真空斷路器的可靠性研究分析

雷元林+彭向陽(yáng)

摘 要：真空斷路器是供配電系統(tǒng)中一種重要的開(kāi)關(guān)設(shè)備，其可靠性直接關(guān)系到供電質(zhì)量及電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。但在實(shí)際應(yīng)用中，由于不能直接監(jiān)視真空斷路器的真空度，真空斷路器易出現(xiàn)反彈、過(guò)電壓過(guò)高及斷弧后放電等問(wèn)題，影響真空斷路器的可靠性。據(jù)此，針對(duì)真空斷路器的可靠性，文章首先介紹真空斷路器的結(jié)構(gòu)，然后再進(jìn)一步探討如何保證真空斷路器的可靠性。

關(guān)鍵詞：真空斷路器；可靠性；開(kāi)斷性電流

引言

真空斷路器是一種以真空為絕緣介質(zhì)來(lái)分?jǐn)喽搪冯娏鞯拈_(kāi)關(guān)設(shè)備，其在供配電系統(tǒng)起保護(hù)與控制的雙重作用，目前在中壓開(kāi)關(guān)領(lǐng)域占核心地位。鑒于真空斷路器與供電質(zhì)量直接相關(guān)，要求設(shè)法保證真空斷路器的可靠性。其中，“可靠性”指的是真空斷路器運(yùn)行穩(wěn)定、耐環(huán)境變化能力強(qiáng)及使用壽命長(zhǎng)。據(jù)此，本文結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，淺析真空斷路器及其可靠性。

1 真空斷路器的結(jié)構(gòu)

圖1所示為VC1型真空斷路器的結(jié)構(gòu)圖。

結(jié)合圖1，真空斷路器主要由真空滅弧室、操動(dòng)機(jī)構(gòu)、機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)、絕緣拉桿、驅(qū)動(dòng)器、斷路器本體、導(dǎo)體及絕緣部件等組成。其中，真空滅弧室是在分?jǐn)鄷r(shí)承受觸頭端部的電壓、熄滅大電流引起的電弧及分合正常電流；絕緣拉桿是在斷路器閉合時(shí)向其觸頭提供壓力，其內(nèi)設(shè)碟形彈簧；驅(qū)動(dòng)器的作用是檢測(cè)信號(hào)及實(shí)現(xiàn)斷路器的分、合閘。在實(shí)際應(yīng)用中，真空斷路器的可靠運(yùn)行要求每一部分間保持良好的協(xié)作關(guān)系，任一部分故障都會(huì)影響到真空斷路器的可靠性。目前，常用的真空斷路器形式包括臥式、直動(dòng)式兩種。其中，直動(dòng)式真空斷路器將永磁機(jī)構(gòu)與真空滅弧室的驅(qū)動(dòng)桿設(shè)在同一直線上，并在中間設(shè)傳動(dòng)桿實(shí)現(xiàn)連接；臥式真空斷路器分設(shè)操動(dòng)機(jī)構(gòu)和真空滅弧室，并在中間設(shè)拐臂、傳動(dòng)軸及連接固定件實(shí)現(xiàn)連接。與直動(dòng)式相比，臥式真空斷路器中連接桿與觸頭的垂直距離更短，因此在調(diào)節(jié)連接結(jié)構(gòu)的同軸度上更方便。

2 真空斷路器的可靠性

真空斷路器在使用時(shí)易發(fā)生反彈、過(guò)電壓過(guò)高及斷弧后放電等問(wèn)題，因此為了保證真空斷路器的可靠性，采取下列措施：

2.1 開(kāi)斷低值感性電流

真空斷路器的真空介質(zhì)具有優(yōu)異的熄弧性和超高的絕緣強(qiáng)度，但在開(kāi)斷低值感性電流時(shí)，卻會(huì)產(chǎn)生過(guò)電壓?jiǎn)栴}。在L與C的回路中，i0對(duì)應(yīng)的能量反復(fù)以電能0.5Cu2和磁能0.5Li02交替轉(zhuǎn)變，其中，L-導(dǎo)體與負(fù)載電感的總和，C-分布電容，期間產(chǎn)生的最大電壓幅值Umax=i0，其中在不考慮損耗產(chǎn)生的截留過(guò)電壓時(shí)，Umax=i0。據(jù)此，減小i0是降低Umax的唯一手段，則要求通過(guò)增加金屬蒸汽壓來(lái)增多弧腔內(nèi)的導(dǎo)電離子和粒子。從技術(shù)的角度來(lái)看，優(yōu)選觸頭材料是關(guān)鍵，而目前最佳的選擇是Cr含量25-50%的Cr-Cu合金。研究表明，對(duì)于由這一類(lèi)材料制作的真空斷路器，其觸頭的截留值是3-5A，而其過(guò)電壓的倍數(shù)≤2.5-3.0p·u（標(biāo)幺值），因此不會(huì)危害中性點(diǎn)絕緣運(yùn)行系統(tǒng)的設(shè)備，同時(shí)也無(wú)需另設(shè)過(guò)電壓保護(hù)裝置。

2.2 選用組合式避雷器

真空斷路器開(kāi)斷機(jī)械性堵轉(zhuǎn)或加速運(yùn)行的電動(dòng)機(jī)時(shí)，感性負(fù)荷電流的波動(dòng)范圍是幾百安到上千安，而截?cái)嚯娏鳟a(chǎn)生的過(guò)電壓達(dá)49kV/1.61μs。在中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中，電動(dòng)機(jī)還應(yīng)考慮下列要點(diǎn)：一是在避雷器動(dòng)作后，其無(wú)法快速向大地釋放能量；二是在首開(kāi)相不重燃及其余2相未分?jǐn)鄷r(shí)，開(kāi)斷負(fù)載電感儲(chǔ)能僅能經(jīng)過(guò)由對(duì)地分布電容與其余2相負(fù)載電感組成的回路實(shí)現(xiàn)高頻電流放電，其中相間過(guò)電壓是相地過(guò)電壓的1.5倍。為了減輕相間過(guò)電壓可能對(duì)電動(dòng)機(jī)的危害，理論認(rèn)為組合式避雷器是最佳的選擇，同時(shí)還需留有串聯(lián)間隙，以防在相電壓作用下，泄漏電流過(guò)大而燒毀氧化鋅電阻片。

避雷器包括4個(gè)組成單元，且每一單元都設(shè)有氧化鋅電阻片和相同的火花間隙。在回路中，一旦出現(xiàn)由截留等所致的過(guò)電壓，便會(huì)擊穿火花間隙及放電電流從避雷器的組成單元經(jīng)過(guò)，過(guò)電壓能量快速消失。對(duì)于過(guò)電壓幅值，強(qiáng)制要求其按Z分配。據(jù)此，在相間或相地支路中，電動(dòng)機(jī)繞組的并聯(lián)阻抗等于2Z，則可得相間過(guò)電壓與相地過(guò)電壓相等。觀察發(fā)現(xiàn)，6.3kV電動(dòng)機(jī)的組合避雷器出現(xiàn)爆炸事故的頻率較高。

2.3 開(kāi)斷電容器組

通常而言，真空斷路器應(yīng)具有與開(kāi)斷低值小電感負(fù)載相似的特征，以保證開(kāi)斷電容器組無(wú)重燃。對(duì)此，要求優(yōu)化滅弧室真空度、機(jī)械特性、磁場(chǎng)設(shè)計(jì)及觸頭合金等方面的參數(shù)。為了與一般斷路器區(qū)別開(kāi)，GB1984-2000和IEC62271-100用C1和C2來(lái)標(biāo)識(shí)這一類(lèi)斷路器，其中C1是低重?fù)舸└怕?；C2是極低重?fù)舸└怕?。試?yàn)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的真空斷路器完全滿(mǎn)足C1與C2的要求，且無(wú)需另設(shè)過(guò)電壓保護(hù)裝置來(lái)防止在電流為630-680A時(shí)開(kāi)斷電容器組重燃。目前，普遍認(rèn)為避雷器可抑制開(kāi)斷容性負(fù)荷所致的過(guò)電壓，顯然這一觀點(diǎn)具有片面性。例如，在10kV系統(tǒng)的Y型接法中，倘若斷路器在開(kāi)斷容性電流后首次重燃且高頻電流過(guò)零熄滅，則電容器電壓會(huì)在殘存電荷的作用下升至額定電壓的3倍，而其過(guò)電壓能量可用下列方程式描述：

W=1/2C×[3×10/]2

式中，C是單相電容器組的容量。依據(jù)GB11032-2000可知，并聯(lián)補(bǔ)償電容器選用避雷器時(shí)，其2ms方波的耐受電流、殘壓分別是400A和21.0kV，且每一次釋放過(guò)電壓耗費(fèi)16.8kJ的能量。令W=16.8，則得C=56μF。但GB1984-2000和IEC62271-100規(guī)定，方波電流流過(guò)避雷器的次數(shù)是18次，且每2次試驗(yàn)的冷卻時(shí)間是50-60s，外加電容器電壓的平方與過(guò)電壓能量呈正相關(guān)，則當(dāng)再次重燃時(shí)，避雷器根本無(wú)法承受過(guò)電壓的能量。據(jù)此，避雷器僅能釋放小電容器首次重燃產(chǎn)生的能量，以減輕第2次重燃對(duì)斷路器造成的危害。

3 結(jié)束語(yǔ)

在中壓開(kāi)關(guān)領(lǐng)域，真空斷路器的應(yīng)用非常普遍，但鑒于其可靠性會(huì)影響到供電質(zhì)量，則應(yīng)通過(guò)優(yōu)選制材、優(yōu)化設(shè)計(jì)及嚴(yán)控產(chǎn)品質(zhì)量來(lái)保證真空斷路器的可靠運(yùn)行。具體如下：一是改進(jìn)制作觸頭的合金材料，以消除截留過(guò)電壓對(duì)斷路器的危害；二是優(yōu)選避雷器，以釋放截留過(guò)電壓產(chǎn)生的能量，但對(duì)于質(zhì)量較低的真空斷路器，不得忽視截留陡度對(duì)其產(chǎn)生的不良影響?？傊鐣?huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展要求提高供電質(zhì)量，而真空斷路器的可靠運(yùn)行是提高供電質(zhì)量的重要手段，因此重視對(duì)真空斷路器可靠性的研究具有現(xiàn)實(shí)意義。

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