固封極柱式真空滅弧室在高壓真空斷路器中的應(yīng)用研究

丁 鶴

（銅陵有色設(shè)計研究院 機(jī)電加工工程室，安徽 銅陵 244000）

0 概述

“真空斷路器”因其滅弧介質(zhì)和滅弧后觸頭間隙的絕緣介質(zhì)都是高真空而得名；其具有體積小、重量輕、適用于頻繁操作、滅弧不用檢修的優(yōu)點(diǎn)，在配電網(wǎng)中應(yīng)用較為普及。真空斷路器是3～10kV，50Hz三相交流電力系統(tǒng)中的戶內(nèi)配電裝置，可供工礦企業(yè)、發(fā)電廠、變電站中作為電器設(shè)備的保護(hù)和控制之用，特別適用于要求無油化、少檢修及頻繁操作的使用場所，真空斷路器可配置在中置柜、雙層柜、固定柜中作為控制和保護(hù)高壓電氣設(shè)備用。

1 高壓真空斷路器的組成部件

真空斷路器主要包含三大部分：真空滅弧室、電磁、永磁或彈簧操動機(jī)構(gòu)、支架及其他部件，相關(guān)介紹如下：

1.1 真空滅弧室

按照開關(guān)型式不同有外屏蔽罩式陶瓷真空滅弧室、中間封接杯狀縱磁場小型化真空滅弧室、內(nèi)封接式玻璃泡滅弧室，其基本結(jié)構(gòu)如下：

1.1.1 氣密絕緣系統(tǒng)(外殼)

由陶瓷、玻璃或微晶玻璃制成的氣密絕緣筒、動端蓋板、定端蓋板、不銹鋼波紋管組成的氣密絕緣系統(tǒng)是一個真空密閉容器。為了保證氣密性，除了在封接式要有嚴(yán)格的操作工藝，還要求材料本身透氣性和內(nèi)部放氣量小。

1.1.2 導(dǎo)電系統(tǒng)

由定導(dǎo)電桿、定跑弧面、定觸頭、動觸頭、動跑弧面、動導(dǎo)電桿構(gòu)成。觸頭結(jié)構(gòu)大致有三種：圓柱形觸頭、帶有螺旋槽跑弧面的橫向磁場觸頭、縱向磁場觸頭。目前采用縱磁場技術(shù)，此種滅弧室具有強(qiáng)而穩(wěn)定的電弧開斷能力。

1.1.3 屏蔽系統(tǒng)

屏蔽罩是真空滅弧室中不可缺少的元件，并且有圍繞觸頭的主屏蔽罩、波紋管屏蔽罩和均壓用屏蔽罩等多種。主屏蔽罩的作用是：（1）防止燃弧過程中電弧生成物噴濺到絕緣外殼的內(nèi)壁，從而降低外殼的絕緣強(qiáng)度。（2）改善滅弧室內(nèi)部電場分布的均勻性，有利于降低局部場強(qiáng)，促進(jìn)真空滅弧室小型化。（3）冷凝電弧生成物，吸收一部分電弧能量，有助于弧后間隙介質(zhì)強(qiáng)度的恢復(fù)。

1.2 操作機(jī)構(gòu)

按照斷路器型式不同，采用的操作機(jī)構(gòu)不同。常用的操作機(jī)構(gòu)有彈簧操作機(jī)構(gòu)、CD10電磁操作機(jī)構(gòu)、CD17電磁操作機(jī)構(gòu)、CT19彈簧儲能操作機(jī)構(gòu)、CT8彈簧儲能操作機(jī)構(gòu)。

1.3 其它部件

基座、絕緣支撐件、絕緣子等。

2 我國高壓真空斷路器的現(xiàn)狀及相關(guān)缺陷

高壓真空斷路器在我國供電系統(tǒng)中的應(yīng)用始于1978年，其重量輕，結(jié)構(gòu)簡單，使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)很快被電力部門運(yùn)行、檢修和技術(shù)人員認(rèn)可。早期國內(nèi)生產(chǎn)的高壓真空斷路器質(zhì)量不夠穩(wěn)定，操作過程中載流過電壓偏高，個別真空滅弧室還存在有漏氣現(xiàn)象。在工業(yè)環(huán)境惡劣的使用場合下（如空氣的濕度、灰塵、氣體的密度等），都會對陶瓷真空滅弧室的電氣性能和絕緣產(chǎn)生破壞,甚至滅弧室因絕緣損壞而產(chǎn)生爆炸現(xiàn)象,極大地影響了供配電安全。直至1992年天津真空開關(guān)應(yīng)用推廣會議時，我國真空斷路器的制造技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入了國際同行業(yè)同類型產(chǎn)品的前列，成為我國高壓真空斷路器應(yīng)用，制造技術(shù)新的歷史轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

3 解決方案

根據(jù)高壓真空斷路器相關(guān)性能要求，結(jié)合目前高壓斷路器在實(shí)際使用中的運(yùn)行維護(hù)經(jīng)驗，采用固封式高壓真空斷路器可大大提高設(shè)備絕緣性能，其結(jié)構(gòu)簡單，動作可靠，相關(guān)介紹如下：

3.1 簡介

固封式高壓真空斷路器在具有高壓斷路器常規(guī)器件的基礎(chǔ)上其主導(dǎo)電回路采用固體絕緣方式的固封極柱形式，采用特殊的嵌入技術(shù)，將具有超低電阻值的真空滅弧室和導(dǎo)電零部件澆注在環(huán)氧樹脂中來實(shí)現(xiàn)主導(dǎo)電回路的固體絕緣。目前市場上常見的配套操動機(jī)構(gòu)有彈簧操動機(jī)構(gòu)和永磁操動機(jī)構(gòu)等。

3.2 真空滅弧室工作原理

真空滅弧室是利用高真空工作絕緣滅弧介質(zhì)，靠密封在真空中的一對觸頭來實(shí)現(xiàn)電力電路的通斷功能的一種電真空器件。當(dāng)其斷開一定數(shù)值的電流時，動、靜觸頭在分離的瞬間，電流收縮到觸頭剛分離的一點(diǎn)上，出現(xiàn)電極間電阻劇烈增大和溫度迅速提高，同時形成極高的電場強(qiáng)度，導(dǎo)致極強(qiáng)烈的發(fā)射和間隙擊穿，產(chǎn)生真空電弧，當(dāng)工頻電流接近零時，同時隨著觸頭開距的增大，真空電弧的等離子體很快向四周擴(kuò)散，電弧電流過零后，觸頭間隙的介質(zhì)迅速由導(dǎo)電體變?yōu)榻^緣體，于是電流被分?jǐn)?。由于觸頭的特殊構(gòu)造，燃弧期間觸頭間隙會產(chǎn)生適當(dāng)?shù)目v向磁場，這個磁場可使電弧均勻分布在觸頭表面，維持低的電弧電壓，從而使真空滅弧室具有較高弧后介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)速度、小的電弧能量和小的腐蝕速率，這樣就提高了真空滅弧室開斷電流的能力和使用壽命。

3.3 相關(guān)技術(shù)特點(diǎn)

3.3.1 雙APG壓力澆注工藝

運(yùn)用硅膠緩沖層的APG工藝和極柱環(huán)氧樹脂的APG工藝，兩項工藝參數(shù)是采用優(yōu)選法經(jīng)過大量的試驗和性能測試后來確定的，它確保了固封極柱產(chǎn)品質(zhì)量的先進(jìn)性和穩(wěn)定性。該絕緣制品按GB7354要求，在1.1Ur(Ur:額定電壓)試驗電壓測試：局部放電量≤5Pc。

3.3.2 可靠的固封極柱

與傳統(tǒng)組裝式極柱相比，固封極柱的零部件、導(dǎo)體搭接面、連接用緊固件的數(shù)量都大大減少，從而簡化了主回路的裝配環(huán)節(jié)，降低了回路電阻，提高了主導(dǎo)電回路連接的可靠性。真空滅弧室被嵌入環(huán)氧樹脂固體材料后，極柱的外界環(huán)境對真空滅弧室的影響被降到最低，其外絕緣能力可以免受灰塵、潮氣、小動物、凝霧和污穢的影響，完全滿足GB/DL標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的二級污穢地區(qū)爬距要求，從而提高主導(dǎo)電回路的絕緣性能。特有的堅固結(jié)構(gòu)可以為真空滅弧室提供更加充分的保護(hù)，使其在裝配和運(yùn)輸過程中免受意外機(jī)械沖撞。采用環(huán)氧樹脂作為絕緣介質(zhì)，相間距和極間距都可以縮小，減少了真空斷路器及其配用開關(guān)柜的體積。由于整個極柱被澆注成整體部件，真空滅弧室得到了充分保護(hù)，真空滅弧室的免維護(hù)為斷路器的免維護(hù)提供了條件。固封極柱式斷路器可在一定程度上替代SF6氣體作為外絕緣的需要，因而更加環(huán)保。

3.3.3 性能優(yōu)異的真空滅弧室

其分?jǐn)喽搪冯娏鲿r形成的縱向磁場強(qiáng)，熱熔性好，因而分?jǐn)喽搪冯娏髂芰?qiáng)，重燃率低，可靠性高，能滿足首次100%額度短路電流的開斷要求，獨(dú)特的動靜觸頭結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，分合閘過程中不會變形，短路分段性能穩(wěn)定，且無引弧槽，外形完美，渾然一體，耐電壓水平高。此外相關(guān)回路電阻小，具有高可靠的容性負(fù)載及感性負(fù)載開斷能力及高可靠的異相接地故障電流開斷能力，在正常工作條件下具有極低的X射線輻射量，可滿足環(huán)境保護(hù)要求。

3.3.4 操動機(jī)構(gòu)

新型彈簧儲能操動機(jī)構(gòu)平面布置在機(jī)箱中，機(jī)構(gòu)儲能及合、分閘單元分別采用一個功能模塊，凸輪經(jīng)以及四桿和搖桿機(jī)構(gòu)傳動使動觸頭運(yùn)動，合閘保持采用扣板、半軸鎖扣；儲能電機(jī)經(jīng)齒輪減速箱輸出，通過齒輪傳動、傳動輪滑塊離合，摯子保持。該操動機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，動作可靠，不同規(guī)格產(chǎn)品的零部件通用性強(qiáng)。

新型永磁操動機(jī)構(gòu)體積更小，操動功耗更低、更節(jié)能，運(yùn)行故障率極低，免維護(hù)。此外由于永磁操動機(jī)構(gòu)的運(yùn)動特性與新型真空滅弧室的熄弧特性高度吻合，使其斷路器的使用壽命大幅度增加，其具有機(jī)械手動分閘裝置，其分閘速度與電動分閘速度相同，可在控制電源發(fā)生故障的情況下帶負(fù)荷分閘，獨(dú)特的永磁機(jī)構(gòu)電子控制器大大提高了高壓斷路器實(shí)際供電的穩(wěn)定性。

4 總結(jié)

目前國家能源局、國網(wǎng)及南網(wǎng)公司已對固封極柱生產(chǎn)廠家提出了要求，要求固封極柱產(chǎn)品必須按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)型式進(jìn)行試驗，希望設(shè)計固封極柱專用真空滅弧室，完善固封極柱用真空滅弧室的工藝生產(chǎn)線，完善固封極柱環(huán)氧包覆結(jié)構(gòu)及工藝，解決好包封界面的問題，加強(qiáng)質(zhì)量控制等。采用新型固封極柱式高壓真空斷路器相較傳統(tǒng)高壓真空斷路器大大提高了配電裝置在實(shí)際使用尤其在灰塵污穢嚴(yán)重及潮濕的惡劣工業(yè)環(huán)境下供電的穩(wěn)定性，另外它還具有完善的機(jī)械和電氣聯(lián)鎖裝置，同時具有極高的操作可靠性與使用壽命，配合適當(dāng)?shù)母邏洪_關(guān)柜可完成安全的配電功能，確保操作者和設(shè)備的安全，如今在工業(yè)企業(yè)及電力部門的配電裝置中正在廣泛推廣使用。

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