論真空斷路器機(jī)械特性和電氣性能

1、論真空斷路器機(jī)械特性和電氣性能作者：重慶市電力公司:劉佳賓，席世友，余小文，張建華，楊滔來(lái)源：賽爾輸配電產(chǎn)品應(yīng)用開(kāi)關(guān)卷總第82期無(wú)可置疑真空斷路器在本質(zhì)上是典型的電氣產(chǎn)品，但它又是通過(guò)復(fù)雜的機(jī)械傳動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因而機(jī)械產(chǎn)品的第二特性在人們印象中更為突出。無(wú)怪很多開(kāi)關(guān)企業(yè)在招聘人才時(shí)總是將“熟練掌握CAD技術(shù)”的機(jī)械工程師放在第一位。于是在我們行業(yè)中普遍存在一個(gè)電氣產(chǎn)品由機(jī)械工程師來(lái)開(kāi)發(fā)的非正?，F(xiàn)象，他們理所當(dāng)然的按滅弧室羅列的參數(shù)做機(jī)械設(shè)計(jì)。如果一切順利，相安無(wú)事也就罷了，然而偏偏開(kāi)斷型式試驗(yàn)不爭(zhēng)氣，多年來(lái)一直存在12-15%的失敗率。責(zé)任和原因就很難找，管子廠聲稱(chēng)自己嚴(yán)格按照工藝，絕無(wú)偷工減料

2、之嫌。整機(jī)廠也把責(zé)任推得一干二凈，行程、超程、分合閘速度等都一點(diǎn)不差。最后往往懷疑到觸頭材料上，隨便安上一個(gè)“罪名”，如存有氣孔而不了了之。很少有人懷疑到管子廠提供的參數(shù)（尤其是分閘運(yùn)動(dòng)參數(shù)）是否正確。如果不正確，怎樣才是正確的。這就是本文要述說(shuō)的議題。真空開(kāi)關(guān)的機(jī)械特性對(duì)電氣性能影響最大的是分閘運(yùn)動(dòng)特性，本文就拿它說(shuō)事。真空開(kāi)關(guān)的分閘運(yùn)動(dòng)特性都是以“分閘速度”來(lái)表述的。我國(guó)第一代真空開(kāi)關(guān)（70年代至80年代初）的分閘速度是以全程的平均速度來(lái)定義。第二代（80年代中期至今）改為前半程的平均值，即初始6mm的平均數(shù)。這一變動(dòng)有其積極意義，開(kāi)始有了初分速度的味道，但問(wèn)題還沒(méi)有完全解決。在上世紀(jì)九十

3、年代中期少油改真空的過(guò)程中有一現(xiàn)象引起人們的注意：那種模仿少油開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)的分體式真空開(kāi)關(guān)在開(kāi)斷試驗(yàn)中，失敗率明顯高出其它真空開(kāi)關(guān)許多。什么道理呢？分閘速度同樣是初始半程1.2±.2m/s。當(dāng)我們分析機(jī)構(gòu)的分閘彈簧力時(shí)就發(fā)現(xiàn)問(wèn)題所在。當(dāng)時(shí)10kV的真空開(kāi)關(guān)分閘速度都基本相同，但分閘彈簧力相差甚巨。ZN12為1100N，ZN65為900N，而該分體式為1800N，高出同類(lèi)開(kāi)關(guān)許多。這說(shuō)明后者的等效質(zhì)量”浙算到動(dòng)導(dǎo)電桿上其它可動(dòng)連桿的質(zhì)量）大大高出前者，盡管6mm的平均速度相等，但起步速度卻很慢。這種起步速度完全不利于首開(kāi)相開(kāi)斷的條件。因此我們認(rèn)為現(xiàn)在的分閘速度定義不夠準(zhǔn)確，滿足它并不能保證

4、其電氣性能。6mm對(duì)首開(kāi)相開(kāi)斷太遠(yuǎn)，而對(duì)后開(kāi)相開(kāi)斷又太近。因此有必要對(duì)真空開(kāi)關(guān)分閘運(yùn)動(dòng)進(jìn)行科學(xué)的定義，要做到這一點(diǎn)就有必要對(duì)真空電弧，尤其是它的動(dòng)態(tài)特性有初步的了解。我們?cè)谘芯空婵臻_(kāi)關(guān)時(shí)都或多或少受傳統(tǒng)斷路器概念的影響，尤其是電弧特性。搞清楚兩者區(qū)別是相當(dāng)重要的。真空電弧和大氣電弧有兩大差別：其一，大氣電弧的介質(zhì)是絕緣體，電離后才成為導(dǎo)體。真空開(kāi)關(guān)的介質(zhì)是金屬蒸汽，不論它是原子狀態(tài)還是離子狀態(tài)，它都不是絕緣體。因此，前者開(kāi)斷成功依賴(lài)離子的復(fù)合;而后者只能靠金屬蒸汽的擴(kuò)散。當(dāng)金屬蒸汽密度在電流過(guò)零瞬間衰減到金屬粒子碰撞自由行程大于滅弧開(kāi)距（入TiO時(shí)，斷口的絕緣強(qiáng)度就建立起來(lái)了。（這就是真空間隙

5、絕緣性能的基本屬性）。其二，大氣電弧的介質(zhì)氣體分子是客觀存在，微觀上作無(wú)序的熱運(yùn)動(dòng)（布朗運(yùn)動(dòng)），宏觀上是靜止的，且均勻分布。而真空電弧介質(zhì)原先并不存在，它的產(chǎn)生是陰極斑點(diǎn)蒸發(fā)金屬蒸汽的結(jié)果。它一旦生成，在真空狀態(tài)下形成壓力差，便具備了巨大勢(shì)能并呈錐體形狀快速擴(kuò)散。此時(shí)的金屬蒸汽密度分布梯度極大，在陰極斑點(diǎn)錐體尖端，金屬蒸汽密度大的區(qū)域才有可能發(fā)生碰撞游離（陰極等離子區(qū)）。在電弧大部分區(qū)域碰撞游離基本不會(huì)發(fā)生。我們稱(chēng)它為“擴(kuò)散型”電弧。它的各種物理屬性示意圖見(jiàn)圖1。圖1b擴(kuò)散型電弧金屬蒸汽密度分布圖 圖1a擴(kuò)散型電弧示意圖N為密度，入為自由程，X為開(kāi)距。圖1c擴(kuò)散型電弧伏-安特性線性的伏安特性賦

6、予了它可以弁聯(lián)存在的特性（對(duì)觸頭的燒損甚微），又由于它大部分空間入T因此電流過(guò)零成功開(kāi)斷的必要條件就一定是：在電流過(guò)零前電弧一定為擴(kuò)散型。滿足人TiO不等式。有了對(duì)真空電弧的初步了解，斷路器分閘運(yùn)動(dòng)特性如何設(shè)置就可以議論一番了。既然是開(kāi)斷三相交流電，又是過(guò)零開(kāi)斷。就必定會(huì)有首開(kāi)相和后開(kāi)相（中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)），見(jiàn)圖2。首開(kāi)相開(kāi)斷和后開(kāi)相要求的滅弧環(huán)境是各不相同的，我們必須營(yíng)造不同的環(huán)境來(lái)滿足它們的各自需要。首開(kāi)相開(kāi)斷即有有利條件也有不利條件。有利的是：電流正處于下降階段，它開(kāi)斷的實(shí)際電流要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于額定值（見(jiàn)圖2）。不利的是：首開(kāi)相的恢復(fù)電壓高（1.5倍相電壓）.再是此刻觸頭剛剛分離，窄小空間金屬

7、蒸汽必定密度大而梯度小，電弧呈高氣壓，如同大氣電弧，對(duì)觸頭燒損嚴(yán)重，此刻任何延誤都會(huì)使開(kāi)斷失敗。要想將金屬蒸汽電弧由高氣壓快速衰減為低氣壓的最有效措施就是提高初分速度（0?2mm的速度），擴(kuò)大金屬蒸汽存在的空間（密度與體積成反比），擴(kuò)大金屬蒸汽向四周擴(kuò)散的通道。因此，真空斷路器的設(shè)計(jì)務(wù)必減小等效質(zhì)量（ZN65就將觸頭壓簧及其相關(guān)部件從分閘運(yùn)動(dòng)中剝離出來(lái)），減少分閘彈簧力的傳遞環(huán)節(jié)，當(dāng)然最理想的是學(xué)習(xí)非真空斷路器做到V0>0音開(kāi)相四弧 后開(kāi)相炮孤首開(kāi)相開(kāi)斷|觸頭分離tu 的實(shí)際電流首開(kāi)相成功開(kāi)斷后就輪到后開(kāi)相開(kāi)斷了。它的有利條件是：由于中性點(diǎn)不接地，一相電流開(kāi)斷后，其他兩相電流成為一個(gè)回路

8、，一個(gè)斷口電弧熄滅，另一斷口電流自然也就終止。此刻每個(gè)斷口的恢復(fù)電壓為線電壓的一半（0.866的相電壓），比1.5倍相電壓的首開(kāi)相恢復(fù)電壓低多了。而且兩個(gè)真空間隙的絕緣強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于二倍長(zhǎng)度間隙的單斷口。不利條件是：后開(kāi)相燃弧時(shí)間要比首開(kāi)相多5ms,觸頭燒損自然嚴(yán)重一些。還有一不利條件：當(dāng)首開(kāi)相燃弧時(shí)間為4-6ms時(shí)（發(fā)生概率很高）,后開(kāi)相滅弧將為9-11ms,這樣一來(lái)后開(kāi)相滅弧區(qū)便進(jìn)入了分閘到底的機(jī)械震動(dòng)區(qū)，滅弧環(huán)境極為惡劣。分析了后開(kāi)相開(kāi)斷的有利和不利條件后，真空開(kāi)關(guān)的分閘運(yùn)動(dòng)特性第二階段設(shè)置就有理論根據(jù)了。為了營(yíng)造后開(kāi)相滅弧的有利環(huán)境，在首開(kāi)相開(kāi)斷后應(yīng)將分閘速度大幅度降下來(lái)，最理想的是在中

9、途（5-6mm）熄弧。理由有：其一，后開(kāi)相比首開(kāi)相多跑5ms,實(shí)無(wú)快的必要。其二，成功開(kāi)斷的必要條件為入TiQTi0短一些不等式更易成立。其三，短開(kāi)距滅弧在開(kāi)斷小感性電流時(shí)可降低截流值。試驗(yàn)證明后開(kāi)相的截流值為首開(kāi)相的4.5倍。道理很簡(jiǎn)單：同樣數(shù)量的金屬蒸汽，小空間要比大空間的密度大，等效在觸頭材料中加了低熔點(diǎn)金屬又不影響開(kāi)斷大電流的能力。其四，滅弧環(huán)境力求平靜，應(yīng)在勻速或近似勻速運(yùn)動(dòng)中來(lái)完成。至此電弧全熄滅了，但整個(gè)開(kāi)斷過(guò)程還沒(méi)有結(jié)束，動(dòng)導(dǎo)電桿還在運(yùn)動(dòng)，此刻開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)師對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)特性處理不當(dāng)（目前大都處理不理想），仍將留下開(kāi)斷失敗的隱患。因此，開(kāi)斷的第三階段分閘速度應(yīng)更近一步降下來(lái)，達(dá)到兩個(gè)目的：（1）減弱機(jī)械震動(dòng)強(qiáng)度。（2）將機(jī)械震動(dòng)區(qū)遠(yuǎn)離后開(kāi)相滅弧區(qū)。這一重要指標(biāo)往往被人忽視而使開(kāi)斷出現(xiàn)麻煩。世上所有的斷路器都是通過(guò)其機(jī)械特性來(lái)獲得電氣性能，真空開(kāi)關(guān)自然不能例外。更由于它有別于傳統(tǒng)斷路器的一些特性：開(kāi)距小，觸頭運(yùn)動(dòng)回旋余地少，絕緣強(qiáng)度高，對(duì)電場(chǎng)極為敏感，高低氣壓電弧的相互轉(zhuǎn)變，電弧伏安特性的不確定性等，因此它的機(jī)械特性設(shè)置就更為細(xì)膩，更為重要。不夸張的說(shuō)，真空開(kāi)關(guān)分閘過(guò)程每一毫米都有學(xué)問(wèn)。因此要求設(shè)計(jì)師們必須