真空断路器在中国应用的经验(一).doc

真空断路器在中国应用的经验(一)西安交通大学(710049)王季梅 【摘要】首先介绍了我国改革开放以来真空开关的发展概况，总结了我国真空开关在发展过程中取得的成就及经验。阐述了我国中等电压等级的真空断路器的完善化，完成了开断能力50kA和63kA的真空断路器的研制工作，并正在开发更大开断能力的真空断路器，如额定电压24kV、额定电流12500A、开断能力125240kA保护大容量发电机组的真空断路器，还报道了我国已研制成功110kV、户外双断口真空断路器和进一步开发220kV的户外真空断路器和其他产品。文章最后报道了中国电力科学研究院,在19971998年运行中的真空开关所发生事故的分析报告和在运行中各类真空开关的实践经验总结，以便向我国制造部门提出更高的制造要求和改进真空开关的制造水平。 【关键词】真空断路器中国应用1一般概述早在1978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。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。不久西安交通大学研制出了这种大容量限流熔断器，才有力地解决了真空接触器与大容量限流熔断器配套的问题。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的燥声，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。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1990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。 1.1真空灭弧室的事故分析据西安高压电器研究所1999年的调查表明,国产真空灭弧室的质量已趋于正常状态，事故率已逐年下降。根据事故分析报告，真空灭弧室造成漏气的大概有下列几个方面。1.1.1真空灭弧室的本体漏气真空灭弧室的漏气在全世界均有存在，但位数极少。分析国内存在问题的原因有原料的质量，也有制造工艺和设计的因素，还有使用不当等。(a)原材料的质量无氧铜棒的纵向气线、可伐和不锈钢板裂缝均可造成慢性漏气。这种情况在生产过程中均发现过，但由此造成的漏气，工厂已能在原材料进厂时严格检查和产品出厂前检验中发现，尚未发现流到运行现场。 陶瓷外壳质量一致性差，金属化分散性大，陶瓷 金属封接强度不稳定,都是造成陶瓷真空灭弧室漏气的主要原因。这种漏气与真空灭弧室生产批次有关，大量的漏气故障往往发生在个别批次中。实际使用中曾发现个别批次的真空灭弧室漏气情况远较其他批次高，经分析检验均是由这种原因引起的。(b)制造工艺和设计的因素陶瓷金属化工艺不稳定，与陶瓷外壳材料质量不稳定，共同构成了批次的高漏气比率。使用中曾发现因设计结构不合理，导致封接应力大而产生气密性的漏气。(c)使用不当在沿海地区及海上平台使用的真空灭弧室，由于盐雾的侵蚀，造成不锈钢波纹管和盖板及封接面腐蚀，导致的漏气情况也有发生。金属波纹管是薄壁零件，盐雾及凝露点状腐蚀，是导致波纹管漏气的主要原因。 用户使用及储放环境不符合要求，也曾有导致真空灭弧室漏气的情况。1.1.2波纹管的质量我国极大多数波纹管是采用0.15mm厚的不锈钢油压成形的，在三、四年前，因不锈钢原材料厚度的不均匀性，直接影响了制成的波纹管使用寿命。近几年来不锈钢的质量和厚度均匀性都有很大的提高，同时油压设备的不断改进，使波纹管的制造技术有很大的改善，操作寿命已达到20000次以上，目前正向着更高的操作寿命努力，已能控制操作寿命在3000040000次左右，1.1.3排气工艺技术我国对开断电流在40kA左右的真空灭弧室的排气工艺已基本掌握，但对制造较大开断电流的真空灭弧室的排气工艺尚未完全掌握，如80kA以上开断电流的真空灭弧室尚待进一步研究。1.2改进真空断路器制造技术的实践经验回顾90年代我国真空断路器的科研、生产和使用方面的实践经验，开发了纵向磁场结构电极的真空灭弧室，开展了真空灭弧室小型化等研究工作，例如西安高压电器研究所研制出ZN28系列的真空断路器。这一代新型真空断路器的技术经济指标，远远优于我国早期采用横向磁场电极结构真空灭弧室组装成的ZN3-10型和ZN5-10型等老一代的真空断路器。新一代真空断路器的研制成功，取得了巨大的经济和社会效益，大大缩小了我国真空断路器产品与国际先进水平之间的差距。我国许多工厂在此基础上也试制了不少新型结构的真空断路器，说明我国已具有自行开发各种不同类型的真空开关的能力。目前我国采用纵向磁场电极结构的真空开关生产量，已经超过了6万台/年的数量，占我国中等电压生产和使用总量的60以上，生产真空开关的工厂已达200多家。西安高压电器研究所曾对771厂生产的真空灭弧室，于1996年进行过42台次的短路电流电寿命的开断试验，来分析其开断成功率有多少。试验结果有4次发生开断失败，其中2次在导电杆接地开断失败，2次在试验方式4时开断失败，这样771厂生产的真空灭弧室开断试验成功率为95以上(不包括导电杆接地开断失败)。后来查出其制造上的原因后，再经过同样的短路电流开断电寿命试验，没有发生过开断失败的记录，即开断成功率为100。西安高压电器研究所还在19941996年，对所有10kV纵向磁场电极结构的国产真空断路器，对初次试制真空断路器的开关制造厂，在进行开断型式试验时作过开断成功率的统计，大约在8590。真空灭弧室的小型化，我国有关研究所和高等院校曾作了不少工作，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。 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。 试验表明，我国ZMD11-10/1250-20、ZMD-14-10/1250-20小型化真空灭弧室的开断能力的裕度是相当大的。它们的额定开断能力是20kA，曾作过多次开断试验，不但能轻松开断25kA，还能开断3.15kA短路电流。1.3其他方面的改进工作操动机构在真空断路器中机械结构最为复杂，是精度要求最高的部分，不少真空断路器生产厂很难满足操动机构的加工要求。把操动机构独立出来可以在生产条件比较好的工厂集中生产，保证其可靠性。将操动机构的输出轴与断路器主轴合而为一，在设计上是不困难的，这样做对机架的精度要求将大大提高，一般真空开关生产厂很难达到这种精度。将操动机构与真空开关主体二者分开，使大多数真空开关厂都能生产真空开关，并保证了真空断路器的可靠性。 分装式真空断路器是专为我国GG1A等固定开关柜设计的。分装式真空断路器自诞生以来，至今已有近20年历史，其间经历了设计、试验、小规模试用、大面积推广等典型的新产品发展过程。分装式真空断路器经过数以百次计的型式试验的考核，又经过了十多年各种运行条件的考验。事实证明，符合国情，经济实用，试验成功率很高，性能满足使用要求，运行安全可靠。 几年来对高电压等级的真空断路器作了研究和开发工作。现已研制成功110kV双断口的户外真空断路器和继续研制220kV的真空断路器。此外，还在研制保护发电机组用的额定电压24kV、额定电流12500A和开断容量125240kA的真空断路器，高电压等级的永磁操动机构，四相高压真空断路器和超高压转换并联电抗器用的真空负荷开关等。2我国真空断路器的现状与国际先进水平的差距我国从60年代末开始真空断路器的实用化研究，经过近三年的努力，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。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。2.1我国真空断路器的参数和性能对于真空断路器最重要的是其性能和参数应满足使用要求，并具有一定的裕度，性能稳定和工作可靠，由于真空断路器是一种保护设备，其性能的稳定性和可靠性尤为重要。作为一个好的真空断路器，还必须使用方便，参数范围广，系列性强，外形美观和价格合理。我国80年代以来，研制了一批12kV的真空断路器，与70年代研制的产品相比,各方面都有显著的提高。就额定参数而言，我国真空断路器的额定短路开断电流已达到63kA，额定电流最高可达到4000A，对于额定电流小于、等于3150A的产品，部分产品允许在1.1倍额定电流下长期运行。机械寿命一般为1000020000次，正在开展将机械寿命提高到3000040000次的水平。开断短路电流前的工频耐压可达48kV，冲击耐压可达84kV，断流容量试验后的工频耐压一般为42kV，冲击耐压一般为75kV，允许储存期20年。已有真空断路器形成完整的、参数范围很宽的产品系列。上述真空断路器的额定参数已能满足配电的要求，也能满足大部分冶金、化工部门的要求。对于一些特殊场所，如发电厂厂用电系统，某些冶金和化工企业，还需要开断能力更大，额定电流更高的真空断路器，这些断路器正在开发和发展中。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63kA,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100kA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3150A，个别产品额定电流为4000A。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3AF、3AH系列真空断路器的机械寿命为30000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。在开断能力和在关合能力等方面，我国真空断路器的性能是高的，也是稳定的。近年来西安高压电器研究所进行了大量真空断路器的开断试验，试品包括国内各生产厂的和各主要国外真空断路器生产公司的产品，从大量试验的统计看，国产真空断路器的开断能力试验和额定短路开断电流开断次数(电寿命)、试验的一次成功率比进口真空断路器还要高。真空断路器的触头是不能维修和更换的，要求真空断路器有足够高的电寿命是必要的。真空断路器的电寿命也一直受到使用部门的密切关注。我国一般真空断路器的技术条件规定：额定短路开断电流31.5kA及31.5kA以下真空断路器的电寿命为50次，40kA真空断路器为30次，50kA为20次。有些产品在技术条件中规定75次甚至100次电寿命。我国真空断路器技术条件规定的电寿命，是型式试验中实际进行的满容量开断次数。当代我国真空断路器的预期电寿命，要比技术条件规定的高，早期真空断路器(如ZN3-1，ZN5-10)的电寿命为30次，经30次开断后，触头烧损厚度接近甚至大于允许触头烧损厚度3mm。可以认为这些真空断路器的预期电寿命为30次左右。新一代真空断路器普遍使用纵向磁场电极和铜铬触头材料，用纵向磁场电极替代横向磁场电极，成倍地降低了短路开断电流下的电弧电压(电弧能量)，而且使电弧在触头表面分布得比较均匀，用铜铬触头材料替代铜基触头材料则降低单位电弧能量所造成的触头烧损量。两者相结合，使真空断路器的电寿命有了突破性的提高。采用纵向磁场电极和铜铬触头材料的真空断路器，电寿命试验所造成的触头烧损厚度一般小于1mm，远远小于允许触头烧损厚度3mm，可以推断，其预期电寿命要比技术条件规定值高得多。现在有些工厂为了证明自己的产品先进，在型式试验中进行75次，甚至100次额定短路开断电流开断试验。其实，这种试验只是证明其具有原来已经有的能力而已，并不意味着它的性能一定比其他产品的电寿命长。 在当前的技术水平下，只要适当牺牲一些经济性，提高真空断路器短路开断电流的电寿命是不因难的。简单地加大触头直径(相应放大真空灭弧室直径)就可以有效地提高电寿命。真空断路器的这种电寿命究竟应取多长才能充分满足使用要求?对于这一问题需要进行认真的研究。初步的结论认为短路开断电流的电寿命并不一定是越高越好，电寿命和其他性能指标一样，一旦它超出了使用的需要，超出的部分便成了多余的功能，为此而付出的人力、物力都是一种浪费。上面已指出，我国早期真空断路器的实际电寿命只有30次左右，它们投入运行最长的已超过20年，在电力系统至今还没有发现有真空断路器因短路开断电流的电寿命终了而退出运行的，也没有发现因短路开断电流的电寿命过短而造成事故的，可见这些真空断路器已能基本满足电力系统对短路开断电流的电寿命的要求了。六氟化硫断路器也是一种免维修的断路器，中压六氟化硫断路器在型式试验时最多只进行20次满容量开断试验，它们在电力系统中运行得也是令人满意的。新一代真空断路器的电寿命更长、更可靠，它们的这种电寿命实际上已远超过了使用要求。在此条件下片面追求更长的电寿命是毫无实用价值的。西门子公司的3AH系列31.5kA真空断路器的电寿命为50次；ABB公司的真空断器为了在中国销售，经过努力通过了50次满容量开断试验；全俄电工研究院的16kA、20kA真空断路器的电寿命为50次，40kA和50kA真空断路器分别为25次和20次；日本三菱公司的真空断路器在型式试验中只进行8次满容量开断。由此可见，我国真空断路器的电寿命一点不比国外最先进的水平低。真空断路器有许多机械参数，如合、分闸速度，触头行程，触头合闸弹跳时间，触头分闸反弹幅值等等。这些参数是用以保证真空断路器达到其性能而设定的，只要它们能保证其主要性能就不必苛求。 综上所述可以看出，从型式试验反映的国产真空断路器的性能是好的，不比国外先进产品差。只有机械寿命还比较低，需要进一步做工作。2.2真空断路器的总体结构70年代我国独立研制的ZN3-10型和ZN5-10型真空断路器采用落地式总体布置。ZN3-10型真空断路器，每个真空灭弧室用几根绝缘杆固定在位于断路器下部的机架上，操动机构置于机架内(如图1所示)。ZN5-10型真空断路器的真空灭弧室的固定方式略有改进，每个真空灭弧室用两个新月形的绝缘板固定在断路器最下部的机架上，操动机构同样布置在机架内(如图2所示)。这种结构形式带来了一系列的问题。用绝缘杆或新月形绝缘板支撑，使真空断路器的整体刚度不佳。用在手车柜中使用时，由于刚度不佳，真空断路器无法承受手车推进和拉出时所产生的机械冲击。为了提高刚度，断路器上部必须用绝缘子固定到手车架上。这不仅使手车的结构复杂，还可能使真空灭弧室和绝缘杆受较大的应力作用。当短路电流通过时，相间受巨大的电动力作用，绝缘杆支撑结构承受相间电动力的能力是很有限的。在电动力作用下，绝缘杆容易弯曲变形，从而使真空灭弧室的外壳受力。额定短路开断电流不太大(如20kA或31.5kA)时，刚度差的矛盾还不会很突出，当额定短路开断电流为40kA或50kA时，这一矛盾就会非常突出。这就制约了ZN3-10型和ZN5-10型真空断路器，发展成包括大额定短路开断电流品种的完整的系列化产品。由于操动机构置于真空断路器的最下部的机架内，这使ZN3-10型和ZN5-10型的断路器的装配、调试、检测和维护很不方便。在真空断路器运行中，对操动机构的检查、维护和调整是很难避免的。当这类真空断路器用于手车柜中时，只有将真空断路器从手车上卸下来后，才能对操动机构进行检查、调整和维护。当它们在固定柜中使用时，必须将其从柜子中拆下来才能进行检查，这对用户是非常不方便的。 我国早期真空断路器(包括ZN3-10型和ZN5-10型)只配备电磁操动机构，没有配置弹簧操动机构，在ZN3-10型和ZN5-10型这样的落地式布置的真空断路器中，安装弹簧机构也比较因难，使这类真空断路器，不能满足那些没有直流电源的用户的要求。因此，使用不方便是这类真空断路器比较大的缺点，而且难以从根本上加以克服，在这里值得一提的是，仍然有个别新研制的真空断路器，采用与ZN3-10非常相似的结构形式。虽然由于使用了性能先进的真空灭弧室和采取了一些技术措施，使某些性能有了提高，但由于结构上的局限性，使它们在系列性和使用方便性方面，不仅远远落后于国外先进断路器，而且落后于我国当代真空断路器的先进水平。 80年代至90年代初研制的真空断路器，基本放弃了落地式布置方式，多数采用与国外真空断路器相似的悬挂式或综合式总体布置方式。真空灭弧室由机械强度很高的绝缘子支撑，真空断路器的整体刚度很高，其中综合式布置的真空断路器的整体刚度更高，这种结构形式，已成功地用于额定短路开断电流高达50kA的真空断路器。这些真空断路器的操动机构，都布置在真空断路器后部的框架中，卸下后部盖板就可对操动机构进行维护、检查和调整。1998年以后，我国真空断路器很少采用绝缘框架或整体绝缘筒，作为真空灭弧室支撑和对地绝缘。 7080年代，我国还没有适合于真空断路器使用的长寿命弹簧操动机构。1992年以后发展了几种长寿命弹簧操动机构，它们的输出特性与真空断路器的反力特性能有较好的匹配，输出功能满足大容量真空断路器的要求，机械寿命已达到30000次。多数真空断路器用的操动机构(包括电磁机构和弹簧机构)是集中布置的，即机构被设计成独立的元件，自成一体，这样做便于操动机构的集中生产，有利于保证产品质量。我国的新一代真空断路器多数已克服了早期产品参数范围不广，不成系列和使用不便的缺点，目前生产的真空断路器具有参数范围广、系列性强和使用方便的优点，基本上满足了用户的要求。在这些方面我国的真空断路器与国外产品已不存在差距。由于我国的真空断路器沿面爬电距离和空气间隙都设计得比较大，更适合于我国的使用环境条件，国产真空断路器的价格比进口产品低得多，国产真空断路器更适合于中国市场。2.3提高可靠性和改善外观质量我国用户喜欢选用国外进口真空断路器的主要原因：一是普遍认为进口产品的可靠性高，二是国外产品精致和美观。我国真空断路器确实存在这二个问题，特别是机械可靠性不够高，机械寿命还不够长和外观不够美观和精致。 可靠性对真空断路器来说是特别重要的，机械寿命则直接关系着使用寿命，两者的提高具有巨大的实用价值，我国真空断路器可靠性不够高的主要原因有以下几方面。首先，我们对产品的可靠性重视不够。以前我们一直着重解决开断能力、电寿命、开断后的绝缘水平等问题。现在这些问题在10kV级真空断路器中已基本解决。在此条件下，已经把工作的重点转移到提高可靠性和机械寿命上来，但时至今日，还有少数人依然对提高电寿命不遗余力，甚至把电寿命的长短作为衡量真空断路器优劣的依据。这对于引导生产厂提高产品的可靠性和机械寿命是非常不利的。 有些设计观念也是造成可靠性不够高的原因，我们的设计往往强调产品能用一般加工工艺手段制造出来，这就不得不迁就落后的加工工艺，零部件的设计精度低，依靠调整解决精度低的矛盾，因而调整环节多，结构复杂，这不可能不降低可靠性。设计中偏重于提高产品的性能指标，对可靠性不够重视，甚至个别产品为了提高一些不太重要的性能指标而牺牲可靠性，例如有的真空断路器为了追求触头合闸无弹跳，在真空灭弧室的静端设置合闸缓冲弹簧，合闸缓冲可以减小合闸弹跳是没有问题的，但为了保证明显的缓冲效果，动、静触头接触后，静触头必须跟随动触头运动一个缓冲距离，这导致与静触头连成一体的整个真空灭弧室绝缘外壳的合闸振动，这很容易造成真空灭弧室外壳损伤。真空灭弧室的静端不是刚性固定的，因而真空灭弧室外壳在电动力的作用下可能作横向摆动，这同样容易引起外壳损伤。开断电流越大，这种危险也越大。这些作用无疑将降低真空断路器的机械可靠性。经验表明，将合闸弹跳时间控制在某一范围(如2ms)内，合闸弹跳是无害的。国外先进的真空断路器也并不是没有触头合闸弹跳，西门子公司的3AF，3AH系列真空断路器通过提高加工精度使合闸弹跳时间控制在1ms之内，东芝公司的真空断路器的允许合闸弹跳时间为10ms，实际产品的合闸弹跳时间可控制在4ms之内。牺牲产品的可靠性换取合闸无弹跳的作法不可取。再如，有的真空断路器试图用提高分闸速度来提高电寿命，从理论上说，提高分闸速度可以缩短最短燃弧时间，减小每次开断所产生的电弧能量，从而提高电寿命。另一方面，提高分闸速度会带来一系列副作用，分闸速度提高将大大提高运动部件和支持件的机械负荷，缩短波纹管的寿命，从而降低机械寿命和机械可靠性，提高分闸速度等效于增大燃弧期间的电弧长度，不利于提高开断能力。在电寿命已足够长，而机械寿命和可靠性尚需进一步提高的条件下，靠提高分闸速度来提高电寿命是得不偿失的，在当前机械寿命和可靠性是真空断路器的薄弱环节的情况下，即使略微增长一点燃弧时间，取较低的分闸速度，以提高可靠性和机械寿命则更为合理。有人把型式试验中偶而发生的开断失败归罪于真空灭弧室的小型化，这是一种误解。真空灭弧室的直径不断缩小是技术进步的结果，而不是靠降低开断能力的裕度得到的。当前小型化真空灭弧室的开断能力稳定性、绝缘水平、电寿命等性能都比我国早期大直径直空灭弧室有显著提高， 生产成本则大大降低。真空灭弧室的小型化还有利于提高真空灭弧室的机械可靠性。漏气是导致真空灭弧室失效的重要原因之一，在相同的工艺条件下，发生漏气的概率与焊缝长度、玻璃可伐(或陶瓷可伐)封接长度成正比。 随着真空灭弧室直径的缩小，焊缝长度和封接长度缩短，漏气可能减少，真空灭弧室的可靠性提高。以先进技术为依托，不断改进和完善产品的设计是提高可靠性的重要途径，为了做到这一点不仅需要设计和制造部门的努力，还需要使用部门的通力合作，使用部门从我国的实际需要出发，提出先进、合理的性能，要求设计、制造部门设法满足这些要求，设计出先进、可靠、经济的产品。真空断路器的生产条件、生产管理比较差，是影响我国真空断路器可靠性的另一重要原因，我国真空断路器生产厂多，多数生产厂的规模小，生产设施落后，生产批量小。为了提高真空断路器的可靠性必须改善生产设施和提高管理水平，近几年来，几个主要真空断路器生产厂设备水平有了很大提高，他们的产量在总产量中的比重也在增大， 这种发展趋势对提高真空断路器质量是有利的。 真空灭弧室的生产条件比真空断路器要好得多，真空灭弧室的主干生产厂都是大中型国有企业，这些厂有较强的技术力量和较好的设备，有丰富的真空器件生产经验，较严密的质量保证体系。五个主干生产厂的真空灭弧室产量至少占总产量的80。其中一些厂还引进了国外真空灭弧室制造技术，为生产高质量的真空灭弧室创造了有利条件。但就总体而言，真空灭弧室的生产设备有些老化，自动化程度不高，产品质量常因人为因素的波动而波动。近年来，真空灭弧室生产设备的更新步伐加快，自动化程度在不断提高，一些厂的设备已达到国外生产厂的中等水平，如果在几种关键元件、材料和工艺上进一步提高，我国真空灭弧室的可靠性是可以在不太长的时间内赶上国外先进水平的。 国产材料、元件和标准件的质量也是制约真空断路器的可靠性的重要因素。我国钢材品种少，强度低，质量一致性差。铜材的导电率低。辅助开关、储能电机的寿命不长，不稳定。标准件质量差，螺钉、螺母，弹簧垫卷等紧固件的质量根本得不到保证。滚珠轴承的质量也很不可靠。真空灭弧室用的可伐、不锈钢、无氧铜的质量很难令人满意。由于材料、元件和标准件涉及我国工业的总体水平，很难在短期内得到根本解决，作为权宜之计，有些生产厂已打算在关键部位使用进口材料、元件和标准件。 我国大多数真空断路器的外观和内部零件显得粗糙，在外观上我国真空断路器与国外产品的差距是非常明显的。我国产品的外观质量差与我们的设计思想有关。在设计中主要考虑产品的性能和经济性，很少考虑或根本不考虑外观。这种设计思想目前我国不少制造厂已有很大转变，其外观质量已能接近和达到国外产品的水平。真空断路器在中国应用的经验(二)西安交通大学(710049)王季梅 3我国发展大容量、高电压等级真空断路器的现状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。国内市场，ZN28系列真空断路器以其领先的技术与高可靠性，已成为生产单位产量最 大和系列最全的真空断路器。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10kV系列真空断路器的大容量规格以进一步完善化。目前已 完成额定电流4000A、额定开断电流50kA的真空断路器。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10kV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24kV、额定电流12500A和 额定开断电流125240kA的真空断路器。此外，我国在完成户外额定电压110kV、额定电流1250A和额定开断电流31.5kA的基础上 ，将继续开发额定电流更大、额定开断电流更大的110kV户外真空断路器外，同时开发220kV 电压等级的户外真空断路器。3.110kV、4000A和50kA真空断路器的开发3.1.1主要技术参数额定电压 10kV最高工作电压 12kV额定电流 4000A额定短路开断电流50kA短路开断电流次数不少于20次额定短路关合电流(峰值) 125kA额定动稳定电流(峰值) 125kA4s热稳定电流50kA断口间工频耐压 48kV断口间冲击耐压(峰值) 85kV额定短路开断直流分量 不小于37机械寿命 10000次3.1.2结构原理(a)真空灭弧室真空灭弧室的技术水平与性能稳定性，在一定程度上决定了所配真空断路器的技术水平与性 能稳定性。因此，人们常称真空灭弧室是真空断路器的核心部件。核心部件主要由触头结构 、触头材料和绝缘结构三部分组成。1触头结构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。目前纵向磁场电极结构有多种形式。形成产品的有1/2匝，1/3匝和1/4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。 杯状纵向磁场电极结构最先是西门子公司开发的。近几年来，国内对这种电极结构进行了大量试验分析研究，对其开断短路电流稳定性及适合不同短路电流的磁场强度进行了探索。试验分析证明：改进后的电极结构具有较好的开断短路电流稳定性，高的弧后介质强度恢复速 度(首开相燃弧时间统计)和少的触头电烧蚀速率(50kA 20次短路电流开断后触头烧损不大于 0.3mm)。同时，改进的电极结构也可以控制起弧位置和燃弧区域，提高了真空灭弧室内部空 间利用效率，使大容量小型化真空灭弧室得以实现。2触头材料CuCr触头材料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ZN1310型真空断路器试制阶段，曾多次发生触头熔焊。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 CuCr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50kA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CuCr触头材料的抗熔焊性能，降低熔 焊强度。近年来对CuMnTa、CuMnNb、CuCrTa和CuCoTa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CuCr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。3绝缘结构为了确保50kA真空灭弧室的外壳绝缘可靠性，采用了波浪式大爬距陶瓷外壳。真空灭弧室内部触头间的绝缘水平取决于触头材料、触头表面状态和真空灭弧室内部电场分 布情况，电场分布同时也影响到短路开断过程触头烧蚀程度。对称的电场分布可降低主屏蔽 罩悬浮电位，均匀真空灭弧室内部电场能提高触头间隙耐压水平和降低触头电腐蚀速率。试验证明，真空灭弧室内部电击穿多数发生在场强90以上区域。转移电场集中区域，使场强 最多区域从主触头间隙转移到不受电弧烧蚀部位，可减缓触头间隙电场应力，提高真空灭弧 室绝缘水平稳定性。另外，金属陶瓷封接部位(常称三界面)也是容易发生电击穿的部位， 对这个部位采取屏蔽罩措施也可改善真空灭弧室的绝缘性能。(b)操动机构中等电压真空断路器操动机构有电磁操动机构和电动弹簧操动机构。国外产品多数采用电动 弹簧操动机构，国内使用电磁操动机构较多。电磁操动机构结构简单，性能可靠，调整维修方便，运行人员已经积累了丰富的使用与维护经验，继续发展仍然有广阔前景。ZN2810/400050真空断路器配用电磁操动机构状态示意图见图3。为了满足不同用户需要，我国也生产配用于ZN2810/400050真空断路器用的弹簧操动机构。(c)总体结构布置ZN2810/400050真空断路器，总体结构布置如图4所示。产品采用综合布置方式，这种布置方式是ZN28系列小型化真空断路器的突出特点。其优点是结构稳固，整体刚度好，操作稳定性好，便于安装、调试和维修，并且有利于动端热量发散。对于发展大容量和大额定电流 真空断路器奠定了基础。真空灭弧室的回路电阻，通常占真空断路器回路电阻的50以上，是长期工作的主要发热源 。触头间隙接触电阻，是真空灭弧室回路电阻的主要组成部分。因为触头系统密封在真空灭 弧室内， 所产生热量的唯一散发途径是通过动、静导电杆导出，利用外部散热装置散发掉热量。真空 灭弧室静端直接与静支架相联，动端则通过导电夹、软连接与动支架相联。虽然动端向上有利于动端热量散发，但因动端联接环节多和导热路径长，所以真空断路器温升最高点通常集 中在动导电杆与导电夹搭接部位。有效地利用静端散热元件，迫使触头间隙热量更多地从静 端导出，同时对动端发热量进行分流，是解决大额定电流真空断路器温升的有效途径。利用这种设计思想，可以在经济和方便的条件下解决额定电流4000A的温升。50kA真空断路器，为满足关合能力和动热稳定性能的要求，需要有较大触头接触压力。在尺寸和运动质量受到限制的条件下，设计大压力触头弹簧，结构上有一定难度，而且触头弹簧 力量加大，势必影响主轴及框架的刚度与机械强度。利用传动比的适当变化，在确保运行特性满足要求的前提下，减小触头弹簧压力，可以降低传动部件的强度要求，减小合闸功率，达到减小合闸冲击，提高真空灭弧室和真空断路器机械寿命的目的。真空断路器的合闸速度，在不同电压等级略有不同。在相同电压等级下，合闸速度在一个比较大的范围内对关合能力影响不大，这一点已为大量试验所证实。但是，试验表明，特定区间的分闸速度对开断短路电流能力有比较大的影响。并且这个速度在不同短路电流下也不相同，这一点从触头烧损情况可以明显反映出来。这个速度如果选择不恰当，必然造成触头烧损增加，这样，完成电性能试验只好靠产品设计裕度了。 在开断电流等级比较少的10kV产品中，电场分布和电动力对短路开断过程触头间隙磁场分布和触头利用效率影响并不突出。随着开断电流等级的提高，这种影响越来越明显。按照理想模型对触头系统进行的计算和推论基本失去了等效性。这些数据只能在整机布置方式确定后从大量试验中总结。3.1.3导向与缓冲装置(a)导向装置真空灭弧室触头系统不同轴，势必造成分断过程中触头间隙磁场的畸变，使触头烧蚀加大， 绝缘水平降低。严重的情况，会危及到真空断路器分断短路电流成功率。为了确保装配与操 作过程中，触头对中良好，通常真空灭弧室都装有导向装置(如图5,导向1)。考虑到膨胀系 数，断路器操作过程的非直线运动等问题，这个导向装置与动导电杆一般留有足够间隙。多年实践证明，这个导向装置的存在，并不能保证真空灭弧室触头系统的良好对中，影响到真 空灭弧室开断短路电流的稳定性。二级导向是ZN28系列真空断路器独创的导向方式，因其结构简单易行，导向性能良好，现已为绝大多数真空断路器制造厂和研究设计人员所接受，并广泛应用到产品中。二级导向原理如图5所示。这种导向方式并不要求导向1和导向2与动端运动部件配合间隙取 得很小，导向2允许在一定范围内调整，在保证触头对中良好的情况下固定。采用这个方案 ，保证了运动部件传动灵活，使动触头保持直线运动，改善了真空灭弧室开断短路电流的稳定性，也缓解了金属波纹管运动过程产生的应力，对提高波纹管的疲劳寿命起到了一定辅助作用。导向精度与L值的选取有关(如图5)。L值可按产品参数裕度、配合特性要求选取。对于10kV 级产品，选取L100mm已足够满足要求了。(b)缓冲装置的性能研究真空灭弧室的机械寿命，受控于波纹管的机械寿命。在设定了金属波纹管和触头开距后，真空灭弧室动触头运动方式就决定了真空灭弧室的机械寿命。真空断路器分闸过程的速度急剧 变化，分闸过程和反弹，对波纹管的疲劳寿命极为有害。同时，分闸速度的变化特性，也直接影响到真空断路器和所配用操动机构的机械寿命。分闸过程，接触缓冲器瞬间的速度剧变甚至反弹，也可能造成真空断路器的弧后重击穿。如何选取缓冲特性，不仅关系到真空断路 器的机械性能，也影响到产品电性能。理想的缓冲特性，应该是在运动部件接触缓冲器瞬间，缓冲器提供较小反力。随着缓冲距离 的增加，缓冲特性迅速变陡，最大可能地吸收分闸能量，达到限制分闸反弹和分闸行程的目 的。利用液体流阻的变化，可以实现上述设想。以上所述，是ZN2810/400050真空断路器的部分主要设计思想。试制与试验表明，产品性能与设计要求是吻合的。这个产品的研制完成，对发展更高参数的中压真空断路器积累了 经验和试验数据，对发展大额定电流的户内真空断路器也得到了初步结果。这些数据，对发展真空发电机保护断路器，也是极其宝贵的经验。3.224kV、12500A和125240kA真空发电机断路器的开发发电机断路器是直接连接在发电机和升压变压器之间，完成操作和保护的电气设备。发电机断路器,可用于保护和控制火电、核电和水电(调峰和抽水蓄能)电站的发电机及同步调 相机。根据国际大电网会议CIRGE的调查，目前全世界有50的核电厂与超过10的火电厂, 采用了发电机断路器。在德国和俄罗斯，大容量的核电厂和火电厂,安装发电机断路器已成为一种标准。我国也有多家发电厂安装了发电机断路器，如沙角C号发电厂、丹江口发电厂和葛洲坝发电站等。另外还有黄冈发电厂、外高桥发电厂及盘山发电厂等已通过审查，将在其发电机出口装设发电机断路器。3.2.1发电机断路器的发展现状发电机断路器有少油断路器、压缩空气断路器、六氟化硫断路器和真空断路器四种类型 。少油断路器的优点是结构简单，不需要类似压缩空气断路器供气系统之类的辅助设备。但 是其通流能力和开断能力向更高参数发展有较大困难，维护较麻烦，且有爆炸、燃烧的危险 ，因而限制了少油断路器在发电机断路器领域的发展。少油发电机断路器的典型产品有原苏 联“电器”工厂的M20型20kV/11200A/87kA断路器。我国的沈阳高压开关厂也生产保护 发电机用的SN410型和SN420型少油断路器，其参数也分别达到10 kV/12000A/105kA和2 0kV/12000A/87kA。压缩空气断路器,是继少油发电机断路器后开发的发电机断路器，它的开断能力非常强，很适合于保护发电机组的场合。这种发电机断路器的典型产品有,ABB公司的DR型36kV/1000050000A/100250kA空气断路器和法国Alsthom公司的PKG 36kV/1700040000A/275kA断路器。沈阳高压开关厂于1985年从法国Alsthom公司引进PKG2型发电机断路器 的生产技术并开始生产。随着100400MW发电站的增多，大中型发电机断路器成为主流，此 时发电机断路器从压缩空气式发展到六氟化硫式和真空式。1979年三菱公司推出了第一台六氟化硫发电机断路器，为双压式。1984年该公司又推出了SFW型1300025000A/110kA单压式 六氟化硫发电机断路器。1985年BBC公司研制出中等容量的HE型24kV/630012000A/63120 kA旋弧式六氟化硫发电机断路器。1993年GECAlsthom公司又推出了自能吹弧式FKG型六氟 化硫发电机断路器，开断电流为120kA。我国也能生产六氟化硫发电机断路器产品，沈阳高 压开关厂于1994年研制成功了LN24型六氟化硫发电机断路器，参数为24kV/800012500A/ 80100kA。由于六氟化硫气体具有优良的绝缘和灭弧性能，因此六氟化硫发电机断路器结 构更紧凑，故障率更低。真空发电机断路器出现于1991年，由西门子公司推出，其典型产品 为8BK41型7.217.5kV/400012000A/4080kA真空发电机断路器。我国目前已能大批量生产保护中小型发电机的真空断路器，额定短路开断电流为63kA及以上的真空发电机断路器产品目前还是空白，成为当今必须开发的目标之一。发电机断路器与一般的输配电高压断路器相比，它们在电网中所处的位置不同，保护对 象也不一样，因此在许多方面要满足特殊的要求。这些要求大致可分为三个方面：第一是额 定值方面的要求，第二是开断性能方面的要求，第三是固有恢复电压方面的要求。从额定值 方面来看，发电机断路器需要具备很大的额定短路电流开断能力及关合能力，需要具备很大 的额定电流承受能力等。这些额定值远远大于同级别的输配电断路器。从开断性能看，对发 电机断路器有开断非对称短路电流的要求，其直流分量衰减时间达133ms。另外还要求具有 关合额定短路关合电流(其峰值为额定短路开断电流交流分量有效值的2.74倍)及开断失步电 流等能力，这都是对断路器提出的“苛刻”要求。从固有瞬态恢复电压方面看，因为发电机 断路器的瞬态恢复电压，由发电机和升压变压器参数决定，而不是由系统决定，所以其瞬态 恢复电压上升率(RRRV)，取决于发电机和变压器的容量等级，等级越高，RRRV值越大，其数 量级为kV/s。这是一个对断路器要求很高的指标。由此可见，发电机断路器在许多方面与 一般的断路器不同，要满足较高的要求，因此发电机断路器不仅要满足现有的开关制造标准 ，还要有其专用的标准。1993年IEEE专门颁布了用于发电机断路器的制造标准IEEE C37.013 (1993)，我国也制定了发电机断路器的通用技术标准GB/T1482493，并于1994年10月1日起实施。从用户的角度对发电机断路器有两点要求：一是要求性能优良，二是要求价格低。性能优良，饲针对发电机断路器所保护对象的重要性而言的。由于其所保护的发电机组是电力系 统的心脏，因此要求发电机断路器，一定要达到相应的技术指标，同时一定要操作可靠，故 障率低。在这方面，六氟化硫 断路器和真空断路器都是很好的选择。如ABB公司生产的DR型压缩空气断路器的故障率，已 减低到0.5，操作故障率为20106，这一指标比一般的高压断路器低20倍左右，而该公司的六氟化硫断路器产品故障率极低，小于0.3，而且结构更紧凑。在发电机断路器领域 ，真空断路器在开断性能和操作可靠性方面，可与六氟化硫断路器相当。从价格方面看，价 格因素是制约发电机断路器发展的关键因素之一，如果发电机断路器价格能降下来，势必对 电力工业的发展会起到积极的促进作用。在许多电站的工程预算中，由于发电机断路器的价 格较高，一次性投资较大，因此就没有被采纳。从这个角度来讲，真空断路器可能比六氟化 硫断路器具有一定的优势。因为六氟化硫断路器在生产时对制造工艺要求很高，加工成本很 大，因此其价格很难降下来。发电机断路器所处的电压等级属中压等级，在这个等级真空断