| 真空斷路器在中國應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn) |
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3.1.3 導(dǎo)向與緩沖裝置
(a)導(dǎo)向裝置
真空滅弧室觸頭系統(tǒng)不同軸，勢(shì)必造成分?jǐn)噙^程中觸頭間隙磁場的畸變，使觸頭燒蝕加大， 絕緣水平降低。嚴(yán)重的情況，會(huì)危及到真空斷路器分?jǐn)喽搪冯娏鞒晒β�。為了確保裝配與操 作過程中，觸頭對(duì)中良好，通常真空滅弧室都裝有導(dǎo)向裝置(如圖5,導(dǎo)向1)�？紤]到膨脹系 數(shù)，斷路器操作過程的非直線運(yùn)動(dòng)等問題，這個(gè)導(dǎo)向裝置與動(dòng)導(dǎo)電桿一般留有足夠間隙。多年實(shí)踐證明，這個(gè)導(dǎo)向裝置的存在，并不能保證真空滅弧室觸頭系統(tǒng)的良好對(duì)中，影響到真 空滅弧室開斷短路電流的穩(wěn)定性。
二級(jí)導(dǎo)向是ZN28系列真空斷路器獨(dú)創(chuàng)的導(dǎo)向方式，因其結(jié)構(gòu)簡單易行，導(dǎo)向性能良好，現(xiàn)已為絕大多數(shù)真空斷路器制造廠和研究設(shè)計(jì)人員所接受，并廣泛應(yīng)用到產(chǎn)品中。
二級(jí)導(dǎo)向原理如圖5所示。這種導(dǎo)向方式并不要求導(dǎo)向1和導(dǎo)向2與動(dòng)端運(yùn)動(dòng)部件配合間隙取 得很小，導(dǎo)向2允許在一定范圍內(nèi)調(diào)整，在保證觸頭對(duì)中良好的情況下固定。采用這個(gè)方案 ，保證了運(yùn)動(dòng)部件傳動(dòng)靈活，使動(dòng)觸頭保持直線運(yùn)動(dòng)，改善了真空滅弧室開斷短路電流的穩(wěn)定性，也緩解了金屬波紋管運(yùn)動(dòng)過程產(chǎn)生的應(yīng)力，對(duì)提高波紋管的疲勞壽命起到了一定輔助作用。
導(dǎo)向精度與L值的選取有關(guān)(如圖5)。L值可按產(chǎn)品參數(shù)裕度、配合特性要求選取。對(duì)于10kV 級(jí)產(chǎn)品，選取L≥100mm已足夠滿足要求了。
(b)緩沖裝置的性能研究
真空滅弧室的機(jī)械壽命，受控于波紋管的機(jī)械壽命。在設(shè)定了金屬波紋管和觸頭開距后，真空滅弧室動(dòng)觸頭運(yùn)動(dòng)方式就決定了真空滅弧室的機(jī)械壽命。真空斷路器分閘過程的速度急劇 變化，分閘過程和反彈，對(duì)波紋管的疲勞壽命極為有害。同時(shí)，分閘速度的變化特性，也直接影響到真空斷路器和所配用操動(dòng)機(jī)構(gòu)的機(jī)械壽命。分閘過程，接觸緩沖器瞬間的速度劇變甚至反彈，也可能造成真空斷路器的弧后重?fù)舸Ｈ绾芜x取緩沖特性，不僅關(guān)系到真空斷路 器的機(jī)械性能，也影響到產(chǎn)品電性能。
理想的緩沖特性，應(yīng)該是在運(yùn)動(dòng)部件接觸緩沖器瞬間，緩沖器提供較小反力。隨著緩沖距離 的增加，緩沖特性迅速變陡，最大可能地吸收分閘能量，達(dá)到限制分閘反彈和分閘行程的目 的。利用液體流阻的變化，可以實(shí)現(xiàn)上述設(shè)想。
以上所述，是ZN28—10/4000—50真空斷路器的部分主要設(shè)計(jì)思想。試制與試驗(yàn)表明，產(chǎn)品性能與設(shè)計(jì)要求是吻合的。這個(gè)產(chǎn)品的研制完成，對(duì)發(fā)展更高參數(shù)的中壓真空斷路器積累了 經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)發(fā)展大額定電流的戶內(nèi)真空斷路器也得到了初步結(jié)果。這些數(shù)據(jù)，對(duì)發(fā)展真空發(fā)電機(jī)保護(hù)斷路器，也是極其寶貴的經(jīng)驗(yàn)。
3.2 24kV、12500A和125～240kA真空發(fā)電機(jī)斷路器的開發(fā)
發(fā)電機(jī)斷路器是直接連接在發(fā)電機(jī)和升壓變壓器之間，完成操作和保護(hù)的電氣設(shè)備。發(fā)電機(jī)斷路器,可用于保護(hù)和控制火電、核電和水電(調(diào)峰和抽水蓄能)電站的發(fā)電機(jī)及同步調(diào) 相機(jī)。根據(jù)國際大電網(wǎng)會(huì)議CIRGE的調(diào)查，目前全世界有50％的核電廠與超過10％的火電廠, 采用了發(fā)電機(jī)斷路器。在德國和俄羅斯，大容量的核電廠和火電廠,安裝發(fā)電機(jī)斷路器已成為一種標(biāo)準(zhǔn)。我國也有多家發(fā)電廠安裝了發(fā)電機(jī)斷路器，如沙角C號(hào)發(fā)電廠、丹江口發(fā)電廠和葛洲壩發(fā)電站等。另外還有黃岡發(fā)電廠、外高橋發(fā)電廠及盤山發(fā)電廠等已通過審查，將在其發(fā)電機(jī)出口裝設(shè)發(fā)電機(jī)斷路器。
3.2.1 發(fā)電機(jī)斷路器的發(fā)展現(xiàn)狀
發(fā)電機(jī)斷路器有少油斷路器、壓縮空氣斷路器、六氟化硫斷路器和真空斷路器四種類型 。少油斷路器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，不需要類似壓縮空氣斷路器供氣系統(tǒng)之類的輔助設(shè)備。但 是其通流能力和開斷能力向更高參數(shù)發(fā)展有較大困難，維護(hù)較麻煩，且有爆炸、燃燒的危險(xiǎn) ，因而限制了少油斷路器在發(fā)電機(jī)斷路器領(lǐng)域的發(fā)展。少油發(fā)電機(jī)斷路器的典型產(chǎn)品有原蘇 聯(lián)“電器”工廠的M�！�20型20kV/11200A/87kA斷路器。我國的沈陽高壓開關(guān)廠也生產(chǎn)保護(hù) 發(fā)電機(jī)用的SN4—10型和SN4—20型少油斷路器，其參數(shù)也分別達(dá)到10 kV/12000A/105kA和2 0kV/12000A/87kA。壓縮空氣斷路器,是繼少油發(fā)電機(jī)斷路器后開發(fā)的發(fā)電機(jī)斷路器，它的開斷能力非常強(qiáng)，很適合于保護(hù)發(fā)電機(jī)組的場合。這種發(fā)電機(jī)斷路器的典型產(chǎn)品有,ABB公司的DR型36kV/10000～50000A/100～250kA空氣斷路器和法國Alsthom公司的PKG 36kV/17000～40000A/275kA斷路器。沈陽高壓開關(guān)廠于1985年從法國Alsthom公司引進(jìn)PKG2型發(fā)電機(jī)斷路器 的生產(chǎn)技術(shù)并開始生產(chǎn)。隨著100～400MW發(fā)電站的增多，大中型發(fā)電機(jī)斷路器成為主流，此 時(shí)發(fā)電機(jī)斷路器從壓縮空氣式發(fā)展到六氟化硫式和真空式。1979年三菱公司推出了第一臺(tái)六氟化硫發(fā)電機(jī)斷路器，為雙壓式。1984年該公司又推出了SFW型13000～25000A/110kA單壓式 六氟化硫發(fā)電機(jī)斷路器。1985年BBC公司研制出中等容量的HE型24kV/6300～12000A/63～120 kA旋弧式六氟化硫發(fā)電機(jī)斷路器。1993年GEC－Alsthom公司又推出了自能吹弧式FKG型六氟 化硫發(fā)電機(jī)斷路器，開斷電流為120kA。我國也能生產(chǎn)六氟化硫發(fā)電機(jī)斷路器產(chǎn)品，沈陽高 壓開關(guān)廠于1994年研制成功了LN—24型六氟化硫發(fā)電機(jī)斷路器，參數(shù)為24kV/8000～12500A/ 80～100kA。由于六氟化硫氣體具有優(yōu)良的絕緣和滅弧性能，因此六氟化硫發(fā)電機(jī)斷路器結(jié) 構(gòu)更緊湊，故障率更低。真空發(fā)電機(jī)斷路器出現(xiàn)于1991年，由西門子公司推出，其典型產(chǎn)品 為8BK41型7.2～17.5kV/4000～12000A/40～80kA真空發(fā)電機(jī)斷路器。我國目前已能大批量生產(chǎn)保護(hù)中小型發(fā)電機(jī)的真空斷路器，額定短路開斷電流為63kA及以上的真空發(fā)電機(jī)斷路器產(chǎn)品目前還是空白，成為當(dāng)今必須開發(fā)的目標(biāo)之一。
發(fā)電機(jī)斷路器與一般的輸配電高壓斷路器相比，它們?cè)陔娋W(wǎng)中所處的位置不同，保護(hù)對(duì) 象也不一樣，因此在許多方面要滿足特殊的要求。這些要求大致可分為三個(gè)方面：第一是額 定值方面的要求，第二是開斷性能方面的要求，第三是固有恢復(fù)電壓方面的要求。從額定值 方面來看，發(fā)電機(jī)斷路器需要具備很大的額定短路電流開斷能力及關(guān)合能力，需要具備很大 的額定電流承受能力等。這些額定值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于同級(jí)別的輸配電斷路器。從開斷性能看，對(duì)發(fā) 電機(jī)斷路器有開斷非對(duì)稱短路電流的要求，其直流分量衰減時(shí)間達(dá)133ms。另外還要求具有 關(guān)合額定
短路關(guān)合電流(其峰值為額定短路開斷電流交流分量有效值的2.74倍)及開斷失步電 流等能力，這都是對(duì)斷路器提出的“苛刻”要求。從固有瞬態(tài)恢復(fù)電壓方面看，因?yàn)榘l(fā)電機(jī) 斷路器的瞬態(tài)恢復(fù)電壓，由發(fā)電機(jī)和升壓變壓器參數(shù)決定，而不是由系統(tǒng)決定，所以其瞬態(tài) 恢復(fù)電壓上升率(RRRV)，取決于發(fā)電機(jī)和變壓器的容量等級(jí)，等級(jí)越高，RRRV值越大，其數(shù) 量級(jí)為kV/μs。這是一個(gè)對(duì)斷路器要求很高的指標(biāo)。由此可見，發(fā)電機(jī)斷路器在許多方面與 一般的斷路器不同，要滿足較高的要求，因此發(fā)電機(jī)斷路器不僅要滿足現(xiàn)有的開關(guān)制造標(biāo)準(zhǔn) ，還要有其專用的標(biāo)準(zhǔn)。1993年IEEE專門頒布了用于發(fā)電機(jī)斷路器的制造標(biāo)準(zhǔn)IEEE C37.013 (1993)，我國也制定了發(fā)電機(jī)斷路器的通用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T14824—93，并于1994年10月1日起實(shí)施。
從用戶的角度對(duì)發(fā)電機(jī)斷路器有兩點(diǎn)要求：一是要求性能優(yōu)良，二是要求價(jià)格低。性能優(yōu)良，飼針對(duì)發(fā)電機(jī)斷路器所保護(hù)對(duì)象的重要性而言的。由于其所保護(hù)的發(fā)電機(jī)組是電力系 統(tǒng)的心臟，因此要求發(fā)電機(jī)斷路器，一定要達(dá)到相應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)，同時(shí)一定要操作可靠，故 障率低。在這方面，六氟化硫 斷路器和真空斷路器都是很好的選擇。如ABB公司生產(chǎn)的DR型壓縮空氣斷路器的故障率，已 減低到0.5％，操作故障率為20×10－6，這一指標(biāo)比一般的高壓斷路器低20倍左右，而該公司的六氟化硫斷路器產(chǎn)品故障率極低，小于0.3％，而且結(jié)構(gòu)更緊湊。在發(fā)電機(jī)斷路器領(lǐng)域 ，真空斷路器在開斷性能和操作可靠性方面，可與六氟化硫斷路器相當(dāng)。從價(jià)格方面看，價(jià) 格因素是制約發(fā)電機(jī)斷路器發(fā)展的關(guān)鍵因素之一，如果發(fā)電機(jī)斷路器價(jià)格能降下來，勢(shì)必對(duì) 電力工業(yè)的發(fā)展會(huì)起到積極的促進(jìn)作用。在許多電站的工程預(yù)算中，由于發(fā)電機(jī)斷路器的價(jià) 格較高，一次性投資較大，因此就沒有被采納。從這個(gè)角度來講，真空斷路器可能比六氟化 硫斷路器具有一定的優(yōu)勢(shì)。因?yàn)榱驍嗦菲髟谏a(chǎn)時(shí)對(duì)制造工藝要求很高，加工成本很 大，因此其價(jià)格很難降下來。發(fā)電機(jī)斷路器所處的電壓等級(jí)屬中壓等級(jí)，在這個(gè)等級(jí)真空斷 路器占據(jù)優(yōu)勢(shì)地位，由于真空滅弧室由專業(yè)廠家生產(chǎn)，價(jià)格較低，同時(shí)操動(dòng)機(jī)構(gòu)的生產(chǎn)技術(shù) 也非常成熟，生產(chǎn)成本亦低，因此真空發(fā)電機(jī)斷路器在價(jià)格上比六氟化硫斷路器有優(yōu)勢(shì)。因此在發(fā)電機(jī)斷路器領(lǐng)域，六氟化硫斷路器和真空斷路器將成為主流，而從價(jià)格上看真空斷路 器可能會(huì)更有一些優(yōu)勢(shì)。
3.2.2 新型真空發(fā)電機(jī)斷路器的研制
由前面所述，真空發(fā)電機(jī)斷路器的發(fā)展將有很大潛力，因此研制出我國自主知識(shí)版權(quán)的 大容量真空發(fā)電機(jī)斷路器很有意義�，F(xiàn)在西安交通大學(xué)和東北電力科學(xué)研究院，正在聯(lián)合開 發(fā)一種新型的真空發(fā)電機(jī)斷路器。由于發(fā)電機(jī)斷路器，需要具有承受很大的額定電流能力及 開斷很大的短路電流的能力，而單個(gè)的真空滅弧室，很難同時(shí)滿足這樣的要求。為了解決這 個(gè)問題，世界上唯一生產(chǎn)大容量真空發(fā)電機(jī)斷路器的西門子公司，采用了這樣一種解決辦法 ，以8BK41型真空發(fā)電機(jī)斷路器為例，它是將一臺(tái)參數(shù)較低的8BK40型真空斷路器的三相并聯(lián) 起來，組成8BK41型斷路器的一相，將這樣的三相合成一個(gè)總體，共同承擔(dān)大的額定電流和 開斷大的短路電流。為了達(dá)到三相同步運(yùn)行，采用同步控制裝置和快速脫扣器來完成。這種方法對(duì)工藝要求很高，而且成本也較高，另外實(shí)現(xiàn)同步較復(fù)雜�，F(xiàn)在正在研制的新型真空發(fā) 電機(jī)斷路器的思路，是將承載大的額定電流的任務(wù)與開斷大的短路電流的任務(wù)用兩個(gè)并聯(lián)單 元，即真空隔離器和真空滅弧室配合完成。這種方案對(duì)工藝要求較低，而且較易實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品系 列化，其工作原理如圖6所示。在圖6中，正常工作時(shí)真空隔離器VD與真空滅弧室VI均閉合， 此時(shí)額定電流大部分由VD通過。當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，VD先分開，當(dāng)電流全部轉(zhuǎn)到VI后，將VI打開，開斷故障電流。下面依次對(duì)真空隔離器、真空滅弧室和操動(dòng)機(jī)構(gòu)的研究進(jìn)展作一簡要介紹 。
真空隔離器首次在真空開關(guān)領(lǐng)域內(nèi)使用了插入式梅花觸頭結(jié)構(gòu)，以用于承載大的額定電 流。該結(jié)構(gòu)的示意圖如圖7所示。
圖7所示為合閘時(shí)的情況， 在圖中有一圓柱形動(dòng)觸頭，在動(dòng)觸頭的周圍有6個(gè)弧形的靜 觸頭將動(dòng)觸頭包住。電流通過動(dòng)觸頭后，由圓柱側(cè)面流向靜觸頭，再由靜觸頭流出。在靜觸 頭的后面可由波紋管施加徑向力F，以達(dá)到所需的接觸壓力，減小接觸電阻，滿足承載大的 額定電流的要求。由于真空具有良好的絕緣特性，因此真空隔離器可以做得體積很小，這樣將大大減小整機(jī)的體積。 |
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