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(dòng)觸頭在彈起前和靜觸頭接觸停滯時(shí)間,T2為動(dòng)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(cè)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?cè)O(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(dòng)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(dòng)排斥力,減緩了觸頭的撞擊.此時(shí)還會(huì)有空載時(shí)測(cè)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(dòng)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(duì)優(yōu)勢(shì).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(duì)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(cuò)誤的導(dǎo)向.實(shí)際上是弊多利少,應(yīng)正確對(duì)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(hào)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(duì)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(gè)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(duì)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(duì)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(duì)電網(wǎng)及其斷路器自身并無多大的損害,對(duì)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(shí),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.