真空断路器发展史

2、真空灭弧室 真空灭弧室是真空断路器的关键部件,它是采用 玻璃或陶瓷作支撑及密封,内部有动、静触头和屏蔽 罩,室内有负压,真空度为133×10或133×lOJPa, 保证其开断时的灭弧性能和绝缘水平。 真空断路器在真空灭弧室内开断电流并进行灭 弧,而真空断路器本身没有定性、定量监测真空度特 性的装置,所以真空度降低故障为隐性故障,同时,真 空度降低将严重影响真空断路器开断过电流的能力, 并导致断路器的使用寿命急剧下降严重时会引起开 关爆炸。
（３）永磁操动机构 永磁操动机构主要由永久磁铁和分、合闸控制线 圈等部件组成，是用永磁体去实现真空断路器合闸保 持和分闸保持的一种新型的电磁操动机构。当合闸控 制线圈通电时，线圈所产生的磁拉力会使动铁心向下 运动，然后由永久磁铁将动铁心保持在合闸位置；当 分闸线圈通电时，动铁心向反方向运动，同样由永久 磁铁将它保持在分闸位置。由于该机构在控制线圈不 通电流时动铁心有两个稳定工作状态合闸或闸）故也 称为双稳态永磁操动机构。
真空开关的发展促进了真空断路器的产生
1961年，美国通用电气公司开始生产15千伏、分断电流为12.5千安的 真空断路器。 1966年试制成15千伏、26千安和31.5千安的真空断路器，从而使真空 断路器进入了高电压、大容量的电力系统。 20世纪70年代后,日本东芝电气公司研制成功了具有纵向磁场触头的真空 灭弧室,使额定开断电流又进一步提高到5OKA以上。 80年代中期，真空断路器的分断能力已达100千安。 中国从1958年开始研制真空开关，1960年西安交通大学和西安开关整 流器厂共同研制成第一批6.7千伏、分断能力为600安的真空开关;随后又 制成10千伏、分断能力为 1.5千安的三相真空开关。 1969年华光电子管厂和西安高压电器研究所制成了 10千伏、2千安单相 快速真空开关。70年代以后，中国已能独立研制和生产各种规格的真空 开关。 目前真空断路器己广泛用于1OKV、35kV配电系统中,额定开断电流己 能做到5OKA-100KAo有些国家还生产了72kV/84kV级的真空灭弧室, 但数量不多。
（1 ）空气绝缘方式 产品的相间绝缘、对地绝缘和灭弧室外绝缘均为空气介 质。这样断路器的真空灭弧室多采用悬挂支撑方式,并且要遵 循严格的安装调试工艺。典型产品国内有江苏长江股份公司 的ZN68-12,国外有西门子公司的3AFJAG及3AH等系列产 品。 干净清洁的空气是良好的绝缘介质,使用历史最悠久。考 虑到环境的影响对单纯以空气作为绝缘介质的断路器及开关 柜的空气绝缘净距和爬电比距作出了规定,在相应试验基础上, 对12kV开关设备要求各相导体相间和对地净距达到125mm, 对于瓷质和有机材料绝缘件的爬电比距分别要求18mm/kV、 2Omm/kVD但有时还免不了发生绝缘事故,在绝缘净距和爬 电比距满足上述规定外最好对裸露母线增加硅橡胶套,以进一 步提高绝缘水平。 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。
真空断路器操动机构的发展历程 （１）电磁操动机构。 最早应用在真空断路器上的操动机构是通过电磁力去实现分、 合闸的，故也称为电磁操动机构。 优点： １．结构相对简单，零件数量少，制造成本低； ２．开距小（８ ～２５ｍｍ），较好地迎合了真空灭弧室的要 求。 缺点： １．合闸线圈功率大，配套的电源设备价格昂贵； ２．操作时冲击力大，操作时间长； ３．合闸接触力小，易引起触头跳动，从而产生连续、呈衰减趋势 的电火花； ４．结构笨重，不利于小型化及配网自动化。 由于电磁操动机构存在上述较多缺陷，故而逐步被市场所淘汰， 取而代之的是后续研制的弹簧操动机构
近年来,我国真空断路器的生产发展也很快。目前 国内真空灭弧室的技术与国外产品不相上下,有采用 纵向、横向的磁场技术、采用中央引燃触头技术的 真空灭弧室,Cu-Cr合金材料制成触头已成功地开断 5OKA、63kAo中国的真空灭弧室已达到较高的水 平,真空断路器完全可以选用国产的真空灭弧室。
3、操动机构的发展 随着新材料的应用和新型结构的触头不断研制成功，真空断路 器凭借真空灭弧室无与伦比的开断特性，其电气寿命和机械寿命 大大增加，逐渐替代了老式的油开关，被广泛应用于6~10.5ｋＶ 的中压电力系统中作为控制和分配电能的开关。 真空断路器的主要功能归根到底是体现在触头的分、合动作上， 而触头的分、合动作主要是通过“操动机构”来实现的，因此真 空断路器操动机构的性能和质量优劣，将对真空断路器的工作性 能和可靠性起到至关重要的作用。
(1)提高了产品的绝缘水平及抗污能力。 (2)小型化,减小了断路器及其配用的开关柜体积。 (3)防止了真空灭弧室易受外界撞击的危险。 (4)增强了主回路的外爬距,提高了灭弧室耐受电压水 平。 (5)灭弧室的免维护,为断路器免维护创造了条件。 固封式真空断路器的电气性能除了决定真空灭 弧室外,极柱的结构设计也至关重要。极柱结构除考 虑绝缘外,还应考虑强度及散热问题。大电流情况下, 甚至要与真空灭弧室一并考虑。从性能、成本上综 合考虑,真空灭弧室亦单独设计成一个系列较为合理。
（3 )固封极柱绝缘方式 固封极柱又称为浇注式极柱结构,这是中压真空断路器绝缘 结构的重大变革。固封式真空断路器的研究工作始于上个世 纪末,德国ABBCalorEIIlang公司为发展免维护真空断路器 而开发在国内,2003年7月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(VEP)-12/1250-315型固封 式真空断路器率先通过国家级鉴定,之后该产品发展很快,高参 数产品不断推出产品正在完成系列化,它已经成为近年来发展 最快的一类高压电器产品。 它的主要特点是将真空灭弧室及导电端子等零件用环氧 树脂通过APG工艺(环氧树脂自动压力凝胶工艺)包封成极柱, 然后与机构组装成断路器。 固封式真空断路器的结构在机构部分根据选用不同的机 构可能差异比较大些,但极柱的外形、结构差异不大,但其功能 都是一样的,它的优点主要有:
我国为了使断路器赶上国际先进水平，决定把开发智能化断 路器列为“八五”重点开发项目. 目前国内有的厂正在着手开发4000A、5000A的智能型断 路器
( 4) 低过电压 真空断路器开断小电流容易发生截流,引起过电 压。过电压是人们使用真空断路器最关心的问题。 一般解决方法有两种:第一种是加装过电压吸收装置 (RC回路、ZnO避雷器),但它作为真空断路器的附加 装置,不仅使真空断路器结构复杂化,而且增加成本; 另一种方法也是今后要致力研究的课题,采用低电压 触头材料。研究采用低电压触头材料日本几家公司 走在前列。富士康公司开发了CuCr添加高蒸气材料、 三菱公司开发了CuCrBiα多元触头材料,东芝公司开 发了新型的AgWC触头材料开断短路电流达40KA。
永磁操动机构的优点 １）通过双线圈分别控制分、合闸操作。即合闸线圈只控制 合闸操作，分闸线圈只控制分闸操作，提高了机构的可靠性。 ２）采用了全新的磁路设计，增大了分、合闸的保持力，减 小了分、合闸时对线圈电流的要求，降低了能耗。 ３）机构的下部基座设计有联动轴，可保证分合闸操作时三 相同期性，控制了首开相燃弧时间（１ｍｓ内）。 ４）机构的机械寿命可高达１０万次，与传统的电磁机构和 弹簧机构相比，机械寿命至少提高３倍以上。 ５）机构是通过动铁心与主轴传动拐臂相连直接驱动动触头 的，简化了传动链，无需机械脱、锁扣装置，减少了故障源。
（２）弹簧操动机构。 弹簧操动机构是利用交、直流两用电动机对弹簧进行 预储能，利用弹簧的弹性势能去进行分、合闸操作的。 优点 １．对电源要求低，冲击力较小； ２．可获得较高的合闸速度，能实现快速自动重合闸。 缺点 １．因完全依靠机械传动，故传动机构复杂，零件数量多， 故障率较高； ２．零件加工精度要求高，制造工艺复杂，制造成本较高。 由于弹簧操动机构产品的可靠性不易保证，限制了真 空断路器向电气寿命长、免维护等要求更高的方向发展。 鉴于以上两种操动机构的不足，近年来，一种将永久磁铁 应用于操动机构中的新型的 “永磁操动机构”越来越受到电力行业的关注。
4、绝缘结构的发展 据有关的历史资料对全国电力系统高压断路器 运行中的事故类型统计分析拒分事故占22.67%;拒 合事故占6.48%;开断关合事故占9.07%;绝缘事故 占35.47%;误动事故占7.02%;截流事故占7.95%; 外力及其他事故占11.439毛,其中以绝缘事故和拒 分事故最为突出,约占全部事故的60%。所以绝缘结 构也是真空断路器的一大要点根据相柱绝缘经历的 变化发展,可基本上划分为三代:空气绝缘方式、复合 绝缘方式、固封极柱绝缘方式。
(3)智能化 真空断路器在保留断路器原有的各种功能外,必须 具有对电路的异常状况进行检测与判定以及具有一 定的指令功能等也就是把计算机加入机械系统,使开 关系统有了“大脑”,再加“传感器”采集信息,用光 纤传导信息,使开关系统有了“知觉”,大Байду номын сангаас根据“知 觉”做出判断与决定使系统有了“智能”,这是配电 自动化的需要,也是断路器本身控制保护的需要。如 Alstorn公司的DCX型可编程序数字控制装置,ABB 公司的REF542型控制和保护装置,西门子公司第二 代数字保护装置等。
真空灭弧室存在的主要问题真空度降低。真空度降低的主 要原因有以下几点。 (1)真空断路器是一个比较娇嫩的元件,电子管厂出厂后, 经过多次运输颠簸、安装震动、意外碰撞等,都有可能产生玻 璃或陶瓷封接的渗漏。 (2)真空灭弧室材质或制作工艺存在间题,多次操作后出 现漏点。 (3)分体式真空断路器,如使用电磁式操作机构,在操作时, 由于操作连杆的距离比较大,直接影响开关的同期、弹跳、超 行程等特性加快真空度降低。 真空灭弧室真空度降低的处理方法: 经常观察真空灭弧室定期使用真空开关真空度测试仪对 真空灭弧室进行真空度的测量,确保真空灭弧室的真空度在规 定范围内;当真空度降低时,必须更换真空灭弧室,并做好行程、 同期、弹跳等特性试验。
（2） 复合绝缘方式 产品的绝缘结构采用固体绝缘和空气绝缘相结 合的方法,一方面提高了绝缘性能,另一方面可以减少 设备的尺寸。采用绝缘套筒式结构,真空灭弧室通过 螺栓固定在环氧树脂绝缘套筒内然后与机构组装成 断路器。这种断路器技术日趋成熟,具有代表性的产 品如国产ZN63A、ZN63B型和ABB公司技术产品 VD4型断路器。 这些措施提高了相间和对地的绝缘,可以避免外 部机械力对灭弧室的冲撞,断路器尺寸也能减小,但是 环境气候条件对灭弧室外绝缘的影响还不可避免,对 极柱的装配还是有比较高的工艺要求。