真空斷路器工作原理.doc

真空斷路器工作原理真空斷路器工作原理與其他斷路器相比之是滅弧介質(zhì)不同罷了，真空不存在導(dǎo)電介質(zhì)，使電弧快速熄滅，因此該斷路器的動(dòng)靜觸頭之間的間距很少。該斷路器一般用于電壓等級(jí)相對(duì)低的廠用電配置中！隨著電力系統(tǒng)的迅猛發(fā)展， 10KV 真空斷路器在我國(guó)已經(jīng)大批量地生產(chǎn)和使用。對(duì)于檢修人員來(lái)說(shuō)，提高對(duì)真空斷路器的認(rèn)識(shí)，加強(qiáng)維護(hù)保養(yǎng)，使其安全運(yùn)行，成了一個(gè)迫在眉睫的問(wèn)題。本文以 ZW27 12 為例，簡(jiǎn)要說(shuō)明真空斷路器的原理與維修。一、真空的絕緣特性真空具有很強(qiáng)的絕緣特性，在真空斷路器中，氣體非常稀薄，氣體分子的自由行程相對(duì)較大，發(fā)生相互碰撞的幾率很小，因此，碰撞游離不是真空間隙擊穿的主要原因，而在高強(qiáng)電場(chǎng)作用下由電極析出的金屬質(zhì)點(diǎn)才是引起絕緣破壞的主要因素。真空間隙中的絕緣強(qiáng)度不僅與間隙的大小，電場(chǎng)的均勻程度有關(guān)，而且受電極材料的性質(zhì)及表面狀況的影響較大。真空間隙在較小的距離間隙（ 23 毫米）情況下，有比高壓力空氣與SF6 氣體高的絕緣特性，這就是真空斷路器的觸頭開(kāi)距一般不大的原因。電極材料對(duì)擊穿電壓的影響主要表現(xiàn)在材料的機(jī)械強(qiáng)度（抗拉強(qiáng)度）和金屬材料的熔點(diǎn)上?？估瓘?qiáng)度和熔點(diǎn)越高，電極在真空下的絕緣強(qiáng)度越高。實(shí)驗(yàn)表明，真空度越高，氣體間隙的擊穿電壓越高，但在 10-4 托以上，就基本保持不變了，所以，要保持真空滅弧室的絕緣強(qiáng)度，其真空度應(yīng)不低于 10-4托。二、真空中電弧的形成與熄滅真空電弧和我們以前學(xué)習(xí)的氣體電弧放電現(xiàn)象有很大的差別，氣體的游離現(xiàn)象不是產(chǎn)生電弧的主要因素，真空電弧放電是在觸頭電極蒸發(fā)出來(lái)的金屬蒸汽中形成的。同時(shí)，開(kāi)斷電流的大小不同，電弧表現(xiàn)的特點(diǎn)也不同。我們一般把它分為小電流真空電弧和大電流真空電弧。1、小電流真空電弧觸頭在真空中開(kāi)斷時(shí)，產(chǎn)生電流和能量十分集聚的陰極斑點(diǎn)，從陰極斑點(diǎn)上大量地蒸發(fā)金屬蒸汽，其中的金屬原子和帶電質(zhì)點(diǎn)的密度都很高，電弧就在其中燃燒。同時(shí)，弧柱內(nèi)的金屬蒸汽和帶電質(zhì)點(diǎn)不斷地向外擴(kuò)散，電極也不斷的蒸發(fā)新的質(zhì)點(diǎn)來(lái)補(bǔ)充。在電流過(guò)零時(shí)，電弧的能量減小，電極的溫度下降，蒸發(fā)作用減少，弧柱內(nèi)的質(zhì)點(diǎn)密度降低，最后，在過(guò)零時(shí)陰極斑消失，電弧熄滅。有時(shí)，蒸發(fā)作用不能維持弧柱的擴(kuò)散速度，電弧突然熄滅，發(fā)生截流現(xiàn)象。 2、大電流真空電弧在觸頭斷開(kāi)大的電流時(shí)，電弧的能量增大，陽(yáng)極也嚴(yán)重發(fā)熱，形成很強(qiáng)的集聚型的弧柱。同時(shí)，電動(dòng)力的作用也明顯了，因此，對(duì)于大電流真空電弧，觸頭間的磁場(chǎng)分布就對(duì)電弧的穩(wěn)定性和熄弧性能有決定性的影響。如果電流太大，超過(guò)了極限開(kāi)斷電流，就會(huì)造成開(kāi)斷失敗。此時(shí)，觸頭發(fā)熱嚴(yán)重，電流過(guò)零以后仍然蒸發(fā)，介質(zhì)恢復(fù)困難，不能斷開(kāi)電流。三、斷路器的結(jié)構(gòu)和工作原理真空斷路器的生產(chǎn)廠家比較多，型號(hào)也較繁雜。按使用條件分為戶內(nèi)（ ZNx*）和戶外（ZWx*）兩種類型。主要由框架部分，滅弧室部分(真空泡)，和操動(dòng)機(jī)構(gòu)部分組成。斷路器本體部分由導(dǎo)電回路，絕緣系統(tǒng)，密封件和殼體組成。整體結(jié)構(gòu)為三相共箱式。其中導(dǎo)電回路由進(jìn)出線導(dǎo)電桿，進(jìn)出線絕緣支座，導(dǎo)電夾，軟連接與真空滅弧室連接而成。機(jī)構(gòu)為電動(dòng)儲(chǔ)能，電動(dòng)分合閘，同時(shí)具有手動(dòng)功能。整個(gè)結(jié)構(gòu)由合閘彈簧，儲(chǔ)能系統(tǒng)，過(guò)流脫扣器，分合閘線圈，手動(dòng)分合閘系統(tǒng)，輔助開(kāi)關(guān)，儲(chǔ)能指示等部件組成。 工作原理真空斷路器利用高真空中電流流過(guò)零點(diǎn)時(shí)，等離子體迅速擴(kuò)散而熄滅電弧，完成切斷電流的目的。動(dòng)作原理儲(chǔ)能過(guò)程：當(dāng)儲(chǔ)能電機(jī) 14接通電源時(shí)，電機(jī)帶動(dòng)偏心輪轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)緊靠在偏心輪上的滾子10帶動(dòng)拐臂9及連板7擺動(dòng)，推動(dòng)儲(chǔ)能棘爪6 擺動(dòng)，使棘輪11 轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)棘輪11 上的銷與儲(chǔ)能軸套32的板靠住以后，二者一起運(yùn)動(dòng)，使掛在儲(chǔ)能軸套上32 上的合閘彈簧21 拉長(zhǎng)。儲(chǔ)能軸套32 由定位銷13 固定，維持儲(chǔ)能狀態(tài)，同時(shí)，儲(chǔ)能軸套32 上的拐臂推動(dòng)行程開(kāi)關(guān)5切斷儲(chǔ)能電機(jī)14 的電源，并且儲(chǔ)能棘爪被抬起，與棘輪可靠脫離。合閘操作過(guò)程：當(dāng)機(jī)構(gòu)接到合閘信號(hào)后（開(kāi)關(guān)處于斷開(kāi)，已儲(chǔ)能狀態(tài)），合閘電磁鐵 15 的鐵心被吸向下運(yùn)動(dòng)，拉動(dòng)定位件13 向逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，解除儲(chǔ)能維持，合閘彈簧21 帶動(dòng)儲(chǔ)能軸套32逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，其凸輪壓動(dòng)傳動(dòng)軸套 30，帶動(dòng)連板29及搖臂27 運(yùn)動(dòng)，使搖臂27 扣住半軸25，使機(jī)構(gòu)處于合閘狀態(tài)。此時(shí)，連鎖裝置28 鎖住定位件，使定位牛不能逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，達(dá)到機(jī)構(gòu)聯(lián)銷的目的，保證了機(jī)構(gòu)在合閘位置不能合閘操作。分閘操作過(guò)程：斷路器合閘后，分閘電磁鐵接到信號(hào)，鐵芯吸合，分閘脫扣器 19 中的頂桿向上運(yùn)動(dòng)，使脫扣軸16 轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)頂桿18向上運(yùn)動(dòng)，頂動(dòng)彎板26 并帶動(dòng)半軸25 向反時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)。 半軸25 與搖臂27 解扣，在分閘彈簧的作用下，斷路器完成分閘操作。四、斷路器的調(diào)試開(kāi)距與超行程斷路器的開(kāi)距與超行程的測(cè)量可以根據(jù)圖三所示，在分合閘狀態(tài)測(cè)量出的 X 值之差為斷路器的開(kāi)距，Y 值之差為斷路器的超行程。調(diào)整的方法為放長(zhǎng)或縮短絕緣操作桿3 或機(jī)構(gòu)與主軸的連桿。分合閘機(jī)構(gòu)調(diào)整1、搖臂 27 與半軸25 的扣接量為1.52.5mm,可以通過(guò)調(diào)整螺釘24 來(lái)實(shí)現(xiàn)。2、傳動(dòng)軸套 30 轉(zhuǎn)動(dòng)最大角時(shí)，搖臂27 與半軸間要有1.52mm的間隙，以保證傳動(dòng)軸套回落到合閘位置時(shí)，搖臂27 能自動(dòng)扣接到半軸 25 上，可以通過(guò)螺釘31 的調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)。3、輔助開(kāi)關(guān) 2的轉(zhuǎn)換應(yīng)準(zhǔn)確可靠，可以通過(guò)調(diào)整輔助開(kāi)關(guān)2的拐臂3位置及位桿4 的長(zhǎng)短來(lái)實(shí)現(xiàn)。4、在儲(chǔ)能過(guò)程中，當(dāng)棘爪到達(dá)最后一個(gè)齒的最高點(diǎn)時(shí)，應(yīng)能保證儲(chǔ)能軸套 32 上的拐臂使行程開(kāi)關(guān)的觸點(diǎn)可靠切換，切斷電機(jī)電源，可以通過(guò)調(diào)整行程開(kāi)關(guān)5 的上下前后位置來(lái)實(shí)現(xiàn)。5、調(diào)整分閘合閘彈簧的預(yù)拉長(zhǎng)度，保證斷路器的可靠分合，且分合閘速度達(dá)到規(guī)定值。五、斷路器的控制回路在我國(guó)的農(nóng)網(wǎng) 35KV標(biāo)準(zhǔn)化變電站中，采用了控制母線和合閘母線分開(kāi)的原則。在短路器的輔助常閉接點(diǎn)與合閘線圈之間，把斷路器儲(chǔ)能行程開(kāi)關(guān)的一對(duì)常開(kāi)接點(diǎn)串聯(lián)進(jìn)控制回路。這樣，在斷路器未儲(chǔ)能的情況下，將不能進(jìn)行合閘操作。防止了在斷路器未儲(chǔ)能的情況下合閘，合閘回路保持，燒毀合閘線圈。 同時(shí)，在接線的過(guò)程中，要注意儲(chǔ)能行程開(kāi)關(guān)接點(diǎn)中合閘母線與控制母線的極性要一致，防止出現(xiàn)在開(kāi)關(guān)蓄能時(shí)，合閘回路的電弧擊穿行程開(kāi)關(guān)，造成控制保險(xiǎn)的熔斷或控制空氣開(kāi)關(guān)的掉閘。這一點(diǎn)在綜合自動(dòng)化變電站上要特別注意。六 、運(yùn)行維護(hù)與檢修試驗(yàn)真空斷路器的燃弧時(shí)間短，絕緣強(qiáng)度高，電氣壽命也較高，觸頭的開(kāi)距與行程小，操作的能量小，因此，機(jī)械壽命也較高。在日常的運(yùn)行中，維護(hù)工作量很小，主要檢查機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)部件磨損情況，緊固件有無(wú)松動(dòng)，清除絕緣表面的灰塵，在活動(dòng)部位注入一些潤(rùn)滑脂等。在春檢預(yù)防性試驗(yàn)中，對(duì)開(kāi)關(guān)的直流電阻測(cè)試要與歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)處理更換，對(duì)斷口的工頻耐壓試驗(yàn)，是檢驗(yàn)真空泡是否漏氣的有效方法。（戶內(nèi)真空斷路器可以借鑒斷開(kāi)負(fù)荷時(shí)，真空泡內(nèi)閃光的顏色來(lái)初步判斷真空泡的真空度，顏色暗紅時(shí)表明真空度降低，顏色淡藍(lán)時(shí)，表明真空度良好）保護(hù)定植校驗(yàn)時(shí)，對(duì)斷路器做低電壓掉合閘試驗(yàn)，檢驗(yàn)開(kāi)關(guān)在母線故障狀態(tài)時(shí)，電壓降低時(shí)動(dòng)作是否可靠。分析真空斷路器的發(fā)展與表現(xiàn)一、專用真空斷路器 面臨極其不同的開(kāi)斷任務(wù)，新的專用斷路器應(yīng)運(yùn)而生。如果用于發(fā)電機(jī)保護(hù)斷路器的特大容量真空斷路器（短路開(kāi)斷電流高達(dá)6380kA及以上），標(biāo)準(zhǔn)型真空斷路器（短路開(kāi)斷電流2550kA），經(jīng)濟(jì)型真空斷路器（1625kA），頻繁型真空斷路器（如操作次數(shù)56萬(wàn)次），超頻繁型真空斷路器（如操作次數(shù) 1015萬(wàn)次）。如西門子公司的3AH系列斷路器就按使用場(chǎng)合劃分為5種型號(hào)，其中3AH1和3AH3型為標(biāo)準(zhǔn)型，操作10000次，3AHZ型為頻繁型，操作6萬(wàn)次，3AH4為超頻繁型，操作12萬(wàn)次，3AH5型為經(jīng)濟(jì)型，價(jià)格便宜。二、低過(guò)電壓型真空斷路器 眾所周知，真空斷路器因截流會(huì)引起截流過(guò)電壓，特別在開(kāi)斷小的感性負(fù)截如電動(dòng)機(jī)時(shí)，一般情況下，為限制過(guò)電壓而給真空斷路器配過(guò)電壓吸收裝置如SicRC 路，ZnO避雷器等，這使斷路器結(jié)構(gòu)龐大且復(fù)雜化，而且有的限制過(guò)電壓不理想。 日本幾家公司另辟路徑，開(kāi)發(fā)出低過(guò)電壓真空斷路器。它不用加過(guò)電壓吸收裝置而用新開(kāi)發(fā)出的觸頭材料，將過(guò)電壓限制至常規(guī)值的十分之一。低過(guò)電壓觸頭材料東芝為AgWC日立為CoAgSe，三菱為CuCrBi，富士為CuCr高蒸氣材料。這些公司一般做到7.2kV下20kA，只有東芝公司做到7.2kV下40kA。三、多功能真空斷路 眾所周知真空斷路器迄今為二I位（即合一分）完成關(guān)合和開(kāi)斷任務(wù)。現(xiàn)在出現(xiàn)了多功能真空斷路器，賦予了多個(gè)功能，如合分隔離接地等。西門子公司、 Alstom公司、日立公司均有這樣的產(chǎn)品。西門子公司最新推出NXACT型模塊式真空斷路器具有多功能：集關(guān)合、開(kāi)斷、隔離、接地及聯(lián)鎖于一體。 Alstom公司配VISAX開(kāi)關(guān)柜的真空斷路器為三I位（合分隔離）。日立公司與東京電力公司合作研發(fā)的24kV真空斷路器為四I位（合分隔離 接地）。 為使產(chǎn)品多功能化，從現(xiàn)有產(chǎn)品看，有兩種做法：一是真空斷路器相柱在開(kāi)斷后移動(dòng)或旋轉(zhuǎn)，形成隔離和接地；另一是真空滅弧室內(nèi)觸頭旋轉(zhuǎn)完成隔離和接地。西門子公司NXAct型產(chǎn)品為開(kāi)斷后相柱移動(dòng)完成隔離和接地，而Alstom公司為開(kāi)斷后相柱旋轉(zhuǎn)完成隔離任務(wù)，日立公司通過(guò)滅弧室內(nèi)觸頭旋轉(zhuǎn)完成隔離和接地任務(wù)。 四、同步斷路器 同步斷路器又叫選相真空斷路器或受控真空斷路器。其基本原理是使真空斷路器在電壓或電流最有利時(shí)刻關(guān)合或開(kāi)斷。 與普通真空斷路器相比，同步斷路器具有如下優(yōu)勢(shì)：1.降低了電網(wǎng)瞬態(tài)過(guò)電壓負(fù)荷；2.改善了電網(wǎng)供電質(zhì)量；3.提高了斷路器電壽命及性能；4.簡(jiǎn)化了電網(wǎng)設(shè)計(jì)，從而降低了整個(gè)系統(tǒng)費(fèi)用。 ABB公司利用數(shù)字電子器件和磁力操動(dòng)機(jī)構(gòu)已開(kāi)發(fā)出了同步真空斷路器，這是一個(gè)良好的開(kāi)端。 五、智能型真空斷路器 真空斷路器智能化是建立在現(xiàn)代傳感技術(shù)和數(shù)字化控制技術(shù)之上。國(guó)外制造公司都使自己的產(chǎn)品具有智能，這是配電自動(dòng)化的需要，也是斷路器本身控制保護(hù)的需要。如Alstom公司的DCX型可編程序數(shù)字控制裝置，ABB公司的REF542型控制和保護(hù)裝置，西門子公司第二代數(shù)字保護(hù)裝置等。 由以上可知，真空斷路器發(fā)展很快，究其原因，固然很多，但有兩條是基本的：一是真空滅弧室技術(shù)的進(jìn)步；二是操動(dòng)機(jī)構(gòu)技術(shù)的進(jìn)步。真空滅弧室是真空斷路器的心臟。真空滅弧室的進(jìn)步表現(xiàn)在如觸頭材料從CuBi轉(zhuǎn)變成CuCr，提高了開(kāi)斷能力，并降低了截流值，同時(shí)磁場(chǎng)從橫磁場(chǎng)轉(zhuǎn)向縱磁場(chǎng)，提高了開(kāi)斷能力，減少了觸頭的燒損。在工藝上，一次排封工藝的采用，大大提高了滅弧室性能及可靠性。 操動(dòng)機(jī)構(gòu)被稱之為真空斷路器的神經(jīng)中樞。原先用電磁機(jī)構(gòu)，后出現(xiàn)了彈簧機(jī)構(gòu)，最新又出現(xiàn)了永磁機(jī)構(gòu)。彈簧機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，零件數(shù)多（多達(dá)200個(gè)），加工精度要求高，且彈簧機(jī)構(gòu)的出力特性與真空斷路器的負(fù)載特性不相匹配，要在凸輪輪廓曲線和連桿結(jié)構(gòu)上進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。永磁機(jī)構(gòu)的機(jī)械結(jié)構(gòu)特別簡(jiǎn)單，零部件比任何其他機(jī)構(gòu)都要少，運(yùn)動(dòng)部件可以減少至一個(gè)，因而機(jī)械可靠性特別高，而且永磁機(jī)構(gòu)的出力特性能與真空斷路器的負(fù)載特性很好的匹配。永磁機(jī)構(gòu)用永磁鎖扣，電容器（或直流屏供電）儲(chǔ)能，用電子控制。永磁機(jī)構(gòu)特別適用于頻繁操作，如可達(dá)6萬(wàn)15萬(wàn)次。 在世界上，特瑞能電氣公司（TAVRIDA ELECTRIC AG簡(jiǎn)稱TEL公司）于1974年首創(chuàng)配永磁機(jī)構(gòu)的真空斷路器模型，1989年配永磁機(jī)構(gòu)的免維護(hù)真空斷路器投放市場(chǎng)，1993年配永磁機(jī)構(gòu)的真空斷路器在荷蘭KEMA試驗(yàn)站通過(guò)了型式試驗(yàn)。1994年配永磁機(jī)構(gòu)的ISM型真空斷路器獲得俄羅斯專利（專利號(hào)N.020631）自此以后，ABB、 Josly、Cooper、WhippBourn等公司均開(kāi)發(fā)出自己的配永磁機(jī)構(gòu)的真空斷路器。如ABB公司1997年開(kāi)發(fā)成功配永磁機(jī)構(gòu)的VM1型真空斷路器。配永磁機(jī)構(gòu)的真空斷路器不僅用于戶內(nèi)斷路器，也用于戶外斷路器和重合器，如TEL公司的OSM型重合器和WhippBourne公司的GVR 型戶外重合器。上個(gè)世紀(jì)90年代后期，配永磁機(jī)構(gòu)的真空斷路器傳入我國(guó)，我國(guó)許多公司開(kāi)發(fā)出永磁機(jī)構(gòu)，而且有的試驗(yàn)到10萬(wàn)次，配永磁機(jī)構(gòu)的真空斷路器如VSM和VSIA 型、ZN2340.5型、ZN65型、ZWD12型、ZND40.5型等產(chǎn)品。六、生產(chǎn)公司從生產(chǎn)國(guó)家看，日本、美國(guó)、英國(guó)、俄羅斯及中國(guó)側(cè)重發(fā)展真空斷路器，而法國(guó)側(cè)重發(fā)展SF6斷路器。日本東芝、日立、三菱、富士、明電等公司均大力發(fā)展真空斷路器。其中東芝公司已生產(chǎn)真空滅弧室250萬(wàn)只。德國(guó)西門子和ABBCalorEmag公司都在大力發(fā)展中壓真空斷路器，其中西門子公司真空滅弧室，累積產(chǎn)量在100萬(wàn)只以上。以下是國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)真空斷路器的部分公司名稱（簡(jiǎn)稱）：ABB、上海中科、HOSSIN、東開(kāi)、華高、博時(shí)達(dá)、日進(jìn)電器、飛瑞、智源、上海首宇電氣有限公司(高壓部)、施耐德SCHNEIDER、大亞、泰然、豐實(shí)電器、雄越、海度、寶光、上海川力電器、上海興熔、長(zhǎng)城(GREATWALL)、泰開(kāi)、創(chuàng)高、CBC、尚開(kāi)、PEOPLE、上海興熔電氣、伊頓(EATON)、長(zhǎng)江、人民電器、宇邦、彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)、宇森電氣、宇光、博開(kāi)、漢王電力、