真空斷路器”因其滅弧介質和滅弧后觸頭間隙的絕緣介質都是高真空而得名;其具有體積小、重量輕、適用于頻繁操作、滅弧不用檢修的優點,在配電網中應用較為普及。
真空斷路器是310kV,50Hz三相交流系統中的戶內配電裝置,可供工礦企業、發電廠、變電站中作為電器設備的保護和控制之用,特別適用于要求無油化、少檢修及頻繁
操作的使用場所,斷路器可配置在中置柜、雙層柜、固定柜中作為控制和保護高壓電氣設備用 。
特點:觸頭開距小,10KV真空斷路器的觸頭開距只有10mm左右,操作機構的操作功就小,機械部分行程小,其機械壽命就長。
燃弧時間短,且與開關電流大小無關,一般只有半周波。
熄弧后觸頭間隙介質恢復速度快,對開斷近區故障性能較好。
由于疏通在開斷電流時磨損量較小,所以觸頭的電氣壽命長,滿容量開斷達30-50次,額定電流開斷達5000次以上,噪音小適于頻繁操作。
體積小、重量輕。
適用于開斷容性負荷電流。
由于其優點很多,所以廣泛應用于變電站中,目前型號主要有:ZN12-10型、ZN28A-10型、ZW7-35型、ZW8-12型、VS1型、ZN30型等。
具體介紹
真空斷路器技術標準真空斷路器在我國近十年來得到了蓬勃的發展。產品從過去的ZN1ZN5幾個品種發展到數十多個型號、品種,額定電流達到5000A,開斷電流
達到50kA的較好水平,并已發展到電壓達35kV等級。
80年代以前,真空斷路器處于發展的起步階段,技術上在不斷摸索,還不能制定技術標準,直到1985年后才制定相關的產品標準。
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真空斷路器處于合閘位置時,其對地絕緣由支持絕緣子承受,一旦真空斷路器所連接的線路發生接地故障,斷路器動作跳閘后,接地故障點又未被清除,則有電母線的對地絕緣亦要由該斷路器斷口的真空間隙承受;各種故障開斷時,斷口一對觸子間的真空絕緣間隙要耐受各種恢復電壓的作用而不發生擊穿。因此,真空間隙的絕緣特性成為提高滅弧室斷口電壓,使單斷口真空斷路器向高電壓等級發展的主要研究課題。
真空度的表示方式
壓力低于一個大氣壓的氣體稀薄的空間,稱為真空空間,真空度越高即空間內氣體壓強越低。真空度的單位有三種表示方式:托(即1個mm水銀柱高),毫巴(103bar)或帕(帕斯卡:Pa)。(1托=131。6Pa,1毫巴=100Pa)我們通常所說真空滅弧室內部的真空度要達10-4托是指滅弧室內的氣體壓強僅為"萬分之一mm水銀柱高",亦即是1。31x10-2Pa。
"派森定理"亦有譯為"巴申定律",是指間隙電壓耐受強度與氣體壓力之間的關系。派森定理的關系曲線呈"V"字形,即充氣壓力的增加或降低,都能提高極間間隙絕緣強度。其擊穿機理至今還不清楚,因為真空滅弧室內部真空度高于10-4托,這樣稀薄空氣的空間,氣體分子的自由行程為103mm,在真空滅弧室這么大小的容積內,發生碰撞的機率幾乎是零。因此不會發生碰撞游離而使真空間隙擊穿。派森定理的"V"形曲線是實驗得出的,條件是在均勻電場的情況下,其間隙擊穿電壓Uj可表示為:
Uj=KLa
L------間隙距離;
a------間隙系數(間隙<5mm時a=1,>5mm時,a=0。5)
由派森定理的"V"形關系曲線中看出,當真空度達103托時出現拐點,拐點附近曲線變得平坦,擊穿電壓幾乎無變化。
當真空度和間隙距離相同時,其擊穿電壓則隨觸頭電極材料發生變化,電極材料機械強度高,熔點高時,真空間隙的擊穿電壓亦隨之提高。
真空絕緣的破壞機理
前面已說過,在真空滅弧室這樣高度真空度的空間內,氣體分子的自由行程很大,不會發生碰撞分離而使真空間隙在高壓電作用下會擊穿又是客觀存在,于是就有種解釋真空絕緣會破壞的機理,場致發射引起擊穿,微塊引起擊穿和微放電導致擊穿。
場致發射論對真空間隙所以能發生擊穿的解釋
間隙電場能量集中,在電極微觀表面的突出部分發生電子發射或蒸發逸出,撞擊陽極使局部發熱,繼續放出離子或蒸汽,正離子再撞擊陰極發生二次發射,相互不斷積累,后導致間隙擊穿。
的Fowler and Noraheim場發射電流I表達式為:
I=AE2e-B/E
式中 E------電場強度;
A------常數,與發射點的面積有關;
B------常數,與電極表面的逸出有關。
在小的間隙(<1mm)及短脈沖電壓情況下,可以合理地認為真空間隙擊穿是由場致發射引起的,但在長間隙及連續加壓與長脈沖電壓下,有的學者認為真空的擊穿尚存在其它機理:
(1)陰極引起的擊穿;在強電場下,由于場發射電流的焦耳發熱效應,使陰極表面突出物的溫度升高,當溫度達到臨界點時,突出物熔化產生蒸汽引起擊穿。
(2)陽極引起的擊穿:由于陰極發射的電子束,轟擊陽極使某點發熱產生熔化和蒸汽而發生間隙擊穿。產生陽極引起擊穿的條件與電場提高系數和間隙距離有關。
微塊引起擊穿的解釋
假設在電極表面附著較輕松的微塊,在電場作用下,微塊脫落而且加速,這微塊撞擊對面的電極時,由于沖擊發熱可使其本身熔化產生蒸汽,引起擊穿。
微放電導致真空間隙擊穿的解釋
電極的陰極表面沾污,將發生微放電現象。微放電是一種小的自抑制熄滅的電流脈沖,它的總放電電荷3107C,存在時間由50ms到幾ms,放電一般發生在大于1mm的間隙中。
這些真空間隙的擊穿機理表明,真空電極的材料與電極的表面狀況對真空間隙的絕緣都是非常關鍵的因素。
真空間隙的絕緣耐受能力與在先的分合閘操作工況有關
真空斷路器接觸間隙的擊穿電壓,因耐壓實驗前不同工況的分合閘操作有相應的不同結果,意大利哥倫布(Colombo)工程師在設備討論會上有文論述過這方面的問題:試驗對象是24KV斷路器,銅鉻觸頭,額定開斷電流16KA,額定電流630A,觸頭開距15。8mm,觸頭分閘速度1。1m/s,合閘速度為0。6m/s。試驗程序列于表1。
在關合---分閘操作(試驗系列2~5)后產生的大擊穿電壓比空載循環(試驗系列1)后給出的數值低,這意味著觸頭擊穿距離受電弧電流的影響而減小;同時,系列2和系列5所測得的數值亦小于系列3和系列4的試驗值,而電流過零波形和極性似乎無明顯影響。試驗結果證實了開閉操作的形式對斷路器觸頭之間的絕緣耐受能力有影響,擊穿電壓在30~50kV范圍內,擊穿距離為0。6~2mm之間,擊穿時觸頭的電場強度為25~44kV。
意大利哥倫布工程師上述實驗的結果表明,真空開關在開斷大電流后,其真空減小絕緣強度會下降是一種普遍現象。因此,我國早期的真空斷路器在開斷故障后,間隙絕緣會下降,達不到產品技術條件的絕緣水平,故能源部對戶內高壓真空斷路器訂貨要求(部標DL403--91)允許在真空斷路器電壽命試驗后,極間耐壓值降為原標準的80%作試驗,如果通過,就認為該斷路器的型式試驗合格。那么,如何解釋目前許多真空斷路器制造廠在作產品介紹時,反復強調它們的真空斷路器電壽命試驗后,間隙的絕緣強調不降低呢?我們以10kV真空斷路器為例來對此作說明:真空滅弧室經過技術和工藝改進,極間絕緣水平同早期產品比較,提高很多例如可達到A值,遠比產品標準規定的耐壓值C(工頻42kV,沖擊75kV)高得多,出廠新品按C值試驗當然不會擊穿,電壽命試驗后,間隙絕緣水平由A值降為B值,但B值>C值,故按C值去校核其絕緣,試驗時亦不會發生擊穿。而老產品的A值是大于C值,出廠新品按C值考核,當然能通過,開斷故障后,由A值降到B值。熱B
提高真空滅弧室絕緣耐受能力的措施
真空斷路器要向高電壓使用領域發展,提高真空滅弧室斷口極間絕緣耐受能力制成額定電壓較高的單獨斷口真空滅弧室的經濟意義是巨大的,不但可減少串聯斷口的數量,而且使斷路器結構簡單,從而提高了設備可靠性并使設備造價亦相應降低。提高單斷口真空滅弧室的絕緣耐受能力主要在下列三方面采取措施。
真空滅弧室內觸頭間耐壓強度的提高
前面以說過,在滅弧室內部高度真空的情況下,觸頭間存在的氣體非常稀少,不會受極間電壓而產生游離,但極間發生擊穿是客觀存在,從而產生幾種真空絕緣破壞機理的解釋。真空間隙實際擊穿時,有可能是幾種機理同時發生作用,而且擊穿途徑中總是有游離氣體存在,這是由施加電壓后產生的金屬蒸汽或觸頭釋放了所吸附的氣體提供的。基于此點出發,采取下列措施以提高真空滅弧室觸頭間隙的耐壓性能:
(1)選擇熔點或沸點高,熱傳導率小,機械強度和硬度大的觸頭材料;
(2)預先向觸頭間隙施加高電壓,使其反復放電,使觸頭表面附著的金屬或絕緣微粒熔化,蒸發,即所謂"老煉處理";
(3)清除吸附在觸頭或滅弧室表面上的氣體,即進行加熱脫氣處理;
(4)選擇合適的觸頭形狀,改善觸頭的電場分布。
提高開斷電流后觸頭極間的絕緣恢復速度
通常斷路開斷電流成功的關鍵在于電弧電流過零后,觸頭間隙絕緣恢復速度快于觸頭間隙間的暫態恢復電壓速度,就不會發生重燃而達到成功開斷。真空滅弧室開斷電流時,電弧放出的金屬蒸汽在電弧電流過零時會迅速擴散,遇到觸頭或屏蔽罩表面會立即凝結。因此欲求在開斷電流相應的觸頭尺寸,材質,形態,觸頭間隙以及電流開斷時產生的金屬蒸汽密度,帶電粒子密度等影響因素進行反復實驗取得試驗數據作分析研究。發現觸頭直徑越大且觸頭間隙越小,電流開斷后的絕緣強度恢復越快;縱向磁場觸頭結構的采用,有極為良好的弧后絕緣恢復特性。
提高真空滅弧室的外部絕緣
真空滅弧室的外部表面,如處于正常的大氣之中,則絕緣耐壓是很低的,不能適合高電壓條件下使用,隨著真空斷路器向高電壓,小型化方向發展,對真空滅弧室外部表面采取下列強化措施:
(1)用環氧樹脂絕緣包裹真空滅弧室陶瓷外殼表面,環氧樹脂具有高絕緣性能,其沖擊電壓為50kV/mm,工頻耐壓為30kV/mm,而且其制品機械強度高,澆注加工性能好,可以較容易成型復蓋于陶瓷外殼表面,從而達到滅弧室外表面絕緣強化的目的。并提高了耐污性能,使所需對地絕緣更趨合理化。戶外真空斷路則往往采用帶有裙邊的硅膠外套作管,復蓋于陶瓷外殼的表面,具有更好的抗霧閃性能,但機械強度則不如環氧樹脂制間。
(2)將真空滅弧室置于SF6氣體之中,使陶瓷外殼為SF6氣體所包圍,由于SF6氣體只起絕緣作用,其充氣壓力一般是不高的。
高壓真空斷路器的電氣壽命是指設備技術條件中規定的和型式試驗中實際進行的滿容量開斷次數。應用中高壓真空斷路器觸頭是不能維修和更換的,要求高壓真空斷路器有足夠高的電氣壽命是很有必要的。新一代真空滅弧室采用了縱向磁場電極和銅鉻觸頭材料。縱向磁場電極成倍的降低了短路開斷電流作用下的電弧電壓,并使電弧在觸頭表面均勻分布;銅鉻觸頭材料降低了單位電弧能量所造成的觸頭燒損量。這兩者的有機結合,使得高壓真空斷路器的電氣壽命有了突破性的提高。
當前,我國高壓真空斷路器在開斷、關合能力等方面的性能是比較高的,也是比較穩定的。 我國早期高壓真空斷路器電氣壽命只有30次,運行長的已有20余年,在電力系統至今還沒有發現高壓真空斷路器因為短路開斷電流的電氣壽命問題而退役,也沒有發現因為短路開斷電流的電氣壽命短導致事故發生,這就充分說明這些高壓真空斷路器基本上能夠滿足電力系統對于短路開斷電流電氣壽命的要求。所以,高壓真空斷路器的短路開斷電流電氣壽命并不是越高越好。
2. 高壓真空斷路器的溫升
高壓真空斷路器的回路電阻是影響溫升的主要熱源,而滅弧室的回路電阻通常要占高壓真空斷路器回路電阻的50%以上。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,因為觸頭系統密封于真空滅弧室內,而產生的熱量只能通過動、靜導電桿向外部散熱。真空滅弧室靜端直接與靜支架相連,動端則通過導電夾、軟連接與動支架相連。雖然動端向上運動有利于動端散熱,但因動端連接環節較多,導熱路徑較長,所以高壓真空斷路器溫升的高點多集中于動導電桿與導電夾搭接部位。在實際應用中,有效的利用靜端有利于散熱的元件,迫使觸頭間隙熱量比較多的從靜端導出,分流動端的熱量,是解決高壓真空斷路器溫升偏高的有效措施。
3. 真空滅弧室的漏氣問題
真空滅弧室的波紋管絕大多數都是采用0.15mm厚度的不銹鋼壓制成型的。高壓真空斷路器應用環境的污穢等級、濕度、鹽霧等選擇不夠合適,有害氣體、凝露造成波紋管點狀腐蝕,導致波紋管和蓋板及封接面的漏氣。保證高壓真空斷路器同心度的調整,合理的選擇使用和儲存環境,是解決真空滅弧室漏氣問題的重要措施。
4. 重視高壓真空斷路器機械參數調整
我國高壓真空斷路器的機械壽命一般為10000~20000次,正在開展將機械壽命提高到30000~40000次的研究工作,電磁操作機構結構簡單、性能可靠、調整維修方便、運行人員習慣使用而被廣泛使用,有些地方也有習慣使用電動彈簧操動機構的。操動機構在高壓真空斷路器機械結構中是為復雜、精度要求高的部分,多數制造廠生產條件是難以滿足加工精度要求的。
為了保證高壓真空斷路器的可靠性,我國對高壓真空斷路器采取了分裝式結構,即將操動機構與斷路器主體兩者分開,由生產條件比較好的工廠集中生產操動機構,然后再將機構的輸出軸與斷路器合而為一,所以機械參數的合理配置,直接關系到高壓真空斷路器的技術性能和機械壽命。理想的機械參數調整,對于高壓真空斷路器的機械性能十分關鍵。滿意的緩沖特性應該是運動部件接觸緩沖瞬間,緩沖器提供較小的反力,隨著緩沖距離的增加,緩沖特性迅速變陡,大可能地吸收分離能量,達到限制分閘反彈和分閘行程的目的。
5. 提高高壓真空斷路器動作的可靠性
(1)掌握真空斷路器的基本結構,熟悉其技術性能指標,合理選擇使用條件,密切與制造廠的信息聯系,準確地應用高壓真空斷路器先進技術功能;
(2)認真做好高壓真空斷路器機械參數調試工作和機械參數指標要求,才能保證其基本功能;
(3)規范備品備件管理和儲存,保證備品備件的技術性能指標和質量的一致性、通用性和可靠性。
(4)做好高壓真空斷路器的運行記錄和事故分析,總結經驗,和制造部門通力合作,不斷提高真空斷路器的先進性、可靠性和經濟性。
