高壓真空斷路器的設(shè)計(jì)

1、 畢畢 業(yè)業(yè) 設(shè)設(shè) 計(jì)計(jì) 題 目： 高壓真空斷路器的設(shè)計(jì) 系： 電氣與信息工程系 專業(yè)： 電氣工程 班級(jí)： 0000 學(xué)號(hào)： 000000 學(xué)生姓名： xx 導(dǎo)師姓名： xxx 完成日期： 2010 年 6 月 誠(chéng) 信 聲 明 本人聲明： 1、本人所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）是在老師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究 工作及取得的研究成果； 2、據(jù)查證，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文）中不包含其他人已經(jīng)公開(kāi)發(fā)表過(guò)的研究成果，也不包含為獲 得其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位而使用過(guò)的材料； 3、我承諾，本人提交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中的所有內(nèi)容均真實(shí)、 可信。 作者簽名： 日期：2010 年 6 月 15 日 目

2、目 錄錄 高壓真空斷路器高壓真空斷路器 .1 1 high-voltagehigh-voltage vacuumvacuum circuitcircuit breakerbreaker .2 2 第第 1 1 章章 緒論緒論 .3 3 1.1 真空斷路器的現(xiàn)狀及其發(fā)展.3 1.1.1 開(kāi)發(fā)低過(guò)電壓觸頭材料，降低截流水平4 1.1.2 大容量化 5 1.1.3 采用先進(jìn)的一次封排工藝，提高產(chǎn)量和質(zhì)量5 1.1.4 縮小滅弧室管徑，減少零件數(shù)和提高可靠性縮小滅弧室管徑5 1.1.5 向少維護(hù)方向發(fā)展 6 1.2 真空斷路器的應(yīng)用運(yùn)行及其特點(diǎn).6 1.2.1 概述6 1.2.2 真空斷路器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)9

3、 1.3 真空斷路器的發(fā)展趨勢(shì) .10 第第 2 2 章章: :設(shè)計(jì)的基本任務(wù)及要求設(shè)計(jì)的基本任務(wù)及要求 .1313 2.1 主要技術(shù)參數(shù) .13 2.2 基本任務(wù)及要求.13 第第 3 3 章章: :設(shè)計(jì)過(guò)程設(shè)計(jì)過(guò)程 .1414 3.1 真空滅弧理論研究.14 3.1.1 真空電弧的特性14 3.1.2 擴(kuò)散型和集聚型真空電弧的特性16 3.1.3 交流真空電弧的熄滅原理 18 3.2 真空滅弧室的設(shè)計(jì)計(jì)算 .18 3.2.1 屏蔽罩19 3.2.2波紋管20 3.2.3導(dǎo)電系統(tǒng)21 3.2.4排氣管21 3.3觸頭設(shè)計(jì) .22 3.4 動(dòng)、熱穩(wěn)定驗(yàn)算，溫升驗(yàn)算 .24 3.4.1 溫升驗(yàn)算

4、 24 3.4.2 動(dòng)、熱穩(wěn)定性驗(yàn)算 25 3.5 絕緣結(jié)構(gòu)分析 .26 3.5.1 額定絕緣水平及絕緣強(qiáng)度 26 3.5.2 額定電壓及最高電壓29 3.6 操動(dòng)機(jī)構(gòu)選用及有關(guān)計(jì)算 .29 3.6.1 對(duì)操動(dòng)機(jī)構(gòu)的要求 29 3.6.2 操動(dòng)機(jī)構(gòu)的比較和選用30 結(jié)束語(yǔ)結(jié)束語(yǔ) .3838 參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn) .3939 目目 錄錄 摘要摘要 .1 1 abstractabstract .2 2 第第 1 1 章章 緒論緒論 .3 3 1.1 真空斷路器的現(xiàn)狀及其發(fā)展.3 1.1.1 開(kāi)發(fā)低過(guò)電壓觸頭材料，降低截流水平.4 1.1.2 大容量化.5 1.1.3 采用先進(jìn)的一次封排工藝，提高產(chǎn)量和

5、質(zhì)量.5 1.1.4 縮小滅弧室管徑.6 1.1.5 向少維護(hù)方向發(fā)展.6 1.2 真空斷路器的應(yīng)用運(yùn)行及其特點(diǎn).7 1.2.1 概述.7 1.2.2 真空斷路器結(jié)構(gòu)特點(diǎn).10 1.3 真空斷路器的發(fā)展趨勢(shì).11 第第 2 2 章章: :設(shè)計(jì)的基本任務(wù)及要求設(shè)計(jì)的基本任務(wù)及要求 .1414 2.1 主要技術(shù)參數(shù).14 2.2 基本任務(wù)及要求.14 第第 3 3 章章: :設(shè)計(jì)過(guò)程設(shè)計(jì)過(guò)程 .1515 3.1 真空滅弧理論研究 .15 3.1.1 真空電弧的特性.15 3.1.2 擴(kuò)散型和集聚型真空電弧的特性.18 3.1.3 交流真空電弧的熄滅原理.19 3.2 真空滅弧室的設(shè)計(jì)計(jì)算.20 3

6、.2.1 屏蔽罩.21 3.2.2波紋管.22 3.2.3導(dǎo)電系統(tǒng).22 3.2.4排氣管.23 3.3觸頭設(shè)計(jì).23 3.4 動(dòng)、熱穩(wěn)定驗(yàn)算，溫升驗(yàn)算.26 3.4.1 溫升驗(yàn)算.26 3.4.2 動(dòng)、熱穩(wěn)定性驗(yàn)算.27 3.5 絕緣結(jié)構(gòu)分析.27 3.5.1 額定絕緣水平及絕緣強(qiáng)度.27 3.5.2 額定電壓及最高電壓.30 3.6 操動(dòng)機(jī)構(gòu)選用及有關(guān)計(jì)算.30 3.6.1 對(duì)操動(dòng)機(jī)構(gòu)的要求.31 3.6.2 操動(dòng)機(jī)構(gòu)的比較和選用.31 結(jié)束語(yǔ)結(jié)束語(yǔ) .4040 致致 謝謝 .4141 參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn) .4242 附附 錄錄 .4343 高壓真空斷路器 1 高壓真空斷路器 摘要：近年來(lái)隨

7、著世界各國(guó)對(duì)環(huán)境保護(hù)越來(lái)越重視，sf6 氣體的使用和排放便受到限 制，從而使電器領(lǐng)域內(nèi) sf6 斷路器的發(fā)展也必將受到限制。同時(shí)， 真空斷路器在中壓領(lǐng)域己經(jīng)占據(jù)了主導(dǎo)地位，真空斷路器將不斷向高電大容量方 向發(fā)必然的趨勢(shì)絕緣介質(zhì)的壓真空斷路器取代高壓 sf6 斷路器是種 國(guó)內(nèi)首次設(shè)計(jì)了不用 sf6 氣體作滅弧室外嚷提出以絕緣硅脂代替 kv/1600 戶外高 壓真空斷路器樣機(jī)，順應(yīng)環(huán)保的要傳統(tǒng)的 sf6 氣體或油作為真空滅弧室的外絕緣介質(zhì)。 真空斷路器的成功研制將是環(huán)保型真空開(kāi)關(guān)由中跨向高壓領(lǐng)域的關(guān)鍵一步，對(duì)高 壓真空斷路器的發(fā)展有著重要意義本文首次將 adams 虛擬樣機(jī)技術(shù)成功地應(yīng)用于高 壓真

8、空斷路器產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，打破了傳統(tǒng)的斷路器產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法，建立了 715kv 真空斷路 器虛擬樣機(jī)模型，在物理樣機(jī)制造之前就在計(jì)算機(jī)上對(duì)虛擬樣機(jī)模型進(jìn)行了仿真分析， 為改進(jìn)、it 化其關(guān)鍵參數(shù)提供了引導(dǎo)，有效地縮短了開(kāi)發(fā)時(shí)間和節(jié)約開(kāi)發(fā)成本。 隨著真空斷路器電壓等級(jí)的升高和它操作功的增大，產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中將會(huì)遇到一 些新問(wèn)題。1997 年聯(lián)合國(guó)在日本京都召開(kāi)了聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約。京都議定書(shū)把 sf6 氣體列入為一種嚴(yán)重溫室效應(yīng)的氣體，規(guī)定到 2030 年后將禁用 sf6 斷路器及有關(guān) 應(yīng)用 sf6 氣體的設(shè)備。最近幾年來(lái)世界各國(guó)均在致力于研究可替代 sf6 氣體的電氣設(shè) 備，包括 sf6 斷路器。而真

9、空斷路器是無(wú)污染可持續(xù)發(fā)展的最杰出代表。我國(guó)真空斷 路器水平和國(guó)外真空斷路器還有很大的差距，在國(guó)際的市場(chǎng)，國(guó)內(nèi)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中處于 劣勢(shì)。為了我國(guó)電氣的生存和發(fā)展我們的必須嚴(yán)肅對(duì)待真空斷路器的研究。 本文主要設(shè)計(jì)內(nèi)容是以給定的主要技術(shù)參數(shù)，以 zn 型真空斷路器為參照，設(shè)計(jì) 一臺(tái)真空斷路器并進(jìn)行有關(guān)驗(yàn)算。 關(guān)鍵詞高壓真空斷路器 高壓真空斷路器 2 high-voltage vacuum circuit breaker abstract：recently, people pay more atention to human living environment in theworld, and sf

10、6 is limited to be used and be let out, so the development of sf6circuit breaker is restricted. on the contrary, middle voltage vacuum circuit breaker (vcb) has bzen highly developed, and vcb with high voltage and largecapacity has become considerably interested in the world, so it is predictabletha

11、t vcb would certainly be instead of sf6 one in future. in this paper, it is thefirst time to develop a new hvcb without sf6 in our country, which ratedvoltage, 72.5kv rated current, 1600a. it is important to develop the vcbsuccessfully in the high voltage field in china.the virtual prototype technol

12、ogy-adams is applied firstly to develophvcb product, which is diferent from traditional designing method. with thehelp of the admas software, the virtual prototype model of the vcb is built,then is simulated and analyzed by choosing diferent breaking and closingcondition before the real vcb is manuf

13、actured. it is convenient to modify andoptimize the vcbs key parameters by means of adams, so it saves the periodand cost of the vcb., development validly.a lot of new problems would come up during the development of highvoltage vcb. the impact phenomenon between vcbs mechanistic parts isfound while

14、 vcb is breaking. this paper analyzes the reasons of impactphenomenon, and put forward a measure on how to reduce efect of the impactphenomenon. based on adamss simulating, this paper gives out all theinformation on vcbs moving character, and bring forward innovatively thatvcrs breaking could be div

15、ided into four successive phases.the high voltage insulation is one of key problems in this paper. theelectrical fields of vacuum interrupters and insulative links have been calculatedwith the help of ansys software, of which vcbs insulative character wasdesigned on the basis. at last, some experime

16、nts have been done to verify thecalculation. keywords high-voltage vacuum circuit breaker; virtual prototype technology; moving character; insulative character 高壓真空斷路器 3 第 1 章 緒論 1.1 真空斷路器的現(xiàn)狀及其發(fā)展 根據(jù)真空斷路器國(guó)外發(fā)展的趨勢(shì)、國(guó)內(nèi)技術(shù)現(xiàn)狀和我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展 的需要，在我國(guó)發(fā)展高壓真空斷路器是必要的。 首先，從環(huán)保的角度考慮，高壓真空斷路器取代高壓 sf6 斷路器是高 壓斷路器發(fā)展的一種方向。sf6 氣

17、體在 20 世紀(jì) 40 年代起就被研究，由于 sf6 氣 體具有特異的熱化學(xué)性和電負(fù)性，因而其絕緣性能和滅弧性能也特別好，被廣泛用作 高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備的絕緣和滅弧介質(zhì)，并于 1959 年推出第一臺(tái)實(shí)用的 sf6 斷路器，目前它 已成為斷路器的主要品種。由于 sf6 斷路器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)先進(jìn)等原因， sf6 斷路器已經(jīng)在高壓及超高壓領(lǐng)域(即 72.5kv 及以上電壓等級(jí))內(nèi)幾乎占據(jù)了所有的 份額，還制成大量的 sf6 氣體絕緣開(kāi)關(guān)設(shè)備(gis)，因此 sf6 氣體的使用量在不斷增加。 sf6 氣體是世界上最不活潑的著名氣體之一，在大氣中的壽命也最長(zhǎng)，約為 3200 年， 因此也是最主要的地

18、球溫室效應(yīng)氣體之一。目前以 gwp 值(global warming potential, 全球溫暖化勢(shì)位，或稱全球升溫潛能值)來(lái)描述氣體對(duì)地球溫室效應(yīng)所起作用的強(qiáng)弱。 以二氧化碳(c02)的 gwp 值為 1,則 sf6 氣體的 gwp 值為 23900，是目前看到的最高值， 顯然 sf6 氣體是最嚴(yán)重的溫室效應(yīng)氣體。雖然目前 sf6 氣體的使用量與 co:排放量相 比所占的比例很小，各種氣體對(duì)溫室效應(yīng)的作用仍以 co:所占的百分比最大(約為 60 )， 但 sf6 氣體對(duì)地球溫室效應(yīng)的潛在危害是最大的。 為此，從全球環(huán)境保護(hù)出發(fā)，1997 年聯(lián)合國(guó)在日本京都會(huì)議上提出了決定草案， 即聯(lián)合國(guó)

19、氣候變化框架公約京都議定書(shū)(簡(jiǎn)稱京都議定書(shū)181)，在該議定書(shū)附 件 a 中，列出了六種溫室效應(yīng)氣體:二氧化碳( c02 ).甲烷(ch4 ),氧化亞氮(n02).氫氟碳 化物(hfcs)、全氟化碳(pfcs ).六氟化硫(sf6);并列出了與這些溫室氣體相關(guān)的部門(mén)類(lèi) 別和相應(yīng)的產(chǎn)業(yè)，其中能源工業(yè)和制造工業(yè)、六氟化硫的生產(chǎn)和消費(fèi)等均在指名之列。 京都議定書(shū)規(guī)定 2008 年至 2012 年為第一個(gè)排放量限制和削減承諾期，在附件 b 中列出了有關(guān)締約方的排放量限制或削減承諾(以 1990 年為基準(zhǔn)年，對(duì)于 sf6 等后 3 種氣體則以 1995 年為基準(zhǔn)年)。我國(guó)政府也明確表態(tài)，中國(guó)決心和國(guó)際社

20、會(huì)一起努力 保護(hù)我們共同的環(huán)境，已于 2002 年 8 月 30 日正式向聯(lián)合國(guó)遞交了對(duì)京都議定書(shū) 的批準(zhǔn)書(shū)。目前 sf6 氣體的應(yīng)用主要在高電壓電力設(shè)備中作為絕緣和滅弧介質(zhì)。 京都 議定書(shū)對(duì) sf6 氣體的限制使用，應(yīng)引起我們足夠的重視。早在十幾年以前，電器工 高壓真空斷路器 4 作者就己開(kāi)始了有關(guān) sf6 氣體替代品的研究，但至今尚未找到滿意的替代品。曾廣泛 開(kāi)展了混合氣體應(yīng)用的研究，現(xiàn)在也已有了明確的結(jié)論，即對(duì)于 sf6 斷路器來(lái)說(shuō)，采 用混合氣體并沒(méi)有好處，隨著 sf6 氣體使用量所占比例的減少，則開(kāi)斷性能(滅弧能力) 也相應(yīng)下 降。從絕緣性能方面，則采用混合氣體有一定好處，現(xiàn)己開(kāi)始采

21、用 n2/sf6 混合氣 體，甚至 n:占到 80%時(shí)尚有較好的絕緣性能，這樣在絕緣介質(zhì)中可大量減少 sf6 氣體 的用量。從環(huán)保要求，今后不應(yīng)進(jìn)一步發(fā)展 sf6 斷路器，而應(yīng)該以其他綠色環(huán)保型的 斷路器來(lái)代替，只有目前仍無(wú)法取代的超高壓斷路器仍可采用 sf6 斷路器外，應(yīng)逐步 減少 sf6 斷路器的產(chǎn)量;同時(shí)積極發(fā)展高壓真空斷路器來(lái)取代 sf6 斷路器。d1 其次， 從國(guó)內(nèi)需求情況和經(jīng)濟(jì)效益來(lái)看，發(fā)展高壓真空斷路器有著現(xiàn)實(shí)的意義。從目前我國(guó) 電力系統(tǒng)中高壓斷路器運(yùn)行的情況來(lái)看，少油斷路器的設(shè)計(jì)達(dá)不到開(kāi)斷容量的要求， 而電網(wǎng)短路容量的不斷增長(zhǎng)，少油斷路 器已不能滿足電網(wǎng)的需要9. sf6 斷路

22、器雖然能滿足要求，但不能符合環(huán)保要求。 雖然高壓真空斷路器一次投資價(jià)格稍貴一點(diǎn)，但是全面地從環(huán)境保護(hù)的經(jīng)濟(jì)效益角度 考慮是可取的，而且真空斷路器平常不需要維護(hù)檢修(根據(jù)日本的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，用于電氣 化鐵道和電弧電爐的真空滅弧室己能確保在額定電流下操作 100 萬(wàn)次不需維護(hù)檢修 10，短路開(kāi)斷次數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于少油和 sf6 斷路器，還具有壽命長(zhǎng)，無(wú)爆炸危險(xiǎn)等等優(yōu) 點(diǎn)。 本文上節(jié)在國(guó)內(nèi)情況中已經(jīng)提到我國(guó)在制造真空滅弧室和真空斷路器 以及真空電弧理論研究方面都取得了很大的成績(jī)，在此基礎(chǔ)上發(fā)展高壓真空斷路 器也是合理和可行的。 20 世紀(jì) 20 年代提出真空開(kāi)斷電流的概念后，到 60 年代才得到突破， 制造出

23、真正意義上的真空斷路器并投入使用，此后便得到蓬勃發(fā)展，現(xiàn)也己成為 斷路器的主要品種之一，但目前主要應(yīng)用在 40.5kv 及以下電壓等級(jí)，更高電壓等級(jí)的 真空斷路器還未正式投入應(yīng)用。真空斷路器對(duì)環(huán)境污染最小是符合環(huán)保要求的產(chǎn)品。 日本在十幾年前己制成 84kv-168kv 單斷口的真空滅弧室，除 84kv 等級(jí)有實(shí)際產(chǎn)品外， 于技術(shù)和經(jīng)濟(jì)等方面的原因，更高電壓等級(jí)的真空斷路器并沒(méi)有實(shí)際產(chǎn)品和應(yīng)用。 近年來(lái)，真空斷路器有了很大的發(fā)展，這得益于真空斷路器技術(shù)的進(jìn)步。真空斷 路器技術(shù)的進(jìn)步表現(xiàn)在大容量化、低過(guò)電壓化、智能化和小型化。而這一進(jìn)步又是由 于真空技術(shù)、滅弧室技術(shù)的發(fā)展及采用新工藝、新材料及新

24、操動(dòng)技術(shù)的結(jié)果。 1.1.1 開(kāi)發(fā)低過(guò)電壓觸頭材料，降低截流水平 眾所周知，真空斷路器屬“硬”開(kāi)斷特性。開(kāi)斷小電流時(shí)容易截流，引起過(guò)電壓。 高壓真空斷路器 5 這個(gè)問(wèn)題曾是人們使用真空斷路器最關(guān)心的問(wèn)題。cucr 觸頭材料的使用，大大減少了 截流值，如西門(mén)子公司命名用 cucr 觸頭材料，做到試驗(yàn)截流值 3a，產(chǎn)品保證不超過(guò) 5a。但有些開(kāi)斷情況需要進(jìn)一步減少截流值，以避免危險(xiǎn)的過(guò)電壓，如用真空斷路器 開(kāi)斷發(fā)生堵轉(zhuǎn)或正在啟動(dòng)的電動(dòng)機(jī)時(shí)，一般的解決辦法是加裝過(guò)電壓吸收裝置，如 sic、rc 回路、zno 避雷器等，最新的做法是開(kāi)發(fā)低過(guò)電壓觸頭材料，即不加任何過(guò) 電壓吸收裝置而在觸頭材料上想辦法，

25、使之能降低過(guò)電壓。 日本幾家公司先后都開(kāi)發(fā)低過(guò)電壓觸頭材料，日立公司研制出一種以銀為主的 co- ag-se 觸頭材料，東芝公司研制出 agwc 觸頭材料，富士公司在 cucr 觸頭材料里添 加高蒸氣材料，三菱公司采用 cucr-bi- 多元觸頭材料解決截流問(wèn)題。 這些觸頭材料能有效地解決截流問(wèn)題，可將截流值降低至 1/10。但截流與大電流 有矛盾。因此低過(guò)電壓真空斷路器一般做到 7.2kv 20ka 水平。 1.1.2 大容量化 真空斷路器的容量已有很大的提高，完全能滿足電力發(fā)展的需要。目前，真空斷 路器的額定電流已達(dá) 4000a，額定短路開(kāi)斷電流已高達(dá) 12kv 下 6370ka。東芝公司

26、在 實(shí)驗(yàn)室試制 200ka。 真空斷路器邁向大容量化，首先是由于觸頭結(jié)構(gòu)的改進(jìn)。觸頭結(jié)構(gòu)的改進(jìn)經(jīng)歷了 平板觸頭橫磁場(chǎng)觸頭縱磁場(chǎng)觸頭。平板觸頭的開(kāi)斷電流在 8ka 以下，橫磁場(chǎng) 觸頭將開(kāi)斷電流提高到 40ka，而縱磁場(chǎng)觸頭又將開(kāi)斷電流大大提高，達(dá)到目前的 6380ka。縱磁場(chǎng)觸頭有兩種結(jié)構(gòu)型式；一種是用裝在滅弧室外圍的線圈產(chǎn)生縱磁場(chǎng)， 另一種是觸頭本身的特殊結(jié)構(gòu)產(chǎn)生縱磁?？v磁場(chǎng)時(shí)，電弧呈擴(kuò)散形態(tài)分成許多細(xì)弧， 均勻分布在整個(gè)觸頭表面。有利于提高開(kāi)斷電流和延長(zhǎng)觸頭壽命。 觸頭材料的不斷改進(jìn)提高了開(kāi)斷性能，觸頭材料目前主要有兩大體系：cubi 和 cucr。與 cubi 相比，cucr 材料具有短路

27、電流開(kāi)斷能力強(qiáng)、介質(zhì)強(qiáng)度高、耐燒蝕、截 流低等優(yōu)點(diǎn)。觸頭材料直接影響截流水平，如 cubi 材料的截流水平一般為 1012a， 而 cucr 材料將截流水平降至 35a。 觸頭材料還在不斷發(fā)展，在 cubi 和 cucr 之后又出現(xiàn)了更好的 cuta 等材料。 1.1.3 采用先進(jìn)的一次封排工藝，提高產(chǎn)量和質(zhì)量 一次封排工藝是制造真空滅弧室的先進(jìn)工藝。20 世紀(jì) 80 年代初，英、美等國(guó)已將 一次封排工藝用于真空滅弧室的大批量生產(chǎn)。英國(guó) gec 公司和美國(guó)西屋公司最早采用 一次封排工藝?，F(xiàn)在東芝公司、西門(mén)子公司、abb calor emag 等公司也已采用一次封 排工藝。 高壓真空斷路器 6

28、一次封排工藝相比常規(guī)工藝大大簡(jiǎn)化了工藝流程，不僅效率高，而且質(zhì)量好，特 別適合大批量生產(chǎn)。 總之，一次封排工藝將焊接、除氣、封裝、排氣等工藝步驟在真空爐中一次完成， 大大簡(jiǎn)化了制造工藝，提高了產(chǎn)品的可靠性、穩(wěn)定性和一致性。國(guó)內(nèi)寶光集團(tuán)現(xiàn)已具 備年產(chǎn) 5 萬(wàn)只一次封排真空滅弧室能力。 1.1.4 縮小滅弧室管徑 減少零件數(shù)，就能降低造價(jià)，因?yàn)椴牧腺M(fèi)占滅弧室造價(jià)的 4050%。 由于縱磁場(chǎng) 觸頭和 cucr 觸頭材料的使用，大大減少了滅弧室管徑。 真空滅弧室尺寸的減小是真空技術(shù)、真空工藝、真空滅弧室設(shè)計(jì)發(fā)展的主要結(jié)果。 而真空滅弧室管徑的縮小，結(jié)果使真空斷路器的整體尺寸大大減小，從而使真空斷路 器

29、趨于小型化。 1.1.5 向少維護(hù)方向發(fā)展 由于對(duì)操動(dòng)機(jī)構(gòu)的不斷優(yōu)化、改進(jìn)材料、改進(jìn)工藝、減少調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)等都可以達(dá)到 提高壽命的目的。 真空斷路器之所以為眾多廠家青睞，除產(chǎn)量大、覆蓋面廣之外，首要原因是由于 真空技術(shù)、真空工藝、滅弧室制造技術(shù)的不斷進(jìn)步，使真空斷路器具有優(yōu)異的電性能 和機(jī)械性能，能滿足不同用戶的不同要求。另一個(gè)重要原因，是它對(duì)環(huán)境友好，在人 們普遍注重環(huán)保的今天，這點(diǎn)尤為重要。 在真空斷路器中，不產(chǎn)生分解物，因?yàn)樵谶@里開(kāi)斷時(shí)只產(chǎn)生金屬蒸汽。真空滅弧 室絕對(duì)密封釬焊，不會(huì)與環(huán)境相互影響。污穢、灰塵及潮氣均不能進(jìn)入滅弧室，這就 避免了任何的氧化。滅弧室的所有材料均以潔凈的狀態(tài)保持在整

30、個(gè)壽命期間。 真空滅弧室對(duì)外部作用具有良好的保護(hù)性。其殼體主要由氧化鋁陶瓷制作。由于 它經(jīng)受了高溫預(yù)處理，不受溫度變化的影響。 真空斷路器在我國(guó)已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。特別是在中等電壓領(lǐng)域里，真空斷路器已 占有明顯優(yōu) 勢(shì)。國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，zn28 系列真空斷路器以其領(lǐng)先的技術(shù)與高可靠性，已 成為生產(chǎn)單位產(chǎn)量最 大和系列最全的真空斷路器。但還缺少大容量品種，對(duì)中等電壓 真空斷路器的應(yīng)用范圍將受 到一定限制，因此很有必要開(kāi)發(fā) 10kv 系列真空斷路器的 大容量規(guī)格以進(jìn)一步完善化。目前已 完成額定電流 4000a、額定開(kāi)斷電流 50ka 的真 空斷路器。今后將繼續(xù)研究試制更大額定電流 和更大額定開(kāi)斷電流的 10

31、kv 電壓等級(jí) 的真空斷路器。 為了適應(yīng)大容量發(fā)電機(jī)組保護(hù)用的斷路器，我國(guó)正在開(kāi)發(fā)額定電壓 24kv、額定電 高壓真空斷路器 7 流 12500a 和 額定開(kāi)斷電流 125240ka 的真空斷路器。 此外，我國(guó)在完成戶外額定電壓 110kv、額定電流 1250a 和額定開(kāi)斷電流 31.5ka 的基礎(chǔ)上 ，將繼續(xù)開(kāi)發(fā)額定電流更大、額定開(kāi)斷電流更大的 110kv 戶外真空斷路器外， 同時(shí)開(kāi)發(fā) 220kv 電壓等級(jí)的戶外真空斷路器。 1.2 真空斷路器的應(yīng)用運(yùn)行及其特點(diǎn) 1.2.1 概述 將各種電力開(kāi)關(guān)設(shè)備進(jìn)行綜合比較后發(fā)現(xiàn), 真空開(kāi)關(guān)是電力系統(tǒng)中用途最廣的，隨 著電力工業(yè)的飛速發(fā)展，輸、變、配電技

32、術(shù)水平越來(lái)越高，用電的安全可靠性等要求 也越來(lái)越苛刻，這就要求斷路器適應(yīng)不同場(chǎng)合、不同要求的用電需要，同時(shí)還能適應(yīng) 長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行、頻繁切合操作循環(huán)與切斷大電流的要求。 2002 年,在 12kv 電壓等級(jí)斷路器中，真空斷路器占 92.27%的市場(chǎng)份額，比上年的 90.16%增加了 2.11%；sf6 斷路器占 7.27%，比上年的 9.13%下降了 1.86%，少油和多 油斷路器僅分別占 0.32%和 0.14%的市場(chǎng)份額，均比上年的 1.99%和 1.20%下降。這一 變化走勢(shì)，與前幾年的情況相類(lèi)似。數(shù)據(jù)表明，真空斷路器在中國(guó)市場(chǎng)上已完全占據(jù) 絕對(duì)主導(dǎo)地位。據(jù)推斷，其市場(chǎng)份額還會(huì)繼續(xù)增長(zhǎng)。中國(guó)

33、的中壓開(kāi)關(guān)即將完全走進(jìn)無(wú) 油化時(shí)代。 真空斷路器作為 12 kv 斷路器的主導(dǎo)產(chǎn)品，將繼續(xù)朝著小型化、高可靠性、少維 護(hù)的方向發(fā)展。在斷路器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，有更多的產(chǎn)品采用本體與操動(dòng)機(jī)構(gòu)一體化 的設(shè)計(jì)方案。在斷路器本體極柱方面，目前大部分的極柱均為裝配式。隨著真空技術(shù) 和嵌入技術(shù)的發(fā)展，abb 率先將免維護(hù)的真空滅弧室直接澆鑄在環(huán)氧樹(shù)脂中，形成一 個(gè)獨(dú)立的斷路器極柱。這種型式的斷路器，使真空滅弧室和其他導(dǎo)件與外界環(huán)境完全 隔離，避免外力和外界環(huán)境對(duì)滅弧室和其他導(dǎo)電件的影響，增強(qiáng)了外絕緣強(qiáng)度；而且 澆鑄式極柱大大減少了手工裝配工作量，最大限度減少極柱裝配過(guò)程中可能出現(xiàn)的誤 差，從而使斷路器的安全

34、可靠性得到進(jìn)一步的提高，真正實(shí)現(xiàn)極柱的免維護(hù)。操動(dòng)機(jī) 構(gòu)方面，在 abb 率先推出永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)，但大部分客戶對(duì)此持觀望態(tài)度。永磁與彈簧 操動(dòng)何以為佳？各自更適合于何種應(yīng)用場(chǎng)合？如此等等，仍是一個(gè)值得繼續(xù)探討的話 題。 隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民物質(zhì)文化生活水平的不斷提高，人們對(duì)電力需求愈來(lái) 愈大，促使電力事業(yè)迅速發(fā)展。電網(wǎng)不斷擴(kuò)大，用戶對(duì)供電質(zhì)量和供電可靠性要求越 來(lái)越高。電力法的公布和貫徹執(zhí)行，更要求電力供電部門(mén)提供安全、經(jīng)濟(jì)、可靠和高 高壓真空斷路器 8 質(zhì)量的電力。 90 年代以前，我國(guó)的配電網(wǎng)很薄弱，10kv 配電網(wǎng)大部分采用放射形供電，可靠性 差，配電設(shè)備比較陳舊，大多是不可遙控的。配

35、電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)設(shè)備少，信息傳輸 通道缺乏，因而信息搜集量少，這些導(dǎo)致事故處理自動(dòng)化程度低，處理時(shí)間長(zhǎng)，事故 后恢復(fù)供電慢，一些地區(qū)發(fā)生電網(wǎng)事故，導(dǎo)致重要用戶停電。除了某些認(rèn)為的因素以 外，電氣設(shè)備水平低、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)薄弱、可靠性低，是其主要原因；自動(dòng)化程度低、管 理不善也是重要原因之一。這是因?yàn)殚L(zhǎng)期以來(lái)配電網(wǎng)的建設(shè)未得到應(yīng)有的重視，建設(shè) 資金短缺，設(shè)備技術(shù)性能落后（以往我國(guó)發(fā)電和配電投資的比例為 1：0.12，大大落后 于先進(jìn)國(guó)家的 1：0.60.7 的投資比例） ，造成在配電網(wǎng)上投資欠帳太多，其薄弱程 度大大超過(guò)輸電網(wǎng)。 90 年代以來(lái)，我國(guó)電力工業(yè)的發(fā)展迅速。借鑒國(guó)外的經(jīng)驗(yàn)，各電力公司競(jìng)相加

36、大 了配電網(wǎng)的投資力度，其主要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)自動(dòng)化，以確保提供給用戶的電能質(zhì) 量滿足要求。目前，隨著計(jì)算機(jī)及通信技術(shù)在我國(guó)的廣泛應(yīng)用，電力系統(tǒng)的控制保護(hù) 技術(shù)也發(fā)生了重大變化。傳統(tǒng)的模擬式信號(hào)測(cè)量、傳輸，發(fā)展為數(shù)字式遙測(cè)、光纖傳 輸。現(xiàn)在，通過(guò)計(jì)算機(jī)可以方便地進(jìn)行監(jiān)測(cè)、通訊和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了電力設(shè)備的操 作、運(yùn)行和保護(hù)的智能話。微電子、微處理技術(shù)與開(kāi)關(guān)設(shè)備相結(jié)合，能充分發(fā)揮微電 子、微處理技術(shù)對(duì)大量信息存儲(chǔ)、適時(shí)判斷、快速反映等特點(diǎn)，使開(kāi)關(guān)設(shè)備能適時(shí)根 據(jù)電網(wǎng)的參數(shù)變化動(dòng)作，使一次設(shè)備的保護(hù)更加完善可靠，并減少維護(hù)工作量，且有 利于實(shí)現(xiàn)遙信、遙測(cè)、遙控、遙調(diào)。以上這些技術(shù)都為我國(guó)配電自動(dòng)化的

37、迅速發(fā)展提 供了良好條件。 我國(guó)城市建設(shè)的規(guī)模和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展對(duì)配電網(wǎng)提出了較高的要求，配網(wǎng)自動(dòng)化發(fā)展 呈現(xiàn)以下趨勢(shì)： （1）配電一次設(shè)備選擇應(yīng)符合當(dāng)前配電網(wǎng)形勢(shì)要求，具有高度可靠性和優(yōu)越的技 術(shù)性能。尤其是對(duì)配電網(wǎng)開(kāi)關(guān)的要求是不燃燒、高可靠和無(wú)油化。目前在中壓開(kāi)關(guān)領(lǐng) 域主要以真空開(kāi)關(guān)和 sf6 開(kāi)關(guān)為主，在 40.5kv 級(jí)，真空開(kāi)關(guān)和 sf6 開(kāi)關(guān)平分秋色，而 在 12kv 級(jí)真空開(kāi)關(guān)占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。開(kāi)關(guān)設(shè)備的操動(dòng)機(jī)構(gòu)及內(nèi)部結(jié)構(gòu)適應(yīng)于戶外運(yùn)行條件， 做到不檢修周期長(zhǎng)，設(shè)備運(yùn)行可靠，這樣才能大大減輕運(yùn)行人員的勞動(dòng)強(qiáng)度和維護(hù)費(fèi) 用。 （2）二次保護(hù)和控制設(shè)備應(yīng)具有高可靠性，很強(qiáng)的抗干擾能力和電磁兼容性

38、，適 合戶外高溫和瓷溫等較為嚴(yán)酷的運(yùn)行環(huán)境。 為了適應(yīng)電力系統(tǒng)的上述要求，電器設(shè)備除了一直向著大容量、智能化、組合化、 小型化的方向發(fā)展外，一次設(shè)備的高可靠性仍然是電器設(shè)備最重要的根本問(wèn)題和追求 高壓真空斷路器 9 目標(biāo)。斷路器作為電力系統(tǒng)終端設(shè)備之一，起著保護(hù)作用，其可靠性和智能化的水平 對(duì)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定和自動(dòng)化程度將產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。作為中高壓電器最重要的設(shè)備之 一，斷路器的可靠性一直受到用戶和生產(chǎn)制造企業(yè)的關(guān)注。目前，中高壓以上斷路器 都是有觸點(diǎn)機(jī)械式開(kāi)關(guān)，滅弧室本體和操動(dòng)機(jī)構(gòu)的可靠性就成為高可靠性的關(guān)鍵。為 了提高可靠性，各大公司及研發(fā)制造單位都下了很大的力量，從產(chǎn)平結(jié)構(gòu)、材料和生 產(chǎn)工

39、藝等各方面來(lái)保證可靠性的提高。 在配電和供電系統(tǒng)中，由于斷路器的使用量大面廣，操作頻繁，可靠性和免維護(hù) 要求更高，因此可靠性的研究開(kāi)發(fā)一直在不斷地進(jìn)行著。 作為中壓開(kāi)關(guān)的主流產(chǎn)平，真空斷路器提高可靠性并達(dá)到免維護(hù)的途徑應(yīng)從其具 有的基本功能和運(yùn)行條件綜合考慮，主要有以下幾個(gè)方面： 1.高可靠的開(kāi)斷性能。開(kāi)斷能力是斷路器最重要的性能之一，因此在滅弧室的開(kāi)斷 性能方面做過(guò)大量的研究工作。對(duì)于真空斷路器，經(jīng)過(guò)改進(jìn)真空滅弧室觸頭結(jié)構(gòu)，從 平板觸頭到橫磁場(chǎng)觸頭到縱磁場(chǎng)觸頭，使得電弧在觸頭表面不再聚集而呈擴(kuò)散形態(tài)， 觸頭整個(gè)表面均勻受熱，防止了局部過(guò)熱。這樣，觸頭表面燒損更小，大大提高了開(kāi) 斷電流和觸頭壽

40、命。研究開(kāi)發(fā)新的材料，采用 cucr 觸頭材料，改進(jìn)觸頭制造工藝，進(jìn) 一步提高滅弧室性能。采用先進(jìn)的一次封排工藝，除氣徹底，滅弧室壽命長(zhǎng)，提高了 滅弧室的可靠性，穩(wěn)定性和一致性。經(jīng)過(guò)多年的不斷研究和開(kāi)發(fā)，目前，真空滅弧室 的開(kāi)端容量和開(kāi)斷能力不斷提高。 2.高可靠的機(jī)械性能。按結(jié)構(gòu)，斷路器分為操動(dòng)機(jī)構(gòu)和開(kāi)關(guān)本體倆部分。數(shù)十年的 斷路器發(fā)展歷史表明，操動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)斷路器的發(fā)展有著極大的影響。斷路器的動(dòng)態(tài)性能 與所采用的操動(dòng)技術(shù)有很大關(guān)系。由于傳動(dòng)操動(dòng)機(jī)構(gòu)零部件數(shù)量多，傳動(dòng)關(guān)系復(fù)雜， 雖經(jīng)長(zhǎng)期的研究改進(jìn)，多年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，操動(dòng)機(jī)構(gòu)、電氣控制和輔助回路的故障 率仍占斷路器故障的很大比重。從國(guó)際、國(guó)內(nèi)的

41、統(tǒng)計(jì)數(shù)字來(lái)看，斷路器的故障中，機(jī) 械故障占大多數(shù)。國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議組織的國(guó)際調(diào)查表明，機(jī)械故障高達(dá)總故障的 70.3%， 如包括輔助電器和控制回路，則為 89.4%，成為斷路器可靠性的關(guān)鍵問(wèn)題。因此，在 斷路器向高電壓、大容量、高可靠性發(fā)展的今天，為了滿足電力系統(tǒng)對(duì)高可靠性的要 求，在致力于提高傳統(tǒng)操動(dòng)機(jī)構(gòu)性能、質(zhì)量和可靠性的同時(shí)，也有必要突破傳統(tǒng)意義 上的機(jī)構(gòu)動(dòng)作原理，研制和發(fā)展新的斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)。 可靠性的高低和零部件數(shù)量的多少有直接關(guān)系，減少零部件數(shù)量將明顯提高斷路 器的可靠性。因此，論是改進(jìn)提高傳統(tǒng)操動(dòng)機(jī)構(gòu)的性能和質(zhì)量，還是研制新型操動(dòng)機(jī) 構(gòu)，提高可靠性的理論依據(jù)首先應(yīng)為簡(jiǎn)化機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)，減

42、少零部件數(shù)目。 3.高可靠的絕緣性能。斷路器的絕緣性能要考慮工作電壓下長(zhǎng)期運(yùn)行和由于各種因 高壓真空斷路器 10 素產(chǎn)生的過(guò)電壓情況。由于電氣設(shè)備小型化的要求，使得絕緣結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)在首先滿足 絕緣性能要求的前提下，采用優(yōu)化電場(chǎng)結(jié)構(gòu)、利用高性能的絕緣材料等，達(dá)到絕緣高 可靠和小型化的目的。 4.高可靠的環(huán)境耐受能力。斷路器在周?chē)h(huán)境各種條件作用下都應(yīng)可靠工作。這些 條件主要有海拔高度、環(huán)境溫度、空氣濕度、污穢等的影響。在高海拔條件下，由于 大氣壓力低，空氣稀薄，耐壓水平降低，散熱也差，允許通過(guò)的電流應(yīng)該減小一些。 溫度過(guò)低會(huì)使各種潤(rùn)滑油的薪度增加，影響開(kāi)關(guān)電器的分、合閘速度:溫度過(guò)高，可能 造成導(dǎo)

43、電部分過(guò)熱等。對(duì)此國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)都有相應(yīng)的規(guī)定。另外，還要考慮濕度和污穢的 影響。濕度很大，容易引起金屬零件銹蝕，造成開(kāi)關(guān)拒動(dòng);絕緣件表面凝露、受潮，絕 緣性能下降。沿海地區(qū)和重工業(yè)集中地區(qū)，空氣中污穢嚴(yán)重，容易導(dǎo)致絕緣表面的污 閃事故。另外，還有振動(dòng)等影響因素。因此，斷路器根據(jù)使用環(huán)境不同和用戶使用要 求，要能夠滿足環(huán)境方面的要求。 5.智能化和高可靠的_次控制部分。為了滿足配網(wǎng)自動(dòng)化的要求和開(kāi)關(guān)電器智能化 的發(fā)展，斷路器的二次系統(tǒng)越來(lái)越多地采用電子設(shè)備和元件，電子控制系統(tǒng)的電磁兼 容性能也受到了極大的關(guān)注。為了保證二次控制部分的可靠性，控制單元的設(shè)計(jì)應(yīng)完 整正確，應(yīng)對(duì)電子元器件進(jìn)行優(yōu)化選擇和篩選

44、，制作工藝精良，應(yīng)采取有效的抗干擾 措施，調(diào)試應(yīng)嚴(yán)格細(xì)致等。最后在電磁兼容性能方面應(yīng)按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求通過(guò)各項(xiàng)試驗(yàn)。 1.2.2 真空斷路器結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 真空斷路器是指斷路器的主觸頭置于真空滅弧室內(nèi)，觸頭的開(kāi)斷與閉合均在高真 空度的環(huán)境中進(jìn)行。所以真空斷路器的結(jié)構(gòu)，實(shí)為真空滅弧室的結(jié)構(gòu)。 觸頭： 觸頭的結(jié)構(gòu)和大小是影響斷路器開(kāi)斷能力的重要因素。真空滅弧室的觸頭，一般 采用對(duì)接式，但對(duì)接式觸頭易產(chǎn)生觸頭彈跳現(xiàn)象，因此需要提高觸頭的初壓力，以減 少觸頭的彈跳(其彈跳時(shí)間不允許超過(guò) 2ms)。為了克服短路電流的電動(dòng)斥力，觸頭還必 須具有足夠大的終壓力。常用觸頭材料有銅鉍合金、銅鉻合金、銅鉍鋁合金等，而觸 頭

45、表面(跑弧面)則采用純銅或鉻銅。 觸頭的形式有園盤(pán)式和磁吹式兩種。觸頭的開(kāi)距，10kv 一般為 1016mm，35kv 一般為 2440mm。 屏蔽罩： 屏蔽罩是包圍在觸頭周?chē)慕饘賵A筒，它的作用是吸收燃弧過(guò)程中放出的金屬 高壓真空斷路器 11 蒸汽和金屬液滴，防止其返回觸頭間隙引起重燃，和防止沉積到絕緣外殼表面引起的 外殼絕緣強(qiáng)度降低。 真空滅弧室的屏蔽罩通常是和動(dòng)、靜觸頭絕緣的，可防止真空電弧由觸頭表面轉(zhuǎn) 移到屏蔽罩上，從而防止因電弧在屏蔽罩表面燃燒導(dǎo)致開(kāi)斷失敗。屏蔽罩絕緣固定時(shí)， 屏蔽罩還有均壓作用，可改善真空滅弧室的絕緣特性。 波紋管： 波紋管是真空滅弧室重要的部件。利用波紋管的縱向可

46、伸縮性，從真空滅 弧室外部用機(jī)械方法使內(nèi)部的觸頭運(yùn)動(dòng)，而又不破壞外殼的氣密性。波紋管是真空滅 弧室中唯一的需要大幅度運(yùn)動(dòng)的機(jī)械變形的元件，容易因疲勞損壞。真空滅弧室中常 用的是壁厚為 0.120.14mm 的液壓成型或機(jī)械滾壓成型的波紋管。一般使用的材質(zhì)為 鉻鎳鈦不銹鋼。 在真空滅弧室中，波紋管外部為真空，內(nèi)部為大氣，波紋管的內(nèi)外存在一個(gè)大氣 壓的氣壓差。在此壓差的作用下產(chǎn)生一個(gè)將動(dòng)觸頭壓緊在靜觸頭上的力，稱作觸頭自 閉力。 絕緣外殼： 真空滅弧室的絕緣外殼常用材料有玻璃或高氧化鋁陶瓷。玻璃外殼的強(qiáng)度低于陶 瓷外殼，且加工精度較低，但價(jià)格低，玻璃外殼真空滅弧室適用于開(kāi)斷電流較小的斷 路器。陶瓷

47、外殼則可用于所有的真空斷路器。 真空滅弧室的真空度： 真空滅弧室真空度過(guò)低時(shí)，真空滅弧室的絕緣性能及開(kāi)斷能力都將嚴(yán)重惡化。真 空度過(guò)高時(shí)，真空滅弧室的特性基本不隨真空度的變化而變化，為了確保真空滅弧室 的可靠工作，要求真空滅弧室真空度高于 6.510-1pa，一般的真空度為 1.310- 21.310-5pa 之間。 為了使真空滅弧室具有足夠的真空度，且在運(yùn)行中保持真空度不變，因此，要求 真空滅弧室的外殼不漏氣和內(nèi)部零件不產(chǎn)氣。為了保持高的真空度，不少真空滅弧室 內(nèi)裝有吸氣劑以吸收真空滅弧室在儲(chǔ)存和運(yùn)行期間內(nèi)部零件釋放出的氣體。 檢驗(yàn)真空滅弧室的真空度，一般采用工頻耐壓試驗(yàn)法，為了提高檢驗(yàn)的準(zhǔn)

48、確度， 還可采用專用儀器即磁控真空計(jì)測(cè)量。 1.3 真空斷路器的發(fā)展趨勢(shì) 真空斷路器正向高壓、大容量方向發(fā)展。通用電器公司 1980 年生產(chǎn)出 186kv 開(kāi)斷 電流為 40ka 的雙斷口真空斷路器；明電舍公司 1980 年開(kāi)始生產(chǎn) 123kv 開(kāi)斷電流為 高壓真空斷路器 12 31.5ka 的單斷口真空斷路器；東芝公司根據(jù)國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)的需要，于 1987 年在日本首次 研制出 145kv、開(kāi)斷電流為 31.5ka 的單斷口真空斷路器及 168kv 雙斷口真空斷路器已 開(kāi)始取代同時(shí)代同等級(jí)少油斷路器。 首先,觸頭結(jié)構(gòu)的改進(jìn)是真空斷路器技術(shù)發(fā)展的最積極因素之一。在日本首先發(fā)明 了縱磁場(chǎng)觸頭，開(kāi)始為

49、線圈型，后來(lái)出現(xiàn)了多種結(jié)構(gòu)形式。西門(mén)子公司開(kāi)發(fā)的是杯狀 縱磁場(chǎng)觸頭，用的最多的是線圈型縱磁場(chǎng)觸頭和杯狀縱磁場(chǎng)觸頭。 與橫磁場(chǎng)觸頭相比，縱磁場(chǎng)觸頭在直徑相同的條件下，具有大得多的開(kāi)斷能力。 在開(kāi)斷電流相同時(shí)，縱磁場(chǎng)觸頭的電腐蝕速度比橫磁場(chǎng)觸頭小得多，因而其電壽命比 橫磁場(chǎng)觸頭長(zhǎng)得多，同時(shí)在開(kāi)斷短路電流后，其觸頭表面比較平整光滑，所以觸頭間 隙的耐壓強(qiáng)度高。 東芝公司采用縱磁場(chǎng)觸頭后，開(kāi)發(fā)出開(kāi)斷能力 100ka 的真空斷路器，實(shí)驗(yàn)室中已 成功開(kāi)斷了 200ka。西門(mén)子公司已將 63ka 真空斷路器商品化，還用三臺(tái) 63ka 真空斷 路器并聯(lián)作為發(fā)電機(jī)保護(hù)斷路器，其額定短路開(kāi)斷電流為 63ka 額定

50、電流為 12ka。 真空斷路器的發(fā)展明顯趨向于大容量、高電壓、低過(guò)電壓和小型化，而其觸頭材 料是保證這種發(fā)展的一個(gè)重要因素。通常要求觸頭材料要開(kāi)斷容量大、耐壓強(qiáng)度高、 截流水平低、電磨損率小、抗熔性能好等，但還沒(méi)有一種材料能同時(shí)滿足這些要求。 一些公司采用銅鉻合金做觸頭材料，銅和鉻的蒸氣壓力差別極小，因此在電弧作用區(qū) 域不會(huì)發(fā)生材料成分的明顯變化。銅和鉻在電弧作用下的熔化基本上具有平整形狀， 它們的平滑熔化區(qū)慢慢變硬而不會(huì)由于出現(xiàn)凸出部分、陷口和裂紋而發(fā)生畸變。由于 觸頭表面平整，觸頭間隙才可能足夠短，觸頭材料的容積也可能趨于最?。ㄒ?yàn)榇罅?觸頭蒸氣材料沉積在另一個(gè)觸頭上并可重新利用）被熔化的

51、平整表面很快地硬化保證 了開(kāi)斷電流之后電氣強(qiáng)度的迅速增大。鉻含量增加可以防止觸頭熔焊。西屋公司和西 門(mén)子公司都采用銅鉻合金做觸頭材料。西門(mén)子公司用燒結(jié)浸漬法和電弧熔煉法制造觸 頭材料。西屋公司用的是混粉法。銅鉻合金觸頭加上縱磁場(chǎng)可大大提高真空斷路器的 開(kāi)斷容量，銅鉻觸頭材料的性能目前仍處于領(lǐng)先地位。東芝公司也早已采用了性能優(yōu) 異的銅鉻觸頭材料和縱磁場(chǎng)觸頭，從而使電弧在開(kāi)斷大電流時(shí)由集聚型轉(zhuǎn)變?yōu)閿U(kuò)散型， 大大提高了真空斷路器的開(kāi)斷能力。 其次,在觸頭材料方面，外國(guó)在繼續(xù)尋找和開(kāi)了新的材料。應(yīng)該指出的是，目前在 國(guó)外所開(kāi)發(fā)的觸頭材料中，還沒(méi)有一種能同時(shí)滿足所有要求（開(kāi)斷容量大、耐壓強(qiáng)度 高、截流水

52、平低、電磨損率小、抗熔性能好等）的萬(wàn)能性觸頭材料。這些材料多半是 加入某種成分，使得某種參數(shù)改善，但其它參數(shù)卻變壞。例如，加進(jìn)鉍可減少截流和 熔焊程度，但同時(shí)會(huì)降低電氣強(qiáng)度，還會(huì)明顯降低開(kāi)斷能力。加進(jìn)大量的鐵和鉻，會(huì) 高壓真空斷路器 13 大大增加耐電氣腐蝕性，提高開(kāi)斷電流和電氣強(qiáng)度，但同時(shí)增大的平均電阻，并繼而 使得額定電流通過(guò)時(shí)真空滅弧室的溫升提高。 再者,真空滅弧室是真空斷路器的心臟，真空斷路器的可靠性在很大程度上取決于 真空滅弧室的可靠性，因而真空滅弧室的制造技術(shù)至關(guān)重要。 真空滅弧室的外殼過(guò)去多采用玻璃材料制造，造價(jià)較低。目前在國(guó)外，一般都采 用陶瓷外殼，多數(shù)是高鋁陶瓷。它最大能承受

53、 1600 的高溫，其熔點(diǎn)為 2030，耐壓強(qiáng)度 高。金屬封接材料采用與陶瓷熱膨脹系數(shù)十分接近的 fenico 合金。陶瓷焊接面是經(jīng) momn 化學(xué)結(jié)合法形成陶瓷金屬化層，用熔化溫度為 779 的 agcu28 作為焊接材料， 在真空中進(jìn)行釬焊，也可在惰性氣體中進(jìn)行焊接。德國(guó) aeg 公司在制造過(guò)程中采用的 釬焊工藝，是在釬以前，把一種特殊的金屬鍍層應(yīng)用到高純氧化鋁陶瓷上，這種鍍層 要在 1500以上的氫氣中經(jīng)過(guò)燒結(jié)熱處理。 真空滅弧室的觸頭材料也與制造技術(shù)密切相關(guān)，現(xiàn)在銅鉻合金觸頭材料仍為真空 滅弧室采用的最好的觸頭材料。 真空滅弧室的屏蔽罩一般采用中封式結(jié)構(gòu)，它改善了電場(chǎng)分布，提高了絕緣強(qiáng)

54、度。 最后,波紋管的制造技術(shù)對(duì)滅弧室的機(jī)械壽命也很重要。世界各公司都在不斷改進(jìn) 波紋管的制造工藝，提高其壽命。西門(mén)子公司對(duì)每批波紋管抽一定數(shù)量進(jìn)行壽命試驗(yàn)， 試驗(yàn)不合格就不能投入生產(chǎn)線，還要檢查波紋管的壁厚，壁厚不均勻的波紋管也不能 使用。波紋管一般選用不銹鋼材料，日前有成型波紋管和焊接波紋管。成型波紋管用 于真空斷路器中。焊接波紋管伸縮行程在、壽命長(zhǎng)、體積大、造價(jià)高，多用于真空接 觸器中。英國(guó)對(duì)波紋管的試驗(yàn)研究表明，增加波紋管的波紋數(shù)并不能有效地延長(zhǎng)波紋 管的使用壽命。波紋管的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足使波紋管操作行程比率和波紋管的伸縮長(zhǎng)度比率 為 0。30。4。西門(mén)子公司在真空斷路器滅弧技術(shù)中采用了等離子

55、技術(shù)，以減少觸頭表 面的燒損和磨損，這樣使真空滅弧管發(fā)生故障的平均時(shí)間為 25 年。 對(duì)真空滅弧室進(jìn)行高壓老練，可以除去觸頭表面的微粒。其機(jī)理是利用場(chǎng)致發(fā)射 作用，蒸發(fā)除去觸頭表面細(xì)絲或針狀物。一般老練電壓為 30100v，電流為幾百安。 高壓真空斷路器 14 第 2 章:設(shè)計(jì)的基本任務(wù)及要求 本課題主要設(shè)計(jì)內(nèi)容是以給定的主要技術(shù)參數(shù)，以 zn 型真空斷路器為參照，設(shè) 計(jì)一臺(tái)真空斷路器并進(jìn)行有關(guān)驗(yàn)算。 2.1 主要技術(shù)參數(shù) 額定電壓：10kv ;額定電流：630a ;額定頻率：50hz ;合閘電壓：220v ；外形尺寸： 800*850*590 ；安裝尺寸：700*800 ； 2.2 基本任務(wù)

56、及要求 1） 真空滅弧理論的研究 2） 真空滅弧的設(shè)計(jì)計(jì)算 3） 觸頭設(shè)計(jì) 4） 動(dòng)、熱穩(wěn)定驗(yàn)算，溫升驗(yàn)算 5） 絕緣結(jié)構(gòu)分析 6） 操動(dòng)機(jī)構(gòu)選用及有關(guān)計(jì)算 7） 真空斷路器總裝配圖設(shè)計(jì)，零部件圖設(shè)計(jì) 8) 編寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 高壓真空斷路器 15 第 3 章:設(shè)計(jì)過(guò)程 3.1 真空滅弧理論研究 隨著真空技術(shù)和材料工藝等的日趨完善，真空斷路器也得到迅速發(fā)展，并且成功 地被應(yīng)用于電力系統(tǒng)。 在真空中開(kāi)斷電流有很多優(yōu)點(diǎn)： 分?jǐn)鄷r(shí)不需要外加氣體或液體滅弧介持，真空是不可燃的，也不放出火焰或氣體， 無(wú)火災(zāi)或爆炸的危險(xiǎn)； 觸頭的電氣壽命長(zhǎng)； 有較大的開(kāi)斷能力，開(kāi)斷近區(qū)故障時(shí)不需要并聯(lián)電容器或電阻 真空中介質(zhì)

57、強(qiáng)度高，觸頭開(kāi)距很小，故操作功小。 3.1.1 真空電弧的特性 1.真空中的電弧電壓和伏安特性 擴(kuò)散型真空電弧的電弧電壓低，一般在 40v 以下。其波形是在直流電壓上疊加一 個(gè)數(shù)千到數(shù)兆赫的交變分量，當(dāng)電弧電流超過(guò) 1ka 時(shí)，交變分量的幅值可達(dá) 5-6v。擴(kuò) 散型電弧電壓的平均值取決于陰極材料，材料的沸點(diǎn)與導(dǎo)熱系數(shù)的乘積越小，電弧電 壓就越低。這是因?yàn)椴牧戏悬c(diǎn)越低，在較低的溫度下就能產(chǎn)生足夠的金屬蒸汽；導(dǎo)熱 系數(shù)小，熱量散失得少，陰極表面的溫度就高。兩者的乘積小，輸入較小的能量就能 產(chǎn)生足夠多的金屬蒸汽，因而電弧電壓就低。 如前所述，高氣壓電弧的伏安特性是負(fù)特性，但是，真空電弧的特性卻是正特

58、性， 即隨著電流的增加，電弧電壓是上升的。銅電極真空電弧的伏安特性。它有三個(gè)區(qū)域： 在小電流時(shí)，電弧電壓幾乎不變，主要是陰極壓降，此時(shí)等離子區(qū)壓降不隨電流而變 化；在 1-6.5ka 時(shí)，電弧電壓從 20v 左右平穩(wěn)地升到 40v，這是因?yàn)榈入x子錐重疊， 高壓真空斷路器 16 使弧區(qū)蒸汽密度逐漸增大，粒子間碰撞幾率增多，等離子區(qū)電壓降逐漸增大；在電流 超過(guò) 6.5ka 時(shí)，電壓突然升高，電弧電壓可達(dá) 100v 以上，這是因陽(yáng)極壓降出現(xiàn)而造成 的，而且電壓的變化變得很不穩(wěn)定。如果電弧不受外界磁場(chǎng)的作用，則陽(yáng)極壓降形成 后不久，電極就會(huì)嚴(yán)重熔化，真空電弧電壓可能重新降低。 2.磁場(chǎng)對(duì)真空電弧的影響

59、 橫向磁場(chǎng)（即垂直于弧柱軸線的磁場(chǎng)）能吹拂電弧，使真空電弧沿電極表面運(yùn)動(dòng)。 高氣壓電弧在磁場(chǎng)中受力而運(yùn)動(dòng)的方向與載流導(dǎo)體的情況相同。然而真空電弧的情況 卻并非完全如此。擴(kuò)散型真空電弧在橫向磁場(chǎng)中所受的力和運(yùn)動(dòng)方向與載流導(dǎo)體（電 流方向與真空電弧相同）的受力方向相反，出現(xiàn)所謂反向運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象。而集聚型真空電 弧在磁場(chǎng)中所受的力和運(yùn)動(dòng)方向又與高氣壓電弧和載流導(dǎo)體相同。橫向磁場(chǎng)的作用還 能使真空電弧彎曲，從而使電弧電壓增大。 縱向磁場(chǎng)（與弧柱軸線平行的磁場(chǎng)）能約束電弧，在一定范圍內(nèi)能起降低真空電 弧電壓的作用。在某一縱向磁場(chǎng)作用下電弧電壓可有最小值，它能極大地提高由擴(kuò)散 型電弧轉(zhuǎn)變?yōu)榧坌碗娀〉碾娏鳎ê?jiǎn)

60、稱集聚電流）值，例如，在足夠大的觸頭上，縱 向磁場(chǎng)可以使電流高達(dá) 200ka 的真空電弧仍保持為擴(kuò)散型。 3.真空電弧熄滅后的介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)過(guò)程 對(duì)于工頻電流的電弧，在電弧電流接近自然零點(diǎn)時(shí)，由于金屬蒸汽不足和電源電 壓不夠高而會(huì)突然熄滅。熄滅后的真空間隙最終可以承受很高的電壓。從熄弧前的幾 十伏電弧電壓到能承受近 100kv 的電壓（12mm 真空間隙）需要一個(gè)過(guò)渡過(guò)程，這一 過(guò)渡過(guò)程即為真空燃弧間隙介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)過(guò)程，簡(jiǎn)稱恢復(fù)過(guò)程。在恢復(fù)過(guò)程中，真空 間隙能承受外加電壓的能力隨時(shí)間的變化規(guī)律即為該真空間隙介質(zhì)強(qiáng)度的恢復(fù)特性。 熄弧后真空間隙在恢復(fù)電壓的作用下有可能被擊穿而引起電弧的重燃。引起重