真空斷路器工作原理

華學(xué)昆

泰州市創(chuàng)業(yè)水電安裝服務(wù)有限公司 225300

真空斷路器工作原理與其他斷路器相比之是滅弧介質(zhì)不同罷了，真空不存在導(dǎo)電介質(zhì)，使電弧快速熄滅，因此該斷路器的動(dòng)靜觸頭之間的間距很少。該斷路器一般用于電壓等級(jí)相對(duì)低的廠用電配置中！隨著電力系統(tǒng)的迅猛發(fā)展，10KV真空斷路器在我國(guó)已經(jīng)大批量地生產(chǎn)和使用。對(duì)于檢修人員來(lái)說(shuō)，提高對(duì)真空斷路器的認(rèn)識(shí)，加強(qiáng)維護(hù)保養(yǎng)，使其安全運(yùn)行，成了一個(gè)迫在眉睫的問(wèn)題。

一、真空的絕緣特性

真空具有很強(qiáng)的絕緣特性，在真空斷路器中，氣體非常稀薄，氣體分子的自由行程相對(duì)較大，發(fā)生相互碰撞的幾率很小，因此，碰撞游離不是真空間隙擊穿的主要原因，而在高強(qiáng)電場(chǎng)作用下由電極析出的金屬質(zhì)點(diǎn)才是引起絕緣破壞的主要因素。

真空間隙中的絕緣強(qiáng)度不僅與間隙的大小，電場(chǎng)的均勻程度有關(guān)，而且受電極材料的性質(zhì)及表面狀況的影響較大。真空間隙在較小的距離間隙（2—3 毫米）情況下，有比高壓力空氣與SF6 氣體高的絕緣特性，這就是真空斷路器的觸頭開(kāi)距一般不大的原因。

電極材料對(duì)擊穿電壓的影響主要表現(xiàn)在材料的機(jī)械強(qiáng)度（抗拉強(qiáng)度）和金屬材料的熔點(diǎn)上?？估瓘?qiáng)度和熔點(diǎn)越高，電極在真空下的絕緣強(qiáng)度越高。

實(shí)驗(yàn)表明，真空度越高，氣體間隙的擊穿電壓越高，但在 10-4 托以上，就基本保持不變了，所以，要保持真空滅弧室的絕緣強(qiáng)度，其真空度應(yīng)不低于 10-4托。

二、真空中電弧的形成與熄滅

真空電弧和我們以前學(xué)習(xí)的氣體電弧放電現(xiàn)象有很大的差別，氣體的游離現(xiàn)象不是產(chǎn)生電弧的主要因素，真空電弧放電是在觸頭電極蒸發(fā)出來(lái)的金屬蒸汽中形成的。同時(shí)，開(kāi)斷電流的大小不同，電弧表現(xiàn)的特點(diǎn)也不同。我們一般把它分為小電流真空電弧和大電流真空電弧。

1、小電流真空電弧

觸頭在真空中開(kāi)斷時(shí)，產(chǎn)生電流和能量十分集聚的陰極斑點(diǎn)，從陰極斑點(diǎn)上大量地蒸發(fā)金屬蒸汽，其中的金屬原子和帶電質(zhì)點(diǎn)的密度都很高，電弧就在其中燃燒。同時(shí)，弧柱內(nèi)的金屬蒸汽和帶電質(zhì)點(diǎn)不斷地向外擴(kuò)散，電極也不斷的蒸發(fā)新的質(zhì)點(diǎn)來(lái)補(bǔ)充。在電流過(guò)零時(shí)，電弧的能量減小，電極的溫度下降，蒸發(fā)作用減少，弧柱內(nèi)的質(zhì)點(diǎn)密度降低，最后，在過(guò)零時(shí)陰極斑消失，電弧熄滅。

有時(shí)，蒸發(fā)作用不能維持弧柱的擴(kuò)散速度，電弧突然熄滅，發(fā)生截流現(xiàn)象。

2、大電流真空電弧

在觸頭斷開(kāi)大的電流時(shí)，電弧的能量增大，陽(yáng)極也嚴(yán)重發(fā)熱，形成很強(qiáng)的集聚型的弧柱。同時(shí)，電動(dòng)力的作用也明顯了，因此，對(duì)于大電流真空電弧，觸頭間的磁場(chǎng)分布就對(duì)電弧的穩(wěn)定性和熄弧性能有決定性的影響。如果電流太大，超過(guò)了極限開(kāi)斷電流，就會(huì)造成開(kāi)斷失敗。此時(shí)，觸頭發(fā)熱嚴(yán)重，電流過(guò)零以后仍然蒸發(fā)，介質(zhì)恢復(fù)困難，不能斷開(kāi)電流。

三、斷路器的結(jié)構(gòu)和工作原理

真空斷路器的生產(chǎn)廠家比較多，型號(hào)也較繁雜。按使用條件分為戶內(nèi)（ZNx—**）和戶外（ZWx—**）兩種類型。主要由框架部分，滅弧室部分（真空泡），和操動(dòng)機(jī)構(gòu)部分組成。

斷路器本體部分由導(dǎo)電回路，絕緣系統(tǒng)，密封件和殼體組成。整體結(jié)構(gòu)為三相共箱式。其中導(dǎo)電回路由進(jìn)出線導(dǎo)電桿，進(jìn)出線絕緣支座，導(dǎo)電夾，軟連接與真空滅弧室連接而成。

機(jī)構(gòu)為電動(dòng)儲(chǔ)能，電動(dòng)分合閘，同時(shí)具有手動(dòng)功能。整個(gè)結(jié)構(gòu)由合閘彈簧，儲(chǔ)能系統(tǒng)，過(guò)流脫扣器，分合閘線圈，手動(dòng)分合閘系統(tǒng)，輔助開(kāi)關(guān)，儲(chǔ)能指示等部件組成。

工作原理

真空斷路器利用高真空中電流流過(guò)零點(diǎn)時(shí)，等離子體迅速擴(kuò)散而熄滅電弧，完成切斷電流的目的。

動(dòng)作原理

儲(chǔ)能過(guò)程：當(dāng)儲(chǔ)能電機(jī) 14接通電源時(shí)，電機(jī)帶動(dòng)偏心輪轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)緊靠在偏心輪上的滾子10帶動(dòng)拐臂9及連板7擺動(dòng)，推動(dòng)儲(chǔ)能棘爪6 擺動(dòng)，使棘輪11 轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)棘輪11 上的銷與儲(chǔ)能軸套32的板靠住以后，二者一起運(yùn)動(dòng)，使掛在儲(chǔ)能軸套上32 上的合閘彈簧21 拉長(zhǎng)。儲(chǔ)能軸套32 由定位銷13 固定，維持儲(chǔ)能狀態(tài)，同時(shí)，儲(chǔ)能軸套32 上的拐臂推動(dòng)行程開(kāi)關(guān)5切斷儲(chǔ)能電機(jī)14 的電源，并且儲(chǔ)能棘爪被抬起，與棘輪可靠脫離。

合閘操作過(guò)程：當(dāng)機(jī)構(gòu)接到合閘信號(hào)后（開(kāi)關(guān)處于斷開(kāi)，已儲(chǔ)能狀態(tài)），合閘電磁鐵 15 的鐵心被吸向下運(yùn)動(dòng)，拉動(dòng)定位件13 向逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，解除儲(chǔ)能維持，合閘彈簧21 帶動(dòng)儲(chǔ)能軸套32逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，其凸輪壓動(dòng)傳動(dòng)軸套 30，帶動(dòng)連板29及搖臂27 運(yùn)動(dòng)，使搖臂27 扣住半軸25，使機(jī)構(gòu)處于合閘狀態(tài)。此時(shí)，連鎖裝置28 鎖住定位件，使定位牛不能逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，達(dá)到機(jī)構(gòu)聯(lián)銷的目的，保證了機(jī)構(gòu)在合閘位置不能合閘操作。

分閘操作過(guò)程：斷路器合閘后，分閘電磁鐵接到信號(hào)，鐵芯吸合，分閘脫扣器 19 中的頂桿向上運(yùn)動(dòng)，使脫扣軸16 轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)頂桿18向上運(yùn)動(dòng)，頂動(dòng)彎板26 并帶動(dòng)半軸25 向反時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)。

半軸25 與搖臂27 解扣，在分閘彈簧的作用下，斷路器完成分閘操作。

四、斷路器的調(diào)試

開(kāi)距與超行程斷路器的開(kāi)距與超行程的測(cè)量可以根據(jù)圖三所示，在分合閘狀態(tài)測(cè)量出的 X 值之差為斷路器的開(kāi)距，Y 值之差為斷路器的超行程。調(diào)整的方法為放長(zhǎng)或縮短絕緣操作桿3 或機(jī)構(gòu)與主軸的連桿。

分合閘機(jī)構(gòu)調(diào)整

1、搖臂 27 與半軸25 的扣接量為1.5～2.5mm，可以通過(guò)調(diào)整螺釘24 來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2、傳動(dòng)軸套 30 轉(zhuǎn)動(dòng)最大角時(shí)，搖臂27 與半軸間要有1.5～2mm的間隙，以保證傳動(dòng)軸套回落到合閘位置時(shí)，搖臂27 能自動(dòng)扣接到半軸 25 上，可以通過(guò)螺釘31 的調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3、輔助開(kāi)關(guān) 2的轉(zhuǎn)換應(yīng)準(zhǔn)確可靠，可以通過(guò)調(diào)整輔助開(kāi)關(guān)2的拐臂3位置及位桿4 的長(zhǎng)短來(lái)實(shí)現(xiàn)。

4、在儲(chǔ)能過(guò)程中，當(dāng)棘爪到達(dá)最后一個(gè)齒的最高點(diǎn)時(shí)，應(yīng)能保證儲(chǔ)能軸套 32 上的拐臂使行程開(kāi)關(guān)的觸點(diǎn)可靠切換，切斷電機(jī)電源，可以通過(guò)調(diào)整行程開(kāi)關(guān)5 的上下前后位置來(lái)實(shí)現(xiàn)。

5、調(diào)整分閘合閘彈簧的預(yù)拉長(zhǎng)度，保證斷路器的可靠分合，且分合閘速度達(dá)到規(guī)定值。

五、斷路器的控制回路

在我國(guó)的農(nóng)網(wǎng) 35KV標(biāo)準(zhǔn)化變電站中，采用了控制母線和合閘母線分開(kāi)的原則。

在短路器的輔助常閉接點(diǎn)與合閘線圈之間，把斷路器儲(chǔ)能行程開(kāi)關(guān)的一對(duì)常開(kāi)接點(diǎn)串聯(lián)進(jìn)控制回路。這樣，在斷路器未儲(chǔ)能的情況下，將不能進(jìn)行合閘操作。防止了在斷路器未儲(chǔ)能的情況下合閘，合閘回路保持，燒毀合閘線圈。

同時(shí)，在接線的過(guò)程中，要注意儲(chǔ)能行程開(kāi)關(guān)接點(diǎn)中合閘母線與控制母線的極性要一致，防止出現(xiàn)在開(kāi)關(guān)蓄能時(shí)，合閘回路的電弧擊穿行程開(kāi)關(guān)，造成控制保險(xiǎn)的熔斷或控制空氣開(kāi)關(guān)的掉閘。

這一點(diǎn)在綜合自動(dòng)化變電站上要特別注意。

六、運(yùn)行維護(hù)與檢修試驗(yàn)

真空斷路器的燃弧時(shí)間短，絕緣強(qiáng)度高，電氣壽命也較高，觸頭的開(kāi)距與行程小，操作的能量小，因此，機(jī)械壽命也較高。在日常的運(yùn)行中，維護(hù)工作量很小，主要檢查機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)部件磨損情況，緊固件有無(wú)松動(dòng)，清除絕緣表面的灰塵，在活動(dòng)部位注入一些潤(rùn)滑脂等。

在春檢預(yù)防性試驗(yàn)中，對(duì)開(kāi)關(guān)的直流電阻測(cè)試要與歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)處理更換，對(duì)斷口的工頻耐壓試驗(yàn)，是檢驗(yàn)真空泡是否漏氣的有效方法。（戶內(nèi)真空斷路器可以借鑒斷開(kāi)負(fù)荷時(shí)，真空泡內(nèi)閃光的顏色來(lái)初步判斷真空泡的真空度，顏色暗紅時(shí)表明真空度降低，顏色淡藍(lán)時(shí)，表明真空度良好）保護(hù)定植校驗(yàn)時(shí)，對(duì)斷路器做低電壓掉合閘試驗(yàn)，檢驗(yàn)開(kāi)關(guān)在母線故障狀態(tài)時(shí)，電壓降低時(shí)動(dòng)作是否可靠。