中压真空断路器综述

目录1.中压真空断路器概述 (1)1.1 中压真空断路器的特点及应用现状 (1)1.2中压真空断路器的结构 (1)2.中压真空断路器关键部件及技术 (3)2.1 操动机构 (3)2.2 真空灭弧室 (5)2.3 固封极柱技术 (7)2.4 触头结构设计 (8)3.国内外中压真空断路器典型产品 (10)3.1 国外产品 (10)3.2 国内产品 (11)4.中压真空断路器的发展方向 (12)1.中压真空断路器概述1.1 中压真空断路器的特点及应用现状真空断路器是以真空为绝缘与灭弧介质，其特点主要体现在以下几方面：安全性——采用高真空，用于绝缘与灭弧，无火灾和爆炸危险；环保性——在密闭的灭弧室内熄弧，电弧和炽热气体无泄露，操作噪音小，体积小，重量轻，成本低；节能性——触头间隙小，操作功率小；免维护性——在使用年限内，灭弧室不需要维修检查；可靠性——灭弧室完全封闭，不会因受外界环境的影响而降低其性能，工作可靠；寿命长——熄弧时间短，弧压低，电弧能量小，触头损耗小，可用于多次开断。

上述优点推动了真空断路器在中压电压等级电力系统中的大力发展，使真空开关在中压领域占主导地位。

在国外市场，中压真空断路器在20世纪70年代初仅占比百分之几，1980年约为20%，1990年约为55%，2000年已达70%。

在我国，2004年的统计数据显示，12kV真空断路器占同级断路器产量的98.85%，40.5kV 真空断路器占同类产品的61.49%。

1.2中压真空断路器的结构中压真空断路器一般由导电及灭弧系统、本体、传动系统及操动机构组成。

其中真空灭弧室为真空断路器的心脏，操动机构为其神经中枢，两者对真空断路器至为重要。

中压真空断路器的结构框图见图1-1。

中压真空断路器从结构演变看，大致可分为3 种类型：（1）分体式通常采用悬挂布置或综合布置。

断路器的灭弧室部分和操动机构部分为分体式，典型产品如ZN28A 系列，操动机构配用CD17- CD19 等，见图1-2。

图1-2 分体式真空断路器（2）整体式断路器的灭弧室和操动机构设置在一个几何尺寸尽量小的共同框架上。

弹簧操动机构采用平面布置，操动机构的零部件固定在真空断路器的机架上。

断路器位置配合精度、整体刚度大为提高，很容易实现断路器功能单元的模块化设计，同时安装、调试、检修均非常方便。

典型产品如ZN12 系列真空断路器，布置图见图1-3。

（3）整体式复合绝缘或全绝缘型由一浇注的绝缘框架或管状绝缘体支撑真空灭弧室，有效地防止真空灭弧室受到机械或电气的损害，同时改善了电场分布，使相与地的绝缘可满足湿热及严重污秽环境要求。

此类断路器最大的优点在于其结构紧凑、体积小巧，用较小的功即可操动，因而操动机构的磨损也极小。

这些特点决定了该类真空断路器不但具有优良的电气、绝缘性能，而且还具有较高的可靠性、较长的使用寿命。

典型产品如ZN63A（VS1）真空断路器，结构布置图见图1-4。

图1-4 整体绝缘式真空断路器2.中压真空断路器关键部件及技术2.1 操动机构真空断路器中，真空灭弧室是心脏，而操动机构则为神经中枢。

操动机构不仅要完成各种操动任务，而且直接关系到断路器的可靠性。

国内外运行经验表明，真空断路器的故障（如拒分、拒合等）大多出现在操动机构上。

因此，操动机构的选型和维护已引起制造和运行部门的普遍关注。

目前，真空断路器的操动机构主要有电磁操动机构、弹簧操动机构及最新的永磁操动机构三种。

（1）电磁操动机构电磁操动机构中的螺管电磁铁的出力特性容易满足真空断路器合闸反力特性的要求。

常用的电磁操动机构有CD10和CD17型。

CD10型操动机构原配SN10—10型少油断路器，真空断路器发展初期因无专用操动机构而被采用。

CD17型电磁操动机构是专门为真空断路器设计的操动机构。

它有CD17—1、CD17—11、CD17—111 型，分别配开断能力为20、31.5、40kA的真空断路器，体积、重量都比CD10型操动机构小得多。

电磁操动机构的优点是结构简单、零件数少（约为120个）、工作可靠、制造成本低。

其缺点是合闸线圈消耗的功率太大，因而要求配用昂贵的蓄电池，加上电磁操动机构笨重，动作时间较长。

（2）弹簧操动机构弹簧操动机构是利用已储能弹簧的动力，来操动断路器的机构，如图2-1所示。

弹簧操动机构的储能通常由电动机通过减速装置来完成。

整个操动机构大致可分为弹簧储能、储能保持、合闸位置保持及分闸操作等四个部分。

弹簧操动机构的出力特性基本上就是储能弹簧释能的下降特性。

为改善匹配，设计中采用四连杆机构和凸轮机构来进行特性改变。

弹簧操动机构的优点是不需要大功率直流电源，电动机功率小，交直流两用，适宜交流操作。

其缺点是结构比较复杂，零件数多（多达200个），且加工精度要求高，制造工艺复杂，成本高。

图2-1 弹簧操作机构（3）永磁操动机构永磁操动机构是电磁系统与永磁系统的结合，如图2-2所示。

永磁操动机构一般用电磁铁驱动，永久磁铁锁扣，电容器组储能，且用电子器件控制。

它是一种最新的操动机构。

永磁操动机构相比弹簧操动机构带来一系列优势：零件数大大减少，从而减少了库存和出故障的可能性，将维护工作量减至最小；永磁操动机构提高了断路器的机械寿命；永磁操动机构有很好的出力—行程特性，非常接近真空断路器的要求。

图2-2 永磁操作机构1.转轴；2.接近开关；3.合闸线圈；4.永久磁铁；5.动铁芯；6.分闸线圈；7.手动解锁机构目前应用较广泛的为永磁操动机构与弹簧操动机构。

比较而言，各有其利与弊。

永磁操动机构的利在于结构简单，零部件少，可靠性高；不利的因素则是必须提供一个直流电源（直流屏或者电容器放电）和负责分、合闸线圈电流通断的控制单元。

直流电源与控制单元所带来的成本及可靠性问题则成为大家关注的焦点问题。

另外，永磁操动机构将弹簧操动机构的机械问题变成电气问题，尚有一系列问题有待研究，如电容器的寿命和电解质的老化问题、永久磁铁的保持力问题、电子器件的可靠性问题、温升对永久磁铁性能的影响问题、提高刚分速度及减小分闸末速度之间的矛盾问题、永久磁铁的稳定性问题及电磁干扰问题等。

同时，永磁操动机构还要解决价格问题，目前价格远高于弹簧操动机构。

国内真空断路器配用的操动机构大多为弹簧操动机构。

弹簧操动机构制造技术成熟，运行经验丰富，可拆可调，且能配大容量真空断路器。

何况弹簧操动机构本身也在不断改进之中，尤其在减少零件数、简化结构、提高可靠性及模块化等方面。

2.2 真空灭弧室真空灭弧室作为真空开关的心脏，对真空开关的性能影响甚大。

若真空灭弧室发生漏气或真空度下降，则会导致真空开关丧失其性能。

我国目前有真空灭弧室制造厂家近20 家，经过多次设计方案和生产工艺的改进，真空灭弧室质量大大提高，而且还在不断提高。

真空灭弧室用于真空断路器、真空接触器、真空负荷开关以及真空重合器和分段器。

我国真空灭弧室在参数上能满足企业使用要求，在数量上能满足市场需求，今后的方向是开发专用化和多功能化真空灭弧室。

目前我国真空灭弧室额定电压主要为12kV、24kV、40.5kV。

同时，72.5kV 和126/145kV 真空灭弧室正在研发之中。

其中以12kV 级产量最大，40.5kV 级次之，24kV 级随着20kV 级电网的扩大而增加。

在真空灭弧室内，装有一对动、静触头，触头周围是屏蔽罩，其结构简图见图2-3，实物剖视图见图2-4。

灭弧室的外部密封壳体可以是玻璃或陶瓷。

动触头的运动部连接着波纹管，作为动密封。

图2-3 真空灭弧室的结构简图1一端部屏蔽罩;2一静导电杆;3一绝缘外壳;4一悬浮屏蔽罩;5一静触头6一动触头;7一波纹管;8一动导电杆图2-4 真空灭弧室剖视图（1）屏蔽罩屏蔽罩的作用是吸收弧腔中在开断电流时真空电弧的金属蒸气，使之沉淀并附着在罩内，而不致溅落在绝缘罩的内壁上，避免由此降低灭弧室的绝缘强度。

另外，屏蔽罩的合理布置还起着改善断口电场分布的作用，提高断品耐压和恢复强度。

在高压真空灭弧室中，为使断品具有足够的耐压，必须装多个屏蔽罩。

保护屏蔽罩装在波纹管上方，或靠近波纹管，其目的在于防护波纹管免受从触头而来的熔化物的损伤。

（2）波纹管波纹管也是一个非常重要的部件，它必须满足各类灭弧室的机械寿命和气密可靠性的要求。

金属波纹管被普遍用作动触头运动的真空密封。

波纹管的一端固定，连在灭弧室的一个端面板上。

另一端运动，连到动触头的导电杆上。

波纹管的制作有旋压式和焊接式，但优先用旋压式。

在大多金属波纹管中，运动及负荷都是相当缓慢加上去的，使波纹管均匀伸长或缩短。

但是在真空灭弧室中，运动是冲击式的，一端通过断路器的行程突然运动，然后又突然止动，这种动作在合分操作中快速反复。

现代真空断路器的机械耐久性一般在万次以上，而真空接触器在100万次甚至200万次。

这时，波纹管的寿命很关键，特别是应有相当大的疲劳强度。

波纹管的机械寿命制约着真空灭弧室的寿命。

近年来，由于工艺的改进，制作的波纹管基本上能满足真空灭弧室的要求。

（3）绝缘外壳绝缘外壳的作用是支持动、静触头和屏蔽罩等金属部件，它与这些部件气密地焊接在一起，以确保灭弧室内的高真空度。

制造绝缘外壳的材料有硼硅玻璃、微晶玻璃和氧化铝瓷（含Al2O3不低于94%的高铝瓷）。

早期的玻壳灭弧容易制造，成本低，便于用高频放电法检测管内真空度。

缺点是机械强度差，玻璃熔点低，不能进行一次封排大批量生产，所以工业国家的制造厂已不再使用，而我国现在仍在大量生产玻壳灭弧室。

氧化铝瓷制造的圆筒型外壳两端面经研磨后在高温下进行金属化处理，便于在真空封接炉中用银铜合金进行气密性钎焊。

由于玻璃、氧化铝瓷的线膨胀系数比金属大，所以在它们与上、下端盖和屏蔽罩等金属部件之间必须用具有和玻璃、氧化铝瓷线膨胀系数接近的铁钴镍合金（可线）焊接。

陶瓷外壳的优点是具有高强度和耐冲击力，能确保灭弧室在长达几万次甚至几百万次的机械操作中始终维持管内的高真空度。

2.3 固封极柱技术真空断路器的极柱绝缘经历了空气绝缘—复合绝缘—固封绝缘。

最初为空气绝缘，带电部分完全裸露在空气中，容易受空气中湿度、灰尘的影响。

而且运输过程中容易磕碰等。

后来出现了复合绝缘，复合绝缘是将真空灭弧室纵向垂直安装在筒状绝缘体内，防止灭弧室受外界环境影响。

在电压效应方面可使电场最佳分布。

并允许有较小的极间距，在湿热和重污染环境下可对电压效应呈现出高阻态，但复合绝缘的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。

最新出现了固封极柱技术，固封绝缘全部用环氧树脂包封，这样做不仅缩小了灭弧室尺寸，而且彻底不受外界环境影响，提高了耐气候性。

此时环氧树脂不仅作为一次部分的主绝缘，而且又是它的机械支撑，其电场分布和应力分布优于各种形状的绝缘隔板结构。