中压真空断路器市场与技术的发展

中压真空断路器市场与技术的发展上海电力2006年第2期中压真空断路器市场与技术的发展李建基(西安高压电器研究所,西安710077)摘要:在中压断路器无油化的趋势下,40.5kV以下中压断路器领域,我国及世界市场几乎成为真空断路器的一统天下.文章从国际,国内市场现状,中压产品转型的具体情况,国际博览会上展品展出的构成,国际KEMA试验站及我国的型号证书的发放情况等多角度,论证了这一发展趋势.总结了国内外中压真空断路器技术进步的历程;介绍了中压真空断路器的结构演变与产品类型;总结了中压真空断路器的运行经验;指出作为一个仍在发展的产品,在现阶段应属少维护尚不是免维护产品,真空开关还应继续提高产品质量和运行水平,制造部门和运行部门也应为此作出共同努力.关键词:中压真空断路器;市场;技术发展;灭弧室;智能化;操动机构中图分类号:TM561.2文献标识码:Bl世界真空断路器的发展近年来,在世界范围内,中压真空断路器有了长足的发展,取得了骄人的业绩,特别表现在12kV级.12kV真空断路器量大面广,前景广阔,现作如下分析.1.1中压真空断路器世界市场从世界市场看,真空断路器在中压市场已占65以上.特别在美国,日本,德国真空开关占有绝对优势.如在日本真空开关已占90以上,而在中国2004年已占98.85,可算后起之秀.我国继美国,日本,德国之后已进入真空断路器应用大国行列.德国现销售中压开关中,真空开关也已占到95以上.1.2从国内外主要制造厂看真空断路器市场从国内外制造厂家看,生产真空断路器的大型企业主要有德国的Siemens,CalorEmag,美国的伊顿卡特拉一汉莫(EATONCutler-Hammer),GE公司,法国的Areva(收购Altom),Schnei-der,日本的东芝,日立,三菱,明电舍,富士等.中国生产真空断路器企业百家以上,生产12kV真空断路器3000台以上者有20多家.最大的5家生产企业依次为厦f-IABB开关公司,华仪电器集团公司,常州森源开关公司,正泰电气集团公司,陕西宝光集团公司.中国2004年生产12kV真空断路器238344台,其中厦f-IABB开关公司生产VD4型产品25686台,常州森源开关公司生产VS1(ZN63A)型产品16501台.我国有10一】82一多家企业生产真空灭弧室.2004年其生产12kV真空灭弧室799395只,其中最大的4个生产企业为宝光(172531只),宇光(157100只),旭光(149811只),华光(105888只).国外制造真空开关的大公司均制造真空灭弧室,如日本东芝从1962年以来共生产真空灭弧室250万只,真空断路器超过25万台.1.3从产品转型看真空断路器市场从产品转型看,国外大公司都完成了从SF开关到真空开关的转型,即使原来单一生产SF开关的厂也转向生产真空开关,如ABB公司成立后,接收了德国CalorEmag公司,利用CalorEmag公司生产真空断路器的优势,向外输出真空断路器技术.中国厦f-IABB开关公司引进的就是CalorEmag公司的VD4型真空断路器及其ZS1型中置柜等.ABB公司接收CalorEmag公司后,SF与真空技术曾并驾齐驱地向前发展,但从1999年起,真空断路器的产量明显高于SF.断路器的产量,而且不断攀升.CalorEmag公司30年来共生产真空断路器30万台以上.西门子公司的中压断路器转型是从少油断路器转向真空断路器.在20世纪70年代之前,西门子一直坚持少油断路器,以T型少油断路器闻名于世.面对产品无油化,西门子选择了真空开关,为此引进了英国GEC公司的真空灭弧室技术.真空开断的主要优势是绝缘强度上的优势,它最终减小了触头,缩短了行程,使开关小型化,同时使操作功减少到少油断路器的30.西门子有一个柏林真2006年第2期上海电力空电子管厂,该厂拥有生产大功率发射管的专有技术,使得真空开关一些技术问题在西门子集团内部得到解决.很快,1977年,西门子公司向丹麦交付了首批真空断路器.此后,西门子真空断路器发展很快,新产品不断涌现,如3AF,3AG,3AH,NXact型等.8O年代,我国引进了3AF型和3AG型真空断路器,9O年代,上海西门子开关公司建立,生产3AH型和NXact型,又在无锡建立了西门子真空开关管(无锡)有限公司,为西门子开关公司真空开关产品配套.日本于1975年将柱上油断路器定为公害,要求到1978年将25万台柱上油开关全部更换.日本几家大公司抓住这个机遇,大力发展无油的真空开关.东芝,三菱,日立,明电舍,富士等大牌公司都有自己的真空开关品牌.其中东芝,三菱,富士等还在中国建有合资公司.法国Alstom公司一向以生产高压超高压SF断路器和GIS而驰名,如1979年该公司就向美国提供了800kVGIS产品.当时中压领域也单一生产SF断路器.该公司接收德国AEG公司Sachsenwerk(萨克森厂)后,成立了AlstomSachsenwerkGmbH有限公司,专门生产真空断路器,如HVX型真空断路器.Schneider(施耐德)公司原以生产低压断路器闻名于世,为使高低压产品配套,该公司兼并了MG(梅兰日兰)公司,MG公司将SF断路器演绎得淋漓尽致,但Schneider公司不仅看重MG公司的SF断路器,而且看好中压真空开关的大市场,不失时机地研发出真空断路器.在2000年北京举办的第八届国际电力设备及技术展中,Schneider公司展出了最新研发的Evolis型真空断路器及MVnex型金属铠装移开式开关柜.至此,世界上生产中压开关的大公司,都完成了产品转型,真空开关在市场的推动下,其发展引人注目,不断走向辉煌.1.4从汉诺威博览会看真空断路器市场汉诺威博览会是世界上最大的工业展览会,也有人把它称为工业展会的奥林匹克.从汉诺威博览会上,可以了解产品的发展水平与动向.如在2000年汉诺威博览会上,展出的中压开关产品为清一色的真空断路器.其中CalorEmag公司展出了扩大参数的VM1型真空断路器,Alstom公司展出了12/15/17.5kVHVX系列真空断路器,西门子公司展出了扩大使用范围的NXact型模块式真空断路器.从国内举办的工业展览会上,也可看出真空开关成为展台的主流.如2002年在上海举办的2002亚洲能源技术与设备展会上,正泰成套公司展出了ZN8540.5(3AV3)型户内真空断路器,ZN63A-12(VS1)型,ZN2812型户内真空断路器及ZW8型户外真空断路器.上海富士电机开关公司展出了HS型真空断路器,上海通用电气开关公司展出了Power/VacVH2型12kV真空断路器等.1.5从KEMA试验站试验认证中看真空断路器市场划分从世界上公认中立的KEMA试验站的产品论证试验中也可看出,12kV真空断路器占主导地位.该试验站1991年1996年期间,按IEC标准和ANSI标准对不同电压等级和不同介质的开关产品进行了试验认证.这里以3.6kV145kV电压等级的产品为例.在所进行的450次认证试验中,57为真空开关(主要为真空断路器),29为SF开关设备(主要SF6断路器),14为空气和油开关设备(包括隔离开关和接地开关).在38kV以上,显然是SF产品占主导地位,在12kV级,真空断路器占绝对优势.真空断路器的试验次数约占110次,而SF断路器仅约1O次.KEMA公司还公布了1985年1997年间颁发灭弧室试验认证书的情况,其中真空灭弧室与SF灭弧室之比为10:1.这就是说,真空灭弧室占有绝对优势.1.6从我国的型号证书发放看真空断路器市场从2004年我国产品型号证书发放情况看,户内中压断路器为清一色的真空断路器.颁发户内真空断路器型号证和使用证共64个.颁发户外中压真空断路器证书21个,而颁发户外高压SF断路器证书6个(其中2个为126kV产品,124O.5kV产品证书共4个).从我国颁发证书情况看,也说明中压真空断路占绝对优势,成为中压主流产品.在我国,中压户内真空断路器的型号已发到100多个,而且不断在增加.我国是中压真空断路器型号最多的国家,也是生产中压真空断路器厂家最多的国家,约有100多个工厂生产中压真空断路器.一】83上海电力2006年第2期2真空断路器成为中压断路器市场主流的原因真空断路器为什么能在中压领域主宰市场,主要原因有3个:(1)电力用户支持推广真空开关,真空断路器良好的性能得到用户的确认.日本采用真空开关,消除了多油开关造成的公害,在日本民众中留下良好的印象.再如西门子1977年交付给丹麦的首批真空断路器至今还在正常运行,体现了这种技术的高可靠性.(2)SF气体在京都议定书上,被定为受限制气体,这从客观上促进了真空开关的发展.sF气体虽然从总量上对温室效应影响很小,但被定为受限制气体本身,促使人们尽量不用或少用SF气体,即便使用,也应减少用气量和排放量.目前在高压和超高压乃至特高压还是SF气体的一统天下,但在中压领域,真空开关越来越成为主流产品,成为用户的首选产品.(3)真空开关在性能上,可靠性上有了很大提高,能满足各种用户不同的要求.如真空开关出现了高电压型,大电流型,低过电压型,频繁型,切合电容器组型等,这给用户提供了很大的选择空间.真空开关的触头材料由过去的BiCu发展到CrCu,以至还有新的触头材料出现(如CuTa),大大提高了其开断性能.在灭弧室制造工艺上,推行一次封排工艺,不仅提高了产量,而且提高了质量和可靠性.在触头材料的制造上,出现了许多方法,如熔渗法,熔铸法等,大大提高了触头材料的质量.在灭弧技术方面,从横磁场发展到纵磁场,这大大有利于提高真空开关的开断能力.真空断路器的相柱绝缘也从空气绝缘一复合绝缘一固封绝缘,使真空断路器小型化,近期,为了与环境友好,国外在真空灭弧室方面,已提出了真空开关环保设计法.3国内外中压真空断路技术的进步.我国真空断路器已有几十年的发展史,成为中压户内主导产品.现在户内真空断路器已形成一个庞大的型号体系.3.1户内真空断路器的研发户内真空断路器的研发可分为4个阶段:初发阶段,发展阶段,提高阶段,模块智能化阶段.一】84一(1)初发阶段在此时期,国内以ZN3,ZN5真空断路器为典型代表产品.使用铜铋等触头材料,开断,抗击穿等性能均较差,性能也不够稳定,断流水平只在20kA以下.与少油断路器相比,无明显优越性.它所使用的操动机构,无论电磁还是弹簧机构,要达到1万次寿命都有较大难度.(2)发展阶段在此时期,以ZN28,ZN12等同类产品为典型代表.此类产品无论是开断性能,还是使用寿命,均得到大幅度提高.特别是ZN28产品,代表了我国当代真空断路器的最高水平,其生命期延续多年,产量几乎占到同类产品的z/3左右,目前仍是国内市场主导产品之一.此阶段产品性能的提高主要表现在以下几个方面:1)灭弧室使用了铜铬触头材料,它具有良好的开断能力,耐击穿,导电等综合性能.纵磁场触头结构的使用,使开断时产生的聚集型电弧变为扩散型电弧,极大地提高了灭弧室的开断能力.使用中封式结构,使灭弧室内电场更加均匀.在原有玻璃外壳的基础上,又发展了陶瓷外壳,使工业化流水线生产方式成为可能,易于降低成本.灭弧室体积大大减小,同等容量甚至比同期国外的还小,即同样尺寸具有更大的开断能力.2)操动机构重新设计了电磁机构,弹簧机构,如:CD17型,CT17,19型,突破了原CD10,CT8等机构2000次的寿命极限,轻轻松松即可达到1万次的寿命要求.弹簧机构的大量使用,也使用户甩掉了笨重的电源系统,与国外使用方式趋于一致.ZN28断路器设计又可配用原CD1O,CT8机构,适应了原有的少油断路器无油化改造的要求.3)整体结构一次导电回路与机构箱体前后布置形式便于调试检修机构.可配原有国产的各种型号开关柜,适应面广.ZN28断路器的出现,使真空断路器的性能大大提高,与初发阶段产品相比较,开断容量在12kV等级增加23倍,最大达到63kA.其短路电流开断寿命甚至成10倍增加.如31.5kA产品开断3O次,5O次甚至75次.与ZN28同时代的产品除ZN12外,多为此两产品的改造型,灭弧室,机构2006年第2期上海电力等都使用同种产品,性能也都与其相当.(3)提高阶段在此阶段,由于受国外产品的影响,国内产品开始向追求加工精度和外观质量,减少调整环节,保证一致性,免维修方面努力.此阶段的代表产品即ZN63系列产品(ZN63A.B.C),国外产品如ABB公司VD4,西门子公司的3AH等均属此类产品.ZN63系列产品是国内产品又上一个台阶的重大的标志.与ZN28相比,它主要不是表现在性能上,而是在以下几个方面:1)使用专门设计的一体化弹簧机构,最大限度地保证了灭弧室要求的机械性能,且不易变化,断路器的工作可靠性大大提高.2)加工水平向世界水平靠拢,开始使用专业化方式生产断路器.如使用加工中心等高精度加工设备,使用焊接机器手,关键部位采用特殊材料与工艺,大量使用装配夹具及定力矩扳手等工具.尽可能少调整或不调整来保证参数,使用流水线方式批量生产.3)导电部位采用复合绝缘方式,使断路器整体结构更紧凑,体积更小,最适用于现在流行的中置式开关柜.4)外观质量大大提高.(4)模块,智能化阶段综合世界真空断路器的发展,我国真空断路器正走向模块化,智能化和一机多功能化.1)智能化智能化可提高运行可靠性.可实现将定期检修改为状态检修,减少维修费用和停电时间;可实现电力系统自动化,无人值守,提高工作效率和质量.智能化可包括如下内容:监测灭弧室真空度;监测分合闸线圈,过流线圈工作状况;监测断路器分合闸速度,开距,接触行程及触头磨损状况;监测电机储能状况,辅助开关转换情况和操作次数计数;实现欠电压,过电流保护,机构电气闭锁保护;监测断路器的机构振动情况.2)模块化可将断路器分为框架模块,绝缘模块,手车模块,操动机构模块,灭弧室模块等.这样便于制造,安装,提高整机性能.3)一机多功能国外已出现多功能断路器.如西门子公司最新研制的NXact型真空断路器,采用关合,开断,隔离,接地,联锁于一体,并使用Siprotec4型数字监控装置,集保护,控制,测量,通信,操作,监视及整个程序控制于一体.又如Alstom公司(现为阿海珐公司)的VISAX型中置柜中的真空断路器也起关合,开断和隔离功能.还有日立公司最新开发的复合式真空灭弧室,集关合,开断,隔离,接地于一体.用此灭弧室可大大简化24kV开关柜的结构.3.2真空断路器的结构演变真空断路器从结构演变看,可分为3种类型:(1)分体式通常采用悬挂布置或综合布置.断路器的灭弧室和操动机构部分为分体式.典型产品如ZN28A系列.操动机构配用CD17CD19等,见图1.构图1ZN28A真空断路器结构布置图(2)整体式断路器的灭弧室和操动机构设置在一个几何尺寸尽量小的共同框架上,弹簧操动机构采用平面布置,操动机构的零部件固定在真空断路器的机架上.断路器位置配合精度,整体刚度大为提高,既提高了机构的效率,又增加了可靠性.而且这种结构,很容易实现断路器功能单元的模块化设计,同时安装,调试,检修均非常方便.典型产品ZN12系列真空断路器布置图见图2.上支座真空灭弧室下支座机构箱图ZZN12翼空断路器结构布置图(3)整体式复合绝缘或全绝缘型断路器的灭弧室部分和操动机构设置在一个几何尺寸尽量小的共同框架上,由一浇注的绝缘框架或管状绝缘体支撑真空灭弧室,有效地防止真空灭弧室受到机械或电气的损害,同时改善了电场分布,从而使相与地的绝缘可满足湿热及严一】85上海电力2006年第2期重污秽环境的要求.此类断路器(如ZN63A型)最大的优点在于其结构紧凑,体积小巧,用较小的功就可操动断路器,因而断路器操动机构的磨损也极小.这些特点决定了该类真空断路器不但具有优良的电气,绝缘性能,而且还具有较高的可靠性和较长的使用寿命.ZN63A真空断路器结构布置图见图3.机构箱图3ZN63A真空断路器结构布置图中压真空断路器的结构框图见图4.真空断路器一般由导电及灭弧系统,本体,传动系统及操动机构组成.其中真空灭弧室是真空断路器的心脏,操动机构是神经中枢.两者至为重要.真空断路器结构导电及灭弧系统本体弧室导电夹及软连接=:=上下支座支持绝缘子=一机架坌塑壁量壁重量薹里巫口攉丽再眨厩操动机构CD操动机构CT操动机构图4真空断路器结构框图3.3真空断路器的产品类型产品类型可按国内企业(国企)和合资企业(合企)来分类.(1)国内企业的产品类型1)引进技术并国产化类型:如ZN12型引进西门子3AF系列,ZN51型引进西门子3AG型,ZN18型引进东芝VK系列,ZN20型引进西屋同类产品,ZN21型引进比利时EIB公司VB-5型等;2)自行设计的产品:如ZN2812型,ZN1512型,ZN30-12型等.其中ZN2812型产量大,用量广,可配电磁和弹簧操动机构如CD17,CT17和CT19等;3)借鉴国外同类产品基础自行研发的产品:如ZN63A-12型(VS1型)参照VD4型,ZN6512186一型参照3AH型等.这些产品保留了国外产品的特点,同时根据中国国情作了结构上的创新,如ZN63A一12型根据中国国情在绝缘件选择上保证了国内要求达到的绝缘水平(即沿面爬距230mm).此外,在以下方面采用了新结构:虽然使用弹簧操动机构,但没有使用VD4型的涡卷弹簧,而改用传统的螺旋弹簧;使用液压缓冲器,而VD4型无专门缓冲器,它使用凸轮防止反弹.后又借鉴国内外产品特点,将复合绝缘和空气绝缘相结合,研发出如V2000型真空断路器.该断路器同一产品两种绝缘形式,即空气绝缘和复合绝缘;采用一体化弹簧操动机构,并进一步简化了结构,减少了零件数,提高了可靠性;采用机内取样,机外监测方式,使之产品逐步智能化;提高产品的加工一致性,使用零部件本身固有定位尺寸和装配工装夹具,保证装配精度,可使装配后无需调整.国内继ZN63A型产品之后,又开发出ZN63M(VSm型)型真空断路器.谈产品的最大特点是相柱固封并配用永磁操动机构.该产品参数为12kV/1250A/31.5kA,2000年6月通过全部型试试验,额定短路电流开断次数50次,断路器机械寿命6万次,机构寿命10万次.断路器相柱的绝缘从空气绝缘一复合绝缘一固封绝缘,使之小型化,且提高了耐环境性.在固封相柱中,巧妙的设计形成一个风道,以加强散热效果.相柱的固封,经过反复试验,终于用一种特殊的环氧树脂配方和工艺获得成功.永磁操动机构,不同于电磁和弹簧机构,是一种崭新的操动技术,它利用电磁铁操动,用永久磁铁锁扣,用电容器储能并用电子控制.其特点是结构简单,大大减少了机械零件数,同时大大提高了机械寿命,如机构寿命可达10万次,还有永磁机构提供的力行程特性能与真空断路器要求的特性很好地匹配.这种永磁机构为双稳态.该产品已投入生产和使用.继户内永磁真空断路器之后,又开发出VS2a,VS2b型12kV/1250A/20kA户外永磁真空断路器.西高所最新研发出12kVZN96-12型固体绝缘真空断路器和40.5kVCGIS充气柜,使真空断路器体积大为缩小,灭弧室不受使用环境影响.12kV开关柜的柜宽从800mm可减为650mm.CGIS(40.5kV)柜宽仅600800mm(配ZN462006年第2期上海电力型真空断路器).(2)合企(包括独企)产品合企越来越多,它们利用国外先进技术,易地生产,直接进入中国市场.如上海西门子开关有限公司的3AF和3AH系列,厦门ABB开关有限公司的VD4型,VM1型及VD4P型,西菱公司的VPR型,上海富士电机开关有限公司的HS型,上海通用电气开关有限公司的Power/VacVB2型,广州东芝白云电气设备公司和宁波东芝华通开关设备公司的VK型等.4中压真空断路器的运行经验真空断路器因熄弧能力强,电寿命长,现场维护方便及技术含量高而受到用户青睐.但真空断路器在使用中也存在这样那样的问题.首先用户不接受免维护的说法.用户认为,一台真空断路器由上百个零部件组成,而这些零部件生产厂只能对部分零部件自行设计加工,有相当一部分则依靠外协.这些零部件的材质,选型,工装,工艺,检验等各个环节都关系到整体产品的电气和机械性能.特别在我国,制造真空断路器厂家的真空灭弧室,所配操动机构,金属附件及绝缘件均可外购.这就造成质量参差不齐.从可靠性观点看,多一个零件多一个不可靠因素,而真空断路器由上百个不同部门供给的零部件组成,不可能达到免维护.现实点讲,应该改免维护为少维护较合宜.根据真空断路器在我国多年的运行经验,出故障主要在两个方面:4.1真空灭弧室漏气根据19891997年全国高压开关设备事故分析调查报告,相对其他种类断路器而言,真空断路器开断与关合事故比例较高.问题主要在灭弧室部分.灭弧室漏气,真空度不足是主要原因.4.2操动机构故障出现分,合闸不良,烧坏分,合闸线圈故障.对于真空灭弧室来说,它比较娇气,也不可检修,使用部门应把好选型关,选用哪些质量稳定,运行业绩好,服务质量优的制造厂家.真空灭弧室出厂时的真空度至少要达到1OPa,尽可能达到1OPa.在制造上,要保证灭弧室充分脱气,密封良好,CuCr触头材料均匀.操动机构的故障,可能源自电气回路,也可能源自机械部分.可能发生的电气和机械故障及其原因,分析如下:(1)短路:送电操作时,表现为断路器不动作,电流很大甚至使熔断器熔断,导线发热软化,电气元件也可能烧坏,切断操作电流时触头产生很大弧光.产生原因有:1)操作线路接错;2)机构本身接线有差错,受电回路未接入负载线圈;3)内部接线松脱,构成短路点;4)布线受外部机械砸伤形成短路点.(2)断路器拒动:给断路器发出操作信号而不合闸或不分闸.产生原因可能有:1)操作电源无电压;2)操作回路未接通;3)合闸线圈或分闸线圈断线,或未接人受电回路;4)机构上的辅助开关触点未到位,或接触不良.(3)合闸和分闸操作中其中一个拒动:产生原因与(2)相似,很可能是辅助开关触点位置调整不当,一对触点接触量过大,而另一对却不接触.(4)合不上闸或合后即分断:原因可能有:1)操作电压太低;2)断路器动触杆接触行程过大;3)辅助开关联锁电接点断开过早;4)操动机构的半轴与掣子扣接量太小(对CD17型机构或弹簧机构),或CD10操动机构的一字板未调整好.(5)分不了闸:原因可能有:1)分闸铁心内有脏物使铁心受阻动作不灵;2)分闸脱扣半轴转动不灵活;3)分闸的铜撬板太靠近铁心的撞头,使铁心分闸时无加速力;4)半轴与掣子扣接量太大.(6)烧分闸线圈:原因可能有:1)由于(5)所述分不了闸的原因造成,在断路器分闸操作中辅助开关没有联动旋转至分闸位(可能是机械连接卡滞或松脱);2)辅助开关震松移位,造成分闸后辅助开关的分闸电接点没有断开.(7)烧坏合闸线圈:原因可能有:1)由于二次线路上的原因造成合闸后直流接触器不能断开;2)直流接触器被异物卡阻,合闸后分不了闸或分闸延缓;3)辅助开关在合闸后没有联动转至分闸位(可能是机构连接受阻或松脱);4)辅助开关松动移位,造成合闸后控制接触器的电接点没有断开.(8)分闸或合闸电磁铁稍动或动作缓慢:原因有:1)电磁铁铁心位置或行程调整不当;2)由两个线包串联(220V时)或并联(11OV时)组成的电磁铁心线圈,相互极性接反;3)线圈内部产一187上海电力2006年第2期上海低压电网无功配置研究曹基华(上海市电力公司,上海201100)摘要:低压电网无功补偿装置的合理配置,可有效改善和提高电能质量,减少电能损耗.针对上海低压电网存在着功率因数偏低,电能损耗偏大的问题,对上海低压电网的无功补偿配置进行了计算与研究.介绍了上海电网低压配电无功补偿的配置原则及补偿情况,分析了无功补偿现状与存在的问题.提出低压补偿电容器安装在配电线路的2/3处,无功补偿容量为无功负荷2/3时,降损效果最理想.关键词:上海电网;低压电网;无功补偿;线损中图分类号:TM7