真空斷路器工作原理

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，因此該斷路器的動靜觸頭之間的間距很少。該斷路器一般用于電壓等級相對低的廠用電配置中！隨著電力系統(tǒng)的迅猛發(fā)展，10KV真空斷路器在我國已經(jīng)大批量地生產(chǎn)和使用。對于檢修人員來說，提高對真空斷路器的認(rèn)識，加強(qiáng)維護(hù)保養(yǎng)，使其安全運(yùn)行，成了一個迫在眉睫的問題。本文以ZW27—12為例，簡要說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（2—3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距一般不大的原因。電極材料對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。抗拉強(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)出來的金屬蒸汽中形成的。同時，開斷電流的大小不同，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斷時，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，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)來補(bǔ)充。在電流過零時，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，在過零時陰極斑消失，電弧熄滅。有時，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大的電流時，電弧的能量增大，陽極也嚴(yán)重發(fā)熱，形成很強(qiáng)的集聚型的弧柱。同時，電動力的作用也明顯了，因此，對于大電流真空電弧，觸頭間的磁場分布就對電弧的穩(wěn)定性和熄弧性能有決定性的影響。如果電流太大，超過了極限開斷電流，就會造成開斷失敗。此時，觸頭發(fā)熱嚴(yán)重，電流過零以后仍然蒸發(fā)，介質(zhì)恢復(fù)困難，不能斷開電流。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)為電動儲能，電動分合閘，同時具有手動功能。整個結(jié)構(gòu)由合閘彈簧，儲能系統(tǒng)，過流脫扣器，分合閘線圈，手動分合閘系統(tǒng)，輔助開關(guān)，儲能指示等部件組成。工作原理真空斷路器利用高真空中電流流過零點(diǎn)時，等離子體迅速擴(kuò)散而熄滅電弧，完成切斷電流的目的。動作原理儲能過程：當(dāng)儲能電機(jī)14接通電源時，電機(jī)帶動偏心輪轉(zhuǎn)動，通過緊靠在偏心輪上的滾子10帶動拐臂9及連板7擺動，推動儲能棘爪6擺動，使棘輪11轉(zhuǎn)動，當(dāng)棘輪11上的銷與儲能軸套32的板靠住以后，二者一起運(yùn)動，使掛在儲能軸套上32上的合閘彈簧21拉長。儲能軸套32由定位銷13固定，維持儲能狀態(tài)，同時，儲能軸套32上的拐臂推動行程開關(guān)5切斷儲能電機(jī)14的電源，并且儲能棘爪被抬起，與棘輪可靠脫離。合閘操作過程：當(dāng)機(jī)構(gòu)接到合閘信號后（開關(guān)處于斷開，已儲能狀態(tài)），合閘電磁鐵15的鐵心被吸向下運(yùn)動，拉動定位件13向逆時針方向轉(zhuǎn)動，解除儲能維持，合閘彈簧21帶動儲能軸套32逆時針方向轉(zhuǎn)動，其凸輪壓動傳動軸套30，帶動連板29及搖臂27運(yùn)動，使搖臂27扣住半軸25，使機(jī)構(gòu)處于合閘狀態(tài)。此時，連鎖裝置28鎖住定位件，使定位牛不能逆時針方向轉(zhuǎn)動，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。分閘操作過程：斷路器合閘后，分閘電磁鐵接到信號，鐵芯吸合，分閘脫扣器19中的頂桿向上運(yùn)動，使脫扣軸16轉(zhuǎn)動，帶動頂桿18向上運(yùn)動，頂動彎板26并帶動半軸25向反時針方向轉(zhuǎn)動。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)試開距與超行程斷路器的開距與超行程的測量可以根據(jù)圖三所示，在分合閘狀態(tài)測量出的X值之差為斷路器的開距，Y值之差為斷路器的超行程。調(diào)整的方法為放長或縮短絕緣操作桿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1.5~2.5mm,可以通過調(diào)整螺釘24來實(shí)現(xiàn)。2、傳動軸套30轉(zhuǎn)動最大角時，搖臂27與半軸間要有1.5~2mm的間隙，以保證傳動軸套回落到合閘位置時，搖臂27能自動扣接到半軸25上，可以通過螺釘31的調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)。3、輔助開關(guān)2的轉(zhuǎn)換應(yīng)準(zhǔn)確可靠，可以通過調(diào)整輔助開關(guān)2的拐臂3位置及位桿4的長短來實(shí)現(xiàn)。4、在儲能過程中，當(dāng)棘爪到達(dá)最后一個齒的最高點(diǎn)時，應(yīng)能保證儲能軸套32上的拐臂使行程開關(guān)的觸點(diǎn)可靠切換，切斷電機(jī)電源，可以通過調(diào)整行程開關(guān)5的上下前后位置來實(shí)現(xiàn)。5、調(diào)整分閘合閘彈簧的預(yù)拉長度，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，把斷路器儲能行程開關(guān)的一對常開接點(diǎn)串聯(lián)進(jìn)控制回路。這樣，在斷路器未儲能的情況下，將不能進(jìn)行合閘操作。防止了在斷路器未儲能的情況下合閘，合閘回路保持，燒毀合閘線圈。同時，在接線的過程中，要注意儲能行程開關(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)在開關(guān)蓄能時，合閘回路的電弧擊穿行程開關(guān)，造成控制保險的熔斷或控制空氣開關(guān)的掉閘。這一點(diǎn)在綜合自動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間短，絕緣強(qiáng)度高，電氣壽命也較高，觸頭的開距與行程小，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)動部件磨損情況，緊固件有無松動，清除絕緣表面的灰塵，在活動部位注入一些潤滑脂等。在春檢預(yù)防性試驗(yàn)中，對開關(guān)的直流電阻測試要與歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)問題及時處理更換，對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負(fù)荷時，真空泡內(nèi)閃光的顏色來初步判斷真空泡的真空度，顏色暗紅時表明真空度降低，顏色淡藍(lán)時，表明真空度良好）保護(hù)定植校驗(yàn)時，對斷路器做低電壓掉合閘試驗(yàn)，檢驗(yàn)開關(guān)在母線故障狀態(tài)時，電壓降低時動作是否可靠。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（短路開斷電流高達(dá)63～80kA及以上），標(biāo)準(zhǔn)型真空斷路器（短路開斷電流25～50kA），經(jīng)濟(jì)型真空斷路器（16～25kA），頻繁型真空斷路器（如操作次數(shù)5～6萬次），超頻繁型真空斷路器（如操作次數(shù)10～15萬次）。如西門子公司的3AH系列斷路器就按使用場合劃分為5種型號，其中3AH1和3AH3型為標(biāo)準(zhǔn)型，操作10000次，3AHZ型為頻繁型，操作6萬次，3AH4為超頻繁型，操作12萬次，3AH5型為經(jīng)濟(jì)型，價格便宜。二、低過電壓型真空斷路器眾所周知，真空斷路器因截流會引起截流過電壓，特別在開斷小的感性負(fù)截如電動機(jī)時，一般情況下，為限制過電壓而給真空斷路器配過電壓吸收裝置如SicRC路，ZnO避雷器等，這使斷路器結(jié)構(gòu)龐大且復(fù)雜化，而且有的限制過電壓不理想。日本幾家公司另辟路徑，開發(fā)出低過電壓真空斷路器。它不用加過電壓吸收裝置而用新開發(fā)出的觸頭材料，將過電壓限制至常規(guī)值的十分之一。低過電壓觸頭材料東芝為AgWC日立為Co－Ag－Se，三菱為Cu－Cr－Bi－α，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)合和開斷任務(wù)?，F(xiàn)在出現(xiàn)了多功能真空斷路器，賦予了多個功能，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、開斷、隔離、接地及聯(lián)鎖于一體。Alstom公司配VISAX開關(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斷后移動或旋轉(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)品為開斷后相柱移動完成隔離和接地，而Alstom公司為開斷后相柱旋轉(zhuǎn)完成隔離任務(wù)，日立公司通過滅弧室內(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刻關(guān)合或開斷。與普通真空斷路器相比，同步斷路器具有如下優(yōu)勢：1.降低了電網(wǎng)瞬態(tài)過電壓負(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.簡化了電網(wǎng)設(shè)計(jì)，從而降低了整個系統(tǒng)費(fèi)用。ABB公司利用數(shù)字電子器件和磁力操動機(jī)構(gòu)已開發(fā)出了同步真空斷路器，這是一個良好的開端。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。國外制造公司都使自己的產(chǎn)品具有智能，這是配電自動化的需要，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，提高了開斷能力，并降低了截流值，同時磁場從橫磁場轉(zhuǎn)向縱磁場，提高了開斷能力，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），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)特別簡單，零部件比任何其他機(jī)構(gòu)都要少，運(yùn)動部件可以減少至一個，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)6萬～15萬次。在世界上，特瑞能電氣公司（TAVRIDAELECTRICAG簡稱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，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N.020631）自此以后，ABB、Josly、Cooper、