| 真空斷路器在中國應用的經驗 |
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以先進技術為依托，不斷改進和完善產品的設計是提高可靠性的重要途徑，為了做到這一點不僅需要設計和制造部門的努力，還需要使用部門的通力合作，使用部門從我國的實際需要出發，提出先進、合理的性能，要求設計、制造部門設法滿足這些要求，設計出先進、可靠、經濟的產品。
真空斷路器的生產條件、生產管理比較差，是影響我國真空斷路器可靠性的另一重要原因，我國真空斷路器生產廠多，多數生產廠的規模小，生產設施落后，生產批量小。為了提高真空斷路器的可靠性必須改善生產設施和提高管理水平，近幾年來，幾個主要真空斷路器生產廠設備水平有了很大提高，他們的產量在總產量中的比重也在增大， 這種發展趨勢對提高真空斷路器質量是有利的。
真空滅弧室的生產條件比真空斷路器要好得多，真空滅弧室的主干生產廠都是大中型國有企業，這些廠有較強的技術力量和較好的設備，有豐富的真空器件生產經驗，較嚴密的質量保證體系。五個主干生產廠的真空滅弧室產量至少占總產量的80％。其中一些廠還引進了國外真空滅弧室制造技術，為生產高質量的真空滅弧室創造了有利條件。但就總體而言，真空滅弧室的生產設備有些老化，自動化程度不高，產品質量常因人為因素的波動而波動。近年來，真空滅弧室生產設備的更新步伐加快，自動化程度在不斷提高，一些廠的設備已達到國外生產廠的中等水平，如果在幾種關鍵元件、材料和工藝上進一步提高，我國真空滅弧室的可靠性是可以在不太長的時間內趕上國外先進水平的。
國產材料、元件和標準件的質量也是制約真空斷路器的可靠性的重要因素。我國鋼材品種少，強度低，質量一致性差。銅材的導電率低。輔助開關、儲能電機的壽命不長，不穩定。標準件質量差，螺釘、螺母，彈簧墊卷等緊固件的質量根本得不到保證。滾珠軸承的質量也很不可靠。真空滅弧室用的可伐、不銹鋼、無氧銅的質量很難令人滿意。由于材料、元件和標準件涉及我國工業的總體水平，很難在短期內得到根本解決，作為權宜之計，有些生產廠已打算在關鍵部位使用進口材料、元件和標準件。
我國大多數真空斷路器的外觀和內部零件顯得粗糙，在外觀上我國真空斷路器與國外產品的差距是非常明顯的。
我國產品的外觀質量差與我們的設計思想有關。在設計中主要考慮產品的性能和經濟性，很少考慮或根本不考慮外觀。這種設計思想目前我國不少制造廠已有很大轉變，其外觀質量已能接近和達到國外產品的水平。
3 我國發展大容量、高電壓等級真空斷路器的現狀
真空斷路器在我國已經得到廣泛應用。特別是在中等電壓領域里，真空斷路器已占有明顯優 勢。國內市場，ZN—28系列真空斷路器以其領先的技術與高可靠性，已成為生產單位產量最 大和系列最全的真空斷路器。但還缺少大容量品種，對中等電壓真空斷路器的應用范圍將受 到一定限制，因此很有必要開發10kV系列真空斷路器的大容量規格以進一步完善化。目前已 完成額定電流4000A、額定開斷電流50kA的真空斷路器。今后將繼續研究試制更大額定電流 和更大額定開斷電流的10kV電壓等級的真空斷路器。
為了適應大容量發電機組保護用的斷路器，我國正在開發額定電壓24kV、額定電流12500A和 額定開斷電流125～240kA的真空斷路器。
此外，我國在完成戶外額定電壓110kV、額定電流1250A和額定開斷電流31.5kA的基礎上 ，將繼續開發額定電流更大、額定開斷電流更大的110kV戶外真空斷路器外，同時開發220kV 電壓等級的戶外真空斷路器。
3.1 10kV、4000A和50kA真空斷路器的開發 額定電壓 10kV
最高工作電壓 12kV
額定電流 4000A
額定短路開斷電流 50kA
短路開斷電流次數 不少于20次
額定短路關合電流(峰值) 125kA
額定動穩定電流(峰值) 125kA
4s熱穩定電流 50kA
斷口間工頻耐壓 48kV
斷口間沖擊耐壓(峰值) 85kV
額定短路開斷直流分量 不小于37％
機械壽命 10000次
3.1.2 結構原理
(a)真空滅弧室
真空滅弧室的技術水平與性能穩定性，在一定程度上決定了所配真空斷路器的技術水平與性 能穩定性。因此，人們常稱真空滅弧室是真空斷路器的核心部件。核心部件主要由觸頭結構 、觸頭材料和絕緣結構三部分組成。
1觸頭結構
縱向磁場電極結構的發展是近幾年來國產真空斷路器技術的重大進步。在開斷能力和穩定性 以及抗電蝕性等方面，都比橫向磁場觸頭結構有優勢。一般來說縱向磁場觸頭復雜程度并不高，造價也在可接受的合理范圍，已為真空斷路器設計人員和制造單位普遍接受。
目前縱向磁場電極結構有多種形式。形成產品的有1/2匝，1/3匝和1/4匝線圈式的縱向磁場極結構，杯狀縱向磁場電極結構，馬蹄形電極結構和橫臂式縱向磁場電極結構等。
杯狀縱向磁場電極結構最先是西門子公司開發的。近幾年來，國內對這種電極結構進行了大量試驗分析研究，對其開斷短路電流穩定性及適合不同短路電流的磁場強度進行了探索。試驗分析證明：改進后的電極結構具有較好的開斷短路電流穩定性，高的弧后介質強度恢復速 度(首開相燃弧時間統計)和少的觸頭電燒蝕速率(50kA 20次短路電流開斷后觸頭燒損不大于 0.3mm)。同時，改進的電極結構也可以控制起弧位置和燃弧區域，提高了真空滅弧室內部空 間利用效率，使大容量小型化真空滅弧室得以實現。
2觸頭材料
CuCr觸頭材料是目前真空滅弧室觸頭材料中具有優良電性能的材料之一。它的主要缺點是熔 焊性能較差和工藝要求復雜。在ZN13—10型真空斷路器試制階段，曾多次發生觸頭熔焊。在 不影響其他性能的情況下，適當的加入脆性相能很好地改善關合能力和動熱穩定性，是解決 CuCr觸頭材料抗熔焊性能的有效途徑之一。特別是對于開斷電流50kA以上的大容量真空斷路 器產品，觸頭熔焊是需要解決的 關鍵問題之一。提高觸頭接觸壓力也可以幫助解決熔焊問題，但勢必帶來機械可靠性方面的 副作用。試驗證明，用添加脆性相材料的方法可以改善CuCr觸頭材料的抗熔焊性能，降低熔 焊強度。
近年來對CuMnTa、CuMnNb、CuCrTa和CuCoTa等系列的觸頭材料研究已有進展。這幾種觸頭材 料制造成本雖略高于CuCr觸頭材料，但具有優良的電性能和低的熔焊強度。國內有關院校和 研究所已開始進行上述觸頭材料的研究，制造廠也已制出樣品，進行相關的試驗，并已取得一定成果。
低截流值觸頭材料亦在研制中，常用的方法是在觸頭材料中加入飽和蒸汽壓比較高的材料。 通常這種方法對觸頭斷口間耐壓和開斷短路電流能力都會產生不利影響。在不降低電性能的 情況下降低截流水平，從目前情況來看尚存在較大難度，但研究工作已大有進展。
3絕緣結構
為了確保50kA真空滅弧室的外殼絕緣可靠性，采用了波浪式大爬距陶瓷外殼。
真空滅弧室內部觸頭間的絕緣水平取決于觸頭材料、觸頭表面狀態和真空滅弧室內部電場分 布情況，電場分布同時也影響到短路開斷過程觸頭燒蝕程度。對稱的電場分布可降低主屏蔽 罩懸浮電位，均勻真空滅弧室內部電場能提高觸頭間隙耐壓水平和降低觸頭電腐蝕速率。試驗證明，真空滅弧室內部電擊穿多數發生在場強90％以上區域。轉移電場集中區域，使場強 最多區域從主觸頭間隙轉移到不受電弧燒蝕部位，可減緩觸頭間隙電場應力，提高真空滅弧 室絕緣水平穩定性。另外，金屬－陶瓷封接部位(常稱三界面)也是容易發生電擊穿的部位， 對這個部位采取屏蔽罩措施也可改善真空滅弧室的絕緣性能。
(b)操動機構
中等電壓真空斷路器操動機構有電磁操動機構和電動彈簧操動機構。國外產品多數采用電動 彈簧操動機構，國內使用電磁操動機構較多。電磁操動機構結構簡單，性能可靠，調整維修方便，運行人員已經積累了豐富的使用與維護經驗，繼續發展仍然有廣闊前景。
ZN28—10/4000—50真空斷路器配用電磁操動機構狀態示意圖見圖3。
為了滿足不同用戶需要，我國也生產配用于ZN28—10/4000—50真空斷路器用的彈簧操動機構。
(c)總體結構布置
ZN28—10/4000—50真空斷路器，總體結構布置如圖4所示。產品采用綜合布置方式，這種布置方式是ZN28系列小型化真空斷路器的突出特點。其優點是結構穩固，整體剛度好，操作穩定性好，便于安裝、調試和維修，并且有利于動端熱量發散。對于發展大容量和大額定電流 真空斷路器奠定了基礎。
真空滅弧室的回路電阻，通常占真空斷路器回路電阻的50％以上，是長期工作的主要發熱源 。觸頭間隙接觸電阻，是真空滅弧室回路電阻的主要組成部分。因為觸頭系統密封在真空滅 弧室內， 所產生熱量的唯一散發途徑是通過動、靜導電桿導出，利用外部散熱裝置散發掉熱量。真空 滅弧室靜端直接與靜支架相聯，動端則通過導電夾、軟連接與動支架相聯。雖然動端向上有利于動端熱量散發，但因動端聯接環節多和導熱路徑長，所以真空斷路器溫升最高點通常集 中在動導電桿與導電夾搭接部位。有效地利用靜端散熱元件，迫使觸頭間隙熱量更多地從靜 端導出，同時對動端發熱量進行分流，是解決大額定電流真空斷路器溫升的有效途徑。利用這種設計思想，可以在經濟和方便的條件下解決額定電流4000A的溫升。
50kA真空斷路器，為滿足關合能力和動熱穩定性能的要求，需要有較大觸頭接觸壓力。在尺寸和運動質量受到限制的條件下，設計大壓力觸頭彈簧，結構上有一定難度，而且觸頭彈簧 力量加大，勢必影響主軸及框架的剛度與機械強度。利用傳動比的適當變化，在確保運行特性滿足要求的前提下，減小觸頭彈簧壓力，可以降低傳動部件的強度要求，減小合閘功率，達到減小合閘沖擊，提高真空滅弧室和真空斷路器機械壽命的目的。
真空斷路器的合閘速度，在不同電壓等級略有不同。在相同電壓等級下，合閘速度在一個比較大的范圍內對關合能力影響不大，這一點已為大量試驗所證實。但是，試驗表明，特定區間的分閘速度對開斷短路電流能力有比較大的影響。并且這個速度在不同短
路電流下也不相同，這一點從觸頭燒損情況可以明顯反映出來。這個速度如果選擇不恰當，必然造成觸頭燒損增加，這樣，完成電性能試驗只好靠產品設計裕度了。
在開斷電流等級比較少的10kV產品中，電場分布和電動力對短路開斷過程觸頭間隙磁場分布和觸頭利用效率影響并不突出。隨著開斷電流等級的提高，這種影響越來越明顯。按照理想模型對觸頭系統進行的計算和推論基本失去了等效性。這些數據只能在整機布置方式確定后從大量試驗中總結。 |
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