Vcm-12产品介绍.doc

杭州市技术创新项目计划立项建议书一、立项理由 1、国外相关产品与技术发展的概况，其代表产品、技术和公司“我们走的是一条集成式、开放式的创新之路”；“VCM系列断路器所走就的是引进消化吸收与再创新之路我们是站在巨人肩膀上的再创新！”一厚积薄发，稳扎稳打有序推进。 在中国电网专家、真空断路器鼻祖、东北电监会总工，博士生导师苑舜老师的带领下，数十位博士，研究生几千个日日夜夜不辞辛劳、刻苦钻研和反复论证。在充分分析了国产VS1断路器、西门子的ZN12；ZN65断路器、日本东芝的VK断路器及德国ABB公司的VD4断路器的优缺点，结合中国的实际国情。遵循着优化组合科技攻关、实验验证、工程实践和推广应用的的科学规律。仅仅用了三年的时间走过了相当西方国家三十年的路，这得益于选择了一条正确、高效的创新之路。近十年我们通过“走出去，请进来”进行了大量学习、考察、交流、咨询和培训共建立了10多个研究、开发项目。数十次专题和综合试验，取得了三项专利成果。我们是站在巨人肩膀上发明了国内领先、适合国情的赶超ABB公司的VD4并可代之的新一代VCM-12系列断路器并由机械工业出版社出版了高压断路器弹簧操动机构、高压开关设备状态监测与诊断技术、高压开关柜结构、计算、运行、发展等书籍。我再概括介绍一下开关行业的总体形式.城乡电网改造以来，我国的电力工业得到了持续发展。在电网建设的带动下，高压电器产品的产销大幅度增长，有的产品甚至出现了多年供不应求的局面。2004年有关部门统计， 12kV开关柜的产量为24.5万台，比上年增加了23% ；环网柜的产量5.89万台，比上年增加了19.5% ； 35kV开关柜的产量为1.84万，比上年增加了46%。目前，我国高压电器产品的产量已占世界的总产量50%左右。在今后一段较长的时间内，我国仍将是世界上电力设备需求量最大的市场，输变电设备已成为我国装备制造业的重点发展行业。目前，国家电网公司正在编报十一五电网规划及2020年远景目标报告。据初步汇总，我国“十一五”期间内的电网总投资将达到1.2万亿元，新建大容量输电线路、对电网设备进行更新和继续对城市电网改造等，投资较“十五”期间增长了140%。据悉，仅上海市明后年，每年将要投入80亿；长沙市明年将要投入60亿。这无疑给输变电企业带来巨大的商机。椐此测算，全国对户内中压开关柜的年总需求量将在30万台左右，总产值应在180亿左右。迅速发展的电力工业，对高压电器产品在高可靠性、免维护、小型化、智能化等方面的要求越来越高。将大大促进了高压电器产品的技术进步，加速产品的更新步伐。随着电力市场的发展和高压开关技术的进步，中压开关柜近40多年来有了很大变化。我国在开关柜在结构上，经历了如下三个阶段，每个阶段都具有当时不同的技术特征。 80年代前，仿苏的配装SN10少油断路器的GG-1A、以及后来的XGN2为代表的固定式阶段；80年代初至90年代初，以配装SN10少油断路器、ZN5真空断路器的KYN1、JYN2的为代表的落地手车式阶段；90年代中期，以配装ZN63A(VS1)真空断路器的KYN28A(GZS1)为代表的中置手车式阶段。GG-1A固定式开关柜，以少油断路器主元件，固定安装。当断路器检修时，需拆出来进行，检修时间长，严重地降低了供电的连续性和可靠性。另外，一处的内部电弧故障，会波及到别的部位甚至相邻的柜子，形成“火烧连城”的大事故。于是，可移出式、间隔式的手车柜应运而生。随着技术的发展，技术参数高、电寿命长、机械寿命长、体积小、性能可靠性的真空断路器得以普及；焊装工艺制造的柜体已被易于规模化生产、外观美观的拉铆式组装柜体所取代。为实现小型化，笨重的落地手车式结构不久就被和中置式结构所取代。KYN28A(GZS1)是1995年开始研发的，目前已经占有了国内50以上市场。大家熟 知制造断路器有两个关键工艺：第一就是真空灭弧室；第二是它的操作机构。第一代产品的带电部分最开始的时候完全裸露在空气里，它的绝缘水平就会随着空气中的湿度、灰尘、或在运输过程中不小心被机械地碰坏，有时昆虫跑进去，所以相当不可靠。到了80年代末90年代初，设计时就考虑到要把这个高压带电部分隔离起来，于是设计人员用环氧树脂设计一个套筒，把真空灭弧室保护起来，那么就形成一个套筒，相当于保护了真空灭弧室。但这套筒没有完全把高压带电部分（一次回路）包起来，里面还会受灰尘、昆虫以及湿度的影响等，这是第二代的真空断路器。到了第三代，把真空灭弧室和一次回路部分整个包起来了，用德国的APG工艺和设备把它绝缘（固封）起来。真空灭弧室的设计在固封式技术是至关重要的。因为电阻越大发热量就越大，所以当设计这个固封式断路器的时候，灭弧室必须要小型化，电阻越小它就越不容易发热，就越不容易造成极柱的软化，我们在一开始设计时就解决了应用材料及生产工艺的一些问题。目前机械的操作机构在世界上还是占大部分，永磁式的操作机构在目前来讲还有一个稳定性的过程，大部分的用户对永磁式的操作机构接受有一个过程。我们主要考虑到两点：第一，我们把整个机构变成模块化。整个操作机构由两个模块组成，以方便批量生产。机械部件一旦批量生产，它的质量就得到保障，使生产流水化，零部件标准化。第二，现实生活中，电网的稳定运行与百姓的生活息息相关。比如，一个居民楼停电一二个小时，居民就会抗议。而模块化操作机构就能以最短的时间排除故障，从而缩短停电时间。我们提供的模块设计不仅解决了这方面的问题，还可方便以后的开关检修。随着中压断路器技术的不断创新和板金加工工艺的进步，从国内外的现状来看，目前中压断路器和开关柜的研发主要围绕着小型化和集成化的目标，明显地向SF6气体绝缘充气柜即C-GIS和空气复合绝缘结构的固定柜两个方向发展。C-GIS气体绝缘开关柜，以占地面积小、不受环境影响及免维护而称著。前几年，德国对工业电网使用的中压开关设备做过调查。以前，充气柜在12kV占，在24kV占，在36kV占。但仅隔几年，据2003年报道，充气柜在新设备中已占50，SF6环网柜已占75，C-GIS和固定柜目前已占有相当大的市场。据估计，德国在今后5年内，充气柜和环网柜要占90以上。目前，我国电力系统对40.5kV的C-GIS和12kV的SF6环网柜兴趣较大，市场前景看好。但由于我国对C-GIS的设计经验尚不成熟，它对制造工艺有较高的要求，必须用先进的焊接设备和检漏仪器，目前国内的厂家不多，据有关部门统计，2003年C-GIS的产量仅为1400台左右。近期，国产产品不可能成为市场上的主流产品。用户对进口产品有一定的需求，较高的产品价格也影响了推广。空气复合绝缘结构的开关柜，工艺相对简单，价格便宜，面宽量大。在我国，代表性的产品是 ABB公司的ZS1-12和国产的KYN28A。复合绝缘结构，包括空气的和固体绝缘胶封的两种结构。空气绝缘，虽技术成熟，但耐气候性差；固体绝缘胶封的，是将断路器的真空灭弧室用环氧树脂胶封起来的一种新技术，它是实现开关柜小型化的重要手段。国内主要新产品：西高所与厦门华电开关有限公司联合研发成功了KYN96-12（Z）（AMS1）中置手车式开关柜，该柜配空气绝缘、极柱固封结构的ZN96-12（VEP）/T真空断路器的,已开始接受国内、外用户批量定货；西安维能公司WZ1-12纵旋式中置手车式开关柜,1250A-31.5kA的柜宽600mm，进出母线为纵向布置方式，配可移出式旋转隔离断路器,无底盘车,断路器配涡簧机构。西高所的12kV C-GIS环网柜；西安森源公司12kV VM1、35kV C-GIS开关柜。其次是标准的发展：我国高压开关标委会参照国际电工委员会标准，2003年起对许多国家标准进行了修订。主要有：GB1984-2003 高压交流断路器(等效于IEC62271-200:2001)GB1985-2004 高压交流隔离开关和接地开关(等效于IEC62271-102:2002) GB3906-200x 3.640.5kV交流金属封闭开关设备(等效于EC62271-200:2003) GB/T11022-1999 高压开关设备与控制设备标准的共用技术要求(等效于IEC60694: 1996)也正在修订中。新标准反映了当前高压开关设备的技术进步与发展趋势。新标准的改变了过去以生产为中心、偏重产品结构的倾向，以使用为本，把重点放在设备运行的安全性、可利用率和维护性等方面上，具有很强的适时性、可操作性、前瞻性。 高压交流断路器的修订断路器是开关柜中的主要一次元件，其标准的修订对开关柜的性能有重大的影响。 根据用户需要进行分级a.断路器开合充电线路、电缆和电容器组等电容电流时，会出现复燃。按其重击穿概率分C1级和C2级：C1级为开合试验48次时，具有低的重击穿概率；C2级为开合试验96次时，具有非常低的重击穿概率。b.电寿命分E1级和E2级： E1级为具有基本的电寿命的断路器，试验时按标准操作顺序对对称的10%、30%、60%、100%的额定短路电流和非对称的100%的额定短路电流各进行一次；E2级为在预期的使用期间，主回路开断元件不检修、其他零件只需很少维修的断路器。试验时按运行短路电流出现的概率，对10%、30%、60%、100%的额定短路电流总共进行274次的开断试验。有人认为E2级相当于满容量短路电流的50次开断试验。c.机械寿命分M1和M2级:M1级为具有基本机械寿命的断路器，试验时按n个2000次标准操作顺序进行考核；、M2级为具有延长机械寿命的断路器，试验时按n个10000次标准操作顺序进行考核。延长机械寿命的概念是在运行中只需进行非常有限的维护。增加了对“机械行程特性”的新要求为保证断路器在运行中的机械稳定性，增加了“机械行程特性”的新概念和考核试验。“机械行程特性”的定义是：通过多次试验确定的、在一定范围内变化的、作为断路器机械状态检查依据的行程-时间特征。用“参考的机械行程特性曲线”来表征断路器在分、合闸时规定的各个动作时间值和行程值以及允差范围（5%或10%）。在进行型式试验的各个试验时、在进行出厂试验、交接试验时，均要求进行该试验。 现代化开关设备功能复合化、小型化、监控智能化检测智能化和控制智能化是现代化开关设备的四大特征。根据上述国内及市场状况,标准的新要求,为了满足我国电网建设和改造的需要,确定按时开发符合现代发展趋势的新一代VCM-1240系列户内交流高压真空断路器（其产品含国际专利一项及国内专利2项）总体设计构想及技术方案的确定(1)近几年在学习和消化吸收东芝技术;ABB技术及其他先进技术的基础上.结合目前国内断路器的现状, 为着中解决目前国内生产的1040.5Kv断路器外型尺寸大、空气绝缘及复合绝缘较多;机构稳定性较差;合闸弹跳大、分闸反弹幅值大;机械连锁不完善及产品价格昂贵等问题. 同时为解决不同品种的断路器操作机构类型多，标准化、通用化差、可靠性差问题。确定开发一种体积小型化, 元件通用化、性能稳定化、维修简单化、制造成本经济化的新一代户内高压真空断路器以满足目前市场的需要.断路器总体结构构思路是采取模块化积木结构形式.1. 操动机构采用具有国内成熟具有专利技术VKP机构.专利号为:200520092575.7及200510047254.X2. 导电部分可采固体绝缘结构。绝缘性能好。极柱灭弧室具有国际专利的先进结构。.3. 配手车式断路器,设计先进的插进机构.以达到在完成插入行程和退出行程时,到位后,摇进丝杠能自动离合.有效地保持了触头的插入深度又使柜体不变型的目的.4 .储能电机采用永磁式急转式手动储能，电动时手动储能部自动离合单相直流电动机，专利号为:200520070847.3.产品结构及工作原理1.Vcm-1240.5真空断路器是在充分考虑了进口VK断路器优点的基础上而设计的小型真空断路器，该断路器体积小，造型美观，在调试过程中具备慢分、慢合性能，机构部分为箱式独立单元，其机械寿命通过了2万次型式试验。操动机构为弹簧操动机构,本机构输入力矩与输出力矩比值大,机构效率高,储能结束后推进棘爪能自动抬起,各部件之间都有可靠定位,机构部份出厂调试后,不需再调整,能达到十年不检修的要求。本机构具备以下几方面机械连锁：a.机构在没有完成储能时 (即储能过程中) 断路器不能合闸;b.机构处于合闸位置时,机构无论是在二次储能状态下,还是未储能状态下,或是在二次储能状态过程中,断路器完全可以正常分闸 (即该断路器具有自由脱扣功能)；c.机构处于合状态,且合闸弹簧处在二次储能时,给合闸指令 (手动或电动) 储能弹簧不能释放能量;d.电机储能结束后,推进棘爪自动抬起,此时电机空转,能实现对其机械保护。灭弧原理VCM-1240.5真空断路器采用真空灭弧室. 拥有国际专利的独特的R触头设计:a、形成高强度纵向磁场，灭弧和开断能力强，可靠性高。b、集成化触头、无引弧槽，表面几何形状完美，耐压高，机械强度好，开合过程无变形。c、回路电阻小 IN=1250A，R=91；IN=3150A，R=71。d、可满足用户首次100%满容量开断及额定电气参数的要求。e、内部电场均匀，触头载流值低。具有极好的开断容性负载的能力. 不锈钢直接钎焊 a 、特种不锈钢钎焊技术，不锈钢无需电镀，焊接质量高、稳定可靠，漏气率低。 b 、特种不锈钢材料具有抗盐雾能力强的特点，应用区域广泛。c 、不锈钢抗拉性、延展性高，抗冲击性能好。一流的金属化工艺a 、特殊的陶瓷金属化配方和先进的陶瓷金属化工艺，保证了产品的气 密性，抗拉强度高， 抗拉强度最低达 130MPa 。b 、进口的最先进的金属化设备，保证了陶瓷金属化工艺的一致性和成 品率。 c 、完善的陶瓷及金属化强度检测方法，确保用于整管制造的瓷壳金属 化质量稳定、可靠。绝对一次封排 a 、无需零部件焊接，减少人工环节，工艺简单保证产品质量的稳定性b 、进口的世界最先进真空封排炉，计算机控制，无人化操作，确保制 造过程稳定、可靠。c 、绝对一次封排工艺路线短，装配效率高，成品率高，适于规模化大 生产。以真空作为灭弧和绝缘介质,灭弧室具有极高的真空度,当动静触头在操动机构作用下带电分闸时,在触头间将会产生真空电弧。同时,由于触头的特殊结构促使真空电弧形成为扩散型,并使电弧均匀地分布在触头表面燃烧,维持低的电弧电压,在电流自然过零时,残留的离子,电子和金属蒸汽在微秒数量级的时间内就可复合或凝聚在触头表面和屏蔽罩上,灭弧室断口的介质绝缘强度很快被恢复。从而电弧被熄灭，达到分断能力，所以真空断路器具有强而稳定的开断电流能力。VCM-1240.5真空断路器总体结构采用操动机构和灭弧室前后布置的形式,主导电回路部分三相落地式采用固封极柱结构，抗爬电能力强，这种结构设计大大的减少粉尘在灭弧室表面聚积，不仅可以防止真空灭弧室受到外部因素的损坏，而且可以确保即使在湿热及严重污秽环境下，也可对电压效应呈现出高阻态，本断路器可装入手车式开关柜，也可装入固定式开关柜。产品实施效果和解决的技术问题1. 合闸弹跳及分闸反弹的解决通过优化选择触头压力弹簧的弹簧刚度确定触头压力、减小动端的运动质量、选择最佳的合闸速度及增加触头的作用时间、提高灭弧室对中性、加强机架的整体刚度等方法来解决合闸弹跳问题。由于我们选定了较合适的合闸速度、对触头压力簧的刚度上作了认真的调整，并减少了运动端的质量，特别是提高了灭弧室的对中性，解除多余约束等办法。解决了合闸弹跳大的问题。凸轮是机构输出力矩的主要元件，为了提高机械效率，我们通过调整凸轮压力角及凸轮曲线解决了效率低的这一问题.通过合理设计油压缓冲器解决了分闸反弹问题。2小型化可靠性及绝缘问题的解决在选材方面，既要考虑保证零件的足够强度，又要考虑到常用易购的材料，且有一定的通用性，避免选材品种过多、过滥。如齿轮、半轴、凸轮、蜗杆、棘爪等，多选用20CrMnTi制作。从而既满足设计要求，同时也经济合里。使每个部件最小从而达到整机小型化。导电部分通过复固体绝缘结构解决绝缘问题及整机小型化。VCM-1240.5户内高压真空断路器通过多次试制改进，最终达到了预期效果，详见产品型式试验报告。系列化产品产品图片如下开发意义：.从市场需求和尚待解决的问题看:市场信息反馈及市场调研发现,我国目前1040.5Kv系列断路器年需求量都有大幅度递增趋势,而国内生产本断路器的厂家较少且多为一些老产品,可靠性差且体积庞大.而性能可靠、品质优异的产品多为国外产品或合资公司生产的产品价格昂贵.有的价格简直让用户难以接受.所以国内急需一种体积小型化, 元件通用化、性能稳定化、维修简单化、制造成本经济化的新一代户内高压真空断路器.我公司结合目前国内的具体情况,计划开发一种新型的、小型化、性能可靠的价格适中的断路器以满足目前市场的需要.从相关的技术状况及主要技术指标看:目前国内生产的断路器外型尺寸大、空气和复合绝缘较多、机构稳定性较差.合闸弹跳大,分闸反弹幅值大.机械连锁不完善等问题.一些断路器产品合闸弹跳高达2ms;分闸反弹幅值高达额定开距的30%以上.断路器技术指标低尤其存在机械连锁不完善等问题.我公司按GB1984-2003高压交流断路器标准设计Vcm-1040.5系列产品着中解决上述问题,克服目前断路器的不足之处.(1)采用具有国内成熟VC专利技术的机构解决机构稳定、合闸弹跳大、分闸反弹幅值大问题.(2) 导电部位采用把真空灭弧室和一次回路部分整个包起来了，用德国的APG工艺和设备把它绝缘（固封）起来。 (3)配手车式断路器,设计先进的插进机构解决在完成插入行程和退出行程时,到位后,摇进丝杠能自动离合.有效地保持了触头的插入深度又使柜体不变型的问题.性能极其优异. 特别强调的是机构运行可靠性能已得到认可。另外从市场运行效果看，机构运行可靠比VS1-12要高；从经济性比较看比VD4-12及VEP-12等断路器价格要低。电气性能毫不逊色。VCM-1040.5系列户内高压真空断路器研制成功,缓解了目前我国1040.5Kv电压等级高可靠断路器短缺的问题.根据目前市场的需求但目前1040.5Kv电压等级的断路器可靠性高的几乎都是进口产品.国内只有少数几家如:厦门华电开关有限公司;常州明及有限公司;北京北开电气股份公司;东芝白云电器设备有限公司;厦门AB