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近年来中压真空断路器产量迅速上升,其中12kV真空断路器已占中压断路器总产量的80%以上,而电力系统中压等级的真空断路器的运行总量也远超过少油断路器。一段时间来,真空断路器事故率偏高,这可能与真空断路器使用量快速上升有关。随着国内机械行业整体技术素质、技术水平的提高,高品质真空断路器相继问世,并投入电力系统及其它重要电力用户运行。所以,一些论文分析认为,近年来真空断路器的事故率较为平稳并有降低的趋势。下面根据以往招标时常遇到的一些问题,对真空断路器的选型进行探讨。

1 真空度的一般概念及行业标准的规定
1.1 真空度的划分
绝对压力低于工程大气压时,即为真空状态。绝对压力等于零的空间称绝对真空或理想真空。按照我国真空度的划分方法,真空压强在1.33×10-1~1.33×10-6Pa属于高真空。真空灭弧室真空度的范围包括在高真空区域内,通常真空度在1.33×10-4Pa以上。
1.2 行业标准的规定
DL/T 403-2000《12~40.5kV高压真空断路器订货技术条件》第4.15条规定:真空灭弧室的允许储存期:20a。在允许储存期期末,真空灭弧室内部气体压强不得大于6.6×10-2Pa。同时,第5.1.2条规定:真空灭弧室随同真空断路器出厂时的真空灭弧室内部气体压强不得大于1.33×10-3Pa,其上应标明编号及出厂年月。
1.3 行业标准对真空度检验方法的影响
图1为1mm间隙、钨电极下真空度与击穿电压关系。图1中左半部分真空压强在10-2Pa以下时,击穿电压已经不再随真空度的升高而上升,而是趋于平稳;但从10-2Pa开始,随着真空度的升高,击穿电压急剧下降。

图1表明,以往采用工频耐压方法定性检测真空度,已不符合DL/T 403-2000的标准规定。按此标准规定,随真空断路器出厂的真空灭弧室真空度不低于1.33×10-3Pa,储存或运行期末不低于10-2Pa。还可看出,只要保持真空度在10-2Pa以下,其击穿电压基本恒定,即10-2Pa与10-3Pa及以下真空度的绝缘水平基本相同,这只是针对真空度的微泄漏规定的泄漏期限。实际上,即使真空度超过了6.6×10-2Pa的最低警戒线,工频耐压方法也并不一定能检测出来,因为10-2Pa区域内仍有较高的绝缘水平。所以对经真空度检测仪检测不合格的真空灭弧室施加额定工频电压,往往仍然不会击穿。
因此采用真空度专用检测仪检测真空度是目前定量检测的有效手段。
虽然用工频耐压方法检测真空度已不符合DL/T403-2000的规定,但真空断路器的断口绝缘耐受水平,仍需用工频耐压方法检测。因为真空度测试仪不能确定真空灭弧室外绝缘的绝缘水平,所以仍需进行断口耐压试验。

2 真空灭弧室触头磁场
真空断路器的开断电流在7kA以下时为扩散型电弧,采用普通平板型触头结构即可顺利开断。当开断电流超过7kA时,由于电弧聚集在一起,须将触头加工成特殊结构型式,由电弧电流本身形成磁场,强迫电弧运动或干涉电弧聚集,才能开断更大电流。平板型触头开断电流时,一旦形成聚集型电弧,一般意味着开断失败。
真空灭弧室触头的磁场分横磁场、纵磁场及介于二者之间的强纵磁场,但强纵磁场属于横磁场结构。80年代以前,我国国产真空断路器灭弧室为横磁场结构;90年代以后,无论是进口产品还是国产产品,真空灭弧室以强纵磁场和纵磁场结构为主。
2.1 横磁场结构
横磁场结构灭弧室属于聚集型电弧,聚集型电弧又不同于真空电弧,属于高气压电弧。聚集型电弧能量集中,触头烧损严重,其常见结构见图2。

横磁场结构灭弧室的诞生,真空断路器突破了只能开断数kA以下的瓶颈,在电力及其它领域得到了广泛应用。但横磁场结构灭弧室很难进一步提高开断电流。另外,根据在国内的运行经验,横磁场结构灭弧室体积大,不易做到小型化;截流值高,约在十几至几十A,开断感性负载时容易造成较高的过电压;电磨损较重,电气寿命较短。
2.2 纵磁场结构
纵磁场结构灭弧室属扩散型真空电弧,电弧均匀分布于触头接触面上。纵磁场结构灭弧室的性能十分优越,开断电流突破了100kA,体积比横磁场结构灭弧室缩小了1/3,容易做到小型化;截流值低,约在5A以下,因此开断感性负载时产生的过电压水平较低;由于熄弧后,熔化的触头金属物绝大部分仍然凝结在触头接触面上,所以电磨损较轻,电气寿命较长,一般能达到几万次。纵磁触头常见结构见图3。

2.3 强纵磁场结构
强纵磁场结构的灭弧室虽然属于聚集型电弧,但它能够将聚集型电弧分成许多并列支弧,从而减轻了触头烧损。强纵磁场结构灭弧室的性能,接近于纵磁场结构灭弧室,其常见结构见图4。


2.间接市场评估法
3 真空断路器的永磁机构
永磁机构属电磁类操动机构,根据永久磁铁所处的保持位置可分为双稳态和单稳态机构。双稳态是指动铁芯在开断与关合的行程终止的2个位置,不需任何能量或锁扣即可保持;单稳态是指永久磁铁只处于一个位置的保持。双稳态可以采用双线圈或单线圈。永磁机构结构简单,组成机构的零部件极少,一般仅数个,其中动铁芯是整个机构中唯一的运动部件,因此机械可靠性较高。双稳态双线圈永磁机构的原理见图5。

断路器处于合闸位置时,动铁芯在最上端,线圈中无电流通过,永久磁铁利用动、静铁芯提供的低磁阻通道将动铁芯保持在合闸位置,而不需要任何机械闭锁。当有动作信号时,分闸线圈中流过电流,动、静铁芯中的磁场由线圈产生的磁场与永磁磁场叠加而成,向下的力超过向上的力,动铁芯在合成磁场力的作用下,完成断路器的分闸动作;反之,动作亦相同。
双稳态单线圈机构的合闸过程与双线圈机构相同,但同时要给分闸弹簧储能,因此合闸时能量较大;分闸时给线圈通以反向电流,使合成磁场为零,靠触头弹簧和分闸弹簧所储存的能量进行分闸。这种机构分、合闸共用一个线圈,结构简单,体积较小,分闸速度可以通过分闸弹簧来调整。
永磁机构随着动铁芯的移动,机构提供的作用力越来越大,出力特性和真空开关的负载特性较一致,通过优化设计,可使真空断路器获得较理想的速度特性;由于元器件极少,运动部件仅一个动铁芯,更容易实现断路器包括操动机构的免维护功能。

4 真空断路器的种类
4.1 分体式
分体式真空断路器的出现是由我国国情决定的,对我国真空断路器的普及起着相当重要的作用。分体式真空断路器有价格经济、旧柜改装方便等优势,在国内仍有相当的市场。
然而由于操动机构与本体不配套,产生的问题也较多。
a.由于操动机构与开关本体分别装于开关柜的不同位置,断路器的各项机械特性参数必须在开关柜上安装后进行调整试验,才有实际意义。加之分体式断路器连接杆件多、孔与销轴累计误差大,如果再由用户自己装调,很难调到最佳位置。
b.机构与断路器匹配性能差,如CD10、CT8的操作功远大于真空断路器的操作功。如CD10操动机构的合闸电流为90~120A,虽然可以将操作功转换到适应真空断路器的范围,但真空断路器的操作功一般为40A左右。
c.操动机构不是为某型真空断路器专门设计,而是可兼顾任何制造厂的装配,装配水平不易控制,不可能调到设计的最佳位置。因此分体式真空断路器只是普及中的一个过渡种类。
4.2 联体式
联体式真空断路器的操动机构与断路器的匹配性能、传动系统、电寿命、绝缘等需要进行全方位的优化设计。在机加工方面,一些制造厂还采用了柔性加工线、机器人操作等,使加工出的产品性能分散性小,稳定性高。由于出厂前各性能参数已在制造厂调好,现场不需要再调整,用户只需简单复测复试即可。
目前,大部分网上运行的真空断路器是分体式,但从技术角度分析,从维护系统安全考虑,普及联体式真空断路器会有利于提高真空断路器的整体运行水平。
4.3 落地式
早期生产的落地式真空断路器,问题较多。如窄型柜,相间和对地都需要加装绝缘隔板,构成复合绝缘,复合绝缘要求导体与绝缘隔板的10kV设备静空气距离大于30cm,窄型柜一般不易做到,常常使场强集中部位的绝缘隔板发热,加速绝缘老化。互换性较差,表明机械精度低,对隔离插头影响大,如果不同心,还会造成隔离插头发热。这些因素往往引发开关柜“火烧联营”。
4.4 中置式
中置式真空断路器与中置开关柜配套,是目前国际上较先进的成套开关装置。断路器小巧,互换性强,进出柜体轻便,受地坪平整度影响小,运行维护方便,比早期落地式断路器运行可靠。但中置式真空断路器集中检修时,因同时需要将多台断路器抽出柜外,所以中置式真空断路器的平台小车应具备落地功能,避免人为抬放断路器时摔损设备。
4.5 中置落地式
断路器定位于柜体中部的中间导轨上,由于每台断路器均自带手车,所以断路器进出柜体方便;互换性、地坪平整度影响方面与中置式断路器性能相同;这种真空断路器用户使用时更方便。

5 常见问题
5.1 合闸弹跳与分闸反弹
合闸弹跳是断路器在合闸时,触头刚接触后,又产生分离,即触即离,直到经过一段时间后才稳定接触。合闸弹跳期间,触头间产生预击穿电弧烧蚀触头,尤其重合闸时,触头烧蚀更严重一些。
抑制合闸弹跳,主要是提高对接式触头的抗熔焊能力,减小电磨损,防止触头接触面上产生拉丝形成尖角放电击穿及防止合闸弹跳过电压。
分闸反弹是近年来提出的一项技术指标,以行程幅值的百分数标识。造成分闸反弹的原因主要是分闸缓冲器特性不佳,在油断路器中分闸反弹一般在10mm左右,对断路器电气特性基本上没有不利影响,对被控制的电气设备一般也不构成威胁,然而真空断路器的开距只有10~20mm,所以抑制真空断路器的分闸反弹十分重要。早期真空断路器分闸反弹现象较为普遍,反弹量甚至达到100%,反弹幅值较高时,降低真空断路器的机械寿命,并有可能造成真空断路器开断后出现“滑相”现象。
一般来说,联体式断路器由于操动机构与断路器本体特性匹配,分闸反弹现象不甚明显。分体式真空断路器的分闸反弹要明显一些,或者说分体式真空断路器运行初期与运行后期相比,分闸反弹幅值变化较大。
5.2 高压开关柜的主绝缘材质问题
目前高压开关柜主绝缘材质为:SMC、DMC、BMC,即片状、团状、块状模塑组合物。它们具有较高的物理、机械和介电性能,尤其是具有吸水少、优良的阻燃性、灭弧性和耐漏电性能。该类绝缘材质在运行中会发生闪络击穿、机械断裂等事故。
SMC为片状模塑料,模塑板材,要求机械强度较高的产品,表面积较大而几何形状和结构不复杂的薄壁、大中型制品,如开关柜隔板、灭弧筒、水箱板、轿车备胎仓、坐椅等,应采用SMC。
DMC为团状模塑料,模塑厚壁、结构复杂的中小型制品,如绝缘子、灭弧片、接触器、母线绝缘框、穿墙套等,应采用DMC。
在同一制品上,SMC和DMC不能混合使用。如果在采用SMC模塑的板材中掺加了DMC,会使制品机械强度下降,变形严重,影响主机开关柜的质量。
应当注意,合格的制品件的表面平整光亮,无麻孔、裂纹、缺料等缺陷,手感好、外观漂亮。喷漆仅能掩盖制品件的缺陷,并可使制品件降低甚至失去绝缘和耐电弧的性能。
另外,工业用SMC、DMC、BMC较电工用的成本要低,还有一些方法也能降低成本,但不保证绝缘材质的原有性能。
绝缘件表面打腻子、涂漆往往造成一些难以分析与预防的故障,所以除SMC、DMC、BMC外,应慎选表面涂漆的其它绝缘材质,或尽量不采用主绝缘材料表面涂漆的产品。

6 选型注意事项
6.1 开关柜主回路磁场对灭弧室磁场的影响
真空灭弧室是靠特制磁场熄灭电弧的,无论是横磁结构还是纵磁结构灭弧室,当受到灭弧室以外的磁场影响时,将改变灭弧室内原有磁场。影响严重时,对横磁结构灭弧室来说,破坏了旋转磁场,使电弧不再旋转,而是固定在一点燃烧,从而降低了灭弧室的电气寿命。对纵磁结构灭弧室来说,破坏了扩散型电弧在触头表面的均匀分布,部分扩散型电弧将转变为聚集型电弧,同样降低了灭弧室的电气寿命。
目前如何确定导体磁场对灭弧室磁场的影响尚未有规定, 只能由型式试验确定,所以开关柜选型时,应避免柜内主回路与灭弧室平行。一般,一种定型的开关柜只对应一个型式试验报告,如果改型,应重新做型式试验。自行改造开关柜时,应尽可能避免将进出线铜铝排与灭弧室平行布置,以避免影响真空灭弧室的磁场。

6.2 真空断路器的滑相
三相中性点不接地系统中,真空断路器开断后,经过Δt时间,其中两相断口再次击穿,流过开断电流,此电流过零时能够再次熄灭,断口并不永久击穿,该现象称为“滑相”或“开断后两相再次重击穿”。DL/T 403-2000规定:在真空断路器规定的开断时间之外,不允许出现滑相。专家认为,在型式试验过程中,如果真空断路器开断出现滑相时,应判为开断失败,因为这是开断失败的先兆。出现滑相时表明,真空断路器性能或真空管的性能不稳定。另外,出现滑相时延长短路存在时间,对系统稳定不利。DL/T 615-1997《交流高压断路器参数选用导则》规定的真空断路器开断时间为:任一相燃弧时间不得大于15ms。
6.3 首开相在开断中的分布与电气寿命
三相灭弧室熄弧时,总有某一相首先熄弧,该相称为“首开相”,首开相在三相中是随机的,首开相在三相各相中出现的频率称为首开相分布。
中性点不接地系统首开相开断时工频恢复电压高,电流大,相对后两相来说开断困难一些。首开相如能开断,一般后开相均能顺利开断,但由于后开相燃弧时间长,电弧能量大,烧损严重。真空灭弧室是长寿命、免维护灭弧室,由于电气寿命长,累计电弧烧损量对触头来说影响显著,只有首开相在三相中分布均匀时,真空灭弧室才能够达到额定电气寿命,首开相分布均匀时,每相出现首开相的概率为1/3,后开相的概率为2/3。极端情况下,假如首开相分布极不均匀,总在某一相首先熄弧,那么其余两相就总是后开相,这两相的累计电弧烧损量就是真空断路器的实际电气寿命。可见,在这种极端情况下,真空断路器的实际电气寿命仅为额定电气寿命的2/3,首开相分布不均匀时,电气寿命是达不到额定电气寿命的。
6.4 分闸与合闸
6.4.1 定义
对断路器而言,不带电情况下的操作称分闸与合闸,其用时称为分闸时间和合闸时间,取消了固有分闸时间和固有合闸时间的称谓;带电情况下的操作称开断与关合,其用时称为开断时间、关合时间。它们之间的差异在于不带电时没有燃弧时间和预击穿时间。
6.4.2 分闸时间的下限
以对分闸时间下限的要求,主要是考虑开断时直流分量的影响,尤其是发电机回路中的断路器。以往对分闸时间只规定一个不大于某范围的值,这种规定在型式试验中容易出现漏洞,如不规定分闸时间下限值,就难以确定断路器直流分量的开断水平。原因是在型式试验时,分闸时间有可能是最大值,直流分量已经有充分的时间衰减,没有考核到较严酷的开断条件。而实际运行中,分闸时间可能小于额定分闸时间,直流分量较高,导致实际运行比型式试验的条件还要苛刻。因此,在型式试验的开断试验中应按分闸时间允许值下限的直流分量做试验,而在运行中的分闸时间不得超过其规定值的上限值,所以,断路器应给出分闸时间的下限值。
6.4.3 合闸时间的变动范围
合闸时间主要是考虑合闸功的问题。同样,以往对合闸时间只规定一个不大于某范围的值,但在型式试验时,合闸时间可能远小于额定合闸时间,此时,合闸功较大,容易关合。实际运行中,合闸时间可能接近于额定合闸时间,操动机构的合闸功有所降低,没有考核到最不利的关合条件,难以确定关合试验条件的有效性。在型式试验时应将合闸时间尽量调至规定的最大值附近,在实际运行时,应尽可能缩短合闸时间。

7 结束语
电力系统对高压开关设备的选型侧重的是可靠性,而机械系统发展需要降低成本,而电力系统有了可靠性才有经济效益,所以,高压开关设备的选型不应只图便宜,而一味地压价,留有一定余地换取设备的可靠性,也将有利于民族企业的发展。

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