| 真空斷路器在中國應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn) |
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以先進(jìn)技術(shù)為依托，不斷改進(jìn)和完善產(chǎn)品的設(shè)計(jì)是提高可靠性的重要途徑，為了做到這一點(diǎn)不僅需要設(shè)計(jì)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(shí)際需要出發(fā)，提出先進(jìn)、合理的性能，要求設(shè)計(jì)、制造部門設(shè)法滿足這些要求，設(shè)計(jì)出先進(jìn)、可靠、經(jīng)濟(jì)的產(chǎn)品。
真空斷路器的生產(chǎn)條件、生產(chǎn)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(chǎn)廠多，多數(shù)生產(chǎn)廠的規(guī)模小，生產(chǎn)設(shè)施落后，生產(chǎn)批量小。為了提高真空斷路器的可靠性必須改善生產(chǎn)設(shè)施和提高管理水平，近幾年來，幾個(gè)主要真空斷路器生產(chǎn)廠設(shè)備水平有了很大提高，他們的產(chǎn)量在總產(chǎn)量中的比重也在增大， 這種發(fā)展趨勢對提高真空斷路器質(zhì)量是有利的。
真空滅弧室的生產(chǎn)條件比真空斷路器要好得多，真空滅弧室的主干生產(chǎn)廠都是大中型國有企業(yè)，這些廠有較強(qiáng)的技術(shù)力量和較好的設(shè)備，有豐富的真空器件生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，較嚴(yán)密的質(zhì)量保證體系。五個(gè)主干生產(chǎn)廠的真空滅弧室產(chǎn)量至少占總產(chǎn)量的80％。其中一些廠還引進(jìn)了國外真空滅弧室制造技術(shù)，為生產(chǎn)高質(zhì)量的真空滅弧室創(chuàng)造了有利條件。但就總體而言，真空滅弧室的生產(chǎn)設(shè)備有些老化，自動化程度不高，產(chǎn)品質(zhì)量常因人為因素的波動而波動。近年來，真空滅弧室生產(chǎn)設(shè)備的更新步伐加快，自動化程度在不斷提高，一些廠的設(shè)備已達(dá)到國外生產(chǎn)廠的中等水平，如果在幾種關(guān)鍵元件、材料和工藝上進(jìn)一步提高，我國真空滅弧室的可靠性是可以在不太長的時(shí)間內(nèi)趕上國外先進(jìn)水平的。
國產(chǎn)材料、元件和標(biāo)準(zhǔn)件的質(zhì)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(qiáng)度低，質(zhì)量一致性差。銅材的導(dǎo)電率低。輔助開關(guān)、儲能電機(jī)的壽命不長，不穩(wěn)定。標(biāo)準(zhǔn)件質(zhì)量差，螺釘、螺母，彈簧墊卷等緊固件的質(zhì)量根本得不到保證。滾珠軸承的質(zhì)量也很不可靠。真空滅弧室用的可伐、不銹鋼、無氧銅的質(zhì)量很難令人滿意。由于材料、元件和標(biāo)準(zhǔn)件涉及我國工業(yè)的總體水平，很難在短期內(nèi)得到根本解決，作為權(quán)宜之計(jì)，有些生產(chǎn)廠已打算在關(guān)鍵部位使用進(jìn)口材料、元件和標(biāo)準(zhǔn)件。
我國大多數(shù)真空斷路器的外觀和內(nèi)部零件顯得粗糙，在外觀上我國真空斷路器與國外產(chǎn)品的差距是非常明顯的。
我國產(chǎn)品的外觀質(zhì)量差與我們的設(shè)計(jì)思想有關(guān)。在設(shè)計(jì)中主要考慮產(chǎn)品的性能和經(jīng)濟(jì)性，很少考慮或根本不考慮外觀。這種設(shè)計(jì)思想目前我國不少制造廠已有很大轉(zhuǎn)變，其外觀質(zhì)量已能接近和達(dá)到國外產(chǎn)品的水平。
3 我國發(fā)展大容量、高電壓等級真空斷路器的現(xiàn)狀
真空斷路器在我國已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。特別是在中等電壓領(lǐng)域里，真空斷路器已占有明顯優(yōu) 勢。國內(nèi)市場，ZN—28系列真空斷路器以其領(lǐng)先的技術(shù)與高可靠性，已成為生產(chǎn)單位產(chǎn)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(yīng)用范圍將受 到一定限制，因此很有必要開發(fā)10kV系列真空斷路器的大容量規(guī)格以進(jìn)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(xù)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(yīng)大容量發(fā)電機(jī)組保護(hù)用的斷路器，我國正在開發(fā)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(chǔ)上 ，將繼續(xù)開發(fā)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(shí)開發(fā)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(fā) 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(shù) 不少于20次
額定短路關(guān)合電流(峰值) 125kA
額定動穩(wěn)定電流(峰值) 125kA
4s熱穩(wěn)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(jī)械壽命 10000次
3.1.2 結(jié)構(gòu)原理
(a)真空滅弧室
真空滅弧室的技術(shù)水平與性能穩(wěn)定性，在一定程度上決定了所配真空斷路器的技術(shù)水平與性 能穩(wěn)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(jié)構(gòu) 、觸頭材料和絕緣結(jié)構(gòu)三部分組成。
1觸頭結(jié)構(gòu)
縱向磁場電極結(jié)構(gòu)的發(fā)展是近幾年來國產(chǎn)真空斷路器技術(shù)的重大進(jìn)步。在開斷能力和穩(wěn)定性 以及抗電蝕性等方面，都比橫向磁場觸頭結(jié)構(gòu)有優(yōu)勢。一般來說縱向磁場觸頭復(fù)雜程度并不高，造價(jià)也在可接受的合理范圍，已為真空斷路器設(shè)計(jì)人員和制造單位普遍接受。
目前縱向磁場電極結(jié)構(gòu)有多種形式。形成產(chǎn)品的有1/2匝，1/3匝和1/4匝線圈式的縱向磁場極結(jié)構(gòu)，杯狀縱向磁場電極結(jié)構(gòu)，馬蹄形電極結(jié)構(gòu)和橫臂式縱向磁場電極結(jié)構(gòu)等。
杯狀縱向磁場電極結(jié)構(gòu)最先是西門子公司開發(fā)的。近幾年來，國內(nèi)對這種電極結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大量試驗(yàn)分析研究，對其開斷短路電流穩(wěn)定性及適合不同短路電流的磁場強(qiáng)度進(jìn)行了探索。試驗(yàn)分析證明：改進(jìn)后的電極結(jié)構(gòu)具有較好的開斷短路電流穩(wěn)定性，高的弧后介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)速 度(首開相燃弧時(shí)間統(tǒng)計(jì))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(shí)，改進(jìn)的電極結(jié)構(gòu)也可以控制起弧位置和燃弧區(qū)域，提高了真空滅弧室內(nèi)部空 間利用效率，使大容量小型化真空滅弧室得以實(shí)現(xiàn)。
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(yōu)良電性能的材料之一。它的主要缺點(diǎn)是熔 焊性能較差和工藝要求復(fù)雜。在ZN13—10型真空斷路器試制階段，曾多次發(fā)生觸頭熔焊。在 不影響其他性能的情況下，適當(dāng)?shù)募尤氪嘈韵嗄芎芎玫馗纳脐P(guān)合能力和動熱穩(wěn)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(chǎn)品，觸頭熔焊是需要解決的 關(guān)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(jī)械可靠性方面的 副作用。試驗(yàn)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(qiáng)度。
近年來對CuMnTa、CuMnNb、CuCrTa和CuCoTa等系列的觸頭材料研究已有進(jìn)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(yōu)良的電性能和低的熔焊強(qiáng)度。國內(nèi)有關(guān)院校和 研究所已開始進(jìn)行上述觸頭材料的研究，制造廠也已制出樣品，進(jìn)行相關(guān)的試驗(yàn)，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(chǎn)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(jìn)展。
3絕緣結(jié)構(gòu)
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(nèi)部觸頭間的絕緣水平取決于觸頭材料、觸頭表面狀態(tài)和真空滅弧室內(nèi)部電場分 布情況，電場分布同時(shí)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(nèi)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(yàn)證明，真空滅弧室內(nèi)部電擊穿多數(shù)發(fā)生在場強(qiáng)90％以上區(qū)域。轉(zhuǎn)移電場集中區(qū)域，使場強(qiáng) 最多區(qū)域從主觸頭間隙轉(zhuǎn)移到不受電弧燒蝕部位，可減緩觸頭間隙電場應(yīng)力，提高真空滅弧 室絕緣水平穩(wěn)定性。另外，金屬－陶瓷封接部位(常稱三界面)也是容易發(fā)生電擊穿的部位， 對這個(gè)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(jī)構(gòu)
中等電壓真空斷路器操動機(jī)構(gòu)有電磁操動機(jī)構(gòu)和電動彈簧操動機(jī)構(gòu)。國外產(chǎn)品多數(shù)采用電動 彈簧操動機(jī)構(gòu)，國內(nèi)使用電磁操動機(jī)構(gòu)較多。電磁操動機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，性能可靠，調(diào)整維修方便，運(yùn)行人員已經(jīng)積累了豐富的使用與維護(hù)經(jīng)驗(yàn)，繼續(xù)發(fā)展仍然有廣闊前景。
ZN28—10/4000—50真空斷路器配用電磁操動機(jī)構(gòu)狀態(tài)示意圖見圖3。
為了滿足不同用戶需要，我國也生產(chǎn)配用于ZN28—10/4000—50真空斷路器用的彈簧操動機(jī)構(gòu)。
(c)總體結(jié)構(gòu)布置
ZN28—10/4000—50真空斷路器，總體結(jié)構(gòu)布置如圖4所示。產(chǎn)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(diǎn)。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)穩(wěn)固，整體剛度好，操作穩(wěn)定性好，便于安裝、調(diào)試和維修，并且有利于動端熱量發(fā)散。對于發(fā)展大容量和大額定電流 真空斷路器奠定了基礎(chǔ)。
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(fā)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?yàn)橛|頭系統(tǒng)密封在真空滅 弧室內(nèi)， 所產(chǎn)生熱量的唯一散發(fā)途徑是通過動、靜導(dǎo)電桿導(dǎo)出，利用外部散熱裝置散發(fā)掉熱量。真空 滅弧室靜端直接與靜支架相聯(lián)，動端則通過導(dǎo)電夾、軟連接與動支架相聯(lián)。雖然動端向上有利于動端熱量散發(fā)，但因動端聯(lián)接環(huán)節(jié)多和導(dǎo)熱路徑長，所以真空斷路器溫升最高點(diǎn)通常集 中在動導(dǎo)電桿與導(dǎo)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(dǎo)出，同時(shí)對動端發(fā)熱量進(jìn)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(shè)計(jì)思想，可以在經(jīng)濟(jì)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(guān)合能力和動熱穩(wěn)定性能的要求，需要有較大觸頭接觸壓力。在尺寸和運(yùn)動質(zhì)量受到限制的條件下，設(shè)計(jì)大壓力觸頭彈簧，結(jié)構(gòu)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(jī)械強(qiáng)度。利用傳動比的適當(dāng)變化，在確保運(yùn)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(qiáng)度要求，減小合閘功率，達(dá)到減小合閘沖擊，提高真空滅弧室和真空斷路器機(jī)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(gè)比較大的范圍內(nèi)對關(guān)合能力影響不大，這一點(diǎn)已為大量試驗(yàn)所證實(shí)。但是，試驗(yàn)表明，特定區(qū)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(gè)速度在不同短
路電流下也不相同，這一點(diǎn)從觸頭燒損情況可以明顯反映出來。這個(gè)速度如果選擇不恰當(dāng)，必然造成觸頭燒損增加，這樣，完成電性能試驗(yàn)只好靠產(chǎn)品設(shè)計(jì)裕度了。
在開斷電流等級比較少的10kV產(chǎn)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(tǒng)進(jìn)行的計(jì)算和推論基本失去了等效性。這些數(shù)據(jù)只能在整機(jī)布置方式確定后從大量試驗(yàn)中總結(jié)。 |
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