《真空斷路器》課件.ppt

1、第八章真空斷路器，真空斷路器的結(jié)構(gòu)和特性，真空絕緣及其失效機(jī)理真空電弧觸頭結(jié)構(gòu)的基本特性和真空中的材料斷裂，主要內(nèi)容，第1節(jié)，概述，1。真空斷路器、以真空為絕緣介質(zhì)和滅弧介質(zhì)的斷路器。什么是真空？真空通常指氣體稀薄的空間。任何絕對壓力低于正常大氣壓的狀態(tài)都可以稱為真空狀態(tài)。絕對壓力等于零的空間稱為絕對真空，它是真正的真空或理想真空。真空度用氣體的絕對壓力值來表示，壓力越低，真空度越高。在國際單位制中，壓力用帕表示，即1N/m2的作用力。標(biāo)準(zhǔn)大氣壓約為0.1兆帕。在過去，習(xí)慣上使用毫米汞柱(mmHg)，標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，真空覆蓋范圍很廣，為了方便起見，通常分為幾個(gè)區(qū)域。真空滅弧室：1.331021.3

2、3105Pa。第四，隨著真空斷路器的發(fā)展，真空間隙中的氣體稀薄，分子的自由行程大，碰撞和解離的概率小，所以絕緣性能好。早在1893年，美國人Ritten Rittenhause設(shè)計(jì)了世界上第一個(gè)真空斷路器，并將其作為專利發(fā)表。1920年，瑞典伯卡公司開發(fā)了世界上第一個(gè)真空開關(guān)。1926年，加州理工學(xué)院的索恩森教授發(fā)表了真空開關(guān)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并預(yù)言應(yīng)用真空開關(guān)的時(shí)代即將到來。當(dāng)時(shí)真空技術(shù)還很落后，這大大推遲了真空開關(guān)在工業(yè)上的實(shí)際應(yīng)用。1950年前后，隨著真空技術(shù)和冶金技術(shù)等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，真空滅弧室的制造技術(shù)得到了提高，真空開關(guān)的工業(yè)應(yīng)用研究得以恢復(fù)。1956年，赫克羅斯公司生產(chǎn)了15kV和20

3、0A真空開關(guān)。1961年，美國通用電氣公司在總結(jié)前人經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，首次研制出額定電壓為15kV和12.5kA的真空斷路器，1966年又相繼研制出額定電壓為15kV、開斷電流為25kV和31.5kA的真空斷路器，自此，真空開關(guān)正式進(jìn)入電力開關(guān)行列，美國成為世界上第一個(gè)批量生產(chǎn)和使用真空開關(guān)的國家。在它的影響和推動(dòng)下，歐洲和亞洲的一些國家也相繼啟動(dòng)。20世紀(jì)70年代初，世界范圍內(nèi)掀起的無油中壓開關(guān)浪潮給真空開關(guān)帶來了前所未有的發(fā)展機(jī)遇。憑借其巨大的技術(shù)優(yōu)勢，真空開關(guān)只用了不到20年的時(shí)間就取代了少油開關(guān)，成為中壓領(lǐng)域的主導(dǎo)產(chǎn)品。目前，單斷口真空斷路器已達(dá)到145千伏的電壓水平，短路分?jǐn)嚯娏饕堰_(dá)到2

4、00千伏安。第四，隨著真空斷路器的發(fā)展，真空間隙中的氣體變薄，分子的自由行程變大，碰撞和解離的概率變小，因此絕緣性能良好。利用真空介質(zhì)滅弧的想法是在19世紀(jì)末提出的，最早的真空滅弧室是在20世紀(jì)20年代制造的。然而，由于真空技術(shù)和材料的限制，它在當(dāng)時(shí)并不實(shí)用。20世紀(jì)50年代以后，隨著電子工業(yè)的發(fā)展，許多新技術(shù)解決了真空滅弧室制造中的許多難題，使真空開關(guān)逐步達(dá)到實(shí)用水平。20世紀(jì)50年代中期，美國通用電氣公司生產(chǎn)了一批額定開斷電流為12kV和12kA的真空斷路器。隨后，在20世紀(jì)50年代末，由于橫向磁場觸頭真空滅弧室的發(fā)展，額定開斷電流提高到30kA。20世紀(jì)70年代，出現(xiàn)了一波無油中壓開關(guān)(

5、真空，SF6)。日本東芝電氣公司成功研制出縱向磁場觸頭真空滅弧室，其額定開斷電流進(jìn)一步提高到50kA以上。目前，真空斷路器已廣泛應(yīng)用于10kV和35kV配電系統(tǒng)，額定開斷電流可達(dá)50kA - 100kA。在世界中壓市場，日本中壓市場幾乎100%采用真空斷路器。自1993年以來，中國電力部門大力推廣真空斷路器。2000年中壓真空斷路器的產(chǎn)量占所有中壓斷路器的87.36%，2002年占92.27%。那一年，生產(chǎn)了13，359臺12kV真空斷路器。中國已經(jīng)成為世界上最大的中壓真空斷路器生產(chǎn)國之一。我國12kV真空斷路器的額定開斷電流已達(dá)到63kA水平，與國外產(chǎn)品的技術(shù)水平基本相當(dāng)。40.5千伏真空斷

6、路器的額定開斷電流為25千安。真空斷路器的特點(diǎn)是利用真空作為絕緣和滅弧介質(zhì)，因此它具有高耐壓和很強(qiáng)的分?jǐn)嗄芰?；使用安全，不受外界環(huán)境影響，不污染環(huán)境，無噴油、排氣、火災(zāi)、爆炸危險(xiǎn)。特別適用于城市變電站和石油、化工、煤炭部門；該開關(guān)的觸頭開距遠(yuǎn)小于其他開關(guān)設(shè)備，因此對操作機(jī)構(gòu)的要求較低，降低了開關(guān)的整體體積和重量，非常適合城市小型化、緊湊型變電站的工作條件，使用壽命長，能滿足頻繁操作的要求；維護(hù)簡單，無需維修滅弧室。無輔助滅弧，容量有限。真空斷路器結(jié)構(gòu)、真空滅弧室、絕緣子、操作機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、接線端子、支撐桿、1。真空斷路器的總體結(jié)構(gòu)、兩種布置方式：(1)落地式是將真空滅弧室安裝在上方并用絕緣子

7、支撐，操作機(jī)構(gòu)設(shè)置在底座下方，上下部分通過絕緣桿由傳動(dòng)機(jī)構(gòu)連接。落地式的優(yōu)點(diǎn)是：傳動(dòng)效率高，分合閘時(shí)上下直，傳動(dòng)環(huán)節(jié)少，摩擦阻力??；運(yùn)行時(shí)穩(wěn)定性好，振動(dòng)??；便于操作人員觀察和更換滅弧室；產(chǎn)品系列性強(qiáng)，易于實(shí)現(xiàn)室內(nèi)外產(chǎn)品的相互交流。落地式的缺點(diǎn)：整體高度高，操作機(jī)構(gòu)維護(hù)不方便。在真空斷路器中，真空斷續(xù)器用絕緣體懸掛在基座框架的前面，而操作機(jī)構(gòu)設(shè)置在后面(即框架內(nèi)部)，并且前部和后部通過(絕緣的驅(qū)動(dòng))桿連接。真空斷路器安裝在手推車上，手推車主要由框架、真空滅弧室和傳動(dòng)系統(tǒng)組成。懸掛式優(yōu)點(diǎn)：適用于手車開關(guān)柜。由于操作機(jī)構(gòu)與高壓隔離，便于維護(hù)。懸掛式的缺點(diǎn)：整體深度大，鐵耗大，重量重；絕緣體承受彎曲力

8、；滅弧室在運(yùn)行過程中振動(dòng)很大；傳輸效率不高。因此，懸掛式真空斷路器通常只適用于中壓以下的產(chǎn)品。真空斷路器滅弧室與大型真空管非常相似，其外殼是由絕緣圓筒、兩端金屬蓋板和波紋管組成的密封容器。滅弧室內(nèi)有一對觸頭，它們焊接在各自的導(dǎo)電桿上，波紋管可以在軸向自由伸縮。功能：外殼是真空滅弧室的密封容器，它不僅容納和支撐滅弧室內(nèi)的各種零件，而且在動(dòng)、靜觸頭處于斷開位置時(shí)起到絕緣作用。因此，整個(gè)外殼通常由絕緣材料和金屬組成。要求：外殼的首要要求是良好的氣密性；二是要有一定的機(jī)械強(qiáng)度(安裝、運(yùn)輸)；此外，它具有良好的絕緣性能。材料：玻璃、陶瓷和微晶玻璃；(1)絕緣外殼；玻璃：成本低，易于加工，氣密性和絕緣性好

9、，易于監(jiān)控(氣體泄漏時(shí)電弧顏色會發(fā)生變化)；缺點(diǎn)是抗沖擊性差；陶瓷(高鋁):機(jī)械強(qiáng)度高，氣密性和絕緣性好；缺點(diǎn)是焊接工藝復(fù)雜，成本高；(2)屏蔽罩，微晶玻璃：又稱它是乳白色的不透明物體，但有些是半透明的。它是氣密和吸收性的，其機(jī)械強(qiáng)度高于氧化鋁陶瓷波紋管，功能：當(dāng)動(dòng)觸頭往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，它能保證真空滅弧室外殼的完全密封。固定方式：一端固定在滅弧室的一個(gè)端面上，另一端移動(dòng)連接在動(dòng)觸頭的導(dǎo)桿上。允許的膨脹和收縮量決定了觸點(diǎn)之間的最大距離。一般超過十毫米。滅弧室中最弱的元件。每次動(dòng)、靜觸頭打開或閉合時(shí)，波紋管的波紋薄壁都會產(chǎn)生較大的機(jī)械變形。長期頻繁而劇烈的變形容易造成材料疲勞而損壞波紋管，導(dǎo)致滅弧室漏氣

10、。因此，波紋管的疲勞壽命也決定了滅弧室的機(jī)械壽命。材料：不銹鋼(最好)、磷青銅和鈹青銅。加工方法：液壓成形：0.10.2毫米鋼管采用液壓成形，工藝簡單，成本低，但長度有限，使用壽命短。隔膜焊接：首先將0.10.15毫米鋼板沖壓成環(huán)形片，然后用氬弧焊焊接。長度可根據(jù)需要加工，使用壽命長達(dá)幾百萬次。這個(gè)過程很復(fù)雜，它用于高壓和大行程開關(guān)。第二部分是真空絕熱及其失效機(jī)理。1.真空間隙的絕緣強(qiáng)度。在高真空間隙中，氣體分子的平均自由程較長(比接觸間隙距離大一個(gè)數(shù)量級)，碰撞離解不起作用。高真空間隙的絕緣強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于變壓器油、標(biāo)準(zhǔn)壓力壓縮空氣和六氟化硫氣體。隨著間隙距離的增加，絕緣強(qiáng)度(擊穿電壓)增加，但

11、存在“飽和現(xiàn)象”。當(dāng)間隙長度小于lcm時(shí)，擊穿電壓與間隙長度成正比，當(dāng)間隙距離增大時(shí)，提高擊穿電壓的效果不明顯。這是開發(fā)高壓真空滅弧室的一個(gè)難點(diǎn)。一般情況下，真空斷路器單斷口的額定電壓只能達(dá)到72/84千伏，SF6斷路器的額定電壓可以達(dá)到30 OKV-500千伏。顯然，后者適用于高壓和超高壓電力系統(tǒng)，而真空斷路器僅廣泛用于10kV-35kV配電系統(tǒng)。眾所周知，電極表面在強(qiáng)電場的作用下會產(chǎn)生冷電子發(fā)射。電極表面電子發(fā)射的電流密度可以用經(jīng)典的肖特基公式(略)來描述。為了產(chǎn)生間隙擊穿，電場強(qiáng)度必須大于109伏/米。實(shí)際上，當(dāng)電場強(qiáng)度大于107伏/米時(shí)，間隙擊穿。例如，1cm長的高真空間隙的擊穿電壓約

12、為100千伏。原因是電極表面的微觀結(jié)構(gòu)不均勻，并且有許多微小的局部突起。電場將在這些微突起處局部增強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)和計(jì)算可以證實(shí)，這些微突起處的電場強(qiáng)度是間隙的平均電場強(qiáng)度的10 -100倍。1.真空擊穿機(jī)制(假設(shè))；1.場發(fā)射擊穿機(jī)理。不可避免的是，在電極表面總會有一些粒子，它們在電場的作用下帶著電荷運(yùn)動(dòng)，并具有一定的動(dòng)能。如果電場足夠強(qiáng)并且粒子直徑合適，當(dāng)它通過間隙到達(dá)另一個(gè)電極時(shí)，它具有很大的動(dòng)能。當(dāng)它與另一個(gè)電極碰撞時(shí)，動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能，使粒子熔化并蒸發(fā)，蒸發(fā)產(chǎn)生的金屬蒸汽將與電場發(fā)射的電子碰撞，最終導(dǎo)致間隙擊穿。2.粒子分解機(jī)制。這兩種機(jī)制相互關(guān)聯(lián)，同時(shí)起作用。當(dāng)間隙L小時(shí)，場發(fā)射占主導(dǎo)地位；

13、當(dāng)間隙L較大時(shí)，粒子擊穿占主導(dǎo)地位。電極形狀和表面狀況：電極的幾何形狀對電場分布有很大影響，電極邊緣的曲率半徑是重要因素之一。一般來說，曲率半徑越大，穿越就越困難。擊穿電壓也隨著電極面積的增加而降低，隨著電極面積的增加，導(dǎo)致?lián)舸┑谋∪觞c(diǎn)數(shù)量也相應(yīng)增加，從而增加了放電概率。電極表面條件對擊穿電壓有很大影響這是因?yàn)闅怏w分子的碰撞離解沒有影響，擊穿電壓由其它條件決定，例如電極的表面條件。在曲線的右半部分，當(dāng)壓力高于103帕?xí)r，擊穿電壓曲線呈直線上升趨勢。該特征可用于通過定期檢查真空斷續(xù)器中接觸間隙的耐受電壓來判斷真空斷續(xù)器是否泄漏。電極老化：老化是一種電極表面處理措施，即通過向電極施加高電壓，在電極

14、間隙中發(fā)生連續(xù)火花放電。經(jīng)過幾次這種火花放電處理后，間隙的擊穿電壓顯著增加。近年來的試驗(yàn)表明，火花老化能有效提高間隙的絕緣強(qiáng)度。其原因可以認(rèn)為是老化過程中的火花放電消除和鈍化了電極表面的一些擊穿弱點(diǎn)，大大降低了再點(diǎn)燃的可能性。方法：有電壓老化和電流老化。前者在高壓作用下，使間隙產(chǎn)生許多小電流放電，使表面光滑平整；后者是多次打開和關(guān)閉幾百安培的交流電，通過電弧去除表面氣體、氧化物和雜質(zhì)，達(dá)到清洗的目的。老化的物理意義以及應(yīng)該采用哪種老化方法仍然沒有定論。第三節(jié)是真空電弧的基本特征。第一，真空電弧的形成，接觸面是不均勻的：在微觀層面上總是不均勻的。當(dāng)兩個(gè)觸點(diǎn)接觸時(shí)(閉合位置)，只有幾個(gè)表面突起接觸

15、，電流流過它們。金屬蒸汽是在局部高溫下形成的：當(dāng)觸點(diǎn)分離時(shí)，接觸壓力降低，觸點(diǎn)數(shù)量減少。電流越來越集中在幾個(gè)觸點(diǎn)上，損耗增加。接觸點(diǎn)的溫度急劇上升，熔化的觸點(diǎn)繼續(xù)分離，熔化的金屬被拉長并變薄，最后斷裂產(chǎn)生金屬蒸汽。陰極斑點(diǎn)的出現(xiàn)：在高溫和強(qiáng)電場(短間隙距離)的作用下，大量的電子將從陰極表面發(fā)射出來，這些電子將迅速發(fā)展成為高溫的陰極斑點(diǎn)。陰極斑點(diǎn)將蒸發(fā)新的金屬蒸汽并發(fā)射電子，形成自持真空電弧?？梢钥闯?，真空電弧是由金屬蒸汽而不是氣體分子維持的，真空電弧實(shí)際上是金屬蒸汽電弧。金屬蒸氣來自接觸材料的蒸發(fā)，因此電極材料的特性將決定真空電弧的特性。二是真空電弧的形態(tài)，根據(jù)電弧電流、電極距離和外加磁場的不

16、同，電弧呈現(xiàn)不同的宏觀形態(tài)。1.擴(kuò)散型真空電弧，當(dāng)電流較低時(shí)(銅電極100A)，陰極只有一個(gè)高溫亮點(diǎn)。陰極點(diǎn)具有高電流密度，這是發(fā)射電子和產(chǎn)生金屬蒸汽的地方。當(dāng)電子與金屬蒸汽原子碰撞時(shí)，會釋放出新的電子和正離子，電子和正離子在運(yùn)動(dòng)過程中也會擴(kuò)散到徑向密度較低的區(qū)域，從而呈現(xiàn)出錐形的弱發(fā)光區(qū)域。圓錐的頂部是陰極點(diǎn)，它向陽極發(fā)散。在單陰極點(diǎn)的錐形真空電弧中，會出現(xiàn)多個(gè)陰極點(diǎn)：隨著電弧電流的增加，陰極點(diǎn)的數(shù)量也會增加，但每個(gè)陰極點(diǎn)仍然有自己的等離子體錐，相鄰的錐可能會重疊。陰極斑點(diǎn)在陰極表面不斷移動(dòng)，通常是從電極的中心到邊緣。速度從0到10米/秒不等，特殊情況下可達(dá)50米/秒。擴(kuò)散真空電弧輪廓示意圖及斑點(diǎn)動(dòng)態(tài)特性：當(dāng)陰極斑點(diǎn)到達(dá)電極邊緣時(shí)，等離子體的錐體彎曲，陰極斑點(diǎn)突然消失，新的斑點(diǎn)出現(xiàn)在電極中心。陰極斑點(diǎn)的高速運(yùn)動(dòng)有利于滅?。弘姌O表面的任何一點(diǎn)都被陰極斑點(diǎn)短時(shí)間加熱，不會有大面積熔化。陽極：它只收集電子。由于電弧的強(qiáng)擴(kuò)散，小電流擴(kuò)散真空電弧不穩(wěn)定，通常在短時(shí)間內(nèi)自動(dòng)熄滅。擴(kuò)散真空電弧的外形圖。濃真空電弧中陽極斑點(diǎn)的出現(xiàn)：當(dāng)電流高(超過開啟能力)時(shí)，陰極斑點(diǎn)的數(shù)量大，n集中電?。好總€(gè)陰極點(diǎn)開始向面對陽極點(diǎn)的陰極表面移動(dòng)，導(dǎo)致陰極點(diǎn)集中。電弧也從