真空断路器的发展和应用修改文档格式.docx

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在触头和波纹管周围都设有屏蔽罩，触头周围的屏蔽罩称为全屏蔽罩，由瓷柱支撑，波纹管周围的屏蔽罩称作辅助屏敲罩或波纹管屏蔽罩。

图1真空断路器灭弧室结构原理图

1—静电导杆；

2—支持屏蔽罩；

3—主屏蔽罩；

4—外壳；

5—触头；

6—波纹管；

7—动导电杆

如果真空断路器接入图2所示的电路中，当操动机构使动导电杆向上运动时，动触头和静触头就会闭合，电源、与负载接通，电流就流过负载。

如果这时动导电杆向相反方向动作，即向下运动，动触头和静触头就会分离，在刚分离的瞬间，触头之间将会产生真空电弧。

真空电弧是依靠触头上蒸发出来的金属蒸汽来维持的，直到工频电流接近零时，真空电弧的等离子体很快向四周扩散，电弧就被熄灭，触头间隙由导电体变为绝缘体，于是电流被分断。

真空断路器具有下列优点:

（1）熄弧过程在密封的真空容器中完成，电弧和炽热气体不会向外界喷溅，因此不会污染周围环境。

（2）真空的绝缘强度高，熄弧能力强，所以触头的行程很小，一般均在几毫米以内，因此操动机构的操作功率小，使整个断路器小而轻。

（3）熄弧时间短，电弧电压低，电弧能量小，触头损耗少，因而分断次数多，使用寿命长，适合频繁操作。

（4）断路器操作时，振动轻微，几乎没有噪声，适用于城市区域和要求安静的场所。

（5）灭弧介质为真空，因而与海拔高度有关，同时没有火灾和爆炸的危险。

（6）在真空灭弧室的使用期限内，触头部分不需要维修、检查，即使机构维修检查，也十分简便，所花费的时间也很短。

图2真空断路器设备接入负载的电路

1—电源；

2—真空断路器；

3—负载

真空断路器正向高压、大容量方向发展。

通用电器公司1980年生产出168kV开断电流为40kA的双断口真空断路器；

明电舍公司1980年开始生产123kV开断电流为31.5kA的单断口真空断路器；

东芝公司根据国内外市场的需要，于1987年在日本首次研制出145kV、开断电流为31.5kA的单断口真空断路器及168kV双断口真空断路器；

西屋公司研制的双断口121～145kV真空断路器已开始取代同等级少油断路器。

触头结构的改进是真空断路器技术发展的最积极因素之一。

在日本首先发明了纵磁场触头，开始为线圈型，后来出现了多种结构形式。

西门子公司开发的是杯状纵磁场触头。

目前，所有先进的真空灭弧室都采用纵磁场触头，用的最多的是线圈型纵磁场触头和杯状纵磁场触头。

与横磁场触头相比，纵磁场触头在直径相间条件下，具有大得多的开断能力。

在开断电流相同时，纵磁场触头的电腐蚀速率比横磁场触头小得多，因而其电寿命比横磁场触头长得多，同时在开断短路电流后，其触头表面比较平整光滑，所以触头间隙的耐压强度高。

东芝公司采用纵磁场触头后，开发出开断能力100kA的真空断路器，实验室中已成功开断了200kAo西门子公司已将63kA真空断路器商品化，还用三台63kA真空断路器并联作为发电机保护断路器，其额定短路开断电流为63kA，额定电流为12kA。

真空断路器的发展明显趋向于大容量、高电压、低过电压和小型化，而其触头材料则是保证这种发展的一个重要因素。

通常要求触头材料要开断容量大、耐压强度离、载流水平低、电磨损率小、抗熔性能好等，但还没有一种材料能同时满足这些要求。

一些公司采用铜铬合金做触头材料，铜和铬的蒸气压力差别极小，因此在电弧作用区域不会发生材料成分的明显变化。

铜和铬在电弧作用下的熔化基本上具有平整形状，它们的平滑熔化区慢慢变硬而不会由于出现凸出部分、陷口和裂纹而发生畸变。

由于触头表面平整，触头间隙才可能足够短，触头材料的容积也可能趋于最小（因为大量的触头蒸法材料沉积在另一个触头上并可重新利用）。

被熔化的平整表面很快的硬化保证了开断电流之后电气强度的迅速增大。

铬含量增加可以防止触头熔焊。

西屋公司和西门子公司都采用铜铬合金做触头材料。

西门子公司用烧结浸渍法和电弧熔炼法制造触头材料，西屋公司用的是棍粉法。

铜铬合金触头加上纵磁场可大大提高真空断路器的开断容量，铜铬触头材料的性能目前仍处于领先地位。

东芝公司也早已采用了性能优异的铜锚触头材料和纵磁场触头。

从而使电弧在开断大电流时由聚集型转变成扩散型，大大提高了真空断路器的开断能力。

在触头材料方面，外国在继续寻求和开发新的材料。

例如，三菱公司开发了Cu-Ta-a和Cu-Mo-a触头材料（a代表一种微量成分），可将触头的有效面积减小1/2，该公司已用新触头材料开发出第五代小型真空灭弧室。

东芝公司采用Ag-Wc触头材料，日立公司采用Co-Ag-Se触头材料，三菱公司还采用一种Cu-Cr-Bi-α多元合金触头材料，富士公司采用CuCr中添加高蒸汽的材料。

前苏联全苏电工研究院先后开发过不少真空灭弧室触头材料，在其所生产的第二代真空灭弧室中，触头出Cr-Cu-W合金材料制成，以此代替了第一代灭弧室中所用的Cu-Bi-B合金。

用这种材料制成的触头间隙具有较高的电气强度，因而与第一代灭弧室比较，触头行程可平均减小30%。

这种合金材料也具有较高的耐电腐蚀性，与第一代相比。

其灭弧室的操作寿命和机械寿命提高1.5～2.5倍。

据说国外还研制出一种Cu-Cr-Ne触头材料，其性能优异，但造价昂贵。

应该指出的是，目前在国外所开发的触头材料中，还没有一种能同时满足所有要求（开断容量大、耐压强度高、截流水平低、电磨损率小、抗熔性能好等）的万能性触头材料。

这些材料多半是加进某种成分，使得某种参数改善，但其它参数却变坏。

例如，加进铋可减少截流和熔焊程度，但同时会降低电气强度，还会明显降低开断能力。

加进大量的铁和铬，会大大增加耐电气腐蚀性，提高开断电梳和电气强度，但同时增大了平均电阻，并继而使得额定电流通过时真空灭弧室的温升提高。

真空灭弧室是真空断路器的心脏，真空断路器的可靠性在很大程度上取决于真空灭弧室的可靠性，因而真空灭弧室的制造技术至关重要。

真空灭弧室的外壳过去多采用玻璃材料制造，造价较低。

目前在国外，一般都采用陶瓷外壳，多数是高铝陶瓷。

它最大能承受1600℃的高温，其熔点为2030℃，耐压强度高。

金属封接材料采用与陶资热膨胀系数十分接近的FeNiCo合金。

陶瓷焊接面是经MoMn化学结合法形成陶瓷金属化层，用熔化温度为779℃的AgCu28作为焊接材料，在真空中进行钎焊，也可在惰性气体中进行焊接。

德国AEG公司在制造过程中所采用的钎焊工艺，是在钎焊以前，把一种特殊的金属镀层应用到高纯氧化铝陶瓷上，这种镀层要在1500℃以上的氢气中经过烧结热处理。

真空灭弧室的触头材料也与制造技术密切相关，现在铜铬合金触头材料仍为真空灭弧室采用的最好的触头材料。

真空灭弧室的屏蔽罩一般采用中封式结构，它改善了电场分布，提高了绝缘强度。

波纹管的制造技术对灭弧室的机械寿命很重要。

世界各公司都在不断改进波纹管的制造工艺，提高其寿命。

西门子公司对每批波纹管抽一定数量进行寿命试验，试验不合格就不能投入生产线，还要检查波纹管的壁厚，壁厚不均匀的波纹管也不能使用。

波纹管一般选用不锈钢材料，目前有成型波纹管和焊接波纹管。

成型波纹管用于真空断路器中。

焊接波纹管伸缩行程大、寿命长、体积大、造价高，多用于真空接触器中。

英国对波纹管的试验研究表明，增加波纹管的波数并不能有效地延长液纹管的寿命。

波纹管的设计应满足使波纹管的操作行程比率和波纹管的伸缩长度比率为0.3～0.4.西门子公司在真空断路器灭弧技术中采用了等离子体技术，以减少触头表面的烧蚀和磨损，这样使真空灭弧管发生故障的平均时间为25年。

对真空灭孤室进行高压老练，可除去触头表面的微粒。

其机理是利用场致发射作用，蒸发除去触头表面细丝或针状物。

一般老练电压为30～100V电流为几百安。

现在国外先进制造公司普遍采用一次封排工艺。

真空灭弧室的排气和封接过程用一次封排真空炉完成，用计算机进行操作控制。

英国GEC公司用的是本国Torvac公司生产的电子控制一次封排真空炉。

在德国，ABB集团公司采用大型横向一次卸排真空炉，其最高工作温度达到1300℃，工作效率很高，ABB公司称他们的炉子可年产30万个真空灭弧室。

有一些公司采用与显象管排气台类似的设备即排气小车，在轨道上步进的长排车对真空灭弧室进行排气。

两种工艺都具有很高的生产效率，旦相比而言，一次封排工艺要求严，不易掌握；

长排车排气的工艺灵活性大，但设备投资大。

操动机构是保证真空断路器机械可靠性的重要环节，因而各制造公司不断对操动机构进行改进。

西门子、CalorEmag、日立、三菱、富士等公司都研制使用性能较好的专门配真空断路器的电动机储能弹簧机构（也可手动），机械寿命达10000次操作，高的可达70000次。

西门子公司生产的弹簧操动机构采用蜗轮蜗杆，结构紧凑、加工精度高、可靠性高。

CalorEmag公司生产的弹簧机构是采用盘簧储能，可调节操作功率，分二次脱扣。

日本东芝公司自1962年开始生产真空灭弧室以来，发展速度很快，已累计生产真空灭弧室170万只，36kV以下真空断路器的生产量占该公司断路器总产量的80%。

德国西门于公司生产真空断路器巳有15年的历史，到1992年累计产量达10万台，它的产品包括3AF、3AG、3AH等型号。

3AF所用的真空灭弧室采用西门子公司独立开发的杯状纵磁场触头，灭弧室的小型化程度很高。

3AH型的零部:

严比山型大大减少，性能更可靠，技术经济指标更先

我国真空断路器研究开始于1958年，1964年研制成功国内第-台10kV、1.5kA三相真空断路器。

1973年正式生产中压断路器，1978年开始生产低压真空接触器。

从1978年至今不论在技术上还是在生产的产量和品种上，都有很大发展。

目前，我国10～35kV电压等级断路器已趋于成熟。

但是这并不能满足电力系统的需要，且与世界先进水平的差距也很明显。

二、发展中存在的问题

（1）真空断路器以其很强的灭弧能力受到广泛的应用，但正因为灭孤能力太强，带来了截流过电压的产生，尤其对感性小电流更易发生截流。

减小截流值是解决和杜绝截流过电压产生的关键。

对系统来说，进行过电压保护也是一个必须深入研究的课题。

当前从触头材料方面降低截流值的研究在国际各大公司有很大进展，并取得了实效，但截流值很低的触头材料影响开断能力。

（2）真空断路器开断容性负载时，由于开距很小，也时常发生重燃。

重燃过电压对电容器组的危害很大，故而这也是应深入研究的课题之一。

（3）在供电系统中，由于电能损耗等多种原因使供电电压不稳定，为提高电网的功率因数，减少线路上的损耗，常采用无功补偿的方法来维持电网的正常工作电压，保证供电质量，实现电网的经济运行。

这是一种最实用的、最经济的方法。

众所周知，在开断与关合电容器组时，主要存在两个问题，一是合闸涌流，二是分闸过电压。

在大容量分组自动开断与关合并联电容器组的装置中，这些问题尤为突出。

早期使用的真空断路器由于性能不完善，在开断与关合过程中，由于涌流和多次重燃的出现，产生了高的过电压，给断路器和电力设备带来严重危害。

有些真空断路器在投切电容器组时重燃率竟高达11%。

在以前的真空断路器开断与关合电容器组的实验中，多次发生重燃现象。

当时真空断路器开断电容器组的性能不稳定，就是同一种型号，开断性能也不一定相同，不同型号的差异就更大。

第二节不同负载下的操作过电压

电力系统中的电容、电感均为储能元件，当操作或故障使其工作状态发生变化时，将有过渡过程产生。

在过渡过程中，由于电源继续供给能量，而且储存在电感中的磁能会在某一瞬间转变为以静电场能量的形式存储在系统的电容之中，所以可产生数倍于电源电压的操作过电压，它们是在几毫秒甚至几十毫秒之后消失的暂态过电压。

电力系统中常见的操作过电压总体分为中性点不接地电网中的间歇电弧接地过电压、开断电感性负载（空载变压器、电抗器、电动机等）过电压、开断容性负载（空载线路、电容器组等）过电压、空载线路合闸（包括重合闸）过电压和系统解列过电压等。

操作过电压的研究是与电力系统的发展联系在一起的。

由于电网运行方式、故障类型、操作过程的复杂多样，以及其他各随机因素的影响，往往给操作过电压的理论分析和计算带来较多困难。

目前，对操作过电压的定量分析，大都依靠系统实测记录、模拟研究和计算机计算来进行。

一、间歇电弧接地过电压

在中性点不接地的电网中，单相接地并不改变电源变压器三相绕组电压的对称性，并且接地电流一般也不大，不必立即切除线路，中断对用户的供电，运行人员可借接地指示装置来发现故障并设法找出故障及时处理，这就大大提高了供电可靠性。

当然，单相接地运行会使非故障相电压升高，但对60kV及以下的电网来说，这不会对系统造成很大危险，因此，我国60kV及以下的电网采用中性点不接地的运行方式。

中性点不接地电网发生单相接地时，通过接地点的电流I是非故障相对地电容电流的总和。

对于6～60kV架空线路，每相每公里对地电容约为5000～6000pF。

每米的接地电流可按表1作粗略估计。

三芯电缆的接地电容电流约为架空线路的25倍，单芯电缆的接地电容电流约为架空线路的50倍。

由表1可知，当一个l0kV电网的架空线路总长度不超过l000km，一个35kV电网的架空线路总长度不超过l00km时，它们的单相接地电流将分别不超过30A和l0A。

运行经验证明此时由于电动力和发热的作用，接地电弧被拉长，一般能在几秒至几十秒内自行熄灭。

当电网总长度更大时，进一步增大，接地电弧一般不能自熄弧。

但不论接地电弧能否自熄弧，试验证明，在接点电流为数安至数百安的范围内，都能产生电弧接地过电压。

这是因为接地电流每一次通过零点时，电弧都要有一个暂时性熄灭，当恢复电压超过其介质恢复强度时，又将再一次发生对地击穿。

当恢复电压超过其介质恢复强度时，又将再一次发生对地击穿。

当接地电流太大时，这一暂时性熄弧的时间微不足道，可认为电弧是稳定的燃烧。

当接地电流太小时，由于绝缘强度恢复很快，难以再一次击穿，所以暂时性熄弧可以转为永久性熄弧。

而当接地电流为数安至数百安时，电弧暂时性熄灭约为10ms左右。

表1单相接地电流的估计值

额定电压

（kV）

单相接地电流（mA/m）

无避雷线

有避雷线

6

0.02

10

0.03

20

0.06

35

0.10

0.12

60

0.20

图3单相接地电路图及矢量图

伴随着每次的再度击穿，都会引起电网中电磁能的强烈振荡，使非故障相、系统中性点甚至故障相产生过渡过程过电压。

在实际电网发生间歇性电弧接地时，熄弧和重燃过程是极复杂的。

另外，尚应考虑线路相间电容的影响、绝缘子串泄漏电荷的影响以及网络损耗电阻对过渡过程振荡的衰减作用等。

如前所述，实际的过电压倍数最大为3.5.绝大部分均小于3.1。

间歇电弧接地过电压幅值并不太高，对于现代中性点不接地电网中的一般设备，因为它们具有较大的绝缘裕度，是能承受这种过电压的。

但因这种过电压持续时间长，过电压遍及全网，对电网内装设的绝缘较差的老设备、线路上存在的绝缘弱点，尤其是直配电网中绝缘强度很低的旋转电机等，都将存在较大威胁，在一定程度上影响电网的安全运行。

我国曾多次发生间歇电弧过电压造成的停电事故，因此，仍应对电弧接地过电压予以重视。

防止电弧接地过电压的危害，要保证电气设备绝缘良好，为此应做好定期预防性试验和检修工作，运行中应注意监视和维修工作（例如清除严重污垢等〉。

二、开断电感性负载时的过电压

在电力系统中常有开断电感性负载的操作，例如开断空载变压器、电抗器及电动机等，在这些操作过程中可能出现幅值较高的过电压。

1．开断空载变压器过电压（见技术问答）

2．开断电动机过电压

开断高压感应电动机时，断路器也要切断电感性电流，产生与开断空载变压器相似的过电压。

但电动机的参数随转差率的变化而变化，开断空载电动机与开断制动状态的电动机，其过电压值相差很大。

使用的断路器类型不同，过电压也不一样，一般采用少油断路器开断，这主要是由于截流产生的截流过电压，当用真空断路器开断时，除截流过电压外，还产生三相同时开断过电压和高频重燃过电压。

3．开断电容器组过电压

开断三相中性点不接地的电容器时，会在电容器及其中性点上出现较高的过电压。

三、真空断路器开断与关合感性负载操作过电压的抑制

1．截流过电压的抑制方法

（1）采用新型触头结构和低涌流触头材料。

（2）改进真空断路器的速度特性。

（3）采用“二级提前分离”真空断路器。

2．限制截流过电压保护（识图书）

第三节10kV真空开关柜的常见故障

开关柜的故障可分成电气绝缘故障和机械故障，真气开关柜故障较多的有以下四种类型:

（1）真空开关柜装配的隔离开关支柱绝缘子爬距不够造成的表面闪络短路。

（2）真空灭弧空真空度泄漏导致的绝缘击穿。

（3）电缆出线柜避雷器安装地点的不恰当导致雷电季节的三相对地放电短路。

（4）梅雨季节真空开关柜绝缘支撑杆受潮劣化造成开关整体绝缘电阻下降。

一、故障及原因

1.隔离开关支柱绝缘于爬距不够造成的表面闪络短路

真空开关柜属于全密封压缩式的设计模式，隔离开关在其分闸时带电部分对地绝缘距离实际为l2.5cm，其支柱绝缘子的对地垂直距离为13cm，爬距净值经测试为18cm，均处于10kV要求的安全距离的下限。

实际运行情况表明，在干燥的运行环境下，这样的爬距净值并不会造成闪络；

但南方潮湿气候类型，在春夏两季，雨水较多，空气湿度很大，加上10kV开关柜又安装在一楼，支柱绝缘子表面的凝露潮湿降低了爬距净值。

当发生瞬间的操作过电压或雷击感应过电压时，绝缘子表面的闪络随之发生。

一旦发生多相支柱绝缘子严重的对地闪络放电，即形成两相或三相接地短路。

由于短路范围属于开关柜本体保护出口，本柜保护无法动作跳闸，需由后备保护经一定延时才可将故障切除。

在继电保护延时的时间里，灼热高温的电弧已将开关柜毁坏，如连接铝排烧熔，支柱绝缘子裙套削平，真空灭弧室烧裂等。

2.真空灭孤室真空度泄漏导致的绝缘击穿

真空灭弧室是真空断路器正常运行时切断负荷电流和在线路发生故障时切断故障电流的主要元件，它的工作原理是依靠真空灭弧室内部的高度真空在电流过零时对分合闸产生的电弧进行灭弧，从而达到切断电流的目的，因此真空灭弧室的真空度是真空断路器工作的关键所在。

由于真空灭弧室是依靠机械手段安装在断路器的上下支架之间，上下支架由两条绝缘支撑杆连接以加强应力强度，加上支柱绝缘子、拉合绝缘杆、主轴以及动作拐臂等元件组成一相真空断路器。

真空断路器的分合动作与其轴向的装配紧密程度是影响真空灭弧室真空度的主要原因。

如果真空断路器动作较为频繁（如电容器柜），加上真空断路器轴向装配上下偏移度较大，则真空灭弧室泄漏就会很明显。

一旦真空度泄漏至无法在拉合电流时做到灭弧，该真空灭弧室即报废需予以更换。

否则因电弧不能熄灭将在真空灭弧室里产生高温高压气体，导致真空灭弧室爆裂的严重后果。

3.避雷器安装地点不恰当导致三相对地放电短路故障

lOkV开关柜出线，分架空出线和电缆出线两种方式。

从运行情况来看，电缆出线的开关柜故障率远高于架空出线开关柜，在南方6～9月雷雨季节期间特别明显。

经过认真分析，发现故障的发生均由出线避雷器引起。

开关柜为全封闭压缩式，其机械尺寸及电气安全距离均采用最低限度尺寸，对于架空出线而言，不存在这种问题，因其出线避雷器安装在出线构架上。

而电缆出线开关柜则不同，由于开关柜空间狭小，电缆头与铝排、出线避雷器一起安装在开关柜后，带电点与开关柜后门距离只有15～16cm,当雷电波沿线路侵入时，由于避雷器安装于开关柜内，无法将雷电波隔绝于开关柜外，只能在开关柜内消除，瞬间强大的雷电流在开关柜内引起三相接地短路。

由于短路是本开关柜出口短路，本柜继电保护无法动作将故障切除，经一定延时后由上一级保护动作将故障切除，在保护动作时间内三相短路电弧足可将整个开关柜烧毁。

4.绝缘支撑杆受潮导致整体绝缘电阻值下降故障

ZN28-lOA型真空断路器的上下支架由两条绝缘支撑杆支撑以加强应力强度，而上下支架是导电体，要实现真空断路器的拉合闸以切断电流就要求与其并联的绝缘支撑杆必须是完全绝缘的。

实践表明正是由于绝缘支撑杆的受潮劣化（该支撑杆是由环氧树脂浇铸而成）造成真空断路器整体绝缘的劣化，导致对真空灭弧室品质好坏的误判。

此类故障在南方潮湿的运行环境下常会发生，并且在每次的年检中均可发现。

按《电气预防性试验规程》规定，判断真空断路器好坏的标准就是对lOkV真空断路器断口加42kV交流电压持续lmin时间，若不会击穿且前后绝缘电阻值变化不大，则表明该真空灭弧室没有问题。

当发生以上两种现象时则怀疑真空灭弧室已出现泄漏才导致绝缘下降甚而击穿，一般都会将整相断路器换掉，以保证运行的安全。

将换下的真空断路器进行解体测试，发现不是真空灭弧室绝缘损坏，而是绝缘支撑杆受潮劣化引起。

经询问厂家技术人员得以证实，该批真空断路器绝缘支撑杆是以北方气候环境为基础设计的，只适用北方干燥的天气，对于南方潮温天气而言，却是一个较为严重的绝缘隐患。

二、故障的处理措施

针对lOkV真空开关柜投运后故障率居高不下的现象，有关技术人员进行了认真系统的分析，将这些故障进行分类，根据不同的故障采取了积极有效的改进措施，在实际运行中取得了良好的效果。

1.隔离开关支柱绝缘子爬距不够

为了增大爬距，技术人员在绝缘子表面首先喷涂绝缘漆，在短时间内收到了一定的效果，降低了该类故障的发生，但是由于绝缘漆受温度等因素的影响无法从根本上解决问题。

后经与厂家协商，更换为由厂家提供高爬距支柱绝缘子装配而成的隔离开关全部予以更换，实际运行结果表明，经过改造杜绝了该类故障的发生。

2.真空灭弧室真空度发生泄漏问题

对于真空灭弧室真空度发生泄漏问题，因牵涉的技术难度较高，因素也较多，首先必须从源头抓起，即要求在采购真空灭弧室时要选用知名厂家提供的质量可靠的真空灭弧室。

其次，在装配真空灭弧室时要求厂家技术人员给予技术上的支持，提高真空断路器整组的装配质量，避免因机械原因造成真空灭弧室的泄漏。