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真空斷路器及開關柜選型參考


近年來中壓真空斷路器產量迅速上升,其中12kV真空斷路器已占中壓斷路器總產量的80%以上,而電力系統中壓等級的真空斷路器的運行總量也遠超過少油斷路器。一段時間來,真空斷路器事故率偏高,這可能與真空斷路器使用量快速上升有關。隨著國內機械行業整體技術素質、技術水平的提高,高品質真空斷路器相繼問世,并投入電力系統及其它重要電力用戶運行。所以,一些論文分析認為,近年來真空斷路器的事故率較為平穩并有降低的趨勢。下面根據以往招標時常遇到的一些問題,對真空斷路器的選型進行探討。

1 真空度的一般概念及行業標準的規定
1.1 真空度的劃分
絕對壓力低于工程大氣壓時,即為真空狀態。絕對壓力等于零的空間稱絕對真空或理想真空。按照我國真空度的劃分方法,真空壓強在1.33×10-1~1.33×10-6Pa屬于高真空。真空滅弧室真空度的范圍包括在高真空區域內,通常真空度在1.33×10-4Pa以上。
1.2 行業標準的規定
DL/T 403-2000《12~40.5kV高壓真空斷路器訂貨技術條件》第4.15條規定:真空滅弧室的允許儲存期:20a。在允許儲存期期末,真空滅弧室內部氣體壓強不得大于6.6×10-2Pa。同時,第5.1.2條規定:真空滅弧室隨同真空斷路器出廠時的真空滅弧室內部氣體壓強不得大于1.33×10-3Pa,其上應標明編號及出廠年月。
1.3 行業標準對真空度檢驗方法的影響
圖1為1mm間隙、鎢電極下真空度與擊穿電壓關系。圖1中左半部分真空壓強在10-2Pa以下時,擊穿電壓已經不再隨真空度的升高而上升,而是趨于平穩;但從10-2Pa開始,隨著真空度的升高,擊穿電壓急劇下降。


圖1表明,以往采用工頻耐壓方法定性檢測真空度,已不符合DL/T 403-2000的標準規定。按此標準規定,隨真空斷路器出廠的真空滅弧室真空度不低于1.33×10-3Pa,儲存或運行期末不低于10-2Pa。還可看出,只要保持真空度在10-2Pa以下,其擊穿電壓基本恒定,即10-2Pa與10-3Pa及以下真空度的絕緣水平基本相同,這只是針對真空度的微泄漏規定的泄漏期限。實際上,即使真空度超過了6.6×10-2Pa的最低警戒線,工頻耐壓方法也并不一定能檢測出來,因為10-2Pa區域內仍有較高的絕緣水平。所以對經真空度檢測儀檢測不合格的真空滅弧室施加額定工頻電壓,往往仍然不會擊穿。
因此采用真空度專用檢測儀檢測真空度是目前定量檢測的有效手段。
雖然用工頻耐壓方法檢測真空度已不符合DL/T403-2000的規定,但真空斷路器的斷口絕緣耐受水平,仍需用工頻耐壓方法檢測。因為真空度測試儀不能確定真空滅弧室外絕緣的絕緣水平,所以仍需進行斷口耐壓試驗。
2 真空滅弧室觸頭磁場
真空斷路器的開斷電流在7kA以下時為擴散型電弧,采用普通平板型觸頭結構即可順利開斷。當開斷電流超過7kA時,由于電弧聚集在一起,須將觸頭加工成特殊結構型式,由電弧電流本身形成磁場,強迫電弧運動或干涉電弧聚集,才能開斷更大電流。平板型觸頭開斷電流時,一旦形成聚集型電弧,一般意味著開斷失敗。
真空滅弧室觸頭的磁場分橫磁場、縱磁場及介于二者之間的強縱磁場,但強縱磁場屬于橫磁場結構。80年代以前,我國國產真空斷路器滅弧室為橫磁場結構;90年代以后,無論是進口產品還是國產產品,真空滅弧室以強縱磁場和縱磁場結構為主。
2.1 橫磁場結構
橫磁場結構滅弧室屬于聚集型電弧,聚集型電弧又不同于真空電弧,屬于高氣壓電弧。聚集型電弧能量集中,觸頭燒損嚴重,其常見結構見圖2。


橫磁場結構滅弧室的誕生,真空斷路器突破了只能開斷數kA以下的瓶頸,在電力及其它領域得到了廣泛應用。但橫磁場結構滅弧室很難進一步提高開斷電流。另外,根據在國內的運行經驗,橫磁場結構滅弧室體積大,不易做到小型化;截流值高,約在十幾至幾十A,開斷感性負載時容易造成較高的過電壓;電磨損較重,電氣壽命較短。
2.2 縱磁場結構
縱磁場結構滅弧室屬擴散型真空電弧,電弧均勻分布于觸頭接觸面上??v磁場結構滅弧室的性能十分優越,開斷電流突破了100kA,體積比橫磁場結構滅弧室縮小了1/3,容易做到小型化;截流值低,約在5A以下,因此開斷感性負載時產生的過電壓水平較低;由于熄弧后,熔化的觸頭金屬物絕大部分仍然凝結在觸頭接觸面上,所以電磨損較輕,電氣壽命較長,一般能達到幾萬次??v磁觸頭常見結構見圖3。


2.3 強縱磁場結構
強縱磁場結構的滅弧室雖然屬于聚集型電弧,但它能夠將聚集型電弧分成許多并列支弧,從而減輕了觸頭燒損。強縱磁場結構滅弧室的性能,接近于縱磁場結構滅弧室,其常見結構見圖4。

 3 真空斷路器的永磁機構
永磁機構屬電磁類操動機構,根據永久磁鐵所處的保持位置可分為雙穩態和單穩態機構。雙穩態是指動鐵芯在開斷與關合的行程終止的2個位置,不需任何能量或鎖扣即可保持;單穩態是指永久磁鐵只處于一個位置的保持。雙穩態可以采用雙線圈或單線圈。永磁機構結構簡單,組成機構的零部件極少,一般僅數個,其中動鐵芯是整個機構中唯一的運動部件,因此機械可靠性較高。雙穩態雙線圈永磁機構的原理見圖5。


當斷路器處于合閘位置時,動鐵芯在最上端,線圈中無電流通過,永久磁鐵利用動、靜鐵芯提供的低磁阻通道將動鐵芯保持在合閘位置,而不需要任何機械閉鎖。當有動作信號時,分閘線圈中流過電流,動、靜鐵芯中的磁場由線圈產生的磁場與永磁磁場疊加而成,向下的力超過向上的力,動鐵芯在合成磁場力的作用下,完成斷路器的分閘動作;反之,動作亦相同。
雙穩態單線圈機構的合閘過程與雙線圈機構相同,但同時要給分閘彈簧儲能,因此合閘時能量較大;分閘時給線圈通以反向電流,使合成磁場為零,靠觸頭彈簧和分閘彈簧所儲存的能量進行分閘。這種機構分、合閘共用一個線圈,結構簡單,體積較小,分閘速度可以通過分閘彈簧來調整。
永磁機構隨著動鐵芯的移動,機構提供的作用力越來越大,出力特性和真空開關的負載特性較一致,通過優化設計,可使真空斷路器獲得較理想的速度特性;由于元器件極少,運動部件僅一個動鐵芯,更容易實現斷路器包括操動機構的免維護功能。

4 真空斷路器的種類
4.1 分體式
分體式真空斷路器的出現是由我國國情決定的,對我國真空斷路器的普及起著相當重要的作用。分體式真空斷路器有價格經濟、舊柜改裝方便等優勢,在國內仍有相當的市場。
然而由于操動機構與本體不配套,產生的問題也較多。
a.由于操動機構與開關本體分別裝于開關柜的不同位置,斷路器的各項機械特性參數必須在開關柜上安裝后進行調整試驗,才有實際意義。加之分體式斷路器連接桿件多、孔與銷軸累計誤差大,如果再由用戶自己裝調,很難調到最佳位置。
b.機構與斷路器匹配性能差,如CD10、CT8的操作功遠大于真空斷路器的操作功。如CD10操動機構的合閘電流為90~120A,雖然可以將操作功轉換到適應真空斷路器的范圍,但真空斷路器的操作功一般為40A左右。
c.操動機構不是為某型真空斷路器專門設計,而是可兼顧任何制造廠的裝配,裝配水平不易控制,不可能調到設計的最佳位置。因此分體式真空斷路器只是普及中的一個過渡種類。
4.2 聯體式
聯體式真空斷路器的操動機構與斷路器的匹配性能、傳動系統、電壽命、絕緣等需要進行全方位的優化設計。在機加工方面,一些制造廠還采用了柔性加工線、機器人操作等,使加工出的產品性能分散性小,穩定性高。由于出廠前各性能參數已在制造廠調好,現場不需要再調整,用戶只需簡單復測復試即可。
目前,大部分網上運行的真空斷路器是分體式,但從技術角度分析,從維護系統安全考慮,普及聯體式真空斷路器會有利于提高真空斷路器的整體運行水平。
4.3 落地式
早期生產的落地式真空斷路器,問題較多。如窄型柜,相間和對地都需要加裝絕緣隔板,構成復合絕緣,復合絕緣要求導體與絕緣隔板的10kV設備靜空氣距離大于30cm,窄型柜一般不易做到,常常使場強集中部位的絕緣隔板發熱,加速絕緣老化?;Q性較差,表明機械精度低,對隔離插頭影響大,如果不同心,還會造成隔離插頭發熱。這些因素往往引發開關柜“火燒聯營”。
4.4 中置式
中置式真空斷路器與中置開關柜配套,是目前國際上較先進的成套開關裝置。斷路器小巧,互換性強,進出柜體輕便,受地坪平整度影響小,運行維護方便,比早期落地式斷路器運行可靠。但中置式真空斷路器集中檢修時,因同時需要將多臺斷路器抽出柜外,所以中置式真空斷路器的平臺小車應具備落地功能,避免人為抬放斷路器時摔損設備。
4.5 中置落地式
斷路器定位于柜體中部的中間導軌上,由于每臺斷路器均自帶手車,所以斷路器進出柜體方便;互換性、地坪平整度影響方面與中置式斷路器性能相同;這種真空斷路器用戶使用時更方便。
5 常見問題
5.1 合閘彈跳與分閘反彈
合閘彈跳是斷路器在合閘時,觸頭剛接觸后,又產生分離,即觸即離,直到經過一段時間后才穩定接觸。合閘彈跳期間,觸頭間產生預擊穿電弧燒蝕觸頭,尤其重合閘時,觸頭燒蝕更嚴重一些。
抑制合閘彈跳,主要是提高對接式觸頭的抗熔焊能力,減小電磨損,防止觸頭接觸面上產生拉絲形成尖角放電擊穿及防止合閘彈跳過電壓。
分閘反彈是近年來提出的一項技術指標,以行程幅值的百分數標識。造成分閘反彈的原因主要是分閘緩沖器特性不佳,在油斷路器中分閘反彈一般在10mm左右,對斷路器電氣特性基本上沒有不利影響,對被控制的電氣設備一般也不構成威脅,然而真空斷路器的開距只有10~20mm,所以抑制真空斷路器的分閘反彈十分重要。早期真空斷路器分閘反彈現象較為普遍,反彈量甚至達到100%,反彈幅值較高時,降低真空斷路器的機械壽命,并有可能造成真空斷路器開斷后出現“滑相”現象。
一般來說,聯體式斷路器由于操動機構與斷路器本體特性匹配,分閘反彈現象不甚明顯。分體式真空斷路器的分閘反彈要明顯一些,或者說分體式真空斷路器運行初期與運行后期相比,分閘反彈幅值變化較大。
5.2 高壓開關柜的主絕緣材質問題
目前高壓開關柜主絕緣材質為:SMC、DMC、BMC,即片狀、團狀、塊狀模塑組合物。它們具有較高的物理、機械和介電性能,尤其是具有吸水少、優良的阻燃性、滅弧性和耐漏電性能。該類絕緣材質在運行中會發生閃絡擊穿、機械斷裂等事故。
SMC為片狀模塑料,模塑板材,要求機械強度較高的產品,表面積較大而幾何形狀和結構不復雜的薄壁、大中型制品,如開關柜隔板、滅弧筒、水箱板、轎車備胎倉、坐椅等,應采用SMC。
DMC為團狀模塑料,模塑厚壁、結構復雜的中小型制品,如絕緣子、滅弧片、接觸器、母線絕緣框、穿墻套等,應采用DMC。
在同一制品上,SMC和DMC不能混合使用。如果在采用SMC模塑的板材中摻加了DMC,會使制品機械強度下降,變形嚴重,影響主機開關柜的質量。
應當注意,合格的制品件的表面平整光亮,無麻孔、裂紋、缺料等缺陷,手感好、外觀漂亮。噴漆僅能掩蓋制品件的缺陷,并可使制品件降低甚至失去絕緣和耐電弧的性能。
另外,工業用SMC、DMC、BMC較電工用的成本要低,還有一些方法也能降低成本,但不保證絕緣材質的原有性能。
絕緣件表面打膩子、涂漆往往造成一些難以分析與預防的故障,所以除SMC、DMC、BMC外,應慎選表面涂漆的其它絕緣材質,或盡量不采用主絕緣材料表面涂漆的產品。

6 選型注意事項
6.1 開關柜主回路磁場對滅弧室磁場的影響
真空滅弧室是靠特制磁場熄滅電弧的,無論是橫磁結構還是縱磁結構滅弧室,當受到滅弧室以外的磁場影響時,將改變滅弧室內原有磁場。影響嚴重時,對橫磁結構滅弧室來說,破壞了旋轉磁場,使電弧不再旋轉,而是固定在一點燃燒,從而降低了滅弧室的電氣壽命。對縱磁結構滅弧室來說,破壞了擴散型電弧在觸頭表面的均勻分布,部分擴散型電弧將轉變為聚集型電弧,同樣降低了滅弧室的電氣壽命。
目前如何確定導體磁場對滅弧室磁場的影響尚未有規定, 只能由型式試驗確定,所以開關柜選型時,應避免柜內主回路與滅弧室平行。一般,一種定型的開關柜只對應一個型式試驗報告,如果改型,應重新做型式試驗。自行改造開關柜時,應盡可能避免將進出線銅鋁排與滅弧室平行布置,以避免影響真空滅弧室的磁場。
6.2 真空斷路器的滑相
三相中性點不接地系統中,真空斷路器開斷后,經過Δt時間,其中兩相斷口再次擊穿,流過開斷電流,此電流過零時能夠再次熄滅,斷口并不永久擊穿,該現象稱為“滑相”或“開斷后兩相再次重擊穿”。DL/T 403-2000規定:在真空斷路器規定的開斷時間之外,不允許出現滑相。專家認為,在型式試驗過程中,如果真空斷路器開斷出現滑相時,應判為開斷失敗,因為這是開斷失敗的先兆。出現滑相時表明,真空斷路器性能或真空管的性能不穩定。另外,出現滑相時延長短路存在時間,對系統穩定不利。DL/T 615-1997《交流高壓斷路器參數選用導則》規定的真空斷路器開斷時間為:任一相燃弧時間不得大于15ms。
6.3 首開相在開斷中的分布與電氣壽命
三相滅弧室熄弧時,總有某一相首先熄弧,該相稱為“首開相”,首開相在三相中是隨機的,首開相在三相各相中出現的頻率稱為首開相分布。
中性點不接地系統首開相開斷時工頻恢復電壓高,電流大,相對后兩相來說開斷困難一些。首開相如能開斷,一般后開相均能順利開斷,但由于后開相燃弧時間長,電弧能量大,燒損嚴重。真空滅弧室是長壽命、免維護滅弧室,由于電氣壽命長,累計電弧燒損量對觸頭來說影響顯著,只有首開相在三相中分布均勻時,真空滅弧室才能夠達到額定電氣壽命,首開相分布均勻時,每相出現首開相的概率為1/3,后開相的概率為2/3。極端情況下,假如首開相分布極不均勻,總在某一相首先熄弧,那么其余兩相就總是后開相,這兩相的累計電弧燒損量就是真空斷路器的實際電氣壽命??梢?,在這種極端情況下,真空斷路器的實際電氣壽命僅為額定電氣壽命的2/3,首開相分布不均勻時,電氣壽命是達不到額定電氣壽命的。
6.4 分閘與合閘
6.4.1 定義
對斷路器而言,不帶電情況下的操作稱分閘與合閘,其用時稱為分閘時間和合閘時間,取消了固有分閘時間和固有合閘時間的稱謂;帶電情況下的操作稱開斷與關合,其用時稱為開斷時間、關合時間。它們之間的差異在于不帶電時沒有燃弧時間和預擊穿時間。
6.4.2 分閘時間的下限
以對分閘時間下限的要求,主要是考慮開斷時直流分量的影響,尤其是發電機回路中的斷路器。以往對分閘時間只規定一個不大于某范圍的值,這種規定在型式試驗中容易出現漏洞,如不規定分閘時間下限值,就難以確定斷路器直流分量的開斷水平。原因是在型式試驗時,分閘時間有可能是最大值,直流分量已經有充分的時間衰減,沒有考核到較嚴酷的開斷條件。而實際運行中,分閘時間可能小于額定分閘時間,直流分量較高,導致實際運行比型式試驗的條件還要苛刻。因此,在型式試驗的開斷試驗中應按分閘時間允許值下限的直流分量做試驗,而在運行中的分閘時間不得超過其規定值的上限值,所以,斷路器應給出分閘時間的下限值。
6.4.3 合閘時間的變動范圍
合閘時間主要是考慮合閘功的問題。同樣,以往對合閘時間只規定一個不大于某范圍的值,但在型式試驗時,合閘時間可能遠小于額定合閘時間,此時,合閘功較大,容易關合。實際運行中,合閘時間可能接近于額定合閘時間,操動機構的合閘功有所降低,沒有考核到最不利的關合條件,難以確定關合試驗條件的有效性。在型式試驗時應將合閘時間盡量調至規定的最大值附近,在實際運行時,應盡可能縮短合閘時間。

7 結束語
電力系統對高壓開關設備的選型側重的是可靠性,而機械系統發展需要降低成本,而電力系統有了可靠性才有經濟效益,所以,高壓開關設備的選型不應只圖便宜,而一味地壓價,留有一定余地換取設備的可靠性,也將有利于民族企業的發展。 
參考文獻
[1]曹榮江,顧霓鴻.高壓斷路器的運行條件[M].北京:北京工業大學出版社,1999.
[2]張節容,錢家驪,王伯翰.高壓電器原理和應用[M]. 北京:北京大學出版社,1989.
[3]蔣乃俊.真空開關使用手冊[M].西安:陜西科學技術出版社,1995.
[4]DL/T 403-2000,12~40.5kV高壓真空斷路器訂貨技術條件[S].
[5]DL/T 615—1997,交流高壓斷路器參數選用導則[S].
來源:河北電力技術

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