（电机与电器专业论文）基于虚拟样机技术的新型高压真空开关研究.pdf

基于虚拟样机技术的新型高压真空开关研究 1 2 6 k v 高压双断口真空断路器的运动系统，并通过机械特性测试验证了优化结果。利用 大连理工大学电力电子研究所合成试验回路，依据g b1 9 8 4 2 0 0 3 和g b t4 4 7 3 2 0 0 8 中 断路器型式试验的规定，对1 2 6 k v 高压双断口真空断路器样机进行短路电流开断试验。 试验结果表明，这种新型结构的1 2 6 k v 双断口真空断路器样机完全胜任1 2 6 k v 电压等 级的电参数，达到预期设计目标。 7 2 5 k v 高压真空灭弧室及1 2 6 k v 高压双断口真空断路器的研制是国家自然科学基 金重点项目“金属蒸气电弧等离子体调控理论及在高压断路器领域中的应用的组成部 分之一。 关键词：真空开关；虚拟样机；真空负荷隔离开关；真空灭弧室；双断口真空断路器； 合成试验回路；动量优化 大连理工大学博士学位论文 r e s e a r c ho nn o v e lh i g hv o l t a g ev a c u u ms w i t c h e sb a s e do n v i r t u a lp r o t o t y p i n gt e c h n o l o g y a b s t r a c t h i 曲v o l t a g es w i t c h g e a ri so n eo ft h em o s ti m p o r t a n te l e c t r i c a lp o w e ru n i t s ( e p u s ) i n t h ep o w e rt r a n s m i s s i o na n dd i s t r i b u t i o ns y s t e m d u et oi t ss u p e r i o r i t y ，t h ev a c u u ms w i t c hh a s b e e na p p l i e db r o a d l yi nt h i sa r e a d e v d o p m e n ta n dr e s e a r c ho nt h ev a c u u ms w i t c h e sa r e b r i e f l yr e v i e w e di nt h ef i r s t t h e n , b a s e do i lt h en e wd e s i g nm e t h o do fe l e c t r o m e c h a n i c a l e q u i p m e n t s ，an o v e ld e s i g n i d e aa b o u tv a c u u i ns w i t c h ，t h ev i r t u a lp r o t o t y p i n g ( v p ) t e c h n o l o g y , i sp r o p o s e d t h eo p t i m a ld e s i g no fv a c u u ms w i t c h e si n v o l v e sm a n ya s p e c t s ，t h a ti sm o s t l yf o c u s e do i l e l e c t r i cp a r a m e t e r sa n dm e c h a n i c a lp a r a m e t e r s f o rt h ef o r m e r , b e s i d et h eo p e n i n ga n d c l o s i n gc h a r a c t e r so fv a c u u mi n t e r r u p t e r ，t w op r o b l e m ss h o u l db e e nr e l a t e dt o o n ei st h e e l e c t r i c 丘e l dd i s t r i b u t i o nc a u s e db yl i n ev o l t a g e t h eo t h e ri sc o n d u c t o rh e a tc a u s e db yl o a do r f a i l u r ec u r r e n t f o rt h el a t t e r , s o m ea s p e c t sa r ei n v o l v e d ，s u c ha ss t a t i cs t r e n g t h , d y n a m i c s y s t e m ，a n ds oo n e l e c t r i cp a r a m e t e r sa r et h et a r g e to fp a r to fm e c h a n i c a lp a r a m e t e r s o p t i m a ld e s i g n t og e to p t i m i z a t i o no fm e c h a n i c a ld y n a m i cp a r a m e t e r s ，k i n e m a t i c sa n d d y n a m i c sa n a l y s i sa r en e e d e d b a s e do nt h ev pt e c h n o l o g y , t h ec o n c e p t i o no ft h e v p t e c h n o l o g yf o rh vv a c u u ms w i t c hi sp r o p o s e di nt h i sd i s s e r t a t i o n t h e n ，u s i n gc o m p u t e ra n d as e r i e so fs o f t w a r e ，t h em o d e lm a d ev po fv a c u u ms w i t c h , t h es t r e s sf i e l dv po fp a r t s ，t h e t h e r m a lj f i e l dv po fe l e c t r i ch e a ta n dt h em e c h a n i c a ld y n a m i cv po fk i n e m a t i c ss y s t e ma r e r e a l i z e d t h e s er e s u l t sa r ea p p l i e di ns i m u l a t i o na n do p t i m i z a t i o no fe l e c t r i ca n dm e c h a n i c a l p a r a m e t e r sf o rv a c u r t i ls w i t c h a st h ef i r s ta p p l i c a t i o n , t h ev pt e c h n o l o g yi su s e di nt h ef u n c t i o nd e s i g no ft h eh v v a c u u mi o a d d i s c o n n e c t i o ns w i t c h w h i e hi st h ei n t e g r a t i o no fh vv a c u u ml o a ds w i t c ha n d h vd i s c o r m e c t i o ns w i t c h t h ev pi sp r o p o s e dt o g e tt h eo p t i m i z a t i o ni ne l e c t r i ca n d m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s b a s e do nt h ef u n c t i o na n ds t r u c t u r ec h a r a c t e r s ，o n en e wo p e r a t i n g d e v i c ei sd e v e l o p e d t h e n , b a s e do nt h es t r u c t u r ec h a r a c t e r sa n do p e r a t i n gt h e o r y ，t h eo p t i m a l m o d e lo fi t sd i m e n s i o n sa n dm o m e n t u mo u t p u ti sp r o p o s e du s i n gma t l a b s u b s e q u e n t l y ， b a s e do nt h ek i n e m a t i c sa n dd y n a m i ca n a l y s i so fh vv a c u u m1 0 a ds w i t c h 也es t r u c t u r e d i m e n s i o n so fk i n e m a t i c ss y s t e ma r eo b t a i n e db ym o m e n t u mo p t i m i z a t i o n t h er e s u l t sa r e v a l i d a t e db yt h es i m u l a t i o no fp r o e n g i n e e rw i l d 丘r e t h em e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i ct e s t a n dv e r i f y i n gt e s to ft h em o d e l m a c h i n ea r ec a r r i e do u tt os h o wt h ef e a s i b i l i t ya n dt h ev a l i d i t y f o rt h ea p p r o a c h 基于虚拟样机技术的新型高压真空开关研究 v a c u u mi n t e r r u p t e ri st h ek e m e lo ft h ev a c u u ms w i t c h i t sd e s i g ni st h eb o t t l e n e c k p r o b l e mi nt h ed e v e l o p m e n to fh i g hv o l t a g ev a c u u ms w i t c h a st h es e c o n da p p l i c a t i o no fv p ， an o v e l7 2 5k vh vv a c u u m i n t e r r u p t e ri so p t i m i z e du s i n gt h ev pt e c h n o l o g y t w op r o b l e m s a r es o l v e df o ri t o n ei sh e a tf i e l dv p 也eo t h e ri se l e c t r i c 丘e l dv p u s i n gt h eh e a tf i e l dv p t e c h n o l o g y ，t h es e c t i o n so ft h em o v a b l ea n df i x e dc o n t a c ta r eo p t i m i z e d ，a n du s i n gt h ee l e c t r i c f i e l dv pt e c h n o l o g y ，t h es t r u c t u r eo fs y m m e t r i c a lp o t e n t i a ls h i e l d si so p t i m i z e d n ea g e i n g t e s ta n ds t a t i ci n s u l a t i o nt e s ta r ec a r r i e do u tf o rt h ev a c u u mi n t e r r u p t e r sd e s i g n e db ya b o r e o p t i m a lr e s u l t s t h er e s u l t ss h o wt h a tt h en o v e l7 2 5k vh vv a c u u mi n t e r r u p t e rh a sb e t t e r s t a t i ci n s u l a t i o np r o p e r t i e s a st h et h i r da p p l i c a t i o no fv p ，b a s e do nt h et h e o r yo ft h ev a c u u ms w i t c hw i t hm u l t i p l e b r e a k s ，t h e12 6k vh vd o u b l e b r e a kv a c u u mc i r c u i tb r e a k e ri sp r o p o s e d ，w h i c hi sc o n n e c t e d w i t ht w o7 2 51 【vh vv a c u u mi n t e r r u p t e r d u et ot h ei n f l u e n c eo ft h eh ve l e c t r i cf i e l d s t r u c t u r et oe l e c t r i cf i e l dd i s t r i b u t i o n an o v e lh vd o u b l e b r e a kv a c u u mc i r c u i tb r e a k e ri s p r o p o s e d ，w h i c hi so p t i m i z e db yt h ev pt e c h n o l o g y n ev o l t a g ed i s t r i b u t i o no ne a c hb r e a k t e s th a sb e e nc a r r i e do u tt os h o wt h ed o u b l e - b r e a kv o l t a g e s h a r i n gp r o p e r t y , a n dt h ev o l t a g e s t a t i ci n s u l a t i o nt e s th a sb e e nc a r r i e do u tt os h o wd o u b l e - b r e a kb r e a k d o w nv o l t a g ei m p r o v e f a c t o rp r o p e r t y u s i n gt h ev pt e c h n o l o g y , t h ek i n e m a t i c ss y s t e mo ft h e12 6k vh v d o u b l e - b r e a kv a c u u mc i r c u i tb r e a k e ri so b t a i n e d ，a n dt h em e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i ct e s tr e s u l t s a r eg i v e nt os h o wt h ef e a s i b i l i t ya n dt h ev a l i d i t yo ft h eo p t i m a lr e s u l t s t h es h o r tc i r c u i t b r e a k i n gc u r r e n to p e n i n gt e s th a sb e e np e r f o r m e df o r12 6 k vh v d o u b l e - b r e a kv a c u u mc i r c u i t b r e a k e rw i t ht h es y n t h e t i ct e s tl o o p ，w h i c hh a sb e e ne s t a b l i s h e di ni n s t i t u t eo fp o w e ra n d e l e c t r o n i c so fd a l i a nu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y a n dt l l et e s ta c c o r d sw i t ht h es t a n d a r do fg b 1 9 8 4 2 0 0 3a n dg b t4 4 7 3 2 0 0 8 t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e1 2 6k vh vd o u b l e - b r e a kv a c u u m c i r c u i tb r e a k e rh a st h ee l e c t r i cp a r a m e t e r sf o r12 6k vv o l t a g eg r a d e t h e7 2 5k vh vv a c u u mi n t e r r u p t e ra n dt h e1 2 61 ( vh vd o u b l e - b r e a kv a c u u mc i r c u i t b r e a k e ra r ep a r t so ft h ek e y - p r o j e c to fn s f c ： a r cp l a s m aa d j u s t i n ga n dc o n t r o l l i n gi nm e t a l v a p o ra n di t sa p p l i c a t i o n si nt h ef i e l do f h i g hv o l t a g ec i r c u i tb r e a k e r s ” k e yw o r d s ：v a c u u ms w i t c h ；v i r t u a lp r o t o t y p i n g ) ；v a c u u ml o a d d i s c o n n e c t i o n s w i t c h ；v a c u u mi n t e r r u p t e r ；d o u b l e - b r e a kv a c u u mc i r c u i tb r e a k e r ； s y n t h e t i ct e s tl o o p ； m o m e n t u mo p t i m i z a t i o n i v 独创性说明 作者郑重声明：，本博士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。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，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：王，丝! 至：日期：2 j ：竺；2 兰 大连理工大学博士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定万，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者龆夏丝至： 导师躲耸空生 丛月墨日 大连理工大学博士学位论文 1 绪论 1 1 引言 电力工业的发展对推动国家发展和社会进步起着非常重要的作用，而随着国民经济 的发展和人民物质文化生活水平的不断提高，人们对电力的需求也越来越多，促使电网 及电网容量不断扩大，最终使高安全、高可靠的电力设备被大量投入到电网中使用【l 】。 在诸多类型的高压电力设备中，：高压开关是用来关合、开断电网线路的负载电流， 成为电网系统中重要电力设备。在高电压负载回路中，开关的操作能够产生较大能量的 电弧，而电弧的熄灭，是高压开关灭弧室的主要功能，因此，根据灭弧原理的不同，高 压开关主要分为压缩空气开关、油开关、六氟化硫( s f 6 ) 开关、真空开关。另外，高 压开关根据其在线路上的作用不同又可以划分为负荷开关和断路器。 压缩空气开关是人们最早使用的开关装置，是利用压缩空气作为灭弧绝缘介质，其 缺陷在于开断容量小，不适应电力发展的需求。油开关是利用变压器油作为灭弧绝缘介 质，虽然解决了开断容量小的问题，但是带来了易爆炸的危险。六氟化硫( s f 6 ) 开关 则是利用s f 6 气体作为灭弧和绝缘介质，由于s f 6 具有良好的绝缘性能，使s f 6 开关不 仅解决了开断容量小的问题，而且有效避免油开关所带来的爆炸危险。但是，s f 6 气体 不可避免的泄漏，对地球大气层有很强的温室效应。早在1 9 9 7 年，日本京都会议上， s f 6 气体被正式定为温室效应气体，它在空气中存在的寿命超过3 0 0 0 年，它的影响超过 c 0 2 的影响2 5 0 0 0 倍【2 】，特别是近几年，国际上面对全球的气温变暖问题引起了更强烈 的重视。因此，必须对它的使用和排放进行限制。而真空开关是利用真空作为灭弧绝缘 介质，其有效克服了其它开关所存在的缺陷，并且具有更高的开断容量，因此，作为一 种新型极具发展潜力的开关电器，经过近三、四十年的发展和实践，证实了其在中压领 域以及一些特定的供电系统中与其它开关相比具有如下无可比拟的优越性【3 叫： ( 1 ) 由于开关触头密封在真空室内，并在其中完成熄弧过程，一方面电弧和炽热 气体不会向外界喷溅而污染周围环境，另一方面电弧和开关性能不受周围环境，如湿度、 灰尘、盐雾和各种有害气体的影响，因此工作稳定可靠，尤其适用于矿山、石化等环境 恶劣的场合； ( 2 ) 真空介质的绝缘性能和灭弧能力极为优异，所需触头行程很小，因此操动机 构的操作功率小，使整个断路器体积小而重量轻； ( 3 ) 熄弧时间短，电弧电压低，电弧能量小，触头损耗少，因而分断次数多，使 用寿命长，维修周期长，维修工作量小，适合频繁操作； 基于虚拟样机技术的新型高压真空开关研究 ( 4 ) 断路器操作时，振动小、噪声小，适用于城市区域和要求安静的场所； ( 5 ) 灭弧室介质是真空，不存在发生火灾和爆炸的危险，安全可靠，并且与海拔 高度无关； ( 6 ) 不仅能开断工频电流，在一定条件下还可开断高频电流； ( 7 ) 真空开关的结构比较简单、不需要经常维护检修，而且系列性强，适合大量 生产，容易推广： ( 8 ) 真空灭弧室的尺寸小，可使整个开关的结构轻巧； 目前，真空开关所具有的以上特点使其广泛用于电力、冶金、化工、煤炭、石油、 矿山、高层建筑和电气化铁道等领域，并且正向着小型化、组合化、智能化、高可靠性、 大电流、高电压的方向发展。因此，对真空开关技术的研究和真空开关的整体设计已成 为众多研究者从事的课题。 本研究工作主要以4 0 5 k v 高压真空负荷隔离开关、7 2 5 k v 高压真空灭弧室、1 2 6 k v 高压双断口真空断路器的技术研究和其产品整体设计与实现为背景，通过对真空开关结 构及开关技术内容进行探讨，提出了真空开关虚拟样机技术理论。其中，7 2 5 k v 高压真 空灭弧室、1 2 6 k v 高压双断口真空断路器的研制是国家自然科学基金重点项目“金属蒸 汽电弧等离子体调控理论及在高压断路器领域中的应用的重要组成部分之一。 1 2 真空开关的发展概况 1 2 1 真空开关的发展历史及现状 1 8 世纪初，人们就开始设想到利用真空中的一些特点来分断电涮1 0 d 1 1 ，1 8 9 3 年， 美国里顿豪斯( r i t t e n h a u s e ) 设计了第一个结构简单的真空灭弧室以专利形式发表，并在 1 8 9 5 年制造出第一个真空灭弧室模型，开始了对开断电弧的研究。1 9 2 0 年，瑞典佛加 ( b i r k a ) 公司第一次研制真空开关，但是其分断能力极小，尚无实用价值。1 9 2 3 年前 后，索伦森( s o r e n s o n ) 教授和门登霍尔( m e n d e n 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 k v 下开断了9 2 6 a 工频电流，于1 9 2 6 年公布了研究成果【6 。此后，美国 通用电气公司和西屋等公司又研究横向吹弧磁场对电弧运动和触头表面烧损的影响。 1 9 4 6 年，r k o l l e r 发表了真空开关基本性能的学术论文【1 2 1 ，进一步推动了真空开关的研 究。随后的几年里，随着科学技术的发展进步，真空开关的研究工作有了较快的进展， 为将真空开关电器真正发展成为实用的产品，研究者们成功地解决了与真空灭弧室密切 相关的一系列工艺关键问题。1 9 5 6 年，罗斯( h c r o s s ) 研制出了1 5 k v 2 k a 2 0 0 a 的真 空开关，并发表了在电力系统上应用的试验结果【1 2 】，由此开始了真空开关在电力系统的 应用，真空开关才真正实现商品化。 大连理工大学博士学位论文 但是，在真空开关开始使用初期，真空开关灭弧室采用平板圆柱式对接触头结构， 这种结构在分断电流大于6 7 k a 时，真空电弧将发生集聚，形成阳极斑点，在阳极表面 产生大面积的熔坑 1 3 】，使真空间隙在电流过零、电弧熄灭后的介质强度恢复速度大大降 低，从而使真空灭弧室失去了开断能力。并且，当时对于真空开关触头尚未找到适当的 材料，使其分断能力一直停留在和5 k a 的水平。美国和英国的许多公司都集中精力，深 入研究触头结构设计和材料制造工艺。随着半导体技术的迅速发展，提供了冶炼含气量 极低的金属材料的工艺，同时在真空开关触头结构研究上也取得了突破。美国通用电气 公司在华裔科学家李天和( t h 。l e e ) 博士、考帮( j d c o b i n e ) 、里斯( m p r e e c e ) 、里 奇( j a r i c h ) 、法拉尔( g a f a r r a l ) 等许多人的共同努力下，首先发明了具有独特设 计的螺旋槽结构的触头和铜铋触头材料【l4 1 ，开始生产额定电压1 5 k v 、额定电流6 0 0 a 、 分断能力1 2 5 k a 的真空断路器。螺旋槽结构的触头，可以利用分段电流自身产生一个 平行于电极表面的横向磁场，电弧弧根在这个驱动磁场的作用下，以5 0 2 0 0 米秒的速 度在电极表面上快速运动【l5 1 6 1 ，这就避免了电弧对电极表面的局部加热，使电极表面熔 化层变薄，热时间常数减少。更为重要的是，在大电流电弧过零前的一段时间里，电弧 还会从集聚型转变为扩散型【1 7 以8 1 ，保证了真空间隙在电流过零、电弧熄灭后，仍有足够 的介质恢复速度和弧后绝缘耐受能力。这项发明极大地推动了真空断路器向大容量的发 展。1 9 6 6 年进一步试制成功1 5 k v 、2 5 k a 和3 1 5 k a 的真空断路器。英国则在独自研究 镶嵌式触头的基础上成功开发了4 0 0 3 0 0 0 v 的各种真空接触器，用于煤炭工业和输电系 统。日本和原联邦德国的研究工作起步较晚，但都在国外的基础上再加上各自的发展， 取得了很大的成就。1 9 6 5 年，日本日立公司制造出它的第一台7 2 k v 5 0 k a 4 0 0 a 真空 断路器。东芝、明电舍公司也差不多在同期试制成功它们的产品，1 9 6 8 年，东芝又在从 美国通用电气公司引进真空开关制造技术的基础上加上自己独特的研究成果，迅速推动 了真空开关电器的生产和发展。在德国，西门子公司则在引进英国技术后又对触头结构 和c u - c r 合金制造工艺加以研究改进，开发了自己的真空断路器。从此，真空开关正式 进入了电力开关的行列，为电力工业服务。 真空开关的全面发展与广泛应用始于7 0 年代。随着对大电流电弧状态的观察和深 入了解，萌发了一种新的设计思想，即利用电流本身通过触头时产生的磁场力驱动电弧 运动并使之成为扩散状，克服大电流电弧在电极上产生的阳极斑点，减少触头的烧损， 从而大大提高灭弧室的熄弧能力。最早是由i t 0 等人开始轴向磁场作用下真空电弧特性 的研究【l9 1 ，他们证明了通过外加一沿电弧轴向方向的磁场，可以显著改善大电流真空电 弧的稳定性，大大提高真空灭弧室的电流分断能力。随之，k i m b l i n 及m o r i m i y a 等人从 不同方面对此作了更深入的研究【2 0 翻】，对稳定电弧所需的最佳磁场强度与电弧电流及电 基于虚拟样机技术的新型高压真空开关研究 极开距的关系进行了理论阐述。y a n a b u 等人将这种结构的触头进行了实用化【2 2 - 2 3 】，于 1 9 7 6 年开发出世界上第一台纵磁结构的真空断路器。因此，纵向磁场结构的触头结构已 成为真空灭弧室触头的主导结构，并在线圈式结构基础上派生出了许多的变体，如德国 西门子公司的杯状纵磁结构【5 】，荷兰h o l e c 公司的马蹄铁纵磁结构【2 4 1 ，日本日立公司的 多极纵磁结构 4 】以及俄罗斯科学家提出的磁场增强型线圈结构【2 5 j 等。在这一时期，新型 触头材料的研究也不断取得成果，促使真空断路器的性能不断突破，并使之向高压大容 量、小型化方向发展。 到目前为止，真空开关的额定电流已达到6 3 0 0 a ，如果合理地采用冷却措施可提高 到8 0 0 0 a ，据日本东芝公司2 0 0 4 年报掣2 6 1 ，采用特大直径铜棒，加上强迫冷却措施， 可以制成额定电流1 0 0 0 0 a 的真空灭弧室。日本对纵向磁场结构真空灭弧室的研究已突 破了在1 2 k v 下分断2 0 0 k a 的能力。现在美国、日本、英国、德国和俄罗斯等国家都已 大量生产不同规格的真空开关，应用范围也越来越广泛，据不完全统计，许多国家在 4 0 5 k v 及以下电压等级的变电所使用的断路器中已有7 0 - 一8 0 采用了真空断路器，文献 2 7 d p 对一些国家在中等电压等级( 7 2 k v , - , 4 0 5 k v ) 的使用情况做了统计：我国在这一 电压等级里采用真空开关已占领了该领域总产量的8 5 以上；在日本发展较快，已达到 9 5 ；在欧洲平均达到8 0 左右；在北美包括美国、加拿大等已达到了8 0 - - 8 5 。 真空开关向高电压等级发展是国内外众多学者研究的课题，日本在这方面处于领先 位置。发展更高电压等级的真空开关有两种途径：继续发展单断口型真空开关；发 展双断口及多断口真空开关，日本在1 9 7 9 年开始生产商用高压真空断路器，是双断口 串联真空灭弧室组成的1 6 8 k v 3 1 5 k a 的户外真空断路器，不久又生产1 6 8 k v 4 0 k a 的户 外真空断路器，此后，还生产了纵向磁场结构电极1 4 0 k v 4 0 k a 2 0 0 0 a 的单断口真空断 路器【2 8 】和1 4 5 k v 4 0 k a 单断口真空断路器 2 9 】。美国通用电气公司和西屋电气公司等都是 采用多断口结构发展高压真空断路器，最高电压达到8 0 0 k v ，俄罗斯于2 0 0 4 年研制成 功单断口1 2 6 k v 高压真空断路器，德国西门子公司与a b b 公司也在同时研制出1 2 6 k v 高压真空断路器 州。 我国在1 9 5 8 年前后开始从事真空电弧理论研究和真空断路器的研制 3 1 1 。1 9 6 5 年， 研制成功第一个真空灭弧室，不久研制出1 0 k v 1 5 0 0 a 开断电力电容器的三相真空断路 器。1 9 6 7 年，研制出1 0 k v 2 0 0 0 a 单相快速真空断路器。但由于历史的原因，直到九十 年代，我国才开始了众多开关厂研制真空断路器的高潮。在高压大容量方面，西安交通 大学从1 9 8 9 年开始与北京开关厂和北京东方电子厂联合试制1 2 6 k v 3 1 5 k a 1 2 5 0 a 的双 断口高压真空断路器，后于2 0 0 3 年与陕西宝光真空电器股份有限公司和浙江温岭紫光 电器公司共同开发1 2 6 k v 4 蚴o o o a 的单断1 2 1 真空断路，并取得一定的研究成果【3 0 1 。 一4 一 大连理工大学博士学位论文 1 2 2 真空开关的发展趋势及关键技术 随着真空开关大量使用和不断的深入研究，真空开关正向着小型化、组合化、高压 大容量化、智能化的方向发展。 ( 1 ) 真空开关小型化，缩小真空灭弧室管径，开发新型操动机构，减少传动零件， 提高可靠性，其关键技术是选用合适的触头材料和开断能力强的触头结构，优化真空灭 弧室内电场分布。 ( 2 ) 真空开关组合化，是将真空开关与其它高压电器有机结合一起，不仅实现小 型化的需求，还能使其功能多样化，具有成套性、可靠性、少维护、易于安装、减少占 地面积等作用，其关键技术是真空开关的结构设计。 ( 3 ) 真空开关高电压、大电流化，是基于电力发展和环境保护的需求，对于高电 压等级的真空开关发展有两种途径：一种是发展单断口结构，另一种是发展多断口结构， 其关键技术是电场的优化和新型操动机构的研究。对于大电流化的真空开关的关键技术 就是真空灭弧室触头散热及触头结构问题。 ( 4 ) 真空开关智能化，随着计算机技术、数据处理技术、控制理论、传感器技术、 通讯技术( 网络技术) 、电力电子技术的发展以及光电互感器的开发，人们提出了真空 开关智能化的概念，主要有以下几个特点：状态检测、故障诊断、信息远传、选相操作 等技术，其关键技术是计算机相关技术。 1 3 真空开关的基本理论 1 3 1 真空绝缘特性 ( 1 ) 真空度对真空绝缘强度的影响 真空是相对概念，常用真空度来表示，真空度的多少是真空绝缘强度的主要影响因 素之一，实验证明，在短真空间隙下，真空度在1 0 - 6 1 0 之p a 之间变化时，真空绝缘强度 不随真空度变化，在l o - 2 1 p a 之间变化时，随着真空度的下降，真空绝缘强度迅速下降， 在1 p a 之后，真空绝缘强度就符合巴什定律，图1 1 给出了间隙长度为l m m 的钨电极 真空间隙的击穿电压和真空度之间的关系。 但是，在长真空间隙下，真空绝缘强度已经不再符合巴申定律，对于数厘米到数十 厘米长的真空间隙，击穿电压和真空度的关系如图1 2 所示【3 2 1 。从图中可以看出，真空 绝缘强度在高真空范围内为恒值，在中真空范围内，随着真空度的降低，真空绝缘强度 反而增加，并在1 0 - 2 。1 0 。1 p a 范围内出现极大值，此后，随着真空度的降低，真空绝缘强 度急剧下降。 基于虚拟样机技术的新型高压真空开关研究 _ 1 0 0 幽 l o 脚 钛 1 佰 o 1 真空度( p a ) 图1 1 短真空间隙下击穿电压与真空度的关系 f i g 1 1t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nb r e a k d o w nv o t a g ea n dp r e s s u r ei ns h o r tg a pl e n g t h 真空度( p a ) 图1 2 长真空间隙下击穿电压与真空度的关系 f i g 1 2t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nb r e a k d o w nv o t a g ea n dp r e s s u r ei nl o n gg a pl e n g t h ( 2 ) 真空绝缘击穿的机理 真空绝缘击穿机理主要集中在以下三种学谢3 6 2 】：电场放电说、粒子交换说、 微粒说。 电场放电说认为触头表面不管加工的怎样平滑，从微观上看，仍有很多锋利不平的 突起，其尖端电场是宏观电场的几十倍甚至几百倍。根据量子力学的观点，电子要从突 起上产生电场放电，虽然电场放电的电子电流数值很小，但因为突起的截面积也特别小， 所以电场密度仍特别大，产生的焦耳热足以使突起部位熔化，向触头间放出金属蒸汽， 又由于电子相碰撞而产生电离，从而导致绝缘击穿。 粒子交换说认为触头间在电场的作用下，从阴极放出的电子加速并轰击在阳极上， 从阳极产生正离子或光子，它们再受电场的作用，加速后又打在阴极上，从阴极放出二 次电子。如此过程反复进行而导致绝缘击穿。 微粒说认为触头表面上附着有块状的微粒，当受到电场静电力的作用而从表面脱 落，触头间由于有电场的存在，微粒被加速后向对面的触头进行轰击，轰击时又被加热 使其成为金属蒸汽而向触头间放出并电离，从而造成绝缘击穿。 一6 一 姗 啪 例 州 蚴 瑚 湖 狮 岂出脚钛恬 大连理工大学博士学位论文 上面三种说法虽然不同。但实际上，真空绝缘的击穿往往是两种说法同时起作用， 或者说，微粒说不能解释小间距的绝缘击穿现象，但却能很好地说明大间距的绝缘击穿 现象，这说明应该把每种观点相互联系起来加以考虑。 ( 3 ) 影响真空绝缘的因素 除了真空度是影响真空绝缘的主要因素外，还有触头材料、触头老炼、触头开距以 及触头结构。 触头材料对击穿电压影响很大【，羽。一般来说，机械强度高的材料击穿电压值亦高。 即使同一触头材料，其表面状态不同，其击穿电压值也变化很大。触头表面有突起物、 附着灰尘或吸附气体等，击穿的机会就多，而表现为击穿电压下降。为消除这些影响， 提高击穿电压值，触头表面要恰当地进行清洗和除气等工艺处理。 触头老炼是在真空中，向触头间施加电压，预先进行放电反复击穿的过程。经过这 样处理，可以提高真空绝缘强度。这是因为在强电场作用下，电场放电放出的电子束打 向阳极上，与游离的剩余气体相碰撞，使阴极表面的突起物飞散；以及在强电场作用下， 带点粒子从触头表面脱落下来并被加速，与对面的触头相碰撞，从而使触头表面光洁。 关于触头开距对击穿电压的影响，大致情况为：当触头开距小于5 毫米时，击穿电 压与触头开距成正比；当大于5 毫米时，与触头开距的平方根成正比。就是说开距大于 5 毫米以后，击穿电压的增量减少。所以对于1 2 6 k v 及以上电压等级的真空开关，由于 触头开距大，为获得较高的绝缘强度，采用多间隙结果要比采用单间隙的好。 触头结构包括触头形状和大小( 面积) ，对击穿电压也有影响。如球形触头，曲率 越大，越接近均匀电场，击穿电压值可以提高。而从击穿的机理方面看，触头面积增大， 击穿的机会反而多。因此，在进行真空绝缘设计时，即使最大电场增加，也还是应尽量 减少暴露在高电场那一部分的表面积。 1 3 2 真空中的电弧 真空中的电弧与其他的高气压电弧、低气压电弧有着本质的区别。高气压电弧与低 气压电弧是将触头间的气体电离，而在真空中，由于触头间气体稀少，剩余气体几乎没 有电离问题。真空电弧是由触头放出材料本身的蒸汽电离后形成的，这是与其他电弧的 最大不同之处，所以，真空电弧的特性明显地受到触头材料的影响。真空中的电弧可分 为：小电流电弧( 1 0 k a 以下) ，和大电流电弧( 1 0 k a 以上) 两大类。 ( 1 ) 小电流电弧 小电流电弧弧形如图1 3 所示，呈圆锥形，以强烈发光的阴极斑点为顶点。对于铜 触头，其阴极斑点的电流密度在1 0 3 1 0 4 安毫米2 左右。一个斑点的电流基本一定，约 基于虚拟样机技术的新型高压真空开关研究 为1 0 0 安。电流增加时，阴极斑点将分裂成很多个，并作不规则运动。如果触头面上有 棱角，阴极斑点就会明显地沿着棱角运动。这是因为带棱角的部分与平坦的部分相比， 其热传导差，温度容易升高。如果向小电流电弧施加与其垂直的磁场，则由于磁场方向 和电弧电流的受力方向，表现为阴极斑点向反方向移动，即产生逆驱动现象。这是因为 垂直方向的磁场被阴极斑点附近的其它阴极斑点打乱，磁场强的那部分的正离子更多的 打在阴极上，使阴极斑点发生移动。 小电流电弧的弧压基本为一定值，其中靠近阴极的空间电荷引起的阴极压降占了很 大部分，而亮光柱内的电压降很小。由于其阴极压降，金属蒸汽从阴极斑点放出维持电 弧，所以，小电流范围的真空电弧特性决定于阴极，图1 4 为小电流电弧电压特性及小 流电弧的电位分布图。 阴 图1 3 小电流电弧 f i g 1 3t h el o wc u r r e n t a l c u 一 ， | 阳 极 s 一 小电流电弧电压 小电流电弧的电位分布 图1 4 小电流电弧特性及小电流电弧分布 f i g 1 4t h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dd i s t r i b u t i o n so fl o wc u r r e n ta r c 小电流电弧由于弧柱能量比较低，再加上真空状态下的绝缘特性，因此，往往出现 电流的不稳定现象和电流的截断现象。 ( 2 ) 大电流电弧 与小电流电弧相比，大电流电弧具有以下特点：不存在不稳定现象和电流截断现 象；阴极斑点没有逆驱动现象。因为磁场的作用，电弧将按f = i x b 的方向驱动； 弧压出现波动，而且波动量还很大，因为单靠阴极斑点放出的金属原子不足以维持大电 流的电弧，由于空间电荷的作用，阳极附近出现阳极压降，被加速的电子与阳极碰撞后， 从阳极放出金属原子，来维持电弧。当电流再增加，电子