淺談一種具有滅火功能的新型真空斷路器結(jié)構(gòu)

宋文偉 岑凱辛 龔福維

摘要：在我國配網(wǎng)電力系統(tǒng)中，普遍采用的10kV真空斷路器高壓柜開關(guān)柜，其觸頭滅弧及觸頭分合閘的機(jī)械接觸都是在高真空腔室內(nèi)完成，真空斷路器具有體積小、重量輕等多項(xiàng)優(yōu)越的性能。但其本身也存在一定的缺點(diǎn)，本文針對(duì)其現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析，并提出了一種可有效解決此類風(fēng)險(xiǎn)隱患的新型真空斷路器結(jié)構(gòu)。

關(guān)鍵詞：真空泡;裂紋;七氟丙烷

前言：現(xiàn)有的真空斷路器在電網(wǎng)低電壓等級(jí)中應(yīng)用十分廣泛，根據(jù)現(xiàn)有運(yùn)行分析，真空泡因材質(zhì)或制作工藝等系列問題，往往會(huì)造成真空度的降低，從而嚴(yán)重影響真空斷路器開斷故障電流的能力，使其滅弧系統(tǒng)急劇下降，甚至造成斷路器爆炸、著火，引發(fā)大面積電氣火災(zāi)。

一、 傳統(tǒng)真空斷路器的構(gòu)造解析：

傳統(tǒng)真空斷路器內(nèi)部構(gòu)件如下圖1所示：1、靜導(dǎo)電桿;2、靜觸頭;3、動(dòng)觸頭;4、動(dòng)導(dǎo)電桿;5、內(nèi)部真空室;6、真空泡;7、絕緣外殼。

二、 傳統(tǒng)真空斷路器存在的風(fēng)險(xiǎn)隱患分析：

真空斷路器在正常合閘工作時(shí)，如果真空泡的材質(zhì)或制作工藝、真空泡內(nèi)波形管的材質(zhì)或制作工藝等存在問題，可能會(huì)使真空泡本身存在微小漏點(diǎn)，導(dǎo)致真空泡內(nèi)真空度迅速下降，影響斷路器的開斷電流及滅弧性能。此時(shí)可能存在以下兩種情況：

（一）電力系統(tǒng)正常，無電氣故障發(fā)生。由于該斷路器在合閘位置，則此斷路器的作用類似于隔離開關(guān)，只起導(dǎo)通負(fù)荷電流的作用，不需要進(jìn)行開斷電流和滅弧，此時(shí)真空度的降低并不會(huì)立即造成惡劣的后果。

（二）電力系統(tǒng)異常，有電氣故障發(fā)生，此時(shí)保護(hù)裝置迅速判斷故障狀態(tài)，并命令真空斷路器跳閘以切除電氣故障;或者電力系統(tǒng)運(yùn)行正常，但因系統(tǒng)原因需要斷開該斷路器進(jìn)行負(fù)荷調(diào)整?？傊?，必然會(huì)產(chǎn)生該真空斷路器的分閘操作，開斷故障電流或者正常負(fù)荷電流，同時(shí)利用真空泡進(jìn)行滅弧。但是由于真空泡故障，真空泡外部空氣混入內(nèi)部真空室，使內(nèi)部真空度失去最佳滅弧條件，斷路器滅弧性能急劇下降，無法快速有效的熄滅電弧，引發(fā)斷路器爆炸著火，同時(shí)由于真空斷路器柜體空間密閉，設(shè)備緊湊，外部滅火介質(zhì)無法直接對(duì)火源進(jìn)行有效滅火，導(dǎo)致蔓延至其他電氣部件和其他電氣間隔，引發(fā)更大面積電氣火災(zāi)，造成巨大的無法挽回的經(jīng)濟(jì)損失。

（三）真空斷路器跟SF6氣體斷路器因結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)的不同，本身沒有定性、定量監(jiān)測(cè)真空度特性的裝置，無法進(jìn)行后臺(tái)遠(yuǎn)距離信號(hào)監(jiān)控。所以真空度降低故障為電氣隱性故障，其危險(xiǎn)程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于可監(jiān)控、可預(yù)防的電氣顯性故障。

三、 新型的真空斷路器結(jié)構(gòu)研究設(shè)計(jì)：

針對(duì)傳統(tǒng)真空斷路器存在的各種問題，現(xiàn)提出一種新型的真空斷路器結(jié)構(gòu)。

（一）內(nèi)部構(gòu)造說明：

新型的真空斷路器結(jié)構(gòu)部件如下圖2、圖3所示：5、內(nèi)部真空室;6、真空泡;7、絕緣外殼;8、密封屏蔽罩;9、工作腔室;12、觀察窗。

具體如下說明：

（1）新型真空斷路器內(nèi)部真空泡6以內(nèi)的設(shè)備構(gòu)造與傳統(tǒng)的真空斷路器相同;絕緣外殼7也與傳統(tǒng)的真空斷路器相同。

（2）在傳統(tǒng)真空斷路器真空泡6與絕緣外殼7之間，圍繞真空泡6環(huán)形新增密封屏蔽罩8，材質(zhì)同真空泡6。真空泡6與密封屏蔽罩8之間環(huán)形的區(qū)域，按真空泡6這一圓柱體所在高的方向，分出兩個(gè)區(qū)域：工作腔室9和觀察窗12。

（3）觀察窗12內(nèi)保持透明狀態(tài)，用以觀察真空泡6的氧化情況。

（4）工作腔室9內(nèi)部為真空狀態(tài)，其真空度與真空泡6內(nèi)部相同，并充入七氟丙烷粉。

（二）故障狀態(tài)解析：

真空斷路器在合閘運(yùn)行狀態(tài)，假定：

（1） 真空泡6表面出現(xiàn)裂紋：

由于真空泡6表面出現(xiàn)裂紋，其內(nèi)部真空室5與工作腔室9通過真空泡裂紋形成互通的腔室。由于工作腔室9內(nèi)部也為真空狀態(tài)，且真空度與真空泡一致，因此真空泡6內(nèi)部真空室的真空度保持在合格水平，可以正常進(jìn)行斷路器分閘。

（2） 真空泡6和密封屏蔽罩8均出現(xiàn)裂紋：

由于真空泡6與密封屏蔽罩8均出現(xiàn)裂紋，內(nèi)部真空室5與工作腔室9內(nèi)部混入空氣，真空度均降低，其內(nèi)部壓力從真空壓力升高至外部環(huán)境大氣壓，失去最佳滅弧環(huán)境。

在此期間，如果電力系統(tǒng)發(fā)生短路故障，保護(hù)動(dòng)作發(fā)出命令給該真空斷路器進(jìn)行分閘。由于該真空斷路器真空泡內(nèi)6真空度不滿足要求，斷路器在分閘過程中迅速燃弧，氣室壓力增高可能引起真空泡6爆炸、著火。由于此時(shí)真空泡6被工作腔室9內(nèi)部的七氟丙烷粉包裹，且七氟丙烷具有物理滅火的作用，其滅火機(jī)理主要是中斷燃燒鏈，滅火速度極快，從而有效避免了大面積火災(zāi)事故的發(fā)生。

四、 本文提出的新型的真空斷路器結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)：

（一）有效解決了傳統(tǒng)真空斷路器真空泡降低時(shí)，斷路器無法正常開斷電流和滅弧的問題;

（二）在真空斷路器發(fā)生爆炸起火時(shí)，該新型斷路器能迅速自行滅火，避免了火災(zāi)蔓延至相鄰間隔，引發(fā)大面積電氣火災(zāi)的重大事故。

五、 結(jié)語：

在電力系統(tǒng)運(yùn)行可靠性要求日益增加的今天，科學(xué)有效的防范斷路器爆炸以及隨之帶來的電氣火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)越來越值得高度重視。而本文提出的新型的真空斷路器結(jié)構(gòu)相較于傳統(tǒng)斷路器而言，則有效解決了傳統(tǒng)真空斷路器真空泡降低時(shí)，斷路器無法正常開斷電流和滅弧的問題;而且，在真空斷路器發(fā)生爆炸起火時(shí)，該新型斷路器能迅速自行滅火，避免了火災(zāi)蔓延至相鄰間隔，從而引發(fā)大面積電氣火災(zāi)的重大事故，具有極大的現(xiàn)實(shí)意義。