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江西电力职业技术学院 毕业论文 真空断路器 年 级：_学 号：_姓 名：_专 业：_指导老师：_ 摘要 高压开关技术已走过了半个世纪的历程。在这50年中，建立起我国自己的产品系列，满足了电力系统和工业部门各个方面的需要。由于我国各地区发展极不平衡，配电网的结构与布局日趋复杂，各种技术水平的开关设备有着不同的应用。随着国民经济的高速发展、用电量不断增加的同时，客户对供电的可靠性及供电质量提出了更高的要求，断路器是变电所作为控制、保护非常重要的设备，因此合理设计断路器就显得由为重要，采用合理的结构设计以保证基础的稳定性，从而达到安全运行的目的。目录1绪论1.1概述1.2 真空断路器的发展情况1.3真空断路器的应用场合与技术要求1.4 本课题的主要研究内容2 真空断路器的结构设计2.1真空灭弧室的特点2.2真空断路器的操作机构2.3真空断路器绝缘机构3 真空高压断路器的设计计算143.1 真空灭弧室设计计算143.2 GCB绝缘结构设计计算223.3 GCB合闸电阻及并联电容器设计计算253.3.1 GCB合闸电阻的设计计算253.3.2 并联电容器的设计计算283.4 GCB密封结构设计29结 论1 绪论1.1 概述真空断路器是指触头在真空中关合、开断的断路器。 真空断路器最初由英、美研究,随后发展到日本、德国和原苏联等其他国家。我国从1959年起开始研究真空断路器的理论,到20世纪70年代初正式生产各类真空断路器。真空灭弧室、操动机构、绝缘水平等制造技术的不断创新和改进,使真空断路器的发展极为迅速,在大容量、小型化、智能化及可靠性研究方面取得了一系列重大成果。 真空断路器以具备良好的灭弧特性,适宜频繁操作,电气寿命长、运行可靠性高、不检修周期长的优势,在当今我国电力工业城乡电网改造、化工、冶金、-铁道电气化以及矿山等行业得到了广泛的应用。产品从过去的ZN1-ZN5几个品种到现在数十个型号、品种,额定电流达到4000A,开断电流达到5OKA,甚至有63kA,电压达到35kV等级1.2 真空断路器发展情况用真空介质来熄灭电弧的设想在19世纪末就己提出,20世纪20年代制造出了最早的真空灭弧室。但是由于受真空工艺、材料等技术水平的限制,当时并未实现实用化。20世纪50年代以后,随着新技术的发展解决了真空灭弧室制造中的很多难题,使真空开关逐渐达到实用水平。20世纪50年代中期美国通用电气公司批量生产了额定开断电流为12KA的真空断路器。随后在20世纪50年代末由于发展了具有横向磁场触头的真空灭弧室,使额定开断电流提高到3OKA的水平o20世纪70年代后,日本东芝电气公司研制成功了具有纵向磁场触头的真空灭弧室,使额定开断电流又进一步提高到5OKA以上。目前真空断路器己广泛用于1OKV、35kV配电系统中,额定开断电流己能做到5OKA-100KAo有些国家还生产了72kV/84kV级的真空灭弧室,但数量不多。 近年来,我国真空断路器的生产发展也很快。目前国内真空灭弧室的技术与国外产品不相上下,有采用纵向、横向的磁场技术、采用中央引燃触头技术的真空灭弧室,Cu-Cr合金材料制成触头已成功地开断5OKA、63kAo中国的真空灭弧室已达到较高的水平,真空断路器完全可以选用国产的真空灭弧室。1.3 真空断路器的应用场合与技术要求（1）应用场合从大的方面讲主要有保护和供配电两种场合。所谓保护像电动机的短路保护，过载保护，缺相保护当然不是所有的断路器都有上述保护功能只有具备了相应的机械硬件结构才具备相应的功能。当然几乎所有的断路器都有短路保护，短路保护也可以用在普通的配电保护中，但要注意区分他们的动作曲线是不同的，波动的电流曲线像电动机要用D型的，一般的纯电阻电路一般要用C型的。配电其实很容易理解，就像一个工厂用的总开关，虽说也有保护作用，但目的是配电用。你只要理解了断路器的功能对于他应用的场合也就自然明了了。（2）额定开距 真空断路器处于分闸状态时，真空开关管动、静触头之间的距离选择与真空断路器的额定电压、使用条件、开断电流的性质及触头材料、真空间隙的耐压强度等因素有关，主要取决于额定电压和触头材料。 由于真空开关管的额定开距对绝缘性能的影响较大，当额定开距从零开距增大时，其绝缘水平也将提高，但当开距增大到一定数值时，开距对绝缘性能的影响就不大了，若进一步增大开距，将严重影响开关管的机械寿命。 通过对真空断路器的安装、运行及检修得出真空断路器额定开距一般选择范围为：6kV及以下一般为48mm，10kV及以下一般为812mm，35kV一般为2040mm。 （3）触头接触行程 触头接触行程的选择必须保证触头在磨损后仍能保持一定的压力；在分闸时使动触头获得一定的初始动能，提高开关的初始分闸速度，拉断熔焊点，减小燃弧时间，提高介质恢复速度；在合闸时能利用触头弹簧得到平滑的缓冲，减小弹跳。 开关的接触行程太小，不能保证触头在烧毁后具有的触头压力，开关的初始速度太小，影响真空断路器的开断和动热稳定性，同时产生严重的合闸弹振。开关的接触行程太大，将增加操作机构的合闸功，或者使合闸变的极不可靠。通常真空断路器的触头接触行程一般取额定开距的20%40%，10kV真空断路器的接触行程一般取34mm。 （4）触头工作压力 真空断路器触头的工作压力对真空断路器的性能有很大的影响，其压力等于真空开关管的自闭力与触头弹簧力之和。断路器触头的工作压力选择应该满足4方面的要求：1、使真空开关管的触头接触电阻保持在规定的范围内，2、满足动稳定试验的要求，3、抑制合闸弹跳，4、减小分闸弹振。由于真空断路器在关合短路电流时，触头在予击穿后要产生电弧和电动斥力，触头产生弹跳，机构合闸速度也最慢，所以，关合短路电流是考核触头工作压力是否满足要求的最苛刻的条件。 如果触头的工作压力太小，将增长触头合闸时的弹跳时间，同时，造成一次回路的电阻增大，直接影响真空断路器的长期工作温升。如果触头的工作压力太大，由于真空开关管的自闭力是一个恒定值，则工作压力增大，从而增加触头的弹簧力，造成操作机构的合闸功增加，增大对真空管的冲击和振动。 在实际工作中不仅要考虑触头间的电动力除与短路电流峰值有关外，还必须考虑开关的触头结构及大小尺寸，同时，还必须考虑触头的硬度、分闸速度等因素。总之，必须在实践中进行综合考虑。真空开关的触头接触压力根据分断电流大小得出经验数据为分断电流为12.5kA时，选择压力为50kg。分断电流为16kA时，选择压力为70kg。分断电流为20kA时，选择压力为90120kg。分断电流为31.5kA时，选择压力为140180kg。分断电流为40kA，选择压力为230250kg（5）分闸速度由于分闸速度直接影响电流过零后触头间介质强度恢复的速度，如果电弧熄灭后，触头间介质强度恢复速度小于恢复电压，将造成电弧重燃，为了防止电弧重燃，以及缩短燃弧时间，必须满足分闸速度。分闸速度的大小主要取决于额定电压，当额定电压和触头开距一定时，分闸速度的波动范围取决于开断电流的大小，负载性质，恢复电压等因素，开断电流较大时，分闸速度也应较大，开断电容电流时，由于恢复电压较高，为了减小重燃的几率，分闸速度也应较大。10kV真空开关分闸速度通常取值为0.8-1.2m/s，必要时还可以高于1.5m/s。 实际上，对开断能力影响最大的是初始分闸速度，而不是平均分闸速度，因而，一些高性能的真空断路器，及35kv级的真空断路器，通党考核刚分时几毫米内的分闸速度。似乎分闸速度越大越好，但实际并非如此，分闸速度越大，引起的分闸弹振越历害，过冲也就越历害，这样对开关管波纹管的振动、压缩也就越严重，容易造成波纹管提早损坏而漏气，同时，对速机的振动也越大，容易造成零部件的损坏。 （6）合闸速度 由于真空开关管在额定开距时的静态耐压水平比较高，所以真空断路器的合闸速度比分闸速度明显低。为了尽量减小触头在合闸过程中由于予击穿造成的电磨损，以及避免发生触头熔焊，因此必须具备一定的合闸速度，但过高的合闸速度不仅增加操作机构的合闸功，同时使开关管受到的合闸冲击增大，大大降低其使用寿命。通常情况下10kV级的真空断路器的合闸速度为0.4-0.7m/s必要时可取为0.8-1.2m/s。 （7）触头合闸弹跳时间 真空断路器合闸时间的大小，是衡量真空断路器性能好坏的一个重要标志，其与断路器的触头弹跳压力、合闸速度、开距及真空开关管的触头材料等有关，同时还与开关管的结构、断路器的结构及安装调试有关。触头合闸弹跳时间越小，其性能越好，弹跳时间越长，触头的电磨损越严重，容易产生合闸过电压，在关合短路电流或电容器时，以及行动、热稳定试验时将导致触头熔焊。另外，触头合闸弹跳时间越长，严重危害开关管的波纹管使用寿命。10kV级铜络触头材料的真空断路器合闸弹跳时间不超2ms，其他触头材料的真空断路器合闸弹跳时间可以相对大一些，但是不得超过5ms。 （8）三极同期性 真空断路器的三极同期性表示三极不同时闭合或分离的程度，由于分、合闸同期性是相对的，数值也差异不大，所以一般情况下只考核三极合闸同期性。三极同期性差的断路器将严重影响开关的分断能力，容易产生过长的燃弧时间。由于断路器的分合闸速度较快，开距较小，通过准确调试，达到参数要求并不困难，一般规定合闸同期性不超过1ms。 （9）动、静触头的同轴度 动、静触头的同轴度对于真开关管是有具体要求并能过制造工艺来保证的，开关管装在操作机构上否能保证其同轴度，与操作机构的型式及安装工艺有直接的关系，对于悬挂式的机构，同轴度主要取决于操动机构，对于落地式机械对同轴度的影响也很大，在安装过程中一定要避免开关管受到剪力和切力的作用，同轴度一般要求不大于2mm。1.4 本课题的主要研究内容（1）关于“免维护”的问题。当前，在对真空断路器的广告宣传、产品样本及使用说明书中，普遍谈到该产品免维护一词，实际上不现实的。高压真空断路器由于安装有质量相对较好的真空灭弧室，其电气性能和机械性能均有明显的提高，现场安装、维护比较简便，但也绝不是免维护。每一种形式的真空断路器，从结构上来讲，都是由上百种零部件组成，而这些零部件中生产厂只可能对部分零部件自行设计、加工，而相当一部分则是依靠外协。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，因此免维护这一提法欠妥，对真空断路器的应用是一种误导。依据标准的要求，应为维护量小、不检修周期比较妥当。 （2）机械寿命。 机械寿命是高压真空断路器产品质量的主要考核指标。根据相关资料报道，家高压电器质量检测中心对国产高压真空断路器进行过6次（1993、1995、1996、1999、2002及2003年）监督抽查，其合格率分别为83.3、91.3、58.8、60、57.1及78.6，此情令堪忧。其中一个主要问题是机械寿命达不到企业标准规定值，机械特性主要数也超出产品技术条件规定范围。 通常一台高压断路器都是由数百只零部件组成，而每一个零部件的加工和工艺缺陷、相互配合链接咬合都将直接影响到高压断路器的机械特性。同时与操动机构配套的辅助开关、微动开关、减速器、接线端子等绝大部分都是外协件，存在有一定的分散性，质量难以达到100，这些问题，都是直接影响真空断路器机械寿命的主要因素。有些真空断路器机械寿命标称3万次，有的甚至达到6万次或者10万次之多，这样的宣传令人疑虑。就当前国产真空灭弧室及与之配套部件能过关吗？产品真正的机械寿命试验通过了吗？所以，在高压真空断路器的选型应用中，不宜轻信产品说明书的不实之词，应以实际试验报告为依据，如果能够安全可靠地动作2万次，就足以满足运行现场的应用要求了。 （3）断口的工频耐压。 目前真空断路器中灭弧室真空度的在线监测仍无成熟的技术手段，许多科研单位对真空灭弧室真空度的在线监测仍处于研制开发阶段，在实际应用中，应以对灭弧室断口定期的工频耐压作为真空断路器断口间绝缘介质强度的判断依据。灭弧室真空度的下降可能使断路器在分闸时动、静触头之间产生放电击穿，严重地威胁着高压真空断路器的安全运行。所以，在真空断路器检修工艺规程中，明确规定有对真空断路器灭弧室工频耐压试验的周期和标准，在应用中必须给以重视，不宜轻信某些制造商宣传的误导。 (4)额定电流值和额定短路电流值的选择。 额定电流值和额定短路开断电流值的选择，应以电网的实际容量为宜，尽可能地克服取值保险系数愈大愈好的倾向。取值过大不仅造成大马拉小车极不经济的情况，同时也将影响开断小的感性或容性电流性能，导致截流过电压的发生。据相关文献报导，我国运行中的10kV电网额定电流在2000A及以下的约占总馈路数的93.1，故而对额定工作电流的选择应以2000A及以下为主。对于最大短路电流值的选择应依据城市网络规划与改造导则(1993年228号)文件中给出的10kV为16kA、35kV为16kA为宜，避免盲目追求过大的保险系数。 （5）使用环境温度。高压真空断路器的使用环境温度多数标称都为3040。在实际使用过程中，当环境气温较低时，断路器传动机构的摩擦力明显增大，常温情况下断路器的分、合闸操作力显然满足不了克服低气温时机构的摩擦力要求，导致分、合闸不能到位。如果此时开断、关合短路故障电流时，势必会出现异常，甚至发生爆炸。所以，对于产品说明书中注明的使用环境温度在特殊使用环境现场，应追究环境温度下限值进行合、分闸速度的试验，验证合格后即认可，绝不应盲从。 （6）绝缘故障在真空开关设备中仍居首位。 据相关文献报道，1998年至2002年我国运行的高压开关设备共发生绝缘故障398次，其中635kV绝缘故障共300次，占总绝缘故障的75.4。而635kV高压开关设备绝缘故障中，真空开关设备的绝缘故障共138次，占绝缘故障的46，仍然居多。所以，制造部门必须认真贯彻执行全面质量管理体系，提高工艺水平，保证装配质量，提供合格的产品及备品备件。运行部门应强化平时的维护检查，发现隐患，及时消除缺陷，严格执行预试规程要求，保证检修到位，确保修试质量，提高设备健康水平，绝不能对运行中的真空开关设备掉以轻心。 (7）辅助开关问题。 辅助开关的故障，不仅会造成系统停电和扩大事故范围，同时还有可能使分、合闸线圈烧损，甚至造成设备毁坏或者人身伤亡事故，为此有关上级部门曾召开对辅助开关的专题研讨、分析论证会议，确定改变传统的辅助开关唇型插入式结构为对接滑动型结构。 据1998年至2002年我国运行中高压开关设备故障统计分析，在柜误动故障中，分、合闸线圈烧损76次、辅助开关故障35次，占误动故障的55，可见辅助开关转换不灵、腐蚀、断线、受潮、接线端子松动等仍为高压开关设备运行维护中不可忽视的问题。对真空断路器也不例外，检修维护必须到位，尽可能使用对接滑动型辅助开关为佳。（8）真空断路器的应用展望随着计算机技术、电子技术、通讯技术和传感器技术的迅速发展，真空断路器在电力行业已被广泛应用，高压开关设备的智能化水平日益提高，真空断路器在产品制造过程中，应不断完善产品结构设计、提高制造工艺水平、保证装配质量、提高设备运行的可靠性。高压真空断路器在智能化选型、优化设备状态检修、降低运行维护费用、加速电力系统自动化控制、建立科学合理的状态评估系统中产生积极的促进作用，应用的前景是比较乐观的。2 真空断路器的结构设计2.1真空灭弧室的特点真空灭弧室是真空断路器的关键部件,它是采用玻璃或陶瓷作支撑及密封,内部有动、静触头和屏蔽罩,室内有负压,真空度为13310九133lOJPa,保证其开断时的灭弧性能和绝缘水平。当真空度降低时,其开断性能明显降低,因此真空灭弧室不得受任何外力碰撞,严禁敲击、手拍打,搬动及维护时不得受力o禁止把任何东西放在真空断路器上,以防止落下时打坏真空灭弧室。出厂前真空断路器经过严格平行度检查和装配,维修时应紧固灭弧室的各螺栓,以保证其受力均匀。 真空断路器在真空灭弧室内开断电流并进行灭弧,而真空断路器本身没有定性、定量监测真空度特性的装置,所以真空度降低故障为隐性故障,同时,真空度降低将严重影响真空断路器开断过电流的能力,并导致断路器的使用寿命急剧下降严重时会引起开关爆炸。 综上所述真空灭弧室存在的主要问题真空度降低。真空度降低的主要原因有以下几点。(1)真空断路器是一个比较娇嫩的元件,电子管厂出厂后,经过多次运输颠簸、安装震动、意外碰撞等,都有可能产生玻璃或陶瓷封接的渗漏。(2)真空灭弧室材质或制作工艺存在间题,多次操作后出现漏点。(3)分体式真空断路器,如使用电磁式操作机构,在操作时,由于操作连杆的距离比较大,直接影响开关的同期、弹跳、超行程等特性加快真空度降低。真空灭弧室真空度降低的处理方法: 经常观察真空灭弧室定期使用真空开关真空度测试仪对真空灭弧室进行真空度的测量,确保真空灭弧室的真空度在规定范围内;当真空度降低时,必须更换真空灭弧室,并做好行程、同期、弹跳等特性试验。2.2真空断路器操作机构（1） 手动操动机构 靠于动直接合闸的操动机构称为手动操动机构,它主要用来操动电压等级低、额定开断电流很小的断路器。除工矿企业用户外电力部门中手动机构已很少采用。手动操动机构结构简单、不要求配备复杂的辅助设备及操动电源缺点是不能自动重合闸,只能就地操作,不够安全。因此,手动操动机构已几乎被手力储能的弹簧操动机构所代替。（2） 电磁操动机构 靠电磁力合闸的操动机构称为电磁操动机构d配合国产ZN28-12型产品发展的有CD17型机构,结构上也采用与真空灭弧室前后布置的方式。 电磁操动机构的优点是机构简单、工作可靠、制造成本低,缺点是合闸线圈消耗的功率太大,需要备价格昂贵的蓄电池、合闸电流较大、结构比较笨重、动作时间较长,市场占有量逐渐减少。（3） 弹簧操动机构 弹簧操动机构是利用储能的弹簧为动力使开关实现合闸动作。它可采用人力或小功率交、直流电机来驱动,因而合闸功基本不受外界因素(如电源电压、气源气压、液压源液压)的影响,既能够获得较高的合闸速度,又能够实现快速自动重复合闸操作;另外,与电磁操动机构相比,弹簧操动机构成本低,价格便宜,是真空断路器中最常用的一种操动机构,其厂家也比较多,在不断的完善和改进中。典型的有CT175T19机构,与之相配备使用的有ZN28-17、VS1、VGl。 一般弹簧操动机构有上百个零件,且传动机构较为复杂,故障率较高,运动部件多,制造工艺要求较高。另外,弹簧操动机构的结构复杂,滑动摩擦面多,而且多在关键部位,在长期运行过程中,这些零件的磨损、锈蚀以及润滑剂的流失、固化等都会导致操作失误。主要存在着以下缺点。1)断路器拒动,即给断路器发出操作信号而不合闸或分闸。2)合不上闸或合上后即分断。3)事故时继电保护动作、断路器分不下来。4)烧坏合闸线圈。操作机构故障原因分析:断路器拒动,可能是操作电压失压或欠压、操作回路断开、合用线圈或分闸线圈断线、机构上的辅助开关触点接触不良。 合不上闸或合上后即分断,可能是操作电源欠压、断路器动触头接触行程过大、辅助开关联锁接点断开、操作机构的半轴与掣子扣接量太小; 事故时继电保护动作、断路器分不下来,可能是分闸铁心内有异物使铁心受阻动作不灵、分闸脱扣半轴转动不灵活、分闸操作回路断线。烧坏合闸线圈,可能是原因有:合闸后直流接触器不能断开、辅助开关在合闸后没有联动转至分闸位置、辅助开关松动。（4） 永磁机构 永磁机构采用新的工作原理将电磁机构与永久磁铁有机地组合起来,避免了合分闸位置机械脱扣、锁扣系统所造成的不利因素元需任何机械能而通过永久磁铁产生的保持力就可使真空断路器保持在合、分闸位置上。配以控制系统实现真空断路器所要求的全部功能。主要可以分为两个类型:单稳态永磁操动机构和双稳态永磁操动机构口其中双稳态永磁操动机构的工作原理为分闸与合闸及保持都靠永磁力;单稳态永磁操动机构的工作原理为在储能弹簧的帮助下快速分闸,并保持分闸位置,只有合闸保持靠永磁力。特瑞德电气主要产品就是单稳态永磁操动机构,国内企业自行研发的主要是双稳态永磁操动机构。双稳态永磁操动机构的结构变化多样但其原理只有两种:即双线圈式(对称式)和单线圈式(非对称式),以下对这两种结构作简单介绍。1)双线圈永磁机构双线圈式永磁机构,它的特点为:采用永久磁铁使真空断路器分别保持在分闸和合闸极限位置上,使用激磁线圈将机构的铁心从分闸位置推动到合闸位置,使用另一激磁线圈将机构的铁心从合闸位置推动到分闸位置。例如ABB公司的VMl开关的机构即采用此种结构。2)单线圈永磁机构单线圈式永磁机构,也是采用永久磁铁使真空断路器分别保持在分闸和合闸极限位置上,但分合闸用一个激磁线圈。也有分合闸用两个激磁线圈,但两个线圈在同一侧,并线圈的通流方向相反。其原理与单线圈式永磁机构相同。合闸的能量主要来自激磁线圈,分闸的能量主要来自分闸弹簧。如英国Whipp&Bourne公司推出的GVR柱上真空断路器就是采用这种机构。 根据永磁机构的以上特点可以归纳出它的优缺点,优点是结构比较简单与弹簧机构相比其部件减少约60%;由于部件少,则故障率也随之减少,故可靠性高;机构寿命长;体积小、重量轻。缺点是在分闸特性方面因动铁心参与分闸运动使分闸时运动系统的运动惯量明显增大对提高刚分速度很不利;因操作功率大而受到电容器容量的限制。2.3真空断路器的绝缘机构（1） 空气绝缘方式产品的相间绝缘、对地绝缘和灭弧室外绝缘均为空气介质。这样断路器的真空灭弧室多采用悬挂支撑方式,并且要遵循严格的安装调试工艺。典型产品国内有江苏长江股份公司的ZN68-12,国外有西门子公司的3AFJAG及3AH等系列产品。 干净清洁的空气是良好的绝缘介质,使用历史最悠久。考虑到环境的影响对单纯以空气作为绝缘介质的断路器及开关柜的空气绝缘净距和爬电比距作出了