戶外中壓開(kāi)關(guān)設(shè)備技術(shù)與發(fā)展

戶外中壓開(kāi)關(guān)設(shè)備技術(shù)與發(fā)展戶外開(kāi)關(guān)設(shè)備安裝方式簡(jiǎn)單、應(yīng)用范圍寬廣、投入費(fèi)用低廉以及因它自身具備的較完整的保護(hù)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(hù)方向發(fā)展是必須追求的目標(biāo)。1戶外中壓開(kāi)關(guān)設(shè)備的關(guān)鍵問(wèn)題1.1開(kāi)關(guān)本體部分開(kāi)關(guān)本體是產(chǎn)品的主體部分，最主要的問(wèn)題為開(kāi)斷問(wèn)題和絕緣問(wèn)題。戶外開(kāi)關(guān)直接處于惡劣的戶外運(yùn)行環(huán)境。由于受日曬雨淋的影響，戶外開(kāi)關(guān)應(yīng)具有防雨雪的能力，能承受紫外線照射而其絕緣強(qiáng)度和機(jī)械強(qiáng)度不發(fā)生有損開(kāi)關(guān)性能的改變；戶外溫差大，開(kāi)關(guān)必具備有效的防凝露、防腐、防銹、防機(jī)構(gòu)卡死功能。戶外開(kāi)關(guān)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(fù)合絕緣套管（內(nèi)芯為環(huán)氧樹(shù)脂，外表為硅橡膠）和戶外環(huán)氧樹(shù)脂套管等。對(duì)于SF6開(kāi)關(guān)，SF6氣體起著滅弧和絕緣兩個(gè)作用，除在滅弧室中的滅弧和斷口絕緣外，SF6還可用作對(duì)地及相間絕緣。而對(duì)于真空開(kāi)關(guān)，因真空技術(shù)主要是真空滅弧室斷口的開(kāi)斷和絕緣技術(shù)，它不能作為對(duì)地和相間絕緣，它們只能以油介質(zhì)、SF6介質(zhì)、大氣介質(zhì)、復(fù)合介質(zhì)和固體絕緣作為絕緣。對(duì)于戶外真空開(kāi)關(guān)而言，其滅弧室外的絕緣如何處理是產(chǎn)品設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。1.1.1以油作為絕緣介質(zhì)油以其良好的絕緣性能使開(kāi)關(guān)體積小，并對(duì)箱體內(nèi)各個(gè)零部件有良好的防護(hù)作用。但有可能滲油且油易燃，易引起二次災(zāi)害，特別是某些開(kāi)關(guān)加工與制造質(zhì)量不良時(shí)，使油受潮或油箱進(jìn)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(nèi)油噴出箱外，發(fā)生燃燒，危及人身和設(shè)備的安全。1.1.2以有機(jī)絕緣材料（如環(huán)氧制品）與空氣組合成的絕緣結(jié)構(gòu)該類型的產(chǎn)品可克服上述以油為絕緣介質(zhì)的弊端，不存在絕緣擊穿后油燃燒而產(chǎn)生的二次災(zāi)害，同時(shí)，該類產(chǎn)品易于裝配、調(diào)試及維修，但體積偏大，重量偏重。近年來(lái)，該類產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)戶外真空斷路器市場(chǎng)中占有很大的比例。1.1.3復(fù)合絕緣這類絕緣結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品以柱式為主，將真空滅弧室安裝在絕緣套管內(nèi)，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(dǎo)熱性，產(chǎn)品可以做到體積小、重量輕。由于箱體內(nèi)SF6氣體壓力不高，加上密封橡膠材料、密封脂、密封結(jié)構(gòu)均有成熟的經(jīng)驗(yàn)，可以有效地防止漏氣及潮氣進(jìn)入。如果采用永磁機(jī)構(gòu)置于箱體內(nèi)，使機(jī)構(gòu)的各個(gè)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(hù)產(chǎn)品。但該類型產(chǎn)品密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)一定要合理，且對(duì)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(fù)荷開(kāi)關(guān)（分段器）大多為柱式結(jié)構(gòu)，它是將真空滅弧室和電流互感器用戶外環(huán)氧樹(shù)脂澆注在一起，作為主絕緣和機(jī)械支撐，澆注件外表面呈傘形，用以防雨，并達(dá)到一定的漏電距離。以上這五種絕緣結(jié)構(gòu)屬于將真空作為滅弧介質(zhì)的開(kāi)關(guān)，但真空開(kāi)關(guān)作為負(fù)荷開(kāi)關(guān)，有一定的局限性，因?yàn)樨?fù)荷開(kāi)關(guān)的功能要求與斷路器不同，它不需開(kāi)斷短路電流，只需切合負(fù)荷電流，同時(shí)對(duì)其斷口的絕緣性能要求較高，如作為線路分段點(diǎn)時(shí)，往往要滿足隔離開(kāi)關(guān)的要求。在開(kāi)發(fā)負(fù)荷開(kāi)關(guān)產(chǎn)品時(shí)許多制造商更中意于采用SF6技術(shù)，用簡(jiǎn)單的滅弧結(jié)構(gòu)就可開(kāi)斷負(fù)荷電流（一般在630A以下）；同時(shí)，拉大SF6斷口的距離，即可提高其絕緣可靠性，滿足分段點(diǎn)斷口的要求。1.2二次單元由于微機(jī)技術(shù)在開(kāi)關(guān)設(shè)備中的應(yīng)用，使得戶外開(kāi)關(guān)的二次部分得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展?，F(xiàn)代二次技術(shù)用于戶外開(kāi)關(guān)，其所具備的功能很多，但根據(jù)開(kāi)關(guān)本體的不同，它們又有所區(qū)別，以柱上開(kāi)關(guān)為例，其主要功能見(jiàn)表1所示。根據(jù)產(chǎn)品使用場(chǎng)合不同，上述功能可任意選擇。因此，制造商在開(kāi)發(fā)多種柱上開(kāi)關(guān)產(chǎn)品時(shí)，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。現(xiàn)代二次設(shè)備，將電流互感器的信號(hào)傳輸給微處理器，當(dāng)電流達(dá)到微處理器動(dòng)作的規(guī)定水平時(shí)，微處理器發(fā)出動(dòng)作信號(hào)，使開(kāi)關(guān)脫扣，此時(shí)，微處理器所需的能量很小。另一方面，現(xiàn)代二次技術(shù)采用接近開(kāi)關(guān)來(lái)替代傳統(tǒng)的輔助開(kāi)關(guān)。傳統(tǒng)的輔助開(kāi)關(guān)需要與主開(kāi)關(guān)機(jī)械連接的多重環(huán)節(jié)，使結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，易出現(xiàn)卡滯等故障。由于輔助開(kāi)關(guān)觸頭的彈跳，不易確定轉(zhuǎn)換時(shí)刻，也會(huì)造成故障。接近開(kāi)關(guān)屬于無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)，動(dòng)作穩(wěn)定準(zhǔn)確，可靠性高。近年來(lái)，國(guó)外現(xiàn)代的二次技術(shù)已逐步用于柱上開(kāi)關(guān)技術(shù)中，形成機(jī)電一體化新潮流。國(guó)內(nèi)也將會(huì)朝這個(gè)方向發(fā)展。1.3操動(dòng)機(jī)構(gòu)從國(guó)際、國(guó)內(nèi)斷路器的故障統(tǒng)計(jì)數(shù)字來(lái)看，機(jī)械故障占大多數(shù)，高達(dá)總故障的70％，為進(jìn)一步提高斷路器的可靠性，滿足當(dāng)今社會(huì)對(duì)高質(zhì)量、高可靠性產(chǎn)品的需求，有必要突破傳統(tǒng)意義上的機(jī)構(gòu)動(dòng)作原理，研制新的斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)—永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)。永磁機(jī)構(gòu)較其它機(jī)構(gòu)的最大優(yōu)勢(shì)是可靠性高，由于只有一個(gè)運(yùn)動(dòng)部件，且又可以與滅弧室直接連接，零部件較彈簧機(jī)構(gòu)減少了60％。它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，零部件的大幅減少使開(kāi)關(guān)機(jī)械系統(tǒng)可靠性大大提高，從而實(shí)現(xiàn)免維護(hù)運(yùn)行。2產(chǎn)品實(shí)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(kāi)關(guān)設(shè)備，自從LW3-10、ZWl-10、ZW8-12等系列柱上SF6和柱上真空開(kāi)關(guān)研制成功以來(lái)，在系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用并取得了較好的效果，但與目前國(guó)外產(chǎn)品相比尚有較大差距。盡管目前柱上負(fù)荷開(kāi)關(guān)使用潮流日益擴(kuò)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(hù)功能，在不同網(wǎng)絡(luò)、重要部門、系統(tǒng)出線端、特殊聯(lián)接點(diǎn)等場(chǎng)所仍顯示出其它設(shè)備不可替代的優(yōu)勢(shì)，在配電系統(tǒng)中仍占主導(dǎo)地位，因此，柱上斷路器/重合器必須順應(yīng)科技發(fā)展的需要，以新材料和新工藝為基礎(chǔ)，進(jìn)行全新設(shè)計(jì)。戶外環(huán)氧樹(shù)脂在國(guó)外已取得了成功的應(yīng)用，國(guó)內(nèi)也有一些應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，將真空滅弧室及一些輔助元件整體進(jìn)行環(huán)氧樹(shù)脂澆裝，可以極大地簡(jiǎn)化產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)并具有較高的可靠性，為實(shí)現(xiàn)免維護(hù)打下基礎(chǔ)。永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)是近幾年興起的新技術(shù)，國(guó)內(nèi)也在積極地研究并取得了成功，它在柱上開(kāi)關(guān)中的應(yīng)用可以說(shuō)是一個(gè)大的變革。從國(guó)外近幾年推出的產(chǎn)品來(lái)看，采用戶外環(huán)氧樹(shù)脂澆注的真空滅弧室組件、永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)、單片機(jī)控制單元構(gòu)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)化創(chuàng)造了條件。隨著鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)的蓬勃發(fā)展和農(nóng)村生活水平的提高，我國(guó)縣及縣以下用電量不斷增長(zhǎng)，并對(duì)供電的連續(xù)性和可靠性要求也越來(lái)越高。柱上斷路器以其簡(jiǎn)單的安裝方式、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的投入費(fèi)用和機(jī)動(dòng)靈活的使用場(chǎng)合而得到廣泛地應(yīng)用。但是，由于戶外環(huán)境條件惡劣，產(chǎn)品運(yùn)行一段時(shí)間后常常會(huì)出現(xiàn)故障，現(xiàn)場(chǎng)維修非常困難，要解決這個(gè)問(wèn)題，最好的辦法就是提高產(chǎn)品的可靠性，努力向免維護(hù)方向發(fā)展。此外，在部分經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，對(duì)開(kāi)關(guān)設(shè)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(kāi)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(kāi)關(guān)設(shè)備，主要用于農(nóng)網(wǎng)和城網(wǎng)的10kV供電系統(tǒng)，作為分合負(fù)荷電流、過(guò)載電流及短路電流之用，也可用于其它類似場(chǎng)所。該產(chǎn)品無(wú)油、無(wú)SF6氣體、采用戶外環(huán)氧樹(shù)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(dòng)機(jī)構(gòu)，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(shù)使得產(chǎn)品滅弧能力強(qiáng)，短路開(kāi)斷次數(shù)高，無(wú)火災(zāi)爆炸危險(xiǎn)，操作方便，體積小、重量輕，外形美觀，可實(shí)現(xiàn)高可靠和免維護(hù)。2.3總體結(jié)構(gòu)及主要部件參見(jiàn)圖1，該斷路器采用三極柱式結(jié)構(gòu)，三個(gè)極柱組件垂直安裝在鑄鋁合金箱體上，箱體內(nèi)裝有永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)和傳動(dòng)系統(tǒng)，電子控制單元與本體分開(kāi)布置，通過(guò)電纜實(shí)現(xiàn)信息交換與測(cè)控。極柱組件是免維護(hù)部件，其內(nèi)組合了真空滅弧室、電流互感器和進(jìn)出線導(dǎo)電體，采用戶外環(huán)氧樹(shù)脂一次澆注成型，外絕緣漏電比距在IV級(jí)以上，對(duì)地內(nèi)絕緣漏電比距在II級(jí)以上，可用于較嚴(yán)酷的環(huán)境條件下。在極柱組件內(nèi)通過(guò)喇叭型軟聯(lián)接件將真空滅弧室動(dòng)導(dǎo)電桿與下出線座連通以構(gòu)成主回路，絕緣操縱桿一端用于連接真空滅弧室動(dòng)導(dǎo)電桿，另一端伸入機(jī)構(gòu)箱內(nèi)，用于安裝觸頭彈簧并與主軸上的驅(qū)動(dòng)拐臂鉸連，以實(shí)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(chǎng)觸頭結(jié)構(gòu)，銅鉻觸頭材料，具有優(yōu)良的開(kāi)斷和關(guān)合短路電流能力及長(zhǎng)的電壽命。永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)為雙線圈雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)，利用電磁能量實(shí)現(xiàn)斷路器的合閘操作并同時(shí)給觸頭彈簧儲(chǔ)能，斷路器的分閘操作則由電磁能量和觸頭彈簧釋能來(lái)完成。綜合考慮技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，采用一臺(tái)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)一根主軸的傳動(dòng)方案。電子控制單元由微型單片計(jì)算機(jī)構(gòu)成主控電路，由大功率半導(dǎo)體器件實(shí)現(xiàn)輸出驅(qū)動(dòng)，電源采用高性能蓄電池組來(lái)?yè)?dān)任，蓄電池的能量補(bǔ)充由本體B相TA來(lái)提供。2.4幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題及解決方案2.4.1極柱組件的澆注問(wèn)題極柱組件集真空滅弧室、電流互感器、進(jìn)出線導(dǎo)電座于一體，由戶外環(huán)氧樹(shù)脂整體澆注成型。其關(guān)鍵問(wèn)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(yīng)力導(dǎo)致極柱開(kāi)裂的現(xiàn)象。經(jīng)多次反復(fù)試驗(yàn)，該產(chǎn)品采用了一種硅酮基膠粘劑，價(jià)格便宜、操作簡(jiǎn)便、粘接強(qiáng)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(kāi)，在環(huán)氧內(nèi)壁及瓷殼外壁均粘有致密的橡膠層，可見(jiàn)其粘接力遠(yuǎn)大于自身的結(jié)合力。再通過(guò)改小出線座直徑，同時(shí)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(dòng)機(jī)構(gòu)與斷路器的特性配合問(wèn)題由于在開(kāi)始階段，對(duì)永磁機(jī)構(gòu)特性認(rèn)識(shí)不足，設(shè)計(jì)方案中采用了單線圈式永磁機(jī)構(gòu)來(lái)驅(qū)動(dòng)，傳動(dòng)比選為1∶1，雖然與斷路器要求的動(dòng)作特性可以匹配，但調(diào)試難度特別大，往往需要更換零部件、調(diào)整線圈參數(shù)才能達(dá)到要求，而且觸頭彈簧、分閘彈簧直接影響到分合閘的動(dòng)態(tài)特性和合閘保持的可靠性，生產(chǎn)調(diào)試極為困難。為此，對(duì)總體傳動(dòng)方案進(jìn)行了根本性的改進(jìn)：采用單臺(tái)雙線圈式永磁機(jī)構(gòu)，傳動(dòng)比為1∶2，采用平動(dòng)輸出驅(qū)動(dòng)桿方式使底座尺寸無(wú)明顯增加。試驗(yàn)結(jié)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(jī)為核心設(shè)計(jì)，外輔各功能電路模塊，以IGBT大功率管驅(qū)動(dòng)，采用開(kāi)關(guān)電源隔離及模擬、數(shù)字濾波等技術(shù)，具有很強(qiáng)的抗干擾能力，電源由內(nèi)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(wèn)題是抗干擾和功率管燒毀的情況，采取合適的保護(hù)措施后得到解決。該產(chǎn)品具有機(jī)械壽命長(zhǎng)、檢修周期長(zhǎng)、使用簡(jiǎn)單方便等優(yōu)點(diǎn)。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(shù)使得產(chǎn)品滅弧能力強(qiáng)，短路開(kāi)斷次數(shù)高，無(wú)火災(zāi)爆炸危險(xiǎn)，操作方便，體積小、重量輕，外形美觀，可實(shí)現(xiàn)高可靠和免維護(hù)，為我國(guó)城鄉(xiāng)電網(wǎng)的更新?lián)Q代提供了的新型開(kāi)關(guān)設(shè)備。3發(fā)展趨勢(shì)隨著對(duì)供電可靠性指標(biāo)的要求越來(lái)越高，隨著新技術(shù)、新材料、新工藝的發(fā)展與應(yīng)用，各種新型的戶外開(kāi)關(guān)不斷問(wèn)世，這些開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)思路也代表了近年開(kāi)關(guān)設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì)。環(huán)保型——清潔、無(wú)油、無(wú)漏氣、無(wú)噪聲的環(huán)保型產(chǎn)品越來(lái)越多。如真空開(kāi)關(guān)的固體絕緣結(jié)構(gòu)，SF6開(kāi)關(guān)小型化箱體一次性密封工藝等技術(shù)的應(yīng)用。模塊化——基于真空滅弧室及電流互感器構(gòu)成的免維護(hù)組件及SF6滅弧室的單元化結(jié)構(gòu)，采用永磁技術(shù)的操動(dòng)機(jī)構(gòu)，使開(kāi)關(guān)整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單化、模塊化，基本實(shí)現(xiàn)了免維護(hù)。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(jī)絕緣材料包封技術(shù)的應(yīng)用