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真空断路器的最新发展动态


真空断路器的最新发展动态

真空断路器的最新发展动态

引言: 引言:从六十年代真空断路器在电力系统取得实用价值的成果以来,迄今已有
四十多年的发展历程,真空灭弧室、操动机构等制造技术的不断创新和改进,使 真空断路器的发展极为迅速,并在大容量、小型化、低过电压、智能化及可靠性 研究方面取得了一系列重大成果,并正向高电压领域发展。

真空断路器由于它具有可靠性高、体积小、重量轻、无爆炸、低噪音、少维 护、不污染环境等一系列优点在 3.6~40.5kV 中压领域,特别是 12kV 已占有绝 对主导地位。 真空断路器的市场占有率从 70 年代的百分之几到 2003 年已占到中 压断路器的 70%以上。其中德国和美国占 70%、日本几乎占 100%。我国真空 断路器的产量和占有比例年年攀升。见表 1 表1 年份 产量(台) 占有率 40.5kV 12kV 1998 66228 79.70% 2043 30.63% 1999 70463 83.4% 1783 30.25% 2000 89680 87.36% 4768 41.96% 2001 93465 90.16% 6799 59.27% 2002 133519 92.27% 8141 57.51% 2003 200786 95.7% 13818 62.24%

近几年来,真空断路器的发展动态和产品的技术进步主要体现在两个方面: 1.真空断路器极柱固封技术(固封式真空断路器) 2.真空断路器向高电压发展成为可能。

(一) 真空断路器的极柱固封技术 固封式真空断路器) (固封式真空断路器)
1. 概述
目前真空断路器的绝缘方式有空气绝缘、复合绝缘和固封绝缘。固封技术的 出现并应用于真空断路器,促进了真空断路器发展和技术进步。 ? 空气绝缘——带电部分完全裸露在空气中,易受潮湿,灰尘,小动物的影响, 运输中易磕碰。 ? 复合绝缘——将灭弧室保护在环氧树脂套管内, 由于带电部分没有完全被包起 来,也容易受潮气、灰尘、昆虫等影响。 ? 极柱固封——将灭弧室和上下出线端等零部件用环氧树脂通过 APG 工艺全部 包封。不受外界影响,提高了耐气候性。环氧树脂不仅是一次部 分的主绝缘,而又是它的机械支撑,其电场分布和应力分布优于 各种形状的绝缘隔板。 随着极柱固封技术趋于成熟,固封式真空断路器可靠性和参数愈做愈高,产 品逐步被用户所认识和采用。
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·极柱固封式真空断路主要优点: ① 由于环氧树脂的绝缘强度是空气的 5~6 倍,固封极柱可大大提高绝 缘强度。 ② 固封极柱的零部件大量减少,导体搭接面从六组减少到三组,螺栓用 量由 8 个减少到 1~3 个,简单的结构大大提高了断路器的可靠性。 ③ 外界环境对灭弧室的影响被排除到最小, 增强了耐气候性,固封极柱 使真空灭弧室的表面绝缘由外绝缘变成内绝缘,第一次彻底完美地 解决了表面爬距问题,提高了灭弧室耐受电压水平。 ④ 固封极柱具有很高的抵抗机械碰撞能力。 ⑤ 体积更加小型化,结构紧凑而坚固。

2. 固封式真空断路器的国内外发展情况
1997 年 ABB 公司首次创新的将真空灭弧室用环氧树脂完全浇注起来,使整个 断路器的极柱成为一个整体部件,这就是 VM1 型极柱固封式真空断路器。配有仅 有 60 个零件(7 个活动件)组成的磁力驱动机构代替了有数百个零部件的传统机 构.固封极柱结构如图 1 所示。

图 1 固封极柱结构 固封极柱的问世,尝试取代传统空气绝缘和复合绝缘。ABB 公司将此固封极 柱应用到了 VD4 型真空断路器的产品中(配弹簧机构),其型号为 VDP4。由于在绝 缘性能、可靠性、寿命等方面显示了它的突出优越性,固封极柱真空断路器在商 业上取得很大成功。图 2 示出 ABB 德国 CalorEmag 公司 1998~2003 年产量可达 100000 只,折合断路器 30000 台以上。极柱固封式真空断路器发展之迅猛,将 会有很好的市场前景。
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图2

ABB 公司固封极柱产量

在固封式真空断路器的研制方面我国并不算落后,2002 年西安森源开关技 术研究所研制成功的 VSm 型固封式真空断路器(配永磁操动机构)后又将固封极 柱发展到 VS1 上配弹簧机构的固封式真空断路器型号为 VS1+。 厦门华电开关有限公司与西安高压电器研究所联合完成了固封式真空断路 器的研制,型号为 VEP,于 2002 年通过了国家鉴定。 目前如北京华东森源等企业可以生产 VSm 和 VS1+型真空断路器。

固封式真空断路器的几个技术问题 3. 固封式真空断路器的几个技术问题
① 真空灭弧室更加小型化, 结构紧凑——真空灭弧室是固封式极柱的核心部件, 体积过大将增加极柱浇注困难,并降低极柱合格率。ABB 公司为灭弧室开发 了有三层结构的触头。触头外表面为铜铬合金,基材为纯铜,芯部为不锈钢。 触头材料也更纯、含气量更低,微观结构更均匀。由于高纯度的铜材可降低 触头的接触电阻,从而降低灭弧室的发热量。 厦门华电的 VEP 型断路器的真空灭弧室采用国际专利的 R 触头设计, 无引 弧槽,表面几何形状完美,强大的纵磁场,该灭弧室由北京东方真空电器有 限公司提供。VSm 型的灭弧室采用 95%氧化铝陶瓷外壳,外置式屏蔽筒,杯 状纵磁场触头结构,CuCr25 触头材料。该灭弧室由成都旭光电子股份公司提 供。 ② 解决好温升问题——环氧树脂整体浇注极柱最大突出问题是如何解决散热确 保温升符合标准要求。ABB 公司采用特殊结构灭弧室,加装一个大面积的不 锈钢端盖,主回路的热量可以通过极柱外壁和出线端传导至外界。如图 3 所 示

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图3 时,带强迫风冷。

ABB 公司固封极柱真空灭弧室

VEP 型真空灭弧室回路电阻小,额定电流大于 2500A 时,带散热罩,4000A VSm 型灭弧室的导电杆采用锥形连接面,增大接触面积,降低接触电阻。当 额定电流大于 2000A 时,固封极柱顶部加装散热片,以加快散热。 ③ APG 技术、设备和浇注工艺是固封式断路器的关键——极柱固封技术是一种 崭新的技术,而且专用性强。APG 技术(环氧树脂自动压力凝胶成形技术) 的运用,浇注材料的选用将决定固封极柱的可靠性和稳定性。 · ABB 集团在它的所属开关制造行业全面导入 ABB 工业信息技术(Industrial IT)标准的概念。工业信息技术是 ABB 及用户实现真正的自动化和信息化的 包含全部软件、硬件在内的总体解决方案的总称。在 ABB 生产真空灭弧室和 浇注极柱的工厂里,所有硬件生产设备都带有一个实时动态的软件系统。生 产设备可从系统动态地获取加工目的、工艺参数等,确保加工的一致性,将 错误降至最小。另外,每一个灭弧室和浇注极柱都有一个系列号,所有与产 品相关的信息(图纸、生产工艺流程、标准、检验记录等)可在系统中获得。 这些信息会自动地分配到相关硬件设备中,无需人工设置。 · 日本东芝公司研制出新的浇注材料用于极柱固封。该材料由环氧树脂和带两 种或多种直径分布的球形硅石组成,强度高,热阻及韧性流动性好。 · 厦门华电 VEP 型固封式真空断路器采用德国 APG 工艺和设备, 设备由 Hedric 和 Vogel 公司提供 。浇注采用瑞士 Vantico 公司的树脂材料。 · 西安森源的 VSm 型固封式真空断路器委托奥地利库瓦格公司进行研制,用一 年时间解决了材料和工艺问题,由西安森源开关所牵头,组织八家企业成立 了 APG 协作,组织进行技术攻关。设备选用上海煤科院的压力注射机。固封 极柱样品由常州国电森源绝缘电器有限公司提供,该公司采用嘉兴东方华工
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厂提供的 DE9308 树脂,质量稳定。 ④ 操动机构-—目前固封式真空断路器配有永磁操动机构和弹簧操动机构。无 论那种机构目的只有一个构简单、可靠。 ·ABB公司在VM1型固封真空断路器基础上,最新开发了集测量、保护、开 断于一体的新型真空断路器,它的操动机构由静止的叠片铁芯、永久磁铁、钢 制的动铁芯,以及合闸线圈组成。 ·厦门华电的VEP型固封式真空断路器配模块化设计的弹簧机构。将独立的分 闸模块和合闸模块置于机构箱内,辅以其它附件,完成整机装配。这种结构工 艺性好,质量稳定,适宜批量生产。 ·也可配永磁操动机构。西安森源VSm 型固封真空断路器配MS1型永磁操动 机构(双稳态磁路系统)

4.固封真空断路器的典型产品

固封式真空断路器
技术参数 产品外形

ABB 公司、厦门 ABB VM1型、VD4P 型 额定电压:12kV 额定电流:1600A~2500A 额定短路开断电流: 31.5kA,40.5kA

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固封式真空断路器
技术参数 产品外形

西安森源 VSm 型、VS1+ 额定电压:12kV 额定电流: 630A~3150A 额定短路开断: 25kA,31.5kA,40.5kA

厦门华电 VEP 型 额定电压:12kV 额定电流: 630A~4000A 额定短路开断: 31.5kA, 40.5kA, 50kA

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(二)真空断路器向高电压发展成为可能
1. 概述
在 72.5kV 及以上电压等级 SF6 断路器和 GIS 占有绝对优势。特别是 252kV 及以上电压等级 SF6 断路器和 GIS 几乎占 100%。 由于 SF6 气体具有良好的绝缘性能和灭弧性能被广泛用于高压和超高压开关设备 的绝缘和灭弧介质。随着 SF6 断路器和 GIS 用量的不断增加,SF6 气体的使用量也 不断增加。SF6 气体是最不活泼的气体之一。在大气中的寿命最长,约 3200 年, 是最主要的地球温室效应气体之一。为此,从环境保护出发,1997 年在日本京 都会议上提出的决定草案即《联合国气候变化框架公约京都议定书》简称“京都 议定书” 在议定书附件 A 中列出六种温室效应气体:二氧化碳(CO2)、 (CH4) 。 甲烷 、 氧化亚氮(NO2)、氢氟碳化物(HFCS)、全氟化碳(PFCS)、六氟化硫(SF6),并列出 “京都议定书”规 了与温室气体相关的产业。SF6 气体的消费、生产均在名单中。 定 2008 年至 2010 年为第一个排放量限制和削减承若期。 这一规定对从事高压开 关设备研究和制造企业如何减少 SF6 气体的使用量直至不用提出了新的课题。目 前许多国家都在研究替代 SF6 气体的绝缘和灭弧介质如:N2、N2/ SF6 等研究。另 一方面加速研制 72.5kV 及以上电压等级的真空断路器,并取得了一定成效。

2. 国外研制高压真空断路器情况
1980 年美国通用电气公司已生产了双断口 168kV、40kA 真空断路器。在高 压真空断路器开发日本走在前列。日本日立公司生产了 123kV、31.5kA 单断口和 168kV 双断口真空断路器; 东芝公司 84kV 真空断路器已商品化, 明电舍公司 84kV 真空断路器售往世界各地。日本正在改进目前生产的 123~145kV 真空断路器外 正在迅速开展向更高电压等级发展的研究工作。 2002 年在法国巴黎召开的第 20 届国际真空放电及电气绝缘会议上,日本东 京大学的 S.Yanabu 教授发表了《高压真空断路器是可实现的》论文,文章指出: 用单断口真空灭弧室多个串联是实现向高电压发展的最佳途径。 提出了采用箱式 结构的高压真空断路器的设想。如图 1 所示。

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图中由 4 个单断口真空灭弧室串联组成, 箱内充硅油作为超高压真空断路器 的内绝缘。接地开关和隔离开关可方便的布置在箱内,还可装避雷器和电流互感 器等。 2004 年初日本 AE 帕瓦株式会社研制成功 145kV 单断口真空断路器。 公司 AE 高压真空断路器主要技术参数如表 2。 表2 额定电压 (kV) 额定短路 开断电流(kA) 额定电流 (A) VCB (AIS) 72.5 72.5 72.5 72.5 126 145 20 25/31.5 31.5 40 31.5/40 40 2000 2000 2000 2000 2000 2000 ○ ○ ○ ○ ○ ○ C-GIS (GIS) ○ ○ ○ ○ △ △ △ △ △ △ ○ ○ △ △ △ ○ ○ ○ JEC IEC ANSI GB 断路器类型 使用标准

AE 公司 145kV 单断口真空断路器外形如图 2 所示

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图 2 AE 公司 145kV 真空断路器外形

该断路器采用新形的纵向磁场电极,开断能力强,145kV、2000A、40kA,灭 弧室外形如图 3 所示;灭弧室内部结构如图 4 所示。

图3

145kV 灭弧室外形

图4

145kV 灭弧室内部结构图

该断路器解决外绝缘问题是采用充干燥空气,断路器配电动弹簧操动机构。
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除日本外,其他许多国家也在开展高压真空断路器的研究工作。2002 年在法国 巴黎召开的 CIGRE 年会上,德国的 Siemene AG 公司的 H.Knobloch,德国 Braunshweig 技 术 大 学 的 S.Gieve 和 捷 克 共 和 国 West Bohenuia 大 学 的 J.Sediacek 发表了“关于双断口和单断口真空灭弧室在高压的应用”论文。文 章中用 84kV 单断口和双断口断路器一系列的实验数据,充分说明真空灭弧室能 适应高电压等级开关的要求,并重点分析了在开断过程中所产生的 X-射线的放 射效应对人体健康的影响程度。 ABB 公司,西门子公司也在加紧研究高压真空断路器,并取得进展。

3. 国内高压真空断路器研制情况
我国高压真空断路器研究开发工作与世界相比并不落后, 西安交通大学的王 季梅教授十几年来一直致力于高压真空断路的研究工作。90 年代西安交通大学 与北京开关厂联合研制了 126kV 双断口真空断路器, 真空灭弧室由北京 774 厂三 分厂提供 66kV。但由于技术等方面原因只停留在样机阶段。2001 年北京北开电 气股份有限公司(原北京开关厂)研制成功 ZW35-72.5、ZW36-126 型高压真空断 路器,并通过了部级鉴定,受到国内外专家的好评。该系列断路器的研制成功为 真空开关向高电压等级发展迈出了重要一步。 目前 ZW35-72.5 型真空断路器在东 北地区运行,用户反映良好。市场前景也非常好。下面重点介绍 ZW36-126 型真 空断路器。 该产品采用瓷柱式结构(瓷柱内装有真空灭弧室,充 SF6 气体) 。三相配用一 个弹簧操动机构。该断路器由灭弧单元、弹簧操动机构、传动机架三部分组成。 控制设备安装在操作箱内。其外形图如图 5 所示。灭弧采用日本明电舍公司专门 为北开研制的 72.5kV 单断口、126kV 单断口真空灭弧室。如图 6 所示。触头材 料为 Cu+Cr+添加剂, 触头结构为纵向磁场, 壳体为玻璃, 外形尺寸Φ19mm, L941mm。

图5

126kV 真空断路器外形图

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图6 产品主要技术参数见表 2

126kV 真空灭弧室内部结构

表2 项 额定电压(kV) 额定电流(A) 额定短路开断电流(kA) 额定雷电冲击耐受电压峰值 (kV) 1min 工频耐受电压(kV) 机械寿命 产品主要特点: · 126kV、40kA 单断口,开断能力强 成。所有部件都安装在一个机壳上,减少了因相互位置误差、变 形而引起的故障。 ·机械寿命长——对断路器进行了优化设计,有效的提高运动效率,最大限度地 降低了操作功,机械寿命达 10000 次。 ·有利于环保——采用真空灭弧室,虽然为了提高灭弧室的外绝缘和防凝露,在 灭弧瓷套内充有少量 SF6 气体(0.1MPa),但在开断后不产生 SF6 气体的衍生物,减少了对环境的污染。 ·应范围广——与 SF6 断路器比,在高寒地区不存在液化问题。机构的润滑部分 ·可靠性高——在机构内由相互独立模块的分闸、合闸、储能、五连杆四部分组 (次) 230 10000 目 参 126 1600 40 550 数

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采取特殊处理,易于在高寒地区运行。 目前西安交通大学正在研制 126kV 单断口配永磁操动机构真空断路器, 对于 126kV 真空灭弧 4401 厂,温州温岭灭弧室厂等企业开展了研究工作,在很短的 时间内就研制成功了国产的高压真空灭弧室。2004 年底国产的 126kV 单断口真 空断路器将会试制成功。126kV 真空断路器的研制成功,252kV 真空断路器就很 有可能实现。由此我们相信由大专院校与企业的通力合作。高压真空断路器的研 究开发工作一定会取得成功。

4.结束语
经过国内外专家和制造企业的多年努力, 真空断路器向高电压等级发展已成 为可能,但还有许多课题摆在我们面前需要去探索、研究、试验、分析去解决: ① 真空灭弧室的电场分布,绝缘击穿等机理的改善和分析。 ② 提高开断容量(3150A、50kA) 。电极材料的选用,电极结构,电极的工艺问 题。 ③ 提高绝缘能力,应考虑最优化的电场分布,中间屏蔽形状等问题。 ④ 提高外绝缘能力。考虑用各种介质替代 SF6 气体如:干燥空气、N2、混合气体、 硅油等。 总之,高压绝缘技术,绝缘材料和金属材料等却是今后真空断路器实现高电压化 的重要研究方向。

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