戶外中壓開關設備技術與發(fā)展

戶外中壓開關設備技術與發(fā)展戶外開關設備安裝方式簡單、應用范圍寬廣、投入費用低廉以及因它自身具備的較完整的保護功能，在輸配電線路中占有重要的地位。因此，提高產(chǎn)品的可靠性，努力向免維護方向發(fā)展是必須追求的目標。1戶外中壓開關設備的關鍵問題1.1開關本體部分開關本體是產(chǎn)品的主體部分，最主要的問題為開斷問題和絕緣問題。戶外開關直接處于惡劣的戶外運行環(huán)境。由于受日曬雨淋的影響，戶外開關應具有防雨雪的能力，能承受紫外線照射而其絕緣強度和機械強度不發(fā)生有損開關性能的改變；戶外溫差大，開關必具備有效的防凝露、防腐、防銹、防機構卡死功能。戶外開關直接暴露在外界環(huán)境條件下的絕緣部分，主要有套管，包括瓷套管、復合絕緣套管（內芯為環(huán)氧樹脂，外表為硅橡膠）和戶外環(huán)氧樹脂套管等。對于SF6開關，SF6氣體起著滅弧和絕緣兩個作用，除在滅弧室中的滅弧和斷口絕緣外，SF6還可用作對地及相間絕緣。而對于真空開關，因真空技術主要是真空滅弧室斷口的開斷和絕緣技術，它不能作為對地和相間絕緣，它們只能以油介質、SF6介質、大氣介質、復合介質和固體絕緣作為絕緣。對于戶外真空開關而言，其滅弧室外的絕緣如何處理是產(chǎn)品設計的關鍵。1.1.1以油作為絕緣介質油以其良好的絕緣性能使開關體積小，并對箱體內各個零部件有良好的防護作用。但有可能滲油且油易燃，易引起二次災害，特別是某些開關加工與制造質量不良時，使油受潮或油箱進水，絕緣性能劣化，最終發(fā)展為絕緣被擊穿而發(fā)生爆炸。箱體內油噴出箱外，發(fā)生燃燒，危及人身和設備的安全。1.1.2以有機絕緣材料（如環(huán)氧制品）與空氣組合成的絕緣結構該類型的產(chǎn)品可克服上述以油為絕緣介質的弊端，不存在絕緣擊穿后油燃燒而產(chǎn)生的二次災害，同時，該類產(chǎn)品易于裝配、調試及維修，但體積偏大，重量偏重。近年來，該類產(chǎn)品在國內戶外真空斷路器市場中占有很大的比例。1.1.3復合絕緣這類絕緣結構的產(chǎn)品以柱式為主，將真空滅弧室安裝在絕緣套管內，再用硅脂、聚氨酯材料、硅橡膠填充間隙。1.1.4SF6氣體絕緣由于SF6氣體良好的絕緣性能和導熱性，產(chǎn)品可以做到體積小、重量輕。由于箱體內SF6氣體壓力不高，加上密封橡膠材料、密封脂、密封結構均有成熟的經(jīng)驗，可以有效地防止漏氣及潮氣進入。如果采用永磁機構置于箱體內，使機構的各個零部件免受外界大氣的污染和銹蝕，該類產(chǎn)品可做成免維護產(chǎn)品。但該類型產(chǎn)品密封結構的設計一定要合理，且對生產(chǎn)工藝的要求較高。1.1.5固體絕緣固體絕緣的真空斷路器（重合器）或負荷開關（分段器）大多為柱式結構，它是將真空滅弧室和電流互感器用戶外環(huán)氧樹脂澆注在一起，作為主絕緣和機械支撐，澆注件外表面呈傘形，用以防雨，并達到一定的漏電距離。以上這五種絕緣結構屬于將真空作為滅弧介質的開關，但真空開關作為負荷開關，有一定的局限性，因為負荷開關的功能要求與斷路器不同，它不需開斷短路電流，只需切合負荷電流，同時對其斷口的絕緣性能要求較高，如作為線路分段點時，往往要滿足隔離開關的要求。在開發(fā)負荷開關產(chǎn)品時許多制造商更中意于采用SF6技術，用簡單的滅弧結構就可開斷負荷電流（一般在630A以下）；同時，拉大SF6斷口的距離，即可提高其絕緣可靠性，滿足分段點斷口的要求。1.2二次單元由于微機技術在開關設備中的應用，使得戶外開關的二次部分得到了突飛猛進的發(fā)展?，F(xiàn)代二次技術用于戶外開關，其所具備的功能很多，但根據(jù)開關本體的不同，它們又有所區(qū)別，以柱上開關為例，其主要功能見表1所示。根據(jù)產(chǎn)品使用場合不同，上述功能可任意選擇。因此，制造商在開發(fā)多種柱上開關產(chǎn)品時，其控制單元的硬件一般是相同的，僅在軟件上根據(jù)功能的不同而有所區(qū)別?，F(xiàn)代二次設備，將電流互感器的信號傳輸給微處理器，當電流達到微處理器動作的規(guī)定水平時，微處理器發(fā)出動作信號，使開關脫扣，此時，微處理器所需的能量很小。另一方面，現(xiàn)代二次技術采用接近開關來替代傳統(tǒng)的輔助開關。傳統(tǒng)的輔助開關需要與主開關機械連接的多重環(huán)節(jié)，使結構變得復雜，易出現(xiàn)卡滯等故障。由于輔助開關觸頭的彈跳，不易確定轉換時刻，也會造成故障。接近開關屬于無觸點開關，動作穩(wěn)定準確，可靠性高。近年來，國外現(xiàn)代的二次技術已逐步用于柱上開關技術中，形成機電一體化新潮流。國內也將會朝這個方向發(fā)展。1.3操動機構從國際、國內斷路器的故障統(tǒng)計數(shù)字來看，機械故障占大多數(shù)，高達總故障的70％，為進一步提高斷路器的可靠性，滿足當今社會對高質量、高可靠性產(chǎn)品的需求，有必要突破傳統(tǒng)意義上的機構動作原理，研制新的斷路器操動機構—永磁操動機構。永磁機構較其它機構的最大優(yōu)勢是可靠性高，由于只有一個運動部件，且又可以與滅弧室直接連接，零部件較彈簧機構減少了60％。它結構簡單，零部件的大幅減少使開關機械系統(tǒng)可靠性大大提高，從而實現(xiàn)免維護運行。2產(chǎn)品實例——ZW51柱上真空斷路器2.1概述柱上斷路器/重合器是10kV配電系統(tǒng)中重要的開關設備，自從LW3-10、ZWl-10、ZW8-12等系列柱上SF6和柱上真空開關研制成功以來，在系統(tǒng)中得到了廣泛的應用并取得了較好的效果，但與目前國外產(chǎn)品相比尚有較大差距。盡管目前柱上負荷開關使用潮流日益擴大，斷路器用量有所下降，但由于斷路器/重合器具有較完善的控制和保護功能，在不同網(wǎng)絡、重要部門、系統(tǒng)出線端、特殊聯(lián)接點等場所仍顯示出其它設備不可替代的優(yōu)勢，在配電系統(tǒng)中仍占主導地位，因此，柱上斷路器/重合器必須順應科技發(fā)展的需要，以新材料和新工藝為基礎，進行全新設計。戶外環(huán)氧樹脂在國外已取得了成功的應用，國內也有一些應用經(jīng)驗，將真空滅弧室及一些輔助元件整體進行環(huán)氧樹脂澆裝，可以極大地簡化產(chǎn)品的結構并具有較高的可靠性，為實現(xiàn)免維護打下基礎。永磁操動機構是近幾年興起的新技術，國內也在積極地研究并取得了成功，它在柱上開關中的應用可以說是一個大的變革。從國外近幾年推出的產(chǎn)品來看，采用戶外環(huán)氧樹脂澆注的真空滅弧室組件、永磁操動機構、單片機控制單元構成斷路器/重合器是一種主要的發(fā)展模式，也為配電系統(tǒng)實現(xiàn)自動化創(chuàng)造了條件。隨著鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)的蓬勃發(fā)展和農村生活水平的提高，我國縣及縣以下用電量不斷增長，并對供電的連續(xù)性和可靠性要求也越來越高。柱上斷路器以其簡單的安裝方式、經(jīng)濟實惠的投入費用和機動靈活的使用場合而得到廣泛地應用。但是，由于戶外環(huán)境條件惡劣，產(chǎn)品運行一段時間后常常會出現(xiàn)故障，現(xiàn)場維修非常困難，要解決這個問題，最好的辦法就是提高產(chǎn)品的可靠性，努力向免維護方向發(fā)展。此外，在部分經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)，對開關設備參數(shù)的提高提出迫切的要求。為此，西安高壓電器研究所與行業(yè)兄弟廠家共同成功開發(fā)了ZW51-12/630-20型戶外交流高壓真空斷路器，如圖1所示。2.2產(chǎn)品用途和使用范圍ZW51-12/630-20型戶外交流高壓真空斷路器系三相交流50Hz戶外高壓開關設備，主要用于農網(wǎng)和城網(wǎng)的10kV供電系統(tǒng)，作為分合負荷電流、過載電流及短路電流之用，也可用于其它類似場所。該產(chǎn)品無油、無SF6氣體、采用戶外環(huán)氧樹脂澆注工藝，使真空滅弧室與電流互感器一體化，立式分相布置，底座為鋁合金鑄件，采用永磁操動機構，配上電子控制單元成為智能化斷路器。由于采用新工藝、新技術使得產(chǎn)品滅弧能力強，短路開斷次數(shù)高，無火災爆炸危險，操作方便，體積小、重量輕，外形美觀，可實現(xiàn)高可靠和免維護。2.3總體結構及主要部件參見圖1，該斷路器采用三極柱式結構，三個極柱組件垂直安裝在鑄鋁合金箱體上，箱體內裝有永磁操動機構和傳動系統(tǒng)，電子控制單元與本體分開布置，通過電纜實現(xiàn)信息交換與測控。極柱組件是免維護部件，其內組合了真空滅弧室、電流互感器和進出線導電體，采用戶外環(huán)氧樹脂一次澆注成型，外絕緣漏電比距在IV級以上，對地內絕緣漏電比距在II級以上，可用于較嚴酷的環(huán)境條件下。在極柱組件內通過喇叭型軟聯(lián)接件將真空滅弧室動導電桿與下出線座連通以構成主回路，絕緣操縱桿一端用于連接真空滅弧室動導電桿，另一端伸入機構箱內，用于安裝觸頭彈簧并與主軸上的驅動拐臂鉸連，以實現(xiàn)分合閘操作。該產(chǎn)品真空滅弧室采用陶瓷外殼，杯狀縱磁場觸頭結構，銅鉻觸頭材料，具有優(yōu)良的開斷和關合短路電流能力及長的電壽命。永磁操動機構為雙線圈雙穩(wěn)態(tài)結構，利用電磁能量實現(xiàn)斷路器的合閘操作并同時給觸頭彈簧儲能，斷路器的分閘操作則由電磁能量和觸頭彈簧釋能來完成。綜合考慮技術經(jīng)濟指標，采用一臺機構驅動一根主軸的傳動方案。電子控制單元由微型單片計算機構成主控電路，由大功率半導體器件實現(xiàn)輸出驅動，電源采用高性能蓄電池組來擔任，蓄電池的能量補充由本體B相TA來提供。2.4幾個關鍵問題及解決方案2.4.1極柱組件的澆注問題極柱組件集真空滅弧室、電流互感器、進出線導電座于一體，由戶外環(huán)氧樹脂整體澆注成型。其關鍵問題在于如何解決好因真空滅弧室和環(huán)氧層膨脹系數(shù)不同，造成澆注后應力導致極柱開裂的現(xiàn)象。經(jīng)多次反復試驗，該產(chǎn)品采用了一種硅酮基膠粘劑，價格便宜、操作簡便、粘接強度高、絕緣性能好。試澆樣品，剝離環(huán)氧層后發(fā)現(xiàn)，涂層被從中間撕開，在環(huán)氧內壁及瓷殼外壁均粘有致密的橡膠層，可見其粘接力遠大于自身的結合力。再通過改小出線座直徑，同時再增加端部環(huán)氧層厚度，控制緩沖層厚度。2.4.2永磁操動機構與斷路器的特性配合問題由于在開始階段，對永磁機構特性認識不足，設計方案中采用了單線圈式永磁機構來驅動，傳動比選為1∶1，雖然與斷路器要求的動作特性可以匹配，但調試難度特別大，往往需要更換零部件、調整線圈參數(shù)才能達到要求，而且觸頭彈簧、分閘彈簧直接影響到分合閘的動態(tài)特性和合閘保持的可靠性，生產(chǎn)調試極為困難。為此，對總體傳動方案進行了根本性的改進：采用單臺雙線圈式永磁機構，傳動比為1∶2，采用平動輸出驅動桿方式使底座尺寸無明顯增加。試驗結果表明，此方案是成功的。2.4.3電子控制單元采用16位單片機為核心設計，外輔各功能電路模塊，以IGBT大功率管驅動，采用開關電源隔離及模擬、數(shù)字濾波等技術，具有很強的抗干擾能力，電源由內部110V蓄電池組提供，蓄電池的充電可由TA、AC200V提供。初始階段出現(xiàn)的問題是抗干擾和功率管燒毀的情況，采取合適的保護措施后得到解決。該產(chǎn)品具有機械壽命長、檢修周期長、使用簡單方便等優(yōu)點。產(chǎn)品也可使用于污穢地區(qū)和高海拔地區(qū)。由于采用新工藝、新技術使得產(chǎn)品滅弧能力強，短路開斷次數(shù)高，無火災爆炸危險，操作方便，體積小、重量輕，外形美觀，可實現(xiàn)高可靠和免維護，為我國城鄉(xiāng)電網(wǎng)的更新?lián)Q代提供了的新型開關設備。3發(fā)展趨勢隨著對供電可靠性指標的要求越來越高，隨著新技術、新材料、新工藝的發(fā)展與應用，各種新型的戶外開關不斷問世，這些開關的設計思路也代表了近年開關設備的發(fā)展趨勢。環(huán)保型——清潔、無油、無漏氣、無噪聲的環(huán)保型產(chǎn)品越來越多。如真空開關的固體絕緣結構，SF6開關小型化箱體一次性密封工藝等技術的應用。模塊化——基于真空滅弧室及電流互感器構成的免維護組件及SF6滅弧室的單元化結構，采用永磁技術的操動機構，使開關整體結構簡單化、模塊化，基本實現(xiàn)了免維護。防腐防銹——外殼采用不銹鋼或鑄鋁合金等防銹材料，絕緣子的戶外環(huán)氧澆注工藝及其有機絕緣材料包封技術的應用