中压真空断路器综述.docx
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中压真空断路器综述
1.中压真空断路器概述
1.1中压真空断路器的特点及应用现状
真空断路器是以真空为绝缘与灭弧介质，其特点主要体现在以下几方面：
安全性——采用高真空，用于绝缘与灭弧，无火灾和爆炸危险；环保性——在密闭的灭弧室内熄弧，电弧和炽热气体无泄露，操作噪音小，体积小，重量轻，成本低；节能性——触头间隙小，操作功率小；免维护性——在使用年限内，灭弧室不需要维修检查；可靠性——灭弧室完全封闭，不会因受外界环境的影响而降低其性能，工作可靠；寿命长——熄弧时间短，弧压低，电弧能量小，触头损耗小，可用于多次开断。
上述优点推动了真空断路器在中压电压等级电力系统中的大力发展，使真空开关在中压领域占主导地位。
在国外市场，中压真空断路器在20世纪70年代初仅占比百分之几，1980年约为20%，1990年约为55%，2000年已达70%。
在我国，2004年的统计数据显示，12kV真空断路器占同级断路器产量的98.85%，40.5kV真空断路器占同类产品的61.49%。
1.2中压真空断路器的结构
中压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。
其中真空灭弧室为真空断路器的心脏，操动机构为其神经中枢，两者对真空断路器至为重要。
中压真空断路器的结构框图见图1-1。
图1-1真空断路器结构框图
中压真空断路器从结构演变看，大致可分为3种类型：
（1）分体式
通常采用悬挂布置或综合布置。
断路器的灭弧室部分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CD17-CD19等，见图1-2。
图1-2分体式真空断路器
（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，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。
典型产品如ZN12系列真空断路器，布置图见图1-3。
图1-3整体式真空断路器
（3）整体式复合绝缘或全绝缘型
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，使相与地的绝缘可满足湿热及严重污秽环境要求。
此类断路器最大的优点在于其结构紧凑、体积小巧，用较小的功即可操动，因而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、较长的使用寿命。
典型产品如ZN63A（VS1）真空断路器，结构布置图见图1-4。
图1-4整体绝缘式真空断路器
2.中压真空断路器关键部件及技术
2.1操动机构
真空断路器中，真空灭弧室是心脏，而操动机构则为神经中枢。
操动机构不仅要完成各种操动任务，而且直接关系到断路器的可靠性。
国内外运行经验表明，真空断路器的故障（如拒分、拒合等）大多出现在操动机构上。
因此，操动机构的选型和维护已引起制造和运行部门的普遍关注。
目前，真空断路器的操动机构主要有电磁操动机构、弹簧操动机构及最新的永磁操动机构三种。
（1）电磁操动机构
电磁操动机构中的螺管电磁铁的出力特性容易满足真空断路器合闸反力特性的要求。
常用的电磁操动机构有CD10和CD17型。
CD10型操动机构原配SN10—10型少油断路器，真空断路器发展初期因无专用操动机构而被采用。
CD17型电磁操动机构是专门为真空断路器设计的操动机构。
它有CD17—1、CD17—11、CD17—111型，分别配开断能力为20、31.5、40kA的真空断路器，体积、重量都比CD10型操动机构小得多。
电磁操动机构的优点是结构简单、零件数少（约为120个）、工作可靠、制造成本低。
其缺点是合闸线圈消耗的功率太大，因而要求配用昂贵的蓄电池，加上电磁操动机构笨重，动作时间较长。
（2）弹簧操动机构
弹簧操动机构是利用已储能弹簧的动力，来操动断路器的机构，如图2-1所示。
弹簧操动机构的储能通常由电动机通过减速装置来完成。
整个操动机构大致可分为弹簧储能、储能保持、合闸位置保持及分闸操作等四个部分。
弹簧操动机构的出力特性基本上就是储能弹簧释能的下降特性。
为改善匹配，设计中采用四连杆机构和凸轮机构来进行特性改变。
弹簧操动机构的优点是不需要大功率直流电源，电动机功率小，交直流两用，适宜交流操作。
其缺点是结构比较复杂，零件数多（多达200个），且加工精度要求高，制造工艺复杂，成本高。
图2-1弹簧操作机构
（3）永磁操动机构
永磁操动机构是电磁系统与永磁系统的结合，如图2-2所示。
永磁操动机构一般用电磁铁驱动，永久磁铁锁扣，电容器组储能，且用电子器件控制。
它是一种最新的操动机构。
永磁操动机构相比弹簧操动机构带来一系列优势：
零件数大大减少，从而减少了库存和出故障的可能性，将维护工作量减至最小；永磁操动机构提高了断路器的机械寿命；永磁操动机构有很好的出力—行程特性，非常接近真空断路器的要求。
图2-2永磁操作机构
1.转轴；2.接近开关；3.合闸线圈；4.永久磁铁；5.动铁芯；6.分闸线圈；7.手动解锁机构
目前应用较广泛的为永磁操动机构与弹簧操动机构。
比较而言，各有其利与弊。
永磁操动机构的利在于结构简单，零部件少，可靠性高；不利的因素则是必须提供一个直流电源（直流屏或者电容器放电）和负责分、合闸线圈电流通断的控制单元。
直流电源与控制单元所带来的成本及可靠性问题则成为大家关注的焦点问题。
另外，永磁操动机构将弹簧操动机构的机械问题变成电气问题，尚有一系列问题有待研究，如电容器的寿命和电解质的老化问题、永久磁铁的保持力问题、电子器件的可靠性问题、温升对永久磁铁性能的影响问题、提高刚分速度及减小分闸末速度之间的矛盾问题、永久磁铁的稳定性问题及电磁干扰问题等。
同时，永磁操动机构还要解决价格问题，目前价格远高于弹簧操动机构。
国内真空断路器配用的操动机构大多为弹簧操动机构。
弹簧操动机构制造技术成熟，运行经验丰富，可拆可调，且能配大容量真空断路器。
何况弹簧操动机构本身也在不断改进之中，尤其在减少零件数、简化结构、提高可靠性及模块化等方面。
2.2真空灭弧室
真空灭弧室作为真空开关的心脏，对真空开关的性能影响甚大。
若真空灭弧室发生漏气或真空度下降，则会导致真空开关丧失其性能。
我国目前有真空灭弧室制造厂家近20家，经过多次设计方案和生产工艺的改进，真空灭弧室质量大大提高，而且还在不断提高。
真空灭弧室用于真空断路器、真空接触器、真空负荷开关以及真空重合器和分段器。
我国真空灭弧室在参数上能满足企业使用要求，在数量上能满足市场需求，今后的方向是开发专用化和多功能化真空灭弧室。
目前我国真空灭弧室额定电压主要为12kV、24kV、40.5kV。
同时，72.5kV和126/145kV真空灭弧室正在研发之中。
其中以12kV级产量最大，40.5kV级次之，24kV级随着20kV级电网的扩大而增加。
在真空灭弧室内，装有一对动、静触头，触头周围是屏蔽罩，其结构简图见图2-3，实物剖视图见图2-4。
灭弧室的外部密封壳体可以是玻璃或陶瓷。
动触头的运动部连接着波纹管，作为动密封。
图2-3真空灭弧室的结构简图
1一端部屏蔽罩;2一静导电杆;3一绝缘外壳;4一悬浮屏蔽罩;
5一静触头6一动触头;7一波纹管;8一动导电杆
图2-4真空灭弧室剖视图
（1）屏蔽罩
屏蔽罩的作用是吸收弧腔中在开断电流时真空电弧的金属蒸气，使之沉淀并附着在罩内，而不致溅落在绝缘罩的内壁上，避免由此降低灭弧室的绝缘强度。
另外，屏蔽罩的合理布置还起着改善断口电场分布的作用，提高断品耐压和恢复强度。
在高压真空灭弧室中，为使断品具有足够的耐压，必须装多个屏蔽罩。
保护屏蔽罩装在波纹管上方，或靠近波纹管，其目的在于防护波纹管免受从触头而来的熔化物的损伤。
（2）波纹管
波纹管也是一个非常重要的部件，它必须满足各类灭弧室的机械寿命和气密可靠性的要求。
金属波纹管被普遍用作动触头运动的真空密封。
波纹管的一端固定，连在灭弧室的一个端面板上。
另一端运动，连到动触头的导电杆上。
波纹管的制作有旋压式和焊接式，但优先用旋压式。
在大多金属波纹管中，运动及负荷都是相当缓慢加上去的，使波纹管均匀伸长或缩短。
但是在真空灭弧室中，运动是冲击式的，一端通过断路器的行程突然运动，然后又突然止动，这种动作在合分操作中快速反复。
现代真空断路器的机械耐久性一般在万次以上，而真空接触器在100万次甚至200万次。
这时，波纹管的寿命很关键，特别是应有相当大的疲劳强度。
波纹管的机械寿命制约着真空灭弧室的寿命。
近年来，由于工艺的改进，制作的波纹管基本上能满足真空灭弧室的要求。
（3）绝缘外壳
绝缘外壳的作用是支持动、静触头和屏蔽罩等金属部件，它与这些部件气密地焊接在一起，以确保灭弧室内的高真空度。
制造绝缘外壳的材料有硼硅玻璃、微晶玻璃和氧化铝瓷（含Al2O3不低于94%的高铝瓷）。
早期的玻壳灭弧容易制造，成本低，便于用高频放电法检测管内真空度。
缺点是机械强度差，玻璃熔点低，不能进行一次封排大批量生产，所以工业国家的制造厂已不再使用，而我国现在仍在大量生产玻壳灭弧室。
氧化铝瓷制造的圆筒型外壳两端面经研磨后在高温下进行金属化处理，便于在真空封接炉中用银铜合金进行气密性钎焊。
由于玻璃、氧化铝瓷的线膨胀系数比金属大，所以在它们与上、下端盖和屏蔽罩等金属部件之间必须用具有和玻璃、氧化铝瓷线膨胀系数接近的铁钴镍合金（可线）焊接。
陶瓷外壳的优点是具有高强度和耐冲击力，能确保灭弧室在长达几万次甚至几百万次的机械操作中始终维持管内的高真空度。
2.3固封极柱技术
真空断路器的极柱绝缘经历了空气绝缘—复合绝缘—固封绝缘。
最初为空气绝缘，带电部分完全裸露在空气中，容易受空气中湿度、灰尘的影响。
而且运输过程中容易磕碰等。
后来出现了复合绝缘，复合绝缘是将真空灭弧室纵向垂直安装在筒状绝缘体内，防止灭弧室受外界环境影响。
在电压效应方面可使电场最佳分布。
并允许有较小的极间距，在湿热和重污染环境下可对电压效应呈现出高阻态，但复合绝缘的套筒没有完全把高压带电部分包起来，里面还会受灰尘、潮气、昆虫等影响。
最新出现了固封极柱技术，固封绝缘全部用环氧树脂包封，这样做不仅缩小了灭弧室尺寸，而且彻底不受外界环境影响，提高了耐气候性。
此时环氧树脂不仅作为一次部分的主绝缘，而且又是它的机械支撑，其电场分布和应力分布优于各种形状的绝缘隔板结构。
由于极柱固封灭弧室不需附加的紧固件，载流件被周围的浇注树脂牢牢地固定在它的位置上，这就大大减少了灭弧室的零件数，而且维护更加简便，寿命更长。
图2-5和图2-6分别为固封极柱的外形和内部结构图。
图2-5固封极柱外形图图2-6固封极柱内部结构图
2.4触头结构设计
触头结构的作用主要是在真空灭弧室分断短路电流时，在触头间形成横向磁场或纵向磁场，从而限制触头表面阳极斑点的形成，提高灭弧室的分断能力。
触头结构形成所需磁场的方式主要有两种：
一是通过改变电流方向形成所需的磁场；二是通过设置磁性材料聚拢磁力线形成所需方向的磁场。
常用的触头结构主要有圆盘形平板触头、横向磁场触头和纵向磁场触头。
（1）圆盘形平板触头
最简单的触头结构，只适用于开断小容量（6.3kA以下）的真空断路器和真空接触器，制造工艺简单，成本低。
（2）横向磁场触头
横向磁场触头是指真空灭弧室在分断短路电流时,在其电极间产生的与电极轴线垂直的磁场。
在足够的横向磁场的作用下，真空电弧沿着触头表面不断地高速运动，从而避免了触头表面的严重熔化，在电流过零后能迅速恢复绝缘强度，有利于电弧的熄灭。
但横向磁场会将运动时的电弧弯曲拉长，使电弧电压及电弧能量变大，没能从根本上解决阳极斑点的形成问题，很难将分断电流提高到40kA以上。
横向磁场触头的典型结构主要有螺旋槽横磁（图2-7（a））、杯状横磁（图2-7（b））、万字槽横磁等。
带螺旋槽形横向磁场触头适用于开断容量在8～25kA的真空断路器，这种触头能在大电流的电弧作用下产生横向磁场，驱使电弧运动，从而熄灭电弧。
杯形横向磁场触头这种触头的最大优点是在开断电流时会增加横向磁场强度，使电弧沿着触头以极高的速度运动，大大减轻触头的烧损率提高开断能力。
（a）螺旋槽形（b）杯形
1-铜合金基弧触头2-铜基触头
图2-7横向磁场触头
（3）纵向磁场触头：
纵向磁场触头是指真空灭弧室在分断短路电流时,在其电极间产生的与电极轴线方向一致的磁场。
采用纵向磁场提高真空开关的分断能力与采用横向磁场的情况截然不同，纵向磁场的加入可以提高由扩散性电弧转变到收缩型电弧的转换电流值。
在足够的的纵向磁场的作用下，电弧斑点在电极触头表面均匀分布，触头表面不会产生局部严重熔化，并具有电弧电压低、电弧能量小的优良特征，这对于弧后绝缘强度恢复，提高分断能力是十分有益的。
目前，大容量的真空灭弧室多采用纵向磁场触头，这是因为纵向磁场触头具有电磨损小，使用寿命长和分断能力强等优点。
纵向磁场触头分为单极型（图2-8）和多极型（图2-9）。
i—电弧电流；F—纵向磁场力
图2-8单极型纵向磁场触头
（a）触头（b）磁力线极性图
i—电弧电流；F1、F2—纵向磁场力；A，B，C，D—磁场区域
图2-9多极型纵向磁场触头
3.国内外中压真空断路器典型产品
3.1国外产品
国外主要生产真空断路器的厂商有：
西门子、ABB、伊顿、东芝、施耐德等。
西门子公司是世界上较大的真空断路器和真空灭弧室制造公司之一。
其真空断路器在经历3AF-3AG型（3AF为通用型，可用于中大容量，3AG用于小容量）之后，又开发了3AH系列产品，包括5个型号真空断路器，分为标准型（3AH1和3AH3）、频繁操作型（3AH2和3AH4）和经济型（3AH5）三种类型的断路器，其中3AH3额定短路开断电流可达到63kA。
12kV3AH真空断路器的参数可达12kV/800～4000A/25～50kA。
特别设计的大容量发电机断路器3AH383型（额定电流8000、12000A）最大短路开断电流可达80kA。
ABB公司于1993年在中国生产VD4型真空断路器，至今已生产了十万台以上。
其间VD4真空断路器先后推出了组装式极柱、浇注式极柱和模块化操动机构真空断路器，配用弹簧操作机构，其参数为2～17.5kV/630～4000A/25～63kA。
伊顿电气集团研制真空断路器已有40余年的历史和经验。
新一代T-VAC型抽出式真空断路器的主要特点是：
比同类断路器体积小60％，质量小50％；三位抽出式单元（断开、测试、连接），适用于抽屉柜；弹簧压紧式多触指一次隔离触头，镀银的一次静隔离触头；数字式脱扣器单元（微处理器、RMS传感器），无需外部电源、可现场检测等。
东芝真空灭弧室自1965年投放市场以来，产量已超过300万只，居世界第一。
断路器用真空灭弧室参数为3.6～84kV/400～4000A/8～100kA；东芝真空断路器为VH、VK系列。
配用电磁操动机构和电动弹簧操动机构。
施耐德电气最新研发出EVl2s型真空断路器。
该产品采用高性能真空灭弧室、固封极柱及一体式弹簧操动机构。
该产品为环保型设计，基于欧洲环保体系标准，零件环保，可利用率达80％。
该产品系列齐全，额定电压12kV，额定电流包括630A、1250A、1600A、2000A、3150A、4000A，额定短路开断电流25kA，31.5kA，40kA。
3.2国内产品
我国在20世纪60年代就开始研究真空灭弧室，通过引进国外先进技术，经过30年来的努力，我国已进入了真空断路器生产大国的行列，真空灭弧室和真空断路器技术水平日趋成熟，在我国中压领域居主导地位，12kV级真空断路器已取代SF6断路器在同类断路器中占98%以上。
国内生产真空灭弧室的厂商主要有：
宇光、华光、旭光、宝光、京东方等。
近几年来，由于采用新技术、新工艺、新材料，走技术创新之路，使得国内生产的真空灭弧室质量有了很大提高，真空灭弧室的失效率下降到0.1%以下。
国内真空断路器产品大致分为三种类型：
（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，ZN21型引进比利时EIB公司VB-5型等。
（2）自行设计的产品：
如ZN28-12型，ZN15-12型，ZN30-12型等。
其中ZN28-12型产量大，用量广，可配电磁或弹簧操作机构如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）参照VD4型，ZN65-12型参照3AH型等。
但这些断路器的额定短路开断电流大多在40kA左右，只有个别产品能超过50kA，如ZN63A-12型等。
国内继ZN63A型产品之后，又开发出ZN63M（VSm型）型真空断路器。
该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月通过全部型式试验，额定短路电流开断次数50次，断路器机械寿命10万次。
4.中压真空断路器的发展方向
（1）智能化。
提高运行可靠性。
遇到异常或故障，会自动处理或提醒工人处理，可防患于未然；定期检修改状态检修，减少了维修费用和停电时间；电力系统自动化，无人值守，提高了工作效率和质量。
智能化包括：
①监测灭弧室真空度；②监测分合闸线圈、过流线圈工作状况；③监测断路器分合闸速度、接触行程及触头磨损状况；④监测电机储能状况、辅助开关转换情况、操作次数计数；⑤实现欠电压、过电流保护，机构电气闭锁保护；⑥监测断路器的机械振动情况。
（2）模块化。
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）一机多功能化。
一般真空断路器只有关合和开断功能，而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，集关合、开断、隔离、接地、联锁于一体，使用Siprctec4型数字监控装置，并集保护、控制、测量、通信、操作、监视及整个程序控制于一体；Areva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；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，大大简化了24kV开关柜的结构。
（4）小型化。
自从真空开关应用于电力工业以来，经过半个多世纪的发展，世界各国对真空灭弧室的小型化进行了大量研究，相比早期的真空开关，现有真空开关在外形尺寸上缩小了一半以上。
近年来，对纵向磁场触头结构研究的深入，使真空开关开断能力提高，在额定短路开断电流、设计裕度和工艺水平下，与横向磁场触头结构相比，纵向磁场触头结构灭弧室要小很多。
真空灭弧室结构尺寸缩小，外壳真空密封焊缝长度缩短，漏气的可能性变小，可靠性更高。
随着成套电力设备的推广，要求真空断路器结构小型化、高可靠性，既满足真空断路器整机综合性能提高的需求，也是真空开关应用发展的趋势。
（5）专用断路器。
由于断路器面临的开断任务不同，新的专用断路器应运而生，如用于发电机的特大容量真空断路器（开断电流高达120kA），用于开断感性负荷的低过电压真空断路器，用于投切电容的无复燃真空断路器，用于开断电炉的频繁操作断路器及用于一般使用场合（中小容量）的经济型真空断路器等。
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