（电机与电器专业论文）真空灭弧室的磁场计算与分析.pdf

真空灭弧室的磁场计算与分析 c a l c u l a t i o na n da n a l y s i so fm a g n e t i cf i e mf o rv a c u u mc h a m b e r a b s n i i c t h i 曲锄d 珊毒d i 啪v o l t a g ec i f c 诚b f e a l 【盯p l a y s 姐i l n p o r t a mi o l ei nt l l ep o w 盯s y s t e m w t l i c hh 勰al o n gl l i s t o r y 蕾h n0 i lc i f c 证b r e a k e r 锄p r e s s i l l ga i rc i r c u i tb r e a k 盱t ot h e v a c u 岫c i r c i l i tb r e a k e ra i l ds f 6c i r c u i tb r e a l 【c r w i mt b ec h a m c t e 曲i c so f 锄a l l 锣p ca n df i f e l i a n c e ，v a c u 眦c i r c 诚b i e 呔e fh 鹊b e 锄诵d e l ya p p l i e d 确l h eh i g h 锄d 删碰啪v o l 诅g e f i e l d s ot b ei n v e s t i g a t i o ft h e 吼m mc h a i n b 盯w 量l i c hi st h ec c n h 试p a r to fl l l ev u u m c i r c i l i tb 化a k 盯i so f 妒ti 1 1 呱 n 锄c e r e s e a r c ho nt h es m a ut y 】p eo fv 嘲i 啪c h 甜i l _ b 盯i saf o c l 珞a th o m e 柚da b a d m 觚y r e l e v a n ti n s t i 砌si no c o l 仃yh a v ed o n el o t so fw o f l 【o n 摇a p p l ) 血g “n d so fv a c 眦 c h a 诚) e r 、 ，i t hl o n 酣u d i n a lm 赠嘭如f i e l de l e c 慨a n ds e a r c h i n gf o rn e wc o n t a c t m 删a l s t h ee l c c 订o d c 谢t hl o n 百t i l l i i l a l 麒唧c t i cf i e l dh 鹪as 呦n gi m e i r 叫n gc a p a b i l 时 u n d e rt b es 锄ec o n d i t i o f r a l c ds h o r tc i r c l l i tc m t e n t ，d e s i g nm 盯g i n 趾dt e c h l l o l o g i c a ll e v e l ， t l l ee l 咖d ew i t hl 洲i i l a lm 矩删cf i e l di sn m c hs m a l l 盯t h 姐t l l 砒w i t hc r o 豁m a g n e t i c f i e l d ，m ea p p i i 训o no f f o r m e ro n ec a nm a l 【cl h ev a c u u mc h a m b 盱s m a l l 盯 h lt h i sp a p c r ，a n s y s 8 1i sa d 叩t e dt 0c a l a u l a t c 觚d 锄a l y z el l 圮l g i t t l d i n a lm a 驴e 6 cf i e l d i nt l l ec h 锄b e rw i t l lr a t e dc 彻t6 0 0 a t h ec _ t e n tv t o rd i s 廿i b 嘶，t h e 圮l a 吐o n s h i p b e 柳e c o i lm 舯舐ci n d u c c i 蚰i m 黜时锄dc o i lg m e 廿y ，n 砖e 旋c to f 删g 昀k e m a 弘e t i c 丘e l dd i s 啊b 嘶o n t h ef o r c c 彻i a l y s i s w i ma r ci nd i 位坨n tl o c a l i 啪b eg 妇d f r o i n 岫毗畸啷脚d i s 订i b 嘶b 咖啪 d i 伍；嘲tc o i ls e c 6 0 n 糊a l l dl o n g i t i l d i i l a lt i e i ds 蜘g t h ，仕峙c o n c l 璐i o no f n 圮s m a l l 盯o f 也c c o i l ，t h es 昀i 埏乒o f t h em a 印e t i cf i e l d 锄b eg o t b a s c d t h er e l a l i 幽po f c o t a c ts 缸d k e a r i dm a g n e t i cf i e l ds 蚋：n g m ，n l ec c l l l s i o no fm es h o r t e ro ft h cs 扛o k e ，t h es n d n g 盯o ft h e m 矩删c 丘e l dc a na l b eg o t a n a l y s i so fm a g n e t i cf i e l di nt l l ec h a m b 盯觚dt h ec o n t a c t f o r c ci nd i 恐咖tp o s m o 璐s h o w st l l a c1 h ea r cf o r c ed c c r e a s 佩ht h em a g n 硝ci n d l l c t i i n t e n s i 母 1 k 幽u l a l i 趾a l y s i s 、】i ，i t ha n s y sp r 州d 嚣a c _ c i l r a t cd a 脑f o rt h ec h 锄b c rd e s i 弘o f v a c u u mc i f c l l i tb l 磁i l 【盱a n da b o v e i e n t i f i cf o u n 捌o na i p r o v i d 器t h r e t i c a lr i l l e sf o rm e p 刚l l c td e v e l 郇眦e n t 鲨堕三些奎兰堡主堂垡塑 k e yw o r d s ：v a 伽u mc h a m b e r m a 驴e t i cf i e l d ，a 比，e i e c t r o m a 印e t i cf o m e 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 虢埤眺掣 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：蝉导师签名：! 芏! 生日期砬靼迎 i 沈阳工业大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题研究背景 电能的开发及使用由十九世纪初开始至今已经历很多不同的发展阶段，随着国民经 济的发展和人民生活水平的逐步提高，以及生产的进一步现代化，对电能的需求不断的 提出更高的要求。随着我国城市建设规模的不断扩大和经济的飞速发展，对配电网供电 的安全可靠性提出了较高的要求，而随着电网不断扩大，设备逐年增多，对开关设备的 性能、质量又提出了更高的要求【l 】。 然而，目前我国在电力系统方面，电网建设落后于电源建设，尤其是城乡电网不适 应电力系统发展的问题日趋突出，有电“送不进，供不出，用不上”的矛盾充分暴露出 来，城乡电网薄弱已经成为电力系统发展的瓶颈。因此，从1 9 9 8 年起，国家已经投入 巨资，全面启动我国城乡电网建设与改造工程，将对全国2 4 0 0 个县的农村电网和2 8 0 个城市电网进行建设和改造。随着电力系统的迅速发展，高压开关柜的使用大量增加， 每年都有数百万台开关柜投入运行。开关柜性能的好坏，对电网的安全生产和可靠性供 电起着重要作用。其中高压断路器是高压开关柜的主要部件。 由于电力系统对输变电质量和可靠性要求的提高，对高压开关设备的性能要求也越 来越高。针对这种现状，许多研制部门开展了大量的工作。国内大部分厂家在产品的开 发研制中，虽已普遍使用了计算机技术，但大多数还局限于使用a u t d c a d 来画结构、 装配图等。而对产品的设计和开发仍然停留在依靠经验阶段，使一些在开发设计的早期 阶段存在和潜伏的问题不能做到及时发现和解决，等到做完试验品和实验发现问题后， 已经造成很大的浪费，使得设计周期加长，设计成本增加，并没有达到真正意义上的优 化设计。另外，国内的一些厂家虽说已经从国外引进技术，但只能引进硬件技术，缺乏 对软件的引进。也就是说生产厂家只能在国外图纸的基础上做一些简单的修改并转化为 符合我们国家标准的图纸，而没有引进国外设计和开发产品的方法、手段和所使用的软 件，弓i 进的技术或产品难以得到很好的消化和吸收，也就很难在此基础上进行创新和开 发。因此从基础研究入手，开发我国自己现代化的设计方法，对我国高压开关行业的发 展和提高产品的水平将具有很重要的意义。 真空灭弧室的磁场计算与分析 现代的电力系统容量增大。输电线路的电压等级提高，高压电器在不同电压等级下 的开断能力也必须相应提高。这就给高压电器提出了更高的要求，高电压，大容量，小 型化也就成为高压电器的发展趋势【2 卅。 用高压断路器保护电力系统至今已经历了一段漫长历史。从最初的油断路器发展到 压缩空气断路器，再到目前作为无油化开关的真空断路器和s f 6 断路器。其中真空断路 器以其小型化和高可靠性等优点，已在高压领域得到愈来愈广泛的应用。真空断路器自 十九世纪被开发出来，随着真空技术的不断进步和材料科学的发展，真空断路器的制造 水平日趋成熟。作为真空断路器的核心部件，真空灭弧室的研究和开发显得尤为重要阁。 1 2 真空断路器的应用现状 7 0 年代初，世界上掀起了高中压开关无油化的浪潮，到1 9 7 7 年已确立了中压无油 开关的主导地位，多油、少油和磁吹开关趋于淘汰。从1 9 7 7 年起到1 9 8 8 年的l o 年中， 在世界范围内就发展无油开关两大支柱中的s f 6 ，还是真空开关。引起了旷日持久的论 战。论战的结果是双赢，s f 6 和真空断路器均有了较大的发展。从1 9 8 8 年以后的十几年 中真空断路器以明显的优势有了更大的发展，步入辉煌，特别在1 2 k v 级。早在1 9 7 8 年，我国不少工矿企业对真空开关已有所了解，并希望能早日应用到这些企业中去，而 当时国内制造真空开关的工厂也在寻找有关真空开关的应用单位【6 】。中型钢铁企业在连 续轧钢生产过程中，一直选择不到比较合适的高压接触器来承担连续不断轧钢操作运行 下的要求，而已在运行中的电磁式高压接触器均来自原苏联和东欧国家，这批在连续轧 钢生产运行中的设备一直很不稳定，加上这些设备已运转期满，亦需要更换补充新设备， 但再要进口购买这些设备在经济上有一定困难。选择了国产的高压少油断路器来替代， 虽然高压少油断路器的价格低廉，但在生产过程中需不断地替换和检修高压少油断路器， 来保证维持生产，这样劳动强度较高。所以在我国最先投入使用国产真空开关的就是这 批中型钢铁企业。由于当时选用国产真空接触器还没有保护线路短路故障的大容量限流 熔断器，仅选用了真空断路器来替代真空接触器。这批首次应用于钢铁企业中的真空断 路器或真空接触器，在实际运行中非常平稳，获得了用户们的好评和满意。因为真空开 关在实际运行中，几乎不需要像高压少油断路器那样需经常维护检修，大大降低了劳动 生产率。此外，在长期频繁操作过程中没有像其他开关那样，在运转过程中会产生强烈 沈阳工业大学硕士学位论文 的噪声，因而大大减轻了工人们的疲劳感受。同时发挥了真空开关还具有重量轻、结构 简单、使用寿命长等优点【刀。 高压真空断路器在我国供电系统中的应用始于1 9 7 8 年，其重量轻，结构简单，使 用寿命长等优点很快被电力部门运行、检修和技术人员认可。早期国内生产的高压真空 断路器质量不够稳定，操作过程中载流过电压偏高，个别真空灭弧室还存在有漏气现象。 至1 9 9 2 年天津真空开关应用推广会议时，我国真空断路器的制造技术已经进入了国际 同行业同类型产品的前列，成为我国高压真空断路器应用，制造技术新的历史转折点。 真空断路器作为真空配电装置和电力系统控制和保护开关主要应用于电力输配电控制 系统，还广泛应用于冶金、建筑、石油、化工、矿山、电气化铁路等部门，以及控制和 保护电弧炉变压器、高压电动机等操作频繁的场所。 真空断路器在我国高中压领域居于主导地位，特别是1 2 l 【v 真空断路器2 0 0 4 年生产 2 3 8 3 4 4 台，增长1 8 7 ，在1 2 k v 同类断路器中占9 8 8 5 ，居绝对优势。4 0 5 k v 真空 断路器1 3 9 0 8 台，略有增长，占同类产品的6 1 4 9 。而4 0 5 k vs f 6 断路器占同类产品 3 8 1 1 。在4 0 5 k v 级，户内真空断路器占较大优势，户外s f 6 仍有相当大实力。在这 个电压等级，可以说真空与s f 6 断路器相辅相成，平分秋色。在1 2 k v 真空断路器中， 2 0 0 4 年产量超过4 0 0 0 台的企业有1 6 家，产量上万台的企业有3 家。这里特别要提到厦 门a b b 开关公司。2 0 0 4 年的产量在4 0 0 0 台以上的企业有厦门a b b 开关有限公司、华 仪电器集团有限公司、正泰电气股份有限公司、陕西宝光集团有限公司电器设备厂、河 南森源电气股份有限公司、天水长城开关厂、安徽鑫龙电器股份有限公司、广州白云电 器设备有限公司、北京华东森源电气有限责任公司等。 随着真空断路器技术上的进步和性能的提高，使用部门对真空断路器的要求也越来 越高。因此设计、制造、研究和高校等部门已在不断总结经验，不断改进、完善产品， 不断推出新产品，更好地满足用户的要求。尽管我国真空断路器取得巨大进步，但世界 真空断路器已趋向专用化和多功能化，对此还得付出努力，紧跟世界潮流。国外先进的 真空断路器的参数与我国产品基本相同；最大额定短路开断电流一般为6 3 虮有些公司 也生产更大额定短路开断电流的产品，如日本有额定短路开断电流为l o o k a 的产品，这 些真空断路器只用于一些特殊的场所国外真空断路器的额定电流一般最高为3 1 5 0 a ， 真空灭弧室的磁场计算与分析 个别产品额定电流为4 0 0 0 a 。国外先进的真空断路器的机械寿命比较长，像西门子公司 的3 a f 、3 a h 系列真空断路器的机械寿命为3 0 0 0 0 次，且在寿命期间不需要维修，我国 的真空断路器还达不到这样的水平。 改革开放以来，大量国外先进真空断路器进入我国开关市场，我们必须尽快完善和 改进国产真空断路器，并应尽快拿出与国外先进产品媲美的真空断路器来提高竞争力。 为了改进和完善老产品和发展新一代真空断路器，我们必须对现有的真空断路器的不足 之处，用户的要求以及与国外先进的真空断路器的差距做出充分的估计，以便确定我国 真空断路器今后发展的方向。 从国外市场看，中压真空断路器在2 0 世纪7 0 年代初仅为百分之几，1 9 8 0 年约为 2 0 ，1 9 8 5 年约为4 6 ，1 9 9 0 年约为5 5 ，1 9 9 5 年约为6 2 ，2 0 0 0 年已达7 0 。从 生产国家看，日本、美国、英国、俄罗斯及中国侧重发展真空断路器，而法国侧重发展 s f 6 断路器。 总起来看，中压真空断路器的发展已进入快车道，取得了骄人的业绩。其中1 2 k v 真空断路器产量大，覆盖面广，前景看好。真空断路器的辉煌，可从如下几个方面看出： ( 1 ) 世界市场不断扩大，真空断路器2 0 0 0 年已占中压断路器市场7 0 。中压真空断 路器在日本几乎占1 0 0 ，在美国和德国占7 0 以上，在俄罗斯1 9 7 7 年已占5 0 以上。 我国1 9 9 3 年起电力部门大力使用真空断路器。中压真空断路器的产量2 0 0 0 年已占全部 中压断路器产量的8 7 3 6 ，2 0 0 1 年进而占9 1 1 6 ，如2 0 0 1 年共生产1 2 k v 真空断路 器9 3 4 6 5 台。我国己成为世界上中压真空断路器生产大国之一。这里要特别提到日本。 日本1 9 8 3 年共生产各类中压断路器5 0 9 0 0 台，其中真空断路器占5 0 ，s f 6 断路器却 下降。到1 9 9 8 年，共生产各种中压断路器7 2 6 1 8 台，其中真空断路器上升到7 1 ，而 s f 6 断路器却下降到4 。有人估计，现真空断路器在日本几乎占1 0 0 。日本东芝、日 立、三菱、富士、明电等公司均大力发展真空断路器。其中东芝公司已生产真空灭弧室 2 5 0 万只。德国西门子和a b bc a l o re m a g 公司都在大力发展中压真空断路器，其中西 门子公司真空灭弧室，累积产量在1 0 0 万只以上。 ( 2 ) 国外制造公司完成从s f 6 到真空的转型，举例来说，原b b c 公司单一生产中压 s f 6 断路器，但后来与a s e a 公司合作成立a b b 公司后，接收了c a i o re m a g 公司，专 沈阳工业大学硕士学位论文 门从事真空断路器生产，使之a b b 公司的真空断路器产量超过s f 6 断路器的产量，并 以v d 4 型真空断路器闻名于世，最新又开发出v m l 型配永磁机构的真空断路器。a l s t o m 公司原单一生产s f 6 断路器，自从接收德国a e g 公司s a d 援n w e r l 【厂后，成立了a l s t o m s a c l l s 吼w e r k g m b h 公司，专门生产如h v x 型真空断路器。s c h n c i d e r 公司在并入m g 公 司后，不仅看重m g 公司的s f 6 断路器技术，而且不失时机地开发出自己的真空断路器。 至此，世界上原单一生产s r 断路器的大公司如a b b 、a l s t o m 、s c h e i d e r 等公司都完成 了产品的转型。 ( 3 ) 从展览会上看，德国汉诺威博览会为世界上最大的工业展览会，素有新产品橱 窗之美称。在2 0 0 0 年汉诺威博览会上，展出的中压断路器为清一色的真空断路器。如 a b bc a l o re m a gm i t 喊l u n gg m b h 公司扩大了配永磁机构的v m l 型中压真空断路器的 型谱，包括1 2 k v3 1 5 0 a5 0 k a ，1 7 5 k v3 1 5 0 a3 1 5 l 渔和2 4 k i v2 0 0 0 a2 5 l 渔。同时结合使 用永磁机构展出了同步断路器。a l s t 咖s h s 伽w e r kg m b h 公司h v x 系列真空断路器， 包括额定电压1 2 ，1 5 1 7 5 l 【v ，额定电流6 3 0 2 5 0 0 a ，额定短路开断电流1 2 k v 下至 1 0 0 k a ，2 4 k v 下至8 0 k a 。其产品既可配弹簧机构也可配永磁机构。西门子公司扩大了 n = 巳蛇t 型模块式真空断路器的使用范围，包括1 2 k v3 i 5 k a 和2 4 k v2 5 l 溘。西门子真 空断路器配用弹簧操动机构。 ( 4 ) 从权威试验站看，1 2 k v 真空断路器占主导地位。荷兰k e m a 试验站是世界上 公认的中立权威试验站。该试验站在1 9 9 l 1 9 9 6 年期间，对3 6 1 4 5 l 产品所进行的 4 5 0 次认证试验中，5 7 为真空开关，1 4 为空气和油开关。在1 2 l 【v 级，真空断路器 占绝对优势，真空断路器的试验次数约占l l o 次，而s f 6 断路器仅约1 0 次嗍。 1 3 本论文的主要设计思路 本设计从真空断路器灭弧室的具体模型出发，利用有限元分析软件a n s y s 8 1 ，通 过建模，并在a n s y s 中给定不同的参数，然后对纵磁真空断路器灭弧室工作时的磁场 进行分析，以及电弧在不同位置的受力分析，从而得出真空灭弧室开断电流期间的磁场 分布及灭弧情况。 真空灭弧室的磁场计算与分析 1 4 本论文主要研究内容 1 4 1 计算方法 采用有限元法对真空断路器纵磁磁场进行计算，有限元法与其它的磁场数值计算方 法相比较而言，有着不可比拟的优势，它能使复杂结构、复杂边界情况的定解问题得到 解答，并能胜任非线性问题以及时变场的计算和分析。正因此，它是目前应用最广泛的 一种方法，在磁场数值计算中占主导地位【9 1 0 1 。 1 4 2 数值计算程序 实际工作中，要完成工程分析，还需要更多的前处理和后处理，完整的磁场有限元 分析流程如图1 1 所示。 1 4 3 主要研究内容 ( 1 ) 真空灭弧室的三维磁场计算模型。 由于灭弧室的磁场数值求解，是一个三维的问题，需要实现电流场和磁场的统一求 解。因此。必须建立电流场相匹配的三维计算模型1 1 ，嘲。 ( 2 ) 三维磁场的数值求解 ( 3 ) 真空灭弧室开断电流时，电弧受力及与磁场分布的变化规律研究。 一6 一 沈阳工业大学硕士学位论文 图1 - 1 a n s y s 磁场分析流程图 f 培1 1 m a 舯e t j k 雠l d a l y s i sn o wp m c c 豁c h 暂 一f 一 真空灭弧室的磁场计算与分析 2 真空断路器及磁场数值计算理论 2 1 真空断路器的发展过程及发展水平 2 1 1 真空断路器的发展过程 随着经济建设的发展，城市电网负荷密度的迅猛增长，城网改造与建设的任务已日 益迫切。城网装备是城网建设的物质基础，由于城市人口密集，寸土如金，因而对城网 装备提出了更高的要求。高压断路器是电力系统中最重要的开关设备，它担负着控制和 保护的双重任务。在各种高压断路器中，油断路器是最早出现的、历史最悠久的断路器。 我国曾是油断路器的王国，但是油断路器虽然结构简单、价格便宜，但容易发生火灾和 爆炸，开断能力难以做到很高，检修周期短，这不仅对运行不利，且检修费用高，因而 在世界范围要求开关电器设备无油化【1 3 1 。 首先是着眼于设备的无油化。长期以来绝缘油是电气装置中传统的灭弧介质和绝缘 介质。它在断路器内能使电弧利用自身的能量自行消灭，在电流开断时，电弧能量使绝 缘油分解，形成以氢为主体的高温气体，在灭弧室内积贮压力，达到一定值后形成气吹， 由于氢的导热率极高，使弧道冷却游离，导致电弧在电流过零时熄灭，同时使断口间隙 获得良好的绝缘恢复特性，保证了大电流的顺利开断。因此绝缘油在断路器内既是优异 的灭弧介质，又是良好的绝缘介质。这是油断路器在高压断路器的发展史上长期占支配 地位的原因。但绝缘油最大的弱点是可燃性，当电气装置一旦发生损坏而造成短路故障 时，都会出现电弧，使绝缘油引燃形成大火，电力系统内由此而形成火灾事故的实例， 屡见不鲜。城网变电站一般都建在负荷中心，新变电站的站址往往是靠拆迁民房得来的， 变电站一旦与民房或工业厂房相毗连，如果发生火灾，漫延开来，后果可怕。为了解决 断路器的无油化，曾一度发展空气断路器，大气层的空气经过压缩后亦是良好的绝缘介 质和灭弧介质，但按此原理设计的压缩空气断路器结构复杂，价格昂贵，且需配置空气 压缩机及其管道系统，维护工作量繁重，除局部领域( 如发电机机端断路器) 略占优势外， 始终未能取代油断路器的地位。从本世纪4 0 年代开始研究s f 。断路器。由于s f 6 气体具 有特异的热化学性和负电性，因而其绝缘性能和灭弧性能也特别好，被广泛应用于高压 开关设备的绝缘和灭弧介质，1 9 5 9 年推出了第1 台实用的s f 8 断路器，目前已成为高压 沈阳工业大学硕士学位论文 断路器的主要品种在本世纪8 0 年代初，s r 断路器在中压领域出现，但一般用户对 s r 气体经电弧分解再遇上水分，易产生有毒物质具有一定的心理负担，使其普遍使用 受到一定的影响。城网装备除上述无油化要求外，还要满足小型化和防止噪音与污染等 环保要求，这就使真空断路器在城网装备中的地位日益显示出其重要性，因而备受电业 部门青睐。 回顾历史，当人们刚发现电弧时就开始了真空电弧的研究，企图用真空作为断路器 的灭弧介质和绝缘的研究工作早于s f 6 断路器，从1 8 世纪初，就有人开始设想利用真 空的一些特点来开断电流，但受到真空密封技术和真空冶炼技术水平的限制，要达到高 度真空和使金属材料内溶解的气体含量降低，当时还缺乏技术手段护使得在真空状态下 的电流开断设计无法实现【1 4 1 。到1 8 9 3 年美国m l n m u 设计的第1 个结构简单的真空灭 弧室以专利发表后引起了教授和专家们的重视。1 9 2 0 年，瑞典b i r l m 公司又第1 次制成 了真空断路器，尽管其开断能力极小尚无实用价值，但却引起了各界的兴趣。1 9 2 3 年前 后s o 托1 1 s o n 和m 柚d e i l h a l l 开始了真空中开断电流的研究工作，并成功地在4 1 l 下开断 了9 2 6 a 的工频交流电流，于1 9 2 6 年公布了研究结果。此后，美国和德国的一些电气公 司便致力于真空断路器的研究，至本世纪3 0 年代，美国g e ( 通用电气) 公司开始研制真 空开关。到5 0 年代初期，真空断路器的研究工作有了较快的进展。1 9 5 5 年h c r o s s 对 美国j e 彻i n g s 无线电制造公司，在多年来生产几a 的高频真空转换开关的基础上，制成 了1 5 k v ，2 0 0 a 的真空断路器，但在整个5 0 年代，对真空断路器触头尚未找到适当的 材料，使其开断能力一直停留在4 5 k a 的水平直到6 0 年代，开始生产额定电压为 1 5 k v 开断能力1 2 5 k a 的真空断路器。1 9 6 0 年开始试制沿触头边缘开螺旋槽灭弧室，将 磁场引入灭弧结构，使真空断路器技术迅速发展，各级开断容量已形成系列，1 9 6 6 年进 一步试制成功2 5 k a 和3 1 5 k a 的真空断路器。从此，真空断路器正式开始为电力工业服 务【1 5 】。 2 1 2 真空断路器的发展水平 我国从6 0 年代末开始真空断路器的实用化研究，现在技术上已趋成熟，应用已相 当普遍。随着真空断路器技术上的进步和性能的提高，使用部门对真空断路器的要求也 真空灭弧室的磁场计算与分析 越来越高。因此设计、制造、研究和高校等部门己在不断总结经验，不断改进、完善产 品，不断推出新产品，更好地满足用户的要求。为了改进和完善老产品和发展新一代真 空断路器，我们必须对现有的真空断路器的不足之处，用户的要求以及与国外先进的真 空断路器的差距作出充分的估计，以便确定我国真空断路器今后发展的方向。随着我国 改革开放的不断深化，国内石油、化工、电子和矿山等企业也陆续使用了各种真空开关。 由于这些企业的动力都要求真空开关来配套，除部分企业直接从国外引进真空开关外， 大多数企业采用了国产的真空开关，这样大大促进了我国真空开关的生产。但实际使用 真空开关的主要用户是电力工业部门，而当时电力工业部门对真空开关的优点还不十分 了解，同时国内生产的真空开关的质量亦不够稳定，例如，截流过电压偏高，真空灭弧 室还有个别漏气的现象。当时只在少数电力用户开始应用和试用。关于上述一些问题， 经过国内制造厂、科研单位和高等院校共同努力的结果，大约到1 9 9 0 年已基本上得到 了解决，同时对真空开关的制造技术和产品质量也有显著提高，使电力工业部门认识到 真空开关确实是一种比较优越的中压开关设备之一。 当代真空断路器的发展水平和技术进步，主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 发展大容量、高电压等级真空断路器 真空断路器在我国已经得到广泛应用。特别是在中等电压领域里，真空断路器已占 有明显优势。但还缺少大容量品种，对中等电压真空断路器的应用范围将受到一定限制， 因此很有必要开发1 0 k v 系列真空断路器的大容量规格以进一步完善化。今后将继续研 究试制更大额定电流和更大额定开断电流的1 0 k v 电压等级的真空断路器。 为了适应大容量发电机组保护用的断路器，我国正在开发额定电压2 4 k v 、额定电 流1 2 5 l 渔和额定开断电流1 2 5 2 4 0 k a 的真空断路器。 此外，我国在完成户外额定电压1 l o k v 、额定开断电流3 1 5 k a 的基础上，将继续 开发额定电流更大、额定开断电流更大的1 1 0 k v 户外真空断路器外，同时开发2 2 0 k v 电 压等级的户外真空断路器。 ( 2 ) 真空灭弧室的小型化 我国有关研究所和高等院校对真空灭弧室的小型化曾作了不少工作，研究的方向是 采用各种纵向磁场结构的真空灭弧室和寻求新的触头材料。由于纵向磁场结构的电极开 沈阳工业大学硕士学位论文 断能力强，在额定的短路开断电流相同，设计裕度和工艺水平相同的条件下，纵向磁场 结构的电极比横向磁场结构的电极小得多，采用纵向磁场结构电极的真空灭弧室可以做 得小些。这就是真空灭弧室采用纵向磁场结构电极后，使真空灭弧室小型化的原因。 真空灭弧室向小型化方向发展，表现在真空灭弧室管径不断缩小，如宇光公司将1 2 k v 3 1 5 l a 真空灭弧室的管径缩小到8 8 舢，锦州华光自主研发出u 系列小型化陶瓷灭弧室， 将管径在1 2 l 【v3 1 5 k a 下缩小至8 5 i n m 。真空灭弧室管径的缩小，又有利于断路器和开 关柜小型化。小型化真空灭弧室的直径缩小，原材料节约和工艺费用降低。因而真空灭 弧室的生产成本大幅度下降和真空断路器可以做得更紧凑。此外，随着真空灭弧室外壳 尺寸的缩小，外壳上的真空密封焊缝的长度缩短，真空灭弧室漏气的可能性减小。真空 灭弧室的可靠性提高，小型化真空灭弧室的其他性能也远远优于横向磁场真空灭弧室。 小型化真空灭弧室的开发和推广，是我国真空断路器进入一个新的发展阶段的重要标 志。 ( 3 ) 改进触头结构 由平板触头到横磁场触头再到纵磁场触头，使得电弧不再聚集而呈扩散形态。以提 高开断能力、提高可靠性和缩小尺寸。纵向磁场电极结构的发展是近几年来国产真空断 路器技术的重大进步。在开断能力和稳定性以及抗电蚀性等方面，都比横向磁场触头结 构有优势。一般来说纵向磁场触头复杂程度并不高，造价也在可接受的合理范围，已为 真空断路器设计人员和制造单位普遍接受。 ( 4 ) 研制新的触头材料 铜铬合金是目前真空灭弧室触头材料中具有优良电性能的材料之一。它的主要缺点 是熔焊性能较差和工艺要求复杂。在不影响其他性能的情况下，适当的加入脆性相能很 好地改善关合能力和动热稳定性，是解决c u c r 触头材料抗熔焊性能的有效途径之一 特别是对于开断电流5 0 k a 以上的大容量真空断路器产品，触头熔焊是需要解决的关键 问题之一。提高触头接触压力也可以帮助解决熔焊问题，但势必带来机械可靠性方面的 副作用。试验证明，用添加脆性相材料的方法可以改善c u c r 触头材料的抗熔焊性能， 降低熔焊强度。 真空灭弧室的磁场计算与分析 近年来对c u m n t a 、c u m n 卜i b 、c u c r ，r a 和c u c o t a 等系列的触头材料研究已有进展。 这几种触头材料制造成本虽略高于c u c r 触头材料，但具有优良的电性能和低的熔焊强 度。国内有关院校和研究所已开始进行上述触头材料的研究，制造厂也已制出样品，进 行相关的试验，并已取得一定成果。 低截流值触头材料亦在研制中，常用的方法是在触头材料中加入饱和蒸汽压比较高 的材料。通常这种方法对触头断口间耐压和开断短路电流能力都会产生不利影响。在不 降低电性能的情况下降低截流水平，从目前情况来看尚存在较大难度，但研究工作已大 有进展。 ( 5 ) 采用先进的一次封排工艺 为了进一步提高真空灭弧室的生产效率、降低生产成本，研究人员对灭弧室的工艺 结构进行了更加深入地简化，开发出一种新型真空灭弧室生产工艺既“一次封排”工 艺。它只需事先将灭弧室的相关零件设计成自定位形式，无须任何工装夹具对零件进行 定位，省去了部件焊接及相应的部件检漏。进炉前只需将所有零件连同所需的各种焊料 完整地装配起来组成一个整管，然后用专用夹具将其定位与固定，再放入自动运行的大 型真空炉中进行烘烤、排气、焊接及封口，从而一次完成了真空灭弧室的焊接与封排的 生产过程。这种方式是目前宾空灭弧室生产企业所追求的最高境界，也是我们今后发展 的方向【旧。 ( 6 ) 开发智能化产品 真空断路器的二次技术从传统技术转向现代技术。现代二次技术采用了机电一体化 技术。机电一体化技术是建立在微电子技术、信息传感技术、计算机控制技术、伺服驱 动技术及精密机械技术等高度发展之上的综合技术。 机电一体化用在开关设备上，把计算机加入机械系统，使开关系统有了“大脑”， 再加入“传感器”采集信息，用光纤传导信息，使开关系统有了“知觉”，大脑根据知 觉作出判断与决定，使系统有了。智能”。因此现代二次技术使之开关设备智能化。智 能化真空断路器在保留断路器原有的各种功能的基础上，具有对电路的异常状况进行监 测与判断及一定的自适应功能。开关设备的智能化，可通过连续检测，确切了解运行状 沈阳工业大学硕士学位论文 况，作趋势分析，识别存在的故障，从而采取必要的措施，防患于未然，改以往的“定 期检修”为“状态检修”，从而提高设备的利用率和节省检修费用。 ( 7 ) 提高真空断路器的机械操动性能 我国高压真空断路器由于国产材料、元件和标准件的质量问题以及传统的产品设计 观念，致使其机械可靠性和机械寿命还不够十分理想。电磁操动机构结构简单、性能可 靠、调整维修方便、运行人员习惯使用和维修而被广泛使用，有些地方也有习惯使用电 动弹簧操动机构的。操动机构在高压真空断路器机械结构中是最为复杂、精度要求最高 的部分，多数制造厂生产条件是难以满足加工精度要求的。 为了保证高压真空断路器的可靠性，我国对高压真空断路器采取了分装式结构，即 将操动机构与断路器主体二者分开，由生产条件比较好的工厂集中生产操动机构，然后 再将机构的输出轴与断路器合而为一，所以机械参数的合理配置，直接关系到高压真空 断路器的技术性能和机械寿命。近年来开发研制的配真空开关的永磁保持、电磁操动机 构更以其零件少、结构简单、机械寿命高引起中压领域的关注。 ( 8 ) 改进灭弧室技术，提高综合性能。 国外大力发展真空断路器，特别在灭弧室上下了很大功夫。生产工艺的不断发展提 高了真空灭弧室的开断性能及绝缘水平，促进了真空灭弧室向小型化、大容量方向发展。 在一次封排的工艺条件下，缩小灭弧室的外形尺寸可进一步提高灭弧室的单位产量，降 低生产成本，增强真空开关的市场竞争力。不断改进波纹管的制造工艺，提高波纹管的 寿命。采用中封式结构的屏蔽罩，改善了电场分布，提高了绝缘强度。 2 2 真空断路器的结构、特点及分类 2 2 1 真空断路器的结构 真空断路器的灭弧原理与其它型式断路器不同，是指触头在高真空中关合、开断电 路的开关设备。它是2 0 世纪5 0 年代后发展起来的一种新型断路器。真空断路器所采用 的绝缘介质和灭弧介质是高真空。高真空度具有很高的绝缘强度，有利于熄灭电弧【切。 但目前适用的电压等级比较低，主要是1 2 k v 和4 0 5 k v 电压等级。 真空灭弧室的磁场计算与分析 真空断路器主要用于频繁操作( 如控制高压电动机、电弧炼钢炉) 和故障较多的配电 系统，或用于切、合电容器组、大型无线电发射台、地下变电所及高大建筑物的配电室 等。 真空断路器结构上通常采用三相联动的方式，主要由导电部分、真空灭弧室、绝缘 部分、操动机构和框架等部件组成。真空断路器具有高真空灭弧室，内装静触头、动触 头和电弧屏蔽罩。动触头通过金属波纹管与大气侧的动导杆相接，来完成电源与负载之 间的通断。 操动机构对断路器在分、合闸时，提供所需要的操作功，由于真空断路器的开距短、 电弧能量小，与开断参数相同的其它断路器相比，其操作功所需量远小于s f 6 断路器及 油断路器。早期真空断路器采用电磁机构，现在多数改用弹簧机构。就机构本身而言， 除机械寿命次数高外，与油断路器及s f 。断路器的操动机构没有本质上的区别，因此讲 真空断路器的结构特色，主要是真空灭弧室，它与油断路器或s f 。断路器相比，有本质 上的差异。 真空断路器是指断路器的主触头置于真空灭弧室内，触头的开断与闭合均在高真空 度的环境中进行。所以真空断路器的结构，实为真空灭弧室的结构。真空断路器的灭弧 室每一只为不可拆卸的整体，动、静触头分别焊在动、静导电杆上。静导电杆焊在法兰 盘上，动导电杆上焊一波纹管，在导向套内运行。波纹管及导向套焊在下法兰盘上，由 瓷柱支撑的金属圆筒屏蔽在动静触头外面，再与玻璃外壳形成密封的腔体，该腔体经过 抽真空，真空度一般在1 嘶p a 以上当合、分闸操作时，动导电杆上下运动，波纹管 被压缩或拉伸，使真空灭弧室的真空度得到保持【埽捌。 真空灭弧室的基本构造如图2 i 所示，不论德国、英国、美国与日本的各家制造厂 都大致相似，但材料和触头结构方面却大不相同，且各有专利，互相保密。真空灭弧室 的基本结构可分为以下几个主要部分： ( 1 ) 外壳 外壳是为真空灭弧室造成一定真空度的机械承力空间，是真空灭弧室的密封容器。 它不仅要容纳和支持真空灭弧室内的种种零件，而且当动、静触头在断开位置时起绝缘 作用。按制造材质分为玻璃、陶瓷与金属壳( 将金属屏蔽罩外露于空气中，而在两端绝 一1 4 沈阳工业大学硕士学位论文 缘) 我国以往使用玻璃外壳居多，但陶瓷外壳的焙烘温度高，可实现一次排封封接工 艺，易于实现机械化、自动化高效生产，而且比玻璃外壳有更高的机械强度和真空度。 图2 1 真空灭弧室的基本构造 f i g 2 1b 私i c 倒嘶瑚l i o f v u 咖娜嘲i n g u 曲c h m b e r ( 2 ) 波纹管 波纹管是由厚度为0 1 o 2 舢的不锈钢制成的薄壁元件，它使动触头在真空状态 下运动成为可能，被普遍用作为动触头运动的真空密封。波纹管的一端固定，连在灭弧 室的一个端面上，另一端运动，连在动触头的导杆上。从而使动触头有一定的活动范围 而不使灭弧室内真空空间压强发生变化，用金属波纹管来承受触头活动时的伸缩。波纹 管是真空灭弧室的一个重要的结构零件，是保证真空灭弧室机械寿命的重要零件。真空 断路器每合分操作一次，相应地使波纹管产生一次机械变形，它是真空灭弧室中最易损 坏的部件，其金属材料的疲劳寿命，决定了真空灭弧室的机械寿命。一般采用不锈钢、 磷青铜、铍青铜等作为制造波纹管的材料，以不锈钢的性能最好。常用的制造工艺有膜 片焊接和液压成型两种，前者能使工作行程达到波纹管长度的三分之二，疲劳寿命长但 成本高。后者制造的成本低，疲劳寿命相对要短些，而且工作行程只能小于波纹管长度 的三分之一 ( 3 ) 屏蔽罩 真空灭弧室的磁场计算与分析 在触头周围设置屏蔽罩，用来吸附真空电弧产生的金属蒸气分子，使其在罩壳上冷 却并恢复到金属固体状态，熄弧后灭弧室的真空度得以恢复。屏蔽罩体积愈大，开断过 程中的温升变化愈小，冷凝金属蒸汽的效率愈高，介质恢复过程愈好。屏蔽罩还能起到 使灭弧室内部电压均匀分布的作用，它的存在会影响动、静触头间的电场分布田矧。具 体结构设计有中间封接式、瓷柱式、外屏蔽罩式和绝缘端盖式等数种型式。 ( 4 ) 触头 真空断路器内的一对触头，既是关合时的通流元件，又是开断时的灭弧元件，因而 触头是真空灭弧室内最为重要的元件。真空灭弧室的开断能力和电气寿命主要由触头来 决定。真空灭弧室开断大电流有两种方式，一种是在真空电弧上施加与弧柱方向垂直的 磁场，即横向磁场。产生这种磁场的典型触头结构：螺旋槽触头和杯状横磁触头。另一 种是在真空电弧上施加与弧柱方向平行的磁场，即纵向磁场，使电弧在大电流下也处于 扩散状态。产生这种磁场的典型触头结构：线圈式触头和杯状纵磁触头。因触头在真空 环境内工作，表面不易生成氧化膜，故要求能抗熔焊，截流值小，就要求金属饱和蒸气 气压高；另一方面又要求材料含气杂质少，开断电流大，过零后介质强度要高，这又要 求金属的饱和蒸气气压不能太高矧。 新一代真空灭弧室采用了纵向磁场电极和铜铬触头材料。纵向磁场电极成倍的降低 了短路开断电流作用下的电弧电压( 电弧能量) ，并使电弧在触头表面均匀分布。在开断 能力和稳定性以及抗电蚀性等方面，都比横向磁场触头结构有优势。目前纵向磁场电极 结构有多种形式。形成产品的有1 2 匝，l 3 匝和l 4 匝线圈式的纵向磁场极结构，杯 状纵向磁场电极结构，马蹄形电极结构和横臂式纵向磁场电极结构等口6 j 。铜铬触头材料 降低了单位电弧能量所造成的触头烧损量。这两者的有机结合，使得高压真空断路器的 电气寿命有了突破性的提高。当前，我国高压真空断路器再开断、关合能力等方面的性 能是比较高的，也是比较稳定的。 2 2 2 真空断路器的特点 真空断路器与少油断路器或s f 。断路器相比，由于灭弧原理独特，具有不同特点。 主要有绝缘性能好，结构简单、寿命长、体积小，对使用环境要求低；无喷弧现象、防 沈阳工业大学硕士学位论文 火防爆；合闸功率小，对频繁操作及冲击性负荷适应能力强等特点。总的说来，真空断 路器的主要优点有： ( 1 ) 灭弧介质具有高绝缘强度，同等电