| 真空斷路器在中國應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn) |
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【摘 要】 首先介紹了我國改革開放以來真空開關(guān)的發(fā)展概況，總結(jié)了我國真空開關(guān)在發(fā)展過程中取得的成就及經(jīng)驗(yàn)。闡述了我國中等電壓等級的真空斷路器的完善化，完成了開斷能力50kA和63kA的真空斷路器的研制工作，并正在開發(fā)更大開斷能力的真空斷路器，如額定電壓24kV、額定電流12500A、開斷能力125～240kA保護(hù)大容量發(fā)電機(jī)組的真空斷路器，還報(bào)道了我國已研制成功110kV、戶外雙斷口真空斷路器和進(jìn)一步開發(fā)220kV的戶外真空斷路器和其他產(chǎn)品。
文章最后報(bào)道了中國電力科學(xué)研究院,在1997～1998年運(yùn)行中的真空開關(guān)所發(fā)生事故的分析報(bào)告和在運(yùn)行中各類真空開關(guān)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，以便向我國制造部門提出更高的制造要求和改進(jìn)真空開關(guān)的制造水平。
1 一般概述
早在1978年，我國不少工礦企業(yè)對真空開關(guān)已有所了解，并希望能早日應(yīng)用到這些企業(yè)中去，而當(dāng)時(shí)國內(nèi)制造真空開關(guān)的工廠也在尋找有關(guān)真空開關(guān)的應(yīng)用單位。中型鋼鐵企業(yè)在連續(xù)軋鋼生產(chǎn)過程中，一直選擇不到比較合適的高壓接觸器來承擔(dān)連續(xù)不斷軋鋼操作運(yùn)行下的要求，而已在運(yùn)行中的電磁式高壓接觸器均來自原蘇聯(lián)和東歐國家，這批在連續(xù)軋鋼生產(chǎn)運(yùn)行中的設(shè)備一直很不穩(wěn)定，加上這些設(shè)備已運(yùn)轉(zhuǎn)期滿，亦需要更換補(bǔ)充新設(shè)備，但再要進(jìn)口購買這些設(shè)備在經(jīng)濟(jì)上有一定困難。選擇了國產(chǎn)的高壓少油斷路器來替代，雖然高壓少油斷路器的價(jià)格低廉，但在生產(chǎn)過程中需不斷地替換和檢修高壓少油斷路器,來保證維持生產(chǎn)，這樣勞動(dòng)強(qiáng)度較高，所以在我國最先投入使用國產(chǎn)真空開關(guān)的就是這批中型鋼鐵企業(yè)。由于當(dāng)時(shí)選用國產(chǎn)真空接觸器還沒有保護(hù)線路短路故障的大容量限流熔斷器，僅選用了真空斷路器來替代真空接觸器。不久西安交通大學(xué)研制出了這種大容量限流熔斷器，才有力地解決了真空接觸器與大容量限流熔斷器配套的問題。這批首次應(yīng)用于鋼鐵企業(yè)中的真空斷路器或真空接觸器，在實(shí)際運(yùn)行中非常平穩(wěn)，獲得了用戶們的好評和滿意。因?yàn)檎婵臻_關(guān)在實(shí)際運(yùn)行中,幾乎不需要像高壓少油斷路器那樣需經(jīng)常維護(hù)檢修，大大降低了勞動(dòng)生產(chǎn)率。此外，在長期頻繁操作過程中沒有像其他開關(guān)那樣，在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的燥聲，因而大大減輕了工人們的疲勞感受。同時(shí)發(fā)揮了真空開關(guān)還具有重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)。
隨著我國改革開放的不斷深化，國內(nèi)石油、化工、電子和礦山等企業(yè)也陸續(xù)使用了各種真空開關(guān)。由于這些企業(yè)的動(dòng)力都要求真空開關(guān)來配套，除部分企業(yè)直接從國外引進(jìn)真空開關(guān)外，大多數(shù)企業(yè)采用了國產(chǎn)的真空開關(guān)，這樣大大促進(jìn)了我國真空開關(guān)的生產(chǎn)。但實(shí)際使用真空開關(guān)的主要用戶是電力工業(yè)部門，而當(dāng)時(shí)電力工業(yè)部門對真空開關(guān)的優(yōu)點(diǎn)還不十分了解，同時(shí)國內(nèi)生產(chǎn)的真空開關(guān)的質(zhì)量亦不夠穩(wěn)定，例如，截流過電壓偏高,真空滅弧室還有個(gè)別漏氣的現(xiàn)象。當(dāng)時(shí)只在少數(shù)電力用戶開始應(yīng)用和試用。關(guān)于上述一些問題，經(jīng)過國內(nèi)制造廠、科研單位和高等院校共同努力的結(jié)果，大約到1990年已基本上得到了解決，同時(shí)對真空開關(guān)的制造技術(shù)和產(chǎn)品質(zhì)量也有顯著提高，使電力工業(yè)部門認(rèn)識到真空開關(guān)確實(shí)是一種比較優(yōu)越的中壓開關(guān)設(shè)備之一。
1.1 真空滅弧室的事故分析
據(jù)西安高壓電器研究所1999年的調(diào)查表明,國產(chǎn)真空滅弧室的質(zhì)量已趨于正常狀態(tài)，事故率已逐年下降。根據(jù)事故分析報(bào)告，真空滅弧室造成漏氣的大概有下列幾個(gè)方面。
1.1.1 真空滅弧室的本體漏氣
真空滅弧室的漏氣在全世界均有存在，但位數(shù)極少。分析國內(nèi)存在問題的原因有原料的質(zhì)量，也有制造工藝和設(shè)計(jì)的因素，還有使用不當(dāng)?shù)取?
(a)原材料的質(zhì)量無氧銅棒的縱向氣線、可伐和不銹鋼板裂縫均可造成慢性漏氣。這種情況在生產(chǎn)過程中均發(fā)現(xiàn)過，但由此造成的漏氣，工廠已能在原材料進(jìn)廠時(shí)嚴(yán)格檢查和產(chǎn)品出廠前檢驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，尚未發(fā)現(xiàn)流到運(yùn)行現(xiàn)場。
陶瓷外殼質(zhì)量一致性差，金屬化分散性大，陶瓷－ 金屬封接強(qiáng)度不穩(wěn)定,都是造成陶瓷真空滅弧室漏氣的主要原因。這種漏氣與真空滅弧室生產(chǎn)批次有關(guān)，大量的漏氣故障往往發(fā)生在個(gè)別批次中。實(shí)際使用中曾發(fā)現(xiàn)個(gè)別批次的真空滅弧室漏氣情況遠(yuǎn)較其他批次高，經(jīng)分析檢驗(yàn)均是由這種原因引起的。
(b)制造工藝和設(shè)計(jì)的因素
陶瓷金屬化工藝不穩(wěn)定，與陶瓷外殼材料質(zhì)量不穩(wěn)定，共同構(gòu)成了批次的高漏氣比率。使用中曾發(fā)現(xiàn)因設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)不合理，導(dǎo)致封接應(yīng)力大而產(chǎn)生氣密性的漏氣。
(c)使用不當(dāng)
在沿海地區(qū)及海上平臺使用的真空滅弧室，由于鹽霧的侵蝕，造成不銹鋼波紋管和蓋板及封接面腐蝕，導(dǎo)致的漏氣情況也有發(fā)生。金屬波紋管是薄壁零件，鹽霧及凝露點(diǎn)狀腐蝕，是導(dǎo)致波紋管漏氣的主要原因。
用戶使用及儲放環(huán)境不符合要求，也曾有導(dǎo)致真空滅弧室漏氣的情況。
1.1.2 波紋管的質(zhì)量
我國極大多數(shù)波紋管是采用0.15mm厚的不銹鋼油壓成形的，在三、四年前，因不銹鋼原材料厚度的不均勻性，直接影響了制成的波紋管使用壽命。
近幾年來不銹鋼的質(zhì)量和厚度均勻性都有很大的提高，同時(shí)油壓設(shè)備的不斷改進(jìn)，使波紋管的制造技術(shù)有很大的改善，操作壽命已達(dá)到20000次以上，目前正向著更高的操作壽命努力，已能控制操作壽命在30000～40000次左右，
1.1.3 排氣工藝技術(shù)
我國對開斷電流在40kA左右的真空滅弧室的排氣工藝已基本掌握，但對制造較大開斷電流的真空滅弧室的排氣工藝尚未完全掌握，如80kA以上開斷電流的真空滅弧室尚待進(jìn)一步研究。
1.2 改進(jìn)真空斷路器制造技術(shù)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)
回顧90年代我國真空斷路器的科研、生產(chǎn)和使用方面的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，開發(fā)了縱向磁場結(jié)構(gòu)電極的真空滅弧室，開展了真空滅弧室小型化等研究工作，例如西安高壓電器研究所研制出ZN28系列的真空斷路器。這一代新型真空斷路器的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于我國早期采用橫向磁場電極結(jié)構(gòu)真空滅弧室組裝成的ZN3-10型和ZN5-10型等老一代的真空斷路器。新一代真空斷路器的研制成功，取得了巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，大大縮小了我國真空斷路器產(chǎn)品與國際先進(jìn)水平之間的差距。我國許多工廠在此基礎(chǔ)上也試制了不少新型結(jié)構(gòu)的真空斷路器，說明我國已具有自行開發(fā)各種不同類型的真空開關(guān)的能力。目前我國采用縱向磁場電極結(jié)構(gòu)的真空開關(guān)生產(chǎn)量，已經(jīng)超過了6萬臺/年的數(shù)量，占我國中等電壓生產(chǎn)和使用總量的60％以上，生產(chǎn)真空開關(guān)的工廠已達(dá)200多家。
西安高壓電器研究所曾對771廠生產(chǎn)的真空滅弧室，于1996年進(jìn)行過42臺次的短路電流電壽命的開斷試驗(yàn)，來分析其開斷成功率有多少。試驗(yàn)結(jié)果有4次發(fā)生開斷失敗，其中2次在導(dǎo)電桿接地開斷失敗，2次在試驗(yàn)方式4時(shí)開斷失敗，這樣771廠生產(chǎn)的真空滅弧室開斷試驗(yàn)成功率為95％以上(不包括導(dǎo)電桿接地開斷失敗)。后來查出其制造上的原因后，再經(jīng)過同樣的短路電流開斷電壽命試驗(yàn)，沒有發(fā)生過開
斷失敗的記錄，即開斷成功率為100％。
西安高壓電器研究所還在1994～1996年，對所有10kV縱向磁場電極結(jié)構(gòu)的國產(chǎn)真空斷路器，對初次試制真空斷路器的開關(guān)制造廠，在進(jìn)行開斷型式試驗(yàn)時(shí)作過開斷成功率的統(tǒng)計(jì)，大約在85％～90％。
真空滅弧室的小型化，我國有關(guān)研究所和高等院校曾作了不少工作，研究的方向是采用各種縱向磁場結(jié)構(gòu)的真空滅弧室和尋求新的觸頭材料。由于縱向磁場結(jié)構(gòu)的電極開斷能力強(qiáng)，在額定的短路開斷電流相同，設(shè)計(jì)裕度和工藝水平相同的條件下，縱向磁場結(jié)構(gòu)的電極比橫向磁場結(jié)構(gòu)的電極小得多，采用縱向磁場結(jié)構(gòu)電極的真空滅弧室可以做得小些。這就是真空滅弧室采用縱向磁場結(jié)構(gòu)電極后，使真空滅弧室小型化的原因。
小型化真空滅弧室的直徑縮小，原材料節(jié)約和工藝費(fèi)用降低。因而真空滅弧室的生產(chǎn)成本大幅度下降和真空斷路器可以做得更緊湊。此外，隨著真空滅弧室外殼尺寸的縮小，外殼上的真空密封焊縫的長度縮短，真空滅弧室漏氣的可能性減小，真空滅弧室的可靠性提高，小型化真空滅弧室的其他性能也遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于橫向磁場真空滅弧室。小型化真空滅弧室的開發(fā)和推廣，是我國真空斷路器進(jìn)入一個(gè)新的發(fā)展階段的重要標(biāo)志。
試驗(yàn)表明，我國ZMD11-10/1250-20、ZMD-14-10/1250-20小型化真空滅弧室的開斷能力的裕度是相當(dāng)大的。它們的額定開斷能力是20kA，曾作過多次開斷試驗(yàn)，不但能輕松開斷25kA，還能開斷3.15kA短路電流。
1.3 其他方面的改進(jìn)工作操動(dòng)機(jī)構(gòu)在真空斷路器中機(jī)械結(jié)構(gòu)最為復(fù)雜，是精度要求最高的部分，不少真空斷路器生產(chǎn)廠很難滿足操動(dòng)機(jī)構(gòu)的加工要求。把操動(dòng)機(jī)構(gòu)獨(dú)立出來可以在生產(chǎn)條件比較好的工廠集中生產(chǎn)，保證其可靠性。將操動(dòng)機(jī)構(gòu)的輸出軸與斷路器主軸合而為一，在設(shè)計(jì)上是不困難的，這樣做對機(jī)架的精度要求將大大提高，一般真空開關(guān)生產(chǎn)廠很難達(dá)到這種精度。將操動(dòng)機(jī)構(gòu)與真空開關(guān)主體二者分開，使大多數(shù)真空開關(guān)廠都能生產(chǎn)真空開關(guān)，并保證了真空斷路器的可靠性。
分裝式真空斷路器是專為我國GG1A等固定開關(guān)柜設(shè)計(jì)的。分裝式真空斷路器自誕生以來，至今已有近20年歷史，其間經(jīng)歷了設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、小規(guī)模試用、大面積推廣等典型的新產(chǎn)品發(fā)展過程。分裝式真空斷路器經(jīng)過數(shù)以百次計(jì)的型式試驗(yàn)的考核，又經(jīng)過了十多年各種運(yùn)行條件的考驗(yàn)。事實(shí)證明，符合國情，經(jīng)濟(jì)實(shí)用，試驗(yàn)成功率很高，性能滿足使用要求，運(yùn)行安全可靠。
幾年來對高電壓等級的真空斷路器作了研究和開發(fā)工作�，F(xiàn)已研制成功110kV雙斷口的戶外真空斷路器和繼續(xù)研制220kV的真空斷路器。此外，還在研制保護(hù)發(fā)電機(jī)組用的額定電壓24kV、額定電流12500A和開斷容量125～240kA的真空斷路器，高電壓等級的永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)，四相高壓真空斷路器和超高壓轉(zhuǎn)換并聯(lián)電抗器用的真空負(fù)荷開關(guān)等。
2 我國真空斷路器的現(xiàn)狀與國際先進(jìn)水平的差距
我國從60年代末開始真空斷路器的實(shí)用化研究，經(jīng)過近三年的努力，現(xiàn)在技術(shù)上已趨成熟，應(yīng)用已相當(dāng)普遍。隨著真空斷路器技術(shù)上的進(jìn)步和性能的提高，使用部門對真空斷路器的要求也越來越高。因此設(shè)計(jì)、制造、研究和高校等部門已在不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，不斷改進(jìn)、完善產(chǎn)品，不斷推出新產(chǎn)品，更好地滿足用戶的要求。
改革開放以來，大量國外先進(jìn)真空斷路器進(jìn)入我國開關(guān)市場，我們必須盡快完善和改進(jìn)國產(chǎn)真空斷路器，并應(yīng)盡快拿出與國外先進(jìn)產(chǎn)品媲美的真空斷路器來提高競爭力。
為了改進(jìn)和完善老產(chǎn)品和發(fā)展新一代真空斷路器，我們必須對現(xiàn)有的真空斷路器的不足之處，用戶的要求以及與國外先進(jìn)的真空斷路器的差距作出充分的估計(jì)，以便確定我國真空斷路器今后發(fā)展的方向。
2.1 我國真空斷路器的參數(shù)和性能
對于真空斷路器最重要的是其性能和參數(shù)應(yīng)滿足使用要求，并具有一定的裕度，性能穩(wěn)定和工作可靠，由于真空斷路器是一種保護(hù)設(shè)備，其性能的穩(wěn)定性和可靠性尤為重要。作為一個(gè)好的真空斷路器，還必須使用方便，參數(shù)范圍廣，系列性強(qiáng)，外形美觀和價(jià)格合理。
我國80年代以來，研制了一批12kV的真空斷路器，與70年代研制的產(chǎn)品相比,各方面都有顯著的提高。就額定參數(shù)而言，我國真空斷路器的額定短路開斷電流已達(dá)到63kA，額定電流最高可達(dá)到4000A，對于額定電流小于、等于3150A的產(chǎn)品，部分產(chǎn)品允許在1.1倍額定電流下長期運(yùn)行。機(jī)械壽命一般為10000～20000次，正在開展將機(jī)械壽命提高到30000～40000次的水平。開斷短路電流前的工頻耐壓可達(dá)48kV，沖擊耐壓可達(dá)84kV，斷流容量試驗(yàn)后的工頻耐壓一般為42kV，沖擊耐壓一般為75kV，允許儲存期20年。已有真空斷路器形成完整的、參數(shù)范圍很寬的產(chǎn)品系列。
上述真空斷路器的額定參數(shù)已能滿足配電的要求，也能滿足大部分冶金、化工部門的要求。對于一些特殊場所，如發(fā)電廠廠用電系統(tǒng)，某些冶金和化工企業(yè)，還需要開斷能力更大，額定電流更高的真空斷路器，這些斷路器正在開發(fā)和發(fā)展中。 |
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