C-GIS专用真空灭弧室的研制
一种新颖的真空灭弧室
一种新颖的真空灭弧室
窦睿
【期刊名称】《旭光技术》
【年(卷),期】1996(000)003
【摘要】真空灭弧室有一个陶瓷和金属封接而成的外壳，该外壳的剖视图通常为一有三个接线端的Ｔ型结构。
三个陶瓷绝缘子的一端分别与一个金属端盖进行气密焊接。
第一端装有一个固定导体、它与装有一个传动装置部件的第二端面相对。
第二个固定导体置于第三端上，它与第一个固定导体的轴横向相对。
第一个导体有一个定触头安装在其末端。
砂置于传动装置部件的末端。
当不与静触头接触，电路处和合状态时，以及当头离开静触头，电路处于开断状态时
【总页数】7页(P39-44,47)
【作者】窦睿
【作者单位】无
【正文语种】中文
【中图分类】TM561.503
【相关文献】
1.一种具有横纵磁场的新型真空灭弧室触头三维磁场仿真 [J], 董华军;杨海军;郭英杰;向川;康凯;郭方准
2.关于《一种新颖的APPLE程序加密法》的新颖加密手段 [J], 狄振强
3.一种触头材料、真空灭弧室触头及其制备方法 [J],
4.一种新型真空灭弧室纵向磁场电极结构 [J], 王政;王季梅;刘志远;贾申利;付军
5.一种用于真空灭弧室的磁屏蔽罩 [J], 贾申利;闫静;付军;李宏群;王季梅
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真空灭弧室结构及原理
真空灭弧室结构及原理◆ 电弧◆ 真空和真空度◆ 真空电弧◆ 交流真空电弧◆ 真空击穿◆ 灭弧原理◆ 真空灭弧室的寿命1、电弧电弧或弧光放电是气体放电的一种形式。
气体放电在性质上和外观上是各种各样的。
在正常状态下，气体有良好的电气绝缘性能。
但当在气体间隙的两端加上足够大的电场时，就可以引起电流通过气体。
这种现象称为放电。
放电现象与气体的种类和压力、电极的材料和几何形状、两极间的距离以及加在间隙两端的电压等因素有关。
例如在正常状态下，给气体间隙两端的电极加压到一定程度时，普通空气中电子在电场作用下高速运动，与气体分子碰撞后产生较多的电子和离子，新生的电子和离子又同中性原子碰撞，产生更多的电子和离子，这时，气体开始发光，两电极变为炽热，电流迅速增大。
这种性质上的转变称为气体间隙的击穿，其所需的电压称为击穿电压。
这时，由于电场的支持，放电并不停止，故称为自持放电。
电弧则是气体自持放电的一种形式。
电弧具有电流密度大和阴极电位降低的特点。
2、真空和真空度低于1个大气压的气体状态，都称为真空。
描述真空程度的量叫真空度，用该气体的压力大小来表示。
l大气压= 760×133.332Pa＝1.013×105Pa（帕斯卡）或0.1013MPa 真空技术中将广阔的真空度范围划分为粗、低、高、超高、极高等区域。
其中高真空区域的气体压力为 10-1～10-6Pa，这一区域的后半段，即 1.33 ×10-3～1.33 ×10-6就是真空灭弧室通常采用的真空度范围。
在高真空区域中，单位体积内的气体分子数目大大减少了，气体分子之间碰撞的几率大大减少，气体分子之间的平均距离大大增加。
真空度的高低对灭孤能力有影响。
实验表明：灭孤室真空度在10-3Pa数量级时就能够可靠地灭弧。
真空灭弧定制造厂在产品出厂时，提高了灭孤室的真空度，达到 10-5～ 10-6 Pa，待经过20年的使用或贮存期，或多或少产生外部渗气等现象使其真空度下降到10-3Pa范围，仍能保证它的灭孤能力。
电气化铁路C-GIS开关柜新技术
电气化铁路C-GIS开关柜新技术电气化铁路C-GIS开关柜新技术我汇报的题目是电气化铁路27.5kvC-GIS开关柜新技术的研究和开发，我汇报的内容分三点，引言部分，27.5kv气体绝缘开关设备的发展现状，27.5kv中压气体绝缘开关设备国产化过程中存在一些问题。
随着我国电气化铁路尤其是高速铁路的不断发展，工程建设的复杂程度逐步加大，牵引变电所对开关设备小型化、免维护、智能化的要求越来越高。
常规的以空气为绝缘介质的开关柜普遍体积较大，重量较重，会在2吨多，操作困难，尤其不能满足恶劣条件下在高海拔、潮湿、污秽等恶劣环境条件下使用要求。
同时，大量采用的国外高气压GIS产品存在漏气及配件更换维修困难等问题，在这种背景下，铁路电气化C-GIS 产品应运而生。
柜式气体绝缘金属封闭开关设备简称为C-GIS，它是采用低气压的SF6气体、N2气体或混合气体作为开关设备的绝缘介质，用真空或SF6为灭弧介质，将母线、断路器、隔离开关等中压元件集中密闭在箱体中，综合运用现代绝缘技术、开断技术、制造技术、传感技术、数字技术生产的集智能控制、保护、监视、测量、通讯于一体的高新技术产品，具有体积小、重量轻、安全性好、可靠性高、能适应恶劣环境条件等优点。
近年来，气体绝缘开关设备在电气化铁路领域得到了迅速地推广与应用，特别是随着我国电气化铁路对开关设备提出了小型化、智能化、免维护、全工况等新的要求，高性能、高品质的充气柜在国内电气化铁路领域的需求越来越强烈。
由于传统空气绝缘开关设备受环境条件的局限性，已不能满足西部高原、东部沿海等地区用户的使用要求；高速铁路、客运专线等高等级铁路，因占地面积、免维护、高可靠性要求等因素，也必将选用27.5KV气体绝缘开关设备。
目前27.5kvC-GIS产品国内所使用的绝大部分为进口产品。
但是，国外产品由于电压等级、接地方式等差异，以及后期检修不便、维护费用高昂等问题，还不能完全满足国内用户的使用。
一种充气柜用真空断路器的设计
1 234I图1 真空断路器结构１—绝缘筒装配 2—波纹管组件 3—密封门 4—操动机构中66一种充气柜用真空断路器的设计针对 GZX 系列 C-GIS 产品在充气环境应用的实际情况，列出具体的设计过程，提出关键结构的设 计结果，阐述可供参考的设计方案。
压断路器按绝缘介质可分为真空和 SF 6两 大类， 而在C-GIS 充气柜中使用的断路器要求开断能力强、电寿命长、可靠性高，灭弧室部分免维 护，体积小等，综合考虑前述要求，选择开断部分真空 曾大生 陈敏 / 广东省顺德开关厂有限公司表2 机械特性 灭弧，用 SF 气体作为外绝缘的结构形式。
1 主要技术参数以40.5 kV/1250 A/25 kA 典型方案为例，电气参数 如表 1 所示，机械特性如表 2 所示。
表1 电气参数2 结构设计及工作原理真空断路器采用模块化设计，复合一体式结构，一 次部分置于密封气室内，以低压力的 SF 气体作为绝缘介质，以达到小型化的目的。
真空灭弧室组装在绝缘筒 内，三相水平卧式排列，方便与隔离开关的组合布置。
密封门作为安装基础，利用 O 形密封圈完成与气室的静 密封配合。
操动机构外挂在密封门上，通过波纹管组件 实现分合闸运动的传递和动密封。
断路器在合闸位置时 主回路电流路径按 I 箭头方向，如图 1 所示。
2.1 绝缘筒装配断路器的灭弧室借用国内最新设计的一种小型化产 品（用 SF 气体代替原设计的固体外绝缘），分 A 、B 、C相单独装入绝缘筒内，静端通过后出线座固定在绝缘筒 上，动端采用锥面接触形式通过导电夹、软连接和下支 架连到下出线座上。
下支架一端依靠绝缘筒内壁中的沉 孔实现定位。
灭弧室动端导电夹通过绝缘拉杆与波纹管 组件一端连接，最终借助机构的前后动作实现正常的分 合闸。
6图2 绝缘筒装配图3 波纹管组件图4 操动机构2.2 波纹管组件如图 3 所示，经过多方调研，决定采用国际新流行 的金属波纹管设计结构。
电气化铁路C-GIS开关柜新技术
电气化铁路C-GIS开关柜新技术我汇报的题目是电气化铁路27.5kvC-GIS开关柜新技术的研究和开发，我汇报的内容分三点，引言部分，27.5kv气体绝缘开关设备的发展现状，27.5kv中压气体绝缘开关设备国产化过程中存在一些问题。
随着我国电气化铁路尤其是高速铁路的不断发展，工程建设的复杂程度逐步加大，牵引变电所对开关设备小型化、免维护、智能化的要求越来越高。
常规的以空气为绝缘介质的开关柜普遍体积较大，重量较重，会在2吨多，操作困难，尤其不能满足恶劣条件下在高海拔、潮湿、污秽等恶劣环境条件下使用要求。
同时，大量采用的国外高气压GIS产品存在漏气及配件更换维修困难等问题，在这种背景下，铁路电气化C-GIS产品应运而生。
柜式气体绝缘金属封闭开关设备简称为C-GIS，它是采用低气压的SF6气体、N2气体或混合气体作为开关设备的绝缘介质，用真空或SF6为灭弧介质，将母线、断路器、隔离开关等中压元件集中密闭在箱体中，综合运用现代绝缘技术、开断技术、制造技术、传感技术、数字技术生产的集智能控制、保护、监视、测量、通讯于一体的高新技术产品，具有体积小、重量轻、安全性好、可靠性高、能适应恶劣环境条件等优点。
近年来，气体绝缘开关设备在电气化铁路领域得到了迅速地推广与应用，特别是随着我国电气化铁路对开关设备提出了小型化、智能化、免维护、全工况等新的要求，高性能、高品质的充气柜在国内电气化铁路领域的需求越来越强烈。
由于传统空气绝缘开关设备受环境条件的局限性，已不能满足西部高原、东部沿海等地区用户的使用要求；高速铁路、客运专线等高等级铁路，因占地面积、免维护、高可靠性要求等因素，也必将选用27.5KV气体绝缘开关设备。
目前27.5kvC-GIS产品国内所使用的绝大部分为进口产品。
但是，国外产品由于电压等级、接地方式等差异，以及后期检修不便、维护费用高昂等问题，还不能完全满足国内用户的使用。
27.5kv气体绝缘开关设备的发展现状 1982年西门子公司首次在汉诺威展览会上提出SF6气体绝缘开关设备。
真空灭弧室基本知识
真空灭弧室基本知识一、真空的基本概念真空技术中，“真空”泛指在给定的空间内，气体压强低于一个大气压的气体状态，也就是说，同正常的大气压相比，是较为稀薄的一种气体状态。
真空度是对气体稀薄程度的一种客观量度。
根据真空技术的理论，真空度的高低通常都用气体的压强来表示。
在国际单位制中，压强是以帕(Pa)为单位1Pa=1N/m2。
另外常用的单位还有托(Torr)、毫米汞柱(mmHg)、毫巴 (mbar)、工程大气压(公斤／厘米2)等。
真空区域的划分没有统一规定，我国通常是这样划分的：粗真空：(760～10)托低真空：(10～10-3)托高真空：(10-3～10-8)托超高真空：(10-8～10-12)托极高真空：10-12托托和帕的关系：1 托=1 毫米汞柱(mmHg)=133.322Pa，1 帕=7.5×10-3 托。
真空区域的特点不同其应用也不同，例如吸尘器工作于粗真空区域，暖瓶、灯泡等工作于低真空区域，而真空开关管和其它一些电真空器件则是工作在高真空区域。
二、真空间隙的绝缘特性真空中放置一对电极，加上高压时，在一定的电压下也会产生电极之间的电击穿。
它的击穿与空气中的电击穿有很大不同。
空气中的击穿是由于气体中的少量自由电子在电场作用下高速度运动，与气体分子碰撞产生较多的电子和离子，新生的电子和离子又同中性原子碰撞，产生更多的电子和离子。
这种雪崩式的电离过程，在电极间形成了放电通道，产生了电弧。
而真空中，由于压强较低，气体分子极少，在这样的环境中，即使电极间隙中存在着电子，它们从一个电极飞向另一个电极时，也很少有机会与气体分子碰撞。
因而不可能有电子和气体分子碰撞造成雪崩式的电击穿。
正是因为气体分子十分稀少，真空间隙电击穿需要在非常高的电压下出现场致发射等其它现象时才有可能形成。
从理论上推测，电场强度需达到108V/cm以上时才会造成电击穿，实际上真空间隙的绝缘强度由于一系列不利因素例如电极表面粗糙度、洁净度等的影响，将低于理论计算值几个数量级。
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C-GIS专用真空灭弧室的研制陈军平刘继君一、引言柜式气体绝缘金属封闭开关设备（Cubicle Gas-Insulated Switchgear）简称C-GIS，是一种用于12～40.5kV或更高电压等级的输配电系统实现控制和保护功能的新型开关设备。
C-GIS一般采用低气压的SF6气体作为的绝缘介质，使用真空作为灭弧介质，将母线、断路器、隔离开关等元件集中密闭在箱体中，具有体积小、重量轻、安全性好、可靠性高、能适应恶劣环境条件下使用等优点。
近年来，随着社会的不断进步，用户对开关设备小型化、免维护、智能化、高可靠的要求越来越高。
在中压领域尤其是在40.5kV电压等级，常规的以空气为绝缘介质的开关柜普遍体积较大（柜宽不小于1200mm，体积一般不小于7），重量较重（一般不小于2t），操作困难，尤其不能满足在高海拔、潮湿、污秽等恶劣环境条件下使用要求。
在这种背景下，C-GIS（尤其是40.5kV）越来越被引起广泛关注。
上个世纪九十年代中期以来，成都旭光电子股份有限公司作为真空灭弧室供应商与西安高压电器研究所和西安森源开关技术研究所合作共同开展C-GIS的研制工作，针对其特殊要求先后开发了多种C-GIS专用真空灭弧室，现已配合多家C-GIS生产厂完成了全部型式试验项目，并已有部分厂家开始小批量生产。
二、SF6气体的绝缘特性对SF6气体的绝缘特性我们应重点关注两个方面：一是SF6气体间隙的绝缘特性；二是SF6气体中固体绝缘件沿面放电的特点，这两点对C-GIS的设计都非常重要。
1. SF6间隙的绝缘特性a) 电场的均匀性对SF6间隙的绝缘特性影响较大。
SF6气体具有优良的绝缘特性，在均匀电场中，SF6间隙的击穿场强大约为同等空气间隙的三倍。
与空气间隙不同的是电场的均匀性对SF6间隙的绝缘特性影响较大，当电场的均匀性下降时，SF6间隙的击穿场强也随着下降。
在极不均匀电场中，SF6间隙的击穿电压将低于同等空气间隙的三倍，随着电场不均匀性的增加，SF6间隙的击穿电压与空气间隙击穿电压的差值逐渐减小，甚至有可能出现SF6间隙的50%放电电压低于空气间隙的现象。
此外，在稍不均匀电场中，随着电极距离的增加，击穿电压的增长逐步变慢并会出现饱和，因此不能单靠增大间隙来提高耐受电压。
b) 局部放电更容易发展成间隙贯穿在不均匀电场中，SF6间隙的局部放电起始电压与间隙击穿电压很接近，而相同条件下空气间隙的局部放电起始电压则比间隙击穿电压低很多，因此有可能出现SF6间隙的绝缘性能与空气接近的情况。
根据这一特点，应使C-GIS在试验电压下的最大场强值低于局部放电起始电压。
c) 在冲击电压作用下具有明显的极性效应在均匀电场中，由于间隙电场呈完全对称分布，因此没有极性效应。
在稍不均匀电场中，负极性击穿电压一般低于正负极性击穿电压。
而在不均匀和极不均匀电场中，负极性击穿电压高于正负极性击穿电压。
d) 电极表面状态的影响Sf6气体中电极电晕起始电压受电极表面状态的影响较大，零件表面粗糙度的增大和曲率半径的减小均会导致间隙击穿电压降低。
此外，当导电微粒粘附在电极表面时，其效果相当于增大了电极表面粗糙度，因此也会导致击穿电压降低。
一般认为导电微粒对工频耐压的影响较大，而对冲击耐压的影响较小。
2. Sf6气体中绝缘子的沿面放电特性影响SF6中绝缘件沿面放电的主要因素是电场分布，其次是表面清洁度、SF6电弧分解物和水分。
a) 电场分布的影响：在不均匀和稍不均匀电场中，SF6气体中绝缘件沿面闪络电压均会出现随距离的增加很快饱和的现象，但前者的负极性冲击闪络电压高于正极性，而后者则相反。
b) 嵌件间隙的影响：电极或嵌件与绝缘件的接触部位可能会由于尺寸配合问题或两种材料的热膨胀系数不同，或因浇注工艺控制不当而出现间隙，当SF6气体或空气进入间隙后将会导致起始电晕电压降低，进而导致闪络电压下降。
c) 绝缘件表面浇注质量的影响：绝缘件表面状况的缺陷主要有粗糙和气孔两种，其中气孔是影响绝缘的关键因素。
气孔的存在不仅会使绝缘件表面局部电场增强，而且还会藏污纳垢破坏表面清洁度，诱导碰撞游离，形成局部放电而发展成沿面闪络。
当气孔出现在电极附近时，负面影响最大。
d) 表面污染与水分的影响：当绝缘件表面附有油污或运行时附着金属微粒均会导致沿面闪络电压显著下降，严重时可以达到50%左右。
3. 在C-GIS产品的设计和装配过程中应注意的关键问题根据前面的分析，当使用SF6气体作为绝缘介质时，在C-GIS产品的设计和装配过程中应特别注意以下几点：尽量保证宏观电场的均匀性，最好能通过CAE软件加以分析论证；零部件不能有尖角，并尽量加大零部件外形圆角半径；提高零部件的表面质量和粗糙度水平；减少装配过程中对零部件表面的污染；因设计或工艺方面的原因使得局部电场增强不可避免时应考虑有效屏蔽；零部件表面涂覆层应牢固可靠，且不会在电场或机械冲击、摩擦等的作用下脱落。
三、C-GIS专用真空灭弧室的研制1. C-GIS对真空灭弧室的特殊要求C-GIS的最大特点是体积小。
与相同技术参数的空气绝缘开关设备相比，C-GIS除了相间、相地绝缘距离更小以外，还要求有更高的单位体积散热能力。
根据C-GIS的这两点特殊要求和前面关于SF6气体绝缘特性的分析，我们认为在设计和制造用于C-GIS产品的真空灭弧室时应重点考虑以下几个问题：a) 大电流开断时的电弧屏蔽由于C-GIS产品采用SF6气体作为绝缘介质，相间和相地绝缘距离小，当回路中流过短路电流时进出线和相间产生的电动力较大。
这个电动力除了有可能导致固定用绝缘件的损坏以外，还有可能对真空灭弧室的开断过程产生不良影响，而当采用纵向磁场触头结构时这个影响还要更显著一些，因此应在真空灭弧室中采用特殊结构和材料屏蔽外磁场对开断过程的影响。
b) 绝缘水平由于C-GIS产品的内部电场不可能做到严格意义上的均匀电场，其实质是一种不均匀或稍不均匀电场，这种情况对真空灭弧室的外绝缘水平是不利的。
为了保证真空灭弧室在这种不均匀或稍不均匀电场中仍具有产品规定的绝缘水平，除了减小真空灭弧室自身对电场分布的影响以外，还必须从产品设计和制造工艺两个方面提高其绝缘裕度。
c) 载流能力虽然SF6气体与空气相比具有更好的导热性能，但由于C-GIS产品的体积小，仍然会使得其在单位体积内的发热量高于空气绝缘的开关设备，因此仍有必要采取措施减小真空灭弧室在通过额定电流时的发热，而减小回路电阻是减小发热量的主要手段。
d) 外部形状和表面状态对整个电场的影响由于电场的均匀性对SF6气体绝缘水平的影响较大，因此在设计用于C-GIS产品的真空灭弧室时应特别注意其外露零部件的结构、形状和表面状况对整个电场均匀性的影响。
如前所述，应尽量加大外露零部件外形圆角半径，避免尖角，同时还应提高零部件的表面质量和粗糙度水平。
此外，外露零部件的表面涂覆层应牢固可靠，并确保不会在电场或机械冲击、摩擦等的作用下脱落。
与空气绝缘的产品相比，C-GIS对真空灭弧室外表面的要求是提高了而不是降低。
e) 体积为充分体现C-GIS产品体积小的优势，同时也由于在SF6气体中使用，真空灭弧室的体积应该做得比空气绝缘的产品更小一些，而体积的减小则给内部绝缘水平和开断能力提出了更高的要求。
f) 真空度的保持问题C-GIS是真正意义上的免维护产品，密封在气室内的元器件是无法维护和更换的，这就要求这些元器件在C-GIS的机械或电寿命内要保证其可靠性，对作为核心器件的真空灭弧室当然也不例外。
2. C-GIS专用真空灭弧室的设计案例a) 产品的结构特点图一所示为40.5kV/25kAC-GIS专用真空灭弧室的外形图，型号为TD-40.5/1600-25A （2226），该产品采用陶瓷外壳、中封式结构、杯状纵磁触头结构、内置式屏蔽筒，触头材料为CuCrX，绝缘外壳材料为95%氧化铝陶瓷，采用一次封排工艺进行整管装配。
我们在TD-40.5/1600-25A型真空灭弧室上采用了开断能力强、耐电压水平高、抗熔焊能力强、截流水平低、导电导热性较好、材料含气量低、综合性能优良的CuCrX触头材料。
该材料是高电压大电流真空开关触头材料的理想选择。
同时采用了公司经多年验证的纵向磁场触头结构，确保了该产品在高电压、大电流工作环境下的开断能力。
图一40.5kVC-GIS专用真空灭弧室外形图为满足C-GIS的特殊要求，真空灭弧室的直径和高度与常规空气绝缘的产品相比要小得多，这对其内部电场的设计提出了更高的要求。
为了提高其内绝缘水平，我们采用了我公司成熟的中封式屏蔽筒结构及均压屏蔽罩，并辅以CAE分析，从而使管内电场分布均匀，有利于电流的开断和绝缘水平的提高。
同时在设计过程中充分运用先进的CAE分析技术，不断地对设计进行调整直至其结构设计接近最优化。
管外绝缘方面，考虑到SF6气体的绝缘特性，我们采用了中封式、两节瓷结构。
真空灭弧室长期通过额定电流时触头间产生的发热主要通过导电系统以热传导的方式散热，因此合理地设计触头结构、选择电极尺寸和用料对满足温升要求非常重要。
TD-40.5/1600-25A型真空灭弧室采用杯状纵向磁场触头结构，此种触头结构的回路电阻和热阻比线圈式触头结构的回路电阻和热阻小三倍左右，其机械强度和加工成品率也明显大于后者。
动、静触头间的接触电阻所产生的发热是断路器温升主要热源,而接触电阻可看成有两部分组成：收缩电阻和表面电阻，其中收缩电阻与触头材料的电阻率，触头间的接触面积、接触压力、接触硬度有关；表面电阻与电接触面上覆盖物质的成分和硬度有关。
由于TD-40.5/1600-25A型真空灭弧室选用导电导热能力较强、电阻率低的CuCrX触头材料，并且在封接整管之前，统一对触头表面进行相应的工艺处理，降低收缩电阻和表面电阻，使得额定触头工作压力下的接触电阻Rc≤20μΩ，从而减少了额定工作电流下触头间的发热量。
同时由于动、静导电杆均采用导电导热能力优良的无氧铜材料，对提高温升水平也起到了良好的作用。
同时，我们还采用了先进的CAE分析技术对该产品进行温升模拟同比分析，根据分析结果进行了设计调整，满足了该产品额定电流1600A的温升使用要求。
针对该产品在装配过程中运动端的防扭要求，我们采用了专门的防扭设计，保证了装配过程中波纹管不受扭力的作用而导致损伤。
b) 主要工艺措施真空灭弧室作为真空断路器的心脏，其可靠性至关重要，为了提高真空灭弧室的可靠性，我们在生产过程中采用了以下主要措施：真空灭弧室高压后真空度低、短路开断过程中出现弧后重燃甚至不能开断等现象，在很大程度上是由于产品在加工过程中的杂质污染所致，所以我们对整管装管前的零部件进行了超声波汽相清洗，去除零部件上的污染物。
采用先进的一次封排工艺，使真空灭弧室内表面及材料内部的除气更加彻底。