高压断路器技术篇

真空断路器技术篇

一、真空灭弧室

1、真空灭弧室是真空断路器的核心元件，承担导电、开断和绝缘功能，基本结构由外壳、波纹管、导电杆、屏蔽罩、触头等组成。工艺好坏体现在四个方面触头材料电弧控制系统灭弧室结构和灭弧室制造工艺真空灭弧室的发展已经经历了五代。国产的第一代真空灭弧室，以额定电压12 kV，φ145 mm玻璃绝缘外壳，阿基米德螺旋槽横磁电极结构，使用CuBi 系合金触头，分断能力达到20 kA，额定电流1 250 A 的ZKBDl250/10 —20型真空灭弧室为代表；第二代真空灭弧室就是引进西门子的3AF 系列真空灭弧室，其特点是屏蔽筒外露、陶瓷绝缘外壳、电极结构为杯状横磁、使用CuCr50 合金环状触头，分断能力达到31.5 kA，额定电流达 2 500 A，后经开发额定电流可达3 150 A、分断能力可达到40 kA；在消化吸收引进技术的基础上开发的第三代真空灭弧室，其特点是屏蔽筒内置，φ 88～125 mm 陶瓷绝缘外壳，电极结构为杯状纵磁，CuCr50 触头材料，分断能力达到40 kA，额定电流可达3 150 A。这期间也研制了一些线圈式纵磁场电极的灭弧室，主要提高了分断能力，但仍以杯状纵磁为主；以一次封排技术为代表的第四代真空灭弧室的整体质量有了很大的提高，此时各种成熟技术的综合应用开发出大量的12 kV、 24 kV、40.5 kV，低压0.38～1.14 kV各种参数的真空灭弧室批量供应市场，产品覆盖了整个中压领域。小型化、有外绝缘保护的真空灭弧室可称为第五代产品，目前已开始批量供应市场。

2、真空灭弧室必须要借助优良的真空状态方可实现其功能，要保持优良的真空状态，必须要严格控制以下三个环节：

2.1 陶瓷金属化。陶瓷与金属的性能差异非常大，因而其与金属零件封接部位的陶瓷金属化质量非常关键。经验表明，真空灭弧室的慢性漏气约有70%是因为陶瓷金属化质量不好而引起的。陶瓷金属化的质量难以通过事后检验来控制把关，必须要通过过程质量来控制，对设备的依赖程度非常高。目前，国内仅有少数几个真空灭弧室厂家具备稳定的陶瓷金属化能力。

2.2 波纹管的选择及其与灭弧室其他零件的钎焊工艺。波纹管一般是由0.1～0.2 mm 厚的不锈钢板制成的，因其厚度很薄且要承受几万次的机械寿命，所以对材料及制造工艺的要求非常高。传统钎料对不锈钢材料的浸润性很差，因而国内绝大部分厂家都将不锈钢波纹管电镀镍后再进行钎焊。但不锈钢材料不易于进行镀镍，因而存在一定的质量隐患。因此，如果波纹管的材料、壁厚、表面状态及其与其余零件的钎焊质量不好，均会造成真空灭弧室的慢性漏气，导致真空灭弧室功能的丧失。

2.3 整管封排、钎焊工艺。真空灭弧室整管的封排、钎焊工艺对真空灭弧室真空的保持同样具有非常重要的影响。如果封排工艺环节过多，污染源则较多，这样封排后的真空灭弧室的放气源较多，从而在贮存或使用过程中可能导致真空度的下降。真空灭弧室整管钎焊过程中，如真空炉工作区的温度不均匀，则个别管子的焊缝质量会受到影响，存在漏气的隐患。合资或国外的真空灭弧室优点在工艺管理、

流程控制很不错，也就是产品一致性很好。而国内真空灭弧室20%最好的，60%一般，还有20%很差，产品良莠不齐啊。而这些国外品牌，控制的产品99.9%的一般好。这并不仅仅体现在真空灭弧室行业。二、绝缘结构

第一代：敞开式空气绝缘真空断路器；第二代：套筒式复合绝缘真空断路器；第三代：固封极柱式固体绝缘真空断路器。

敞开式空气绝缘真空断路器

干净清洁的空气是良好的绝缘介质,使用历史最悠久为了保证空气绝缘净距和爬电比距致使该类型产品的小型化比较困难。而且敞开型带电部分完全裸露在空气中，它的绝缘水平随着空气中的湿度、灰尘以及运输过程的磕碰而变化，并易受小动物等异物的影响。

套筒式复合绝缘真空断路器将灭弧室保护在环氧树脂套筒内。但这种套筒没有完全把高压带电部分包起来，里面还会受灰尘、潮气、昆虫等影响。比起敞开型，极柱绝缘能力有所提高，使得极柱间距离缩小，有利于断路器的小型化。

固封极柱式固体绝缘真空断路器

利用环氧树脂将灭弧室及上下出线端全部包封，彻底不受外界环境（灰尘、潮气等）的影响，优点是不言而喻的：一是灭弧室不需附加的紧固件，载流件被周围的浇铸树脂牢靠地固定在它的位置上，这就大大减少了灭弧室的零件数，而且维护更加简便，寿命更长。二是环氧树脂的绝缘强度是空气的5～6倍，极柱绝缘能力大幅提高。三是由于极柱固封，同型的灭弧室可用于不同额定电压，只需

按额定电流选择灭弧室。四是极柱固封使灭弧室本身陶瓷件长度更短且直径更小，极柱绝缘能力提高使得极柱间距离可做得更小，有利于断路器的小型化。固封极柱还有利于实现固体绝缘开关柜，使柜体大为减小。

新的西门子3AH系列（如3AH2-EP）和ABBVD4都有固封极柱型，连国产VS1都有固封极柱型了。现在市场的几种机构都是模仿国外的产品，性能都已经非常的稳定。

三、操动机构

电磁操动机构弹簧操动机构永磁机构

电磁操动机构的优点是机构简单、工作可靠、制造成本低,缺点是合闸线圈消耗的功率太大,需要备价格昂贵的蓄电池、合闸电流较大、结构比较笨重、动作时间较长,市场占有量逐渐减少。

弹簧操动机构可采用人力或小功率交、直流电机来驱动,因而合闸功基本不受外界因素(如电源电压、气源气压、液压源液压)的影响,既能够获得较高的合闸速度,又能够实现快速自动重复合闸操作;另外,与电磁操动机构相比,弹簧操动机构成本低,价格便宜,是真空断路器中最常用的一种操动机构,其厂家也比较多,在不断的完善和改进中。

永磁机构采用新的工作原理将电磁机构与永久磁铁有机地组合起来,避免了合分闸位置机械脱扣、锁扣系统所造成的不利因素元需任何机械能而通过永久磁铁产生的保持力就可使真空断路器保持在合、分闸位置上。配以控制系统实现真空断路器所要求的全部功能。

国内外真空断路器的发展

1、国外主要公司的发展及水平

1.1 伊顿电气集团研制真空断路器已有40余年的历史和经验。由于在真空技术、真空工艺、触头材料、真空电弧控制及设计方面有很大发展，目前其12～15 kV真空灭弧室的直径已从1967年的180 mm 减小到50 mm。新一代TVAC型抽出式真空断路器的主要特点是：比同类断路器体积小60％，质量小50％；三位抽出式结构（断开、测试、连接），适用于抽屉柜；机构与一次导体之间具有接地金属安全挡板和接地的一次金属安全活门；弹簧压紧式多触指一次隔离触头，镀银的一次静隔离触头；数字式脱扣器单元（微处理器、RMS传感器），无需外部电源、可现场检测等。

1.2 西门子公司生产真空断路器已有30余年的历史和经验，是世界上较大的真空断路器和真空灭弧室制造公司之一。其生产的3AH 系列真空断路器的铜触头材料、纵磁场触头结构、中封式外壳及独特的铜触头材料电弧熔炼技术，使其后来者居上，已占中压开关产量的90％。世界上有30多个国家引进了西门子公司的技术。3AH系列是将3AF和3AG系列的经验与本身的传动技术和制造技术的最新成就融合为一体，主要特点是采用了组合式结构方案及新型免维护电动弹簧储能机构，使其更加小型化和可靠。西门子公司在21世纪初推出的全新NXACT开关组件是具有隔离功能的真空断路器组件，无支柱绝缘子，真空灭弧室和电流端子的机械强度承载器件是用玻璃纤维加强聚脂材料制成的半壳型器件，操作和信息柜按最佳人机控制方式布局，

是一种智能型的新一代真空断路器。

1.3 ABB公司接收的Calor Emag公司专业生产真空断路器，其产品有VBL和VD4型，额定电压12～24 kV、额定电流630～3 150 A，额定开断电流最高达50 kA。产品主要特点：结构紧骤，尤其适合安装在抽屉柜上；三相灭弧室均装在环氧树脂绝缘筒内，可防损伤和污染，且缩小了相间距离；配小型弹簧操动机构。新型VMI型真空断路器配免维护的永磁操动机构，零件数量比弹簧操动机构少60％左右。

1.4 东芝公司1965年就开始生产真空灭弧室，已累计生产了250万只。其真空断路器主要有VG、VK、VA、VL等系列，额定电压7.2～84 kV、最高额定开断电流达100 kA（13.8 kV）。新型的7.2 kV、40 kA大容量低过电压的VL型真空断路器是世界上首先实现不用过电压抑制装置的低过电压型真空断路器，主要采用了改进的AgWC合金触头材料等有效的技术措施。新开发的24 kV超小型VG型真空断路器比原来产品的体积减少了60％，质量减小了38％，采用了真空灭弧室浇注模块和新型的以盘簧为动力源的凸轮驱动方式的弹簧操动机构（合闸直线运动）。

2 、国内真空断路器的发展

2.1 国内真空断路器的发展简况

我国在20世纪60年代就开始研究真空灭弧室，70年代初开始生产真空灭弧室和真空断路器。通过引进国外先进技术，经过30年来的努力，我国已进入了真空断路器生产大国的行例，真空灭弧室和真空断路器技术水平日趋成熟，12 kV及40.5 kV级有逐渐取代SF6

断路器的趋势，20世纪初已研制成功单断口126 kV户外真空断路器。

2.2 国内真空断路器的生产现状

2.2.1 合资合作情况

引进国外技术生产和合资企业生产的真空断路器较多，包括有ABB公司的VD4系列，西门子公司的3AF、3AG、3AH3、3AH 5系列，东芝公司的VK系列，Alstom公司的HVX型，以及引进比利时EIB公司、荷兰HOIEC公司的产品等。世界上生产真空断路器的大公司差不多在中国都有合资或合作企业。

2.2.2 国产真空断路器稳步发展

在消化、吸收国外先进技术的基础上，国内主要生产真空断路器的厂家也很快发展出一批性能先进，适合我国国情，适应我国工艺条件的新一代真空断路器：西安高压电器研究所与其他单位联合研制的ZN28-12系列，额定电流1 250～4 000 A，额定开断电流20～63 kA；西安高压电器研究所与厦门华电开关有限公司联合开发的ZN96-12系列固封极柱式真空断路器，配模块化弹簧操动机构，其技术参数与制造水平已处于国际同类产品的先进行列，是我国12 kV级新一代真空断路器的代表；天水长城开关厂的ZN90-40.5型、福州天宇电器股份有限公司的ZN91-40.5型都是近年来推出的技术先进、全组装式的户内小型化产品。

近年来户外真空断路器也得到可喜的发展，除ZW6-12、ZW7-12、ZW8-12等型外，新产品不断推出，如中国电力科学研究院高压开关所研制的ZW32-12型、ZW□-40.5型，北京北开电气股份有限公司研

制的单断口ZW35-72.5型、ZW36-126型（采用日本明电舍公司的真空灭弧室，连续开断40 kA短路电流20次不检修，机械寿命10 000次，已处于国际同类产品的先进水平）。

3、我国真空断路器行业存在的主要问题

3.1 生产厂家多，集中程度差，规模效益差。国内生产真空断路器的有几百家企业。2003年统计，生产量最大的年产量8 000多台，最少的只有几十台，年产量2 000台以上的仅3家企业。而国外经验是年产量2 000台以下的企业经济效益会比较差。

3.2 产品重复引进和开发的多，型号多，精品少，仅12 kV户内真空断路器国内的型号已近100个，很多型号大同小异，真正能与国外名牌产品媲美的精品较少。所以，用户还是比较青睐国外名牌产品。

3.3 产品质量与国外产品比较有一定的差距，主要表现在真空灭弧室的质量、真空断路器的机械稳定性和机械寿命及外观等方面。

3.4 竞争激烈带来的问题。国外产品大量进入国内市场，国内生产厂家又多，为了在市场获得“一杯羹”，一些厂家采取低价销售政策，导致使用性能不良的配件，严重影响了产品质量。

4、真空断路器的发展方向

4.1开发低过电压产品。真空断路器最大的缺点是开断小电流时容易发生截流而产生过电压。过去抑制过电压普遍采用的方法是加装过电压吸收装置（如RC回路、ZnO避雷器），使真空断路器复杂化且增加了成本和事故隐患。电压越高抑制过电压越难。由于40.5 kV真空断路器过电压造成的绝缘事故频繁，上海供电局曾经在20世纪90

年代中期发文，要求在35 kV系统中限制使用真空断路器，改用SF6断路器。近年来日本在采用低过电压触头材料解决真空断路器过电压的技术方面走在前列：富士公司开发了CuCr添加高蒸汽材料，三菱公司开发了CuCrBiα多元触头材料，东芝公司开发了新型AgWC触头材料。实践证明采用低过电压触头材料来抑制过电压的方法是十分有效的，可以使过电压降低到1/10，满足使用需要。我国应加速低过电压触头材料的研制。

4.2 向大容量、小型化、高可靠性、免维护和智能化迈进。国外近年来在真空断路器大容量、小型化、高可靠性、免维护和智能化方面发展很快，新产品频出，所以能占领中国不少市场。我国应加快这些方面的研制，才能与国外产品并驾齐驱，保住自己的市场。

4.3 真空断路器属环保型产品，应尽快向高电压等级发展。