| 真空斷路器在中國(guó)應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn) |
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國(guó)外先進(jìn)的真空斷路器的參數(shù)與我國(guó)產(chǎn)品基本相同：最大額定短路開斷電流一般為63kA,有些公司也生產(chǎn)更大額定短路開斷電流的產(chǎn)品，如日本有額定短路開斷電流為100kA的產(chǎn)品，這些真空斷路器只用于一些特殊的場(chǎng)所。國(guó)外真空斷路器的額定電流一般最高為3150A，個(gè)別產(chǎn)品額定電流為4000A。國(guó)外先進(jìn)的真空斷路器的機(jī)械壽命比較長(zhǎng)，像西門子公司的3AF、3AH系列真空斷路器的機(jī)械壽命為30000次，且在壽命期間不需要維修，我國(guó)的真空斷路器還達(dá)不到這樣的水平。
在開斷能力和在關(guān)合能力等方面，我國(guó)真空斷路器的性能是高的，也是穩(wěn)定的。近年來(lái)西安高壓電器研究所進(jìn)行了大量真空斷路器的開斷試驗(yàn)，試品包括國(guó)內(nèi)各生產(chǎn)廠的和各主要國(guó)外真空斷路器生產(chǎn)公司的產(chǎn)品，從大量試驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)看，國(guó)產(chǎn)真空斷路器的開斷能力試驗(yàn)和額定短路開斷電流開斷次數(shù)(電壽命)、試驗(yàn)的一次成功率比進(jìn)口真空斷路器還要高。
真空斷路器的觸頭是不能維修和更換的，要求真空斷路器有足夠高的電壽命是必要的。真空斷路器的電壽命也一直受到使用部門的密切關(guān)注。我國(guó)一般真空斷路器的技術(shù)條件規(guī)定：額定短路開斷電流31.5kA及31.5kA以下真空斷路器的電壽命為50次，40kA真空斷路器為30次，50kA為20次。有些產(chǎn)品在技術(shù)條件中規(guī)定75次甚至100次電壽命。我國(guó)真空斷路器技術(shù)條件規(guī)定的電壽命，是型式試驗(yàn)中實(shí)際進(jìn)行的滿容量開斷次數(shù)。當(dāng)代我國(guó)真空斷路器的預(yù)期電壽命，要比技術(shù)條件規(guī)定的高，早期真空斷路器(如ZN3-1，ZN5-10)的電壽命為30次，經(jīng)30次開斷后，觸頭燒損厚度接近甚至大于允許觸頭燒損厚度3mm。可以認(rèn)為這些真空斷路器的預(yù)期電壽命為30次左右。新一代真空斷路器普遍使用縱向磁場(chǎng)電極和銅鉻觸頭材料，用縱向磁場(chǎng)電極替代橫向磁場(chǎng)電極，成倍地降低了短路開斷電流下的電弧電壓(電弧能量)，而且使電弧在觸頭表面分布得比較均勻，用銅鉻觸頭材料替代銅基觸頭材料則降低單位電弧能量所造
成的觸頭燒損量。兩者相結(jié)合，使真空斷路器的電壽命有了突破性的提高。采用縱向磁場(chǎng)電極和銅鉻觸頭材料的真空斷路器，電壽命試驗(yàn)所造成的觸頭燒損厚度一般小于1mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于允許觸頭燒損厚度3mm，可以推斷，其預(yù)期電壽命要比技術(shù)條件規(guī)定值高得多�，F(xiàn)在有些工廠為了證明自己的產(chǎn)品先進(jìn)，在型式試驗(yàn)中進(jìn)行75次，甚至100次額定短路開斷電流開斷試驗(yàn)。其實(shí)，這種試驗(yàn)只是證明其具有原來(lái)已經(jīng)有的能力而已，并不意味著它的性能一定比其他產(chǎn)品的電壽命長(zhǎng)。
在當(dāng)前的技術(shù)水平下，只要適當(dāng)犧牲一些經(jīng)濟(jì)性，提高真空斷路器短路開斷電流的電壽命是不因難的。簡(jiǎn)單地加大觸頭直徑(相應(yīng)放大真空滅弧室直徑)就可以有效地提高電壽命。真空斷路器的這種電壽命究竟應(yīng)取多長(zhǎng)才能充分滿足使用要求?對(duì)于這一問(wèn)題需要進(jìn)行認(rèn)真的研究。初步的結(jié)論認(rèn)為短路開斷電流的電壽命并不一定是越高越好，電壽命和其他性能指標(biāo)一樣，一旦它超出了使用的需要，超出的部分便成了多余的功能，為此而付出的人力、物力都是一種浪費(fèi)。上面已指出，我國(guó)早期真空斷路器的實(shí)際電壽命只有30次左右，它們投入運(yùn)行最長(zhǎng)的已超過(guò)20年，在電力系統(tǒng)至今還沒有發(fā)現(xiàn)有真空斷路器因短路開斷電流的電壽命終了而退出運(yùn)行的，也沒有發(fā)現(xiàn)因短路開斷電流的電壽命過(guò)短而造成事故的，可見這些真空斷路器已能基本滿足電力系統(tǒng)對(duì)短路開斷電流的電壽命的要求了。六氟化硫斷路器也是一種免維修的斷路器，中壓六氟化硫斷路器在型式試驗(yàn)時(shí)最多只進(jìn)行20次滿容量開斷試驗(yàn)，它們?cè)陔娏ο到y(tǒng)中運(yùn)行得也是令人滿意的。新一代真空斷路器的電壽命更長(zhǎng)、更可靠，它們的這種電壽命實(shí)際上已遠(yuǎn)超過(guò)了使用要求。在此條件下片面追求更長(zhǎng)的電壽命是毫無(wú)實(shí)用價(jià)值的。
西門子公司的3AH系列31.5kA真空斷路器的電壽命為50次；ABB公司的真空斷器為了在中國(guó)銷售，經(jīng)過(guò)努力通過(guò)了50次滿容量開斷試驗(yàn)；全俄電工研究院的16kA、20kA真空斷路器的電壽命為50次，40kA和50kA真空斷路器分別為25次和20次；日本三菱公司的真空斷路器在型式試驗(yàn)中只進(jìn)行8次滿容量開斷。由此可見，我國(guó)真空斷路器的電壽命一點(diǎn)不比國(guó)外最先進(jìn)的水平低。
真空斷路器有許多機(jī)械參數(shù)，如合、分閘速度，觸頭行程，觸頭合閘彈跳時(shí)間，觸頭分閘反彈幅值等等。這些參數(shù)是用以保證真空斷路器達(dá)到其性能而設(shè)定的，只要它們能保證其主要性能就不必苛求。
綜上所述可以看出，從型式試驗(yàn)反映的國(guó)產(chǎn)真空斷路器的性能是好的，不比國(guó)外先進(jìn)產(chǎn)品差。只有機(jī)械壽命還比較低，需要進(jìn)一步做工作。
2.2 真空斷路器的總體結(jié)構(gòu)
70年代我國(guó)獨(dú)立研制的ZN3-10型和ZN5-10型真空斷路器采用落地式總體布置。ZN3-10型真空斷路器，每個(gè)真空滅弧室用幾根絕緣桿固定在位于斷路器下部的機(jī)架上，操動(dòng)機(jī)構(gòu)置于機(jī)架內(nèi)(如圖1所示)。ZN5-10型真空斷路器的真空滅弧室的固定方式略有改進(jìn)，每個(gè)真空滅弧室用兩個(gè)新月形的絕緣板固定在斷路器最下部的機(jī)架上，操動(dòng)機(jī)構(gòu)同樣布置在機(jī)架內(nèi)(如圖2所示)。
這種結(jié)構(gòu)形式帶來(lái)了一系列的問(wèn)題。用絕緣桿或新月形絕緣板支撐，使真空斷路器的整體剛度不佳。用在手車柜中使用時(shí)，由于剛度不佳，真空斷路器無(wú)法承受手車推進(jìn)和拉出時(shí)所產(chǎn)生的機(jī)械沖擊。為了提高剛度，斷路器上部必須用絕緣子固定到手車架上。這不僅使手車的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，還可能使真空滅弧室和絕緣桿受較大的應(yīng)力作用。當(dāng)短路電流通過(guò)時(shí)，相間受巨大的電動(dòng)力作用，絕緣桿支撐結(jié)構(gòu)承受相間電動(dòng)力的能力是很有限的。在電動(dòng)力作用下，絕緣桿容易彎曲變形，從而使真空滅弧室的外殼受力。額定短路開斷電流不太大(如20kA或31.5kA)時(shí)，剛度差的矛盾還不會(huì)很突出，當(dāng)額定短路開斷電流為40kA或50kA時(shí)，這一矛盾就會(huì)非常突出。這就制約了ZN3-10型和ZN5-10型真空斷路器，發(fā)展成包括大額定短路開斷電流品種的完整的系列化產(chǎn)品。
由于操動(dòng)機(jī)構(gòu)置于真空斷路器的最下部的機(jī)架內(nèi)，這使ZN3-10型和ZN5-10型的斷路器的裝配、調(diào)試、檢測(cè)和維護(hù)很不方便。在真空斷路器運(yùn)行中，對(duì)操動(dòng)機(jī)構(gòu)的檢查、維護(hù)和調(diào)整是很難避免的。當(dāng)這類真空斷路器用于手車柜中時(shí)，只有將真空斷路器從手車上卸下來(lái)后，才能對(duì)操動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行檢查、調(diào)整和維護(hù)。當(dāng)它們?cè)诠潭ü裰惺褂脮r(shí)，必須將其從柜子中拆下來(lái)才能進(jìn)行檢查，這對(duì)用戶是非常不方便的。
我國(guó)早期真空斷路器(包括ZN3-10型和ZN5-10型)只配備電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)，沒有配置彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)，在ZN3-10型和ZN5-10型這樣的落地式布置的真空斷路器中，安裝彈簧機(jī)構(gòu)也比較因難，使這類真空斷路器，不能滿足那些沒有直流電源的用戶的要求。
因此，使用不方便是這類真空斷路器比較大的缺點(diǎn)，而且難以從根本上加以克服，在這里值得一提的是，仍然有個(gè)別新研制的真空斷路器，采用與ZN3-10非常相似的結(jié)構(gòu)形式。雖然由于使用了性能先進(jìn)的真空滅弧室和采取了一些技術(shù)措施，使某些性能有了提高，但由于結(jié)構(gòu)上的局限性，使它們?cè)谙盗行院褪褂梅奖阈苑矫�，不僅遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于國(guó)外先進(jìn)斷路器，而且落后于我國(guó)當(dāng)代真空斷路器的先進(jìn)水平。
80年代至90年代初研制的真空斷路器，基本放棄了落地式布置方式，多數(shù)采用與國(guó)外真空斷路器相似的懸掛式或綜合式總體布置方式。真空滅弧室由機(jī)械強(qiáng)度很高的絕緣子支撐，真空斷路器的整體剛度很高，其中綜合式布置的真空斷路器的整體剛度更高，這種結(jié)構(gòu)形式，已成功地用于額定短路開斷電流高達(dá)50kA的真空斷路器。這些真空斷路器的操動(dòng)機(jī)構(gòu)，都布置在真空斷路器后部的框架中，卸下后部蓋板就可對(duì)操動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行維護(hù)、檢查和調(diào)整。1998年以后，我國(guó)真空斷路器很少采用絕緣框架或整體絕緣筒，作為真空滅弧室支撐和對(duì)地絕緣。
70～80年代，我國(guó)還沒有適合于真空斷路器使用的長(zhǎng)壽命彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)。1992年以后發(fā)展了幾種長(zhǎng)壽命彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)，它們的輸出特性與真空斷路器的反力特性能有較好的匹配，輸出功能滿足大容量真空斷路器的要求，機(jī)械壽命已達(dá)到30000次。
多數(shù)真空斷路器用的操動(dòng)機(jī)構(gòu)(包括電磁機(jī)構(gòu)和彈簧機(jī)構(gòu))是集中布置的，即機(jī)構(gòu)被設(shè)計(jì)成獨(dú)立的元件，自成一體，這樣做便于操動(dòng)機(jī)構(gòu)的集中生產(chǎn)，有利于保證產(chǎn)品質(zhì)量。
我國(guó)的新一代真空斷路器多數(shù)已克服了早期產(chǎn)品參數(shù)范圍不廣，不成系列和使用不便的缺點(diǎn)，目前生產(chǎn)的真空斷路器具有參數(shù)范圍廣、系列性強(qiáng)和使用方便的優(yōu)點(diǎn)，基本上滿足了用戶的要求。在這些方面我國(guó)的真空斷路器與國(guó)外產(chǎn)品已不存在差距。
由于我國(guó)的真空斷路器沿面爬電距離和空氣間隙都設(shè)計(jì)得比較大，更適合于我國(guó)的使用環(huán)境條件，國(guó)產(chǎn)真空斷路器的價(jià)格比進(jìn)口產(chǎn)品低得多，國(guó)產(chǎn)真空斷路器更適合于中國(guó)市場(chǎng)。
2.3 提高可靠性和改善外觀質(zhì)量
我國(guó)用戶喜歡選用國(guó)外進(jìn)口真空斷路器的主要原因：一是普遍認(rèn)為進(jìn)口產(chǎn)品的可靠性高，二是國(guó)外產(chǎn)品精致和美觀。我國(guó)真空斷路器確實(shí)存在這二個(gè)問(wèn)題，特別是機(jī)械可靠性不夠高，機(jī)械壽命還不夠長(zhǎng)和外觀不夠美觀和精致。
可靠性對(duì)真空斷路器來(lái)說(shuō)
是特別重要的，機(jī)械壽命則直接關(guān)系著使用壽命，兩者的提高具有巨大的實(shí)用價(jià)值，我國(guó)真空斷路器可靠性不夠高的主要原因有以下幾方面。
首先，我們對(duì)產(chǎn)品的可靠性重視不夠。以前我們一直著重解決開斷能力、電壽命、開斷后的絕緣水平等問(wèn)題。現(xiàn)在這些問(wèn)題在10kV級(jí)真空斷路器中已基本解決。在此條件下，已經(jīng)把工作的重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到提高可靠性和機(jī)械壽命上來(lái)，但時(shí)至今日，還有少數(shù)人依然對(duì)提高電壽命不遺余力，甚至把電壽命的長(zhǎng)短作為衡量真空斷路器優(yōu)劣的依據(jù)。這對(duì)于引導(dǎo)生產(chǎn)廠提高產(chǎn)品的可靠性和機(jī)械壽命是非常不利的。
有些設(shè)計(jì)觀念也是造成可靠性不夠高的原因，我們的設(shè)計(jì)往往強(qiáng)調(diào)產(chǎn)品能用一般加工工藝手段制造出來(lái)，這就不得不遷就落后的加工工藝，零部件的設(shè)計(jì)精度低，依靠調(diào)整解決精度低的矛盾，因而調(diào)整環(huán)節(jié)多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，這不可能不降低可靠性。
設(shè)計(jì)中偏重于提高產(chǎn)品的性能指標(biāo)，對(duì)可靠性不夠重視，甚至個(gè)別產(chǎn)品為了提高一些不太重要的性能指標(biāo)而犧牲可靠性，例如有的真空斷路器為了追求觸頭合閘無(wú)彈跳，在真空滅弧室的靜端設(shè)置合閘緩沖彈簧，合閘緩沖可以減小合閘彈跳是沒有問(wèn)題的，但為了保證明顯的緩沖效果，動(dòng)、靜觸頭接觸后，靜觸頭必須跟隨動(dòng)觸頭運(yùn)動(dòng)一個(gè)緩沖距離，這導(dǎo)致與靜觸頭連成一體的整個(gè)真空滅弧室絕緣外殼的合閘振動(dòng)，這很容易造成真空滅弧室外殼損傷。真空滅弧室的靜端不是剛性固定的，因而真空滅弧室外殼在電動(dòng)力的作用下可能作橫向擺動(dòng)，這同樣容易引起外殼損傷。開斷電流越大，這種危險(xiǎn)也越大。這些作用無(wú)疑將降低真空斷路器的機(jī)械可靠性。經(jīng)驗(yàn)表明，將合閘彈跳時(shí)間控制在某一范圍(如2ms)內(nèi)，合閘彈跳是無(wú)害的。國(guó)外先進(jìn)的真空斷路器也并不是沒有觸頭合閘彈跳，西門子公司的3AF，3AH系列真空斷路器通過(guò)提高加工精度使合閘彈跳時(shí)間控制在1ms之內(nèi)，東芝公司的真空斷路器的允許合閘彈跳時(shí)間為10ms，實(shí)際產(chǎn)品的合閘彈跳時(shí)間可控制在4ms之內(nèi)。犧牲產(chǎn)品的可靠性換取合閘無(wú)彈跳的作法不可取。
再如，有的真空斷路器試圖用提高分閘速度來(lái)提高電壽命，從理論上說(shuō)，提高分閘速度可以縮短最短燃弧時(shí)間，減小每次開斷所產(chǎn)生的電弧能量，從而提高電壽命。另一方面，提高分閘速度會(huì)帶來(lái)一系列副作用，分閘速度提高將大大提高運(yùn)動(dòng)部件和支持件的機(jī)械負(fù)荷，縮短波紋管的壽命，從而降低機(jī)械壽命和機(jī)械可靠性，提高分閘速度等效于增大燃弧期間的電弧長(zhǎng)度，不利于提高開斷能力。在電壽命已足夠長(zhǎng)，而機(jī)械壽命和可靠性尚需進(jìn)一步提高的條件下，靠提高分閘速度來(lái)提高電壽命是得不償失的，在當(dāng)前機(jī)械壽命和可靠性是真空斷路器的薄弱環(huán)節(jié)的情況下，即使略微增長(zhǎng)一點(diǎn)燃弧時(shí)間，取較低的分閘速度，以提高可靠性和機(jī)械壽命則更為合理。
有人把型式試驗(yàn)中偶而發(fā)生的開斷失敗歸罪于真空滅弧室的小型化，這是一種誤解。真空滅弧室的直徑不斷縮小是技術(shù)進(jìn)步的結(jié)果，而不是靠降低開斷能力的裕度得到的。當(dāng)前小型化真空滅弧室的開斷能力穩(wěn)定性、絕緣水平、電壽命等性能都比我國(guó)早期大直徑直空滅弧室有顯著提高， 生產(chǎn)成本則大大降低。真空滅弧室的小型化還有利于提高真空滅弧室的機(jī)械可靠性。漏氣是導(dǎo)致真空滅弧室失效的重要原因之一，在相同的工藝條件下，發(fā)生漏氣的概率與焊縫長(zhǎng)度、玻璃－可伐(或陶瓷－可伐)封接長(zhǎng)度成正比。 隨著真空滅弧室直徑的縮小，焊縫長(zhǎng)度和封接長(zhǎng)度縮短，漏氣可能減少，真空滅弧室的可靠性提高。 |
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