淺談?wù)婵諗嗦菲髦械男o設(shè)計(jì) 詳解真空斷路器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

　　本文主要是關(guān)于真空斷路器的相關(guān)介紹，并詳盡描述了真空斷路器的旋鈕設(shè)計(jì)及其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。

　　真空斷路器儲(chǔ)能回路要設(shè)計(jì)旋鈕因?yàn)椴僮鏖_關(guān)需要很大的力，直接操作比較困難。因此通過旋鈕儲(chǔ)能電機(jī)或者手動(dòng)儲(chǔ)能來壓縮儲(chǔ)能彈簧。旋鈕開關(guān)分閘或者合閘時(shí)通過彈簧釋放能量來幫助操作。

　　有了儲(chǔ)能旋鈕，需要合閘的時(shí)候你就儲(chǔ)能再合閘！不需要合閘的時(shí)候就不儲(chǔ)能！對(duì)彈簧好！

　　“真空斷路器”因其滅弧介質(zhì)和滅弧后觸頭間隙的絕緣介質(zhì)都是高真空而得名；其具有體積小、重量輕、適用于頻繁操作、滅弧不用檢修的優(yōu)點(diǎn)，在配電網(wǎng)中應(yīng)用較為普及。 真空斷路器是3～10kV，50Hz三相交流系統(tǒng)中的戶內(nèi)配電裝置，可供工礦企業(yè)、發(fā)電廠、變電站中作為電器設(shè)備的保護(hù)和控制之用，特別適用于要求無油化、少檢修及頻繁操作的使用場(chǎng)所，斷路器可配置在中置柜、雙層柜、固定柜中作為控制和保護(hù)高壓電氣設(shè)備用。

　　真空斷路器主要包含三大部分：真空滅弧室、電磁或彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)、支架及其他部件。

　　真空滅弧室按照開關(guān)型式不同有外屏蔽罩式陶瓷真空滅弧室、中間封接杯狀縱磁場(chǎng)小型化真空滅弧室、內(nèi)封接式玻璃泡滅弧室，其基本結(jié)構(gòu)如下：①氣密絕緣系統(tǒng)（外殼）由陶瓷、玻璃或微晶玻璃制成的氣密絕緣筒、動(dòng)端蓋板、定端蓋板、不銹鋼波紋管組成的氣密絕緣系統(tǒng)是一個(gè)真空密閉容器。為了保證氣密性，除了在封接式要有嚴(yán)格的操作工藝，還要求材料本身透氣性和內(nèi)部放氣量小。②導(dǎo)電系統(tǒng)由定導(dǎo)電桿、定跑弧面、定觸頭、動(dòng)觸頭、動(dòng)跑弧面、動(dòng)導(dǎo)電桿構(gòu)成。觸頭結(jié)構(gòu)大致有三種：圓柱形觸頭、帶有螺旋槽跑弧面的橫向磁場(chǎng)觸頭、縱向磁場(chǎng)觸頭。目前采用縱磁場(chǎng)技術(shù)，此種滅弧室具有強(qiáng)而穩(wěn)定的電弧開斷能力。③屏蔽系統(tǒng)屏蔽罩是真空滅弧室中不可缺少的元件，并且有圍繞觸頭的主屏蔽罩、波紋管屏蔽罩和均壓用屏蔽罩等多種。主屏蔽罩的作用是：a防止燃弧過程中電弧生成物噴濺到絕緣外殼的內(nèi)壁，從而降低外殼的絕緣強(qiáng)度。b改善滅弧室內(nèi)部電場(chǎng)分布的均勻性，有利于降低局部場(chǎng)強(qiáng)，促進(jìn)真空滅弧室小型化。c冷凝電弧生成物，吸收一部分電弧能量，有助于弧后間隙介質(zhì)強(qiáng)度的恢復(fù)。

　　操作機(jī)構(gòu)按照斷路器型式不同，采用的操作機(jī)構(gòu)不同。常用的操作機(jī)構(gòu)有彈簧操作機(jī)構(gòu)、CD10電磁操作機(jī)構(gòu)、CD17電磁操作機(jī)構(gòu)、CT19彈簧儲(chǔ)能操作機(jī)構(gòu)、CT8彈簧儲(chǔ)能操作機(jī)構(gòu)。

　　其它部件基座、絕緣支撐件、絕緣子等

　?、儆|頭開距小，10KV真空斷路器的觸頭開距只有10mm左右，操作機(jī)構(gòu)的操作功就小，機(jī)械部分行程小，其機(jī)械壽命就長。②燃弧時(shí)間短，且與開關(guān)電流大小無關(guān)，一般只有半周波。③熄弧后觸頭間隙介質(zhì)恢復(fù)速度快，對(duì)開斷近區(qū)故障性能較好。④由于疏通在開斷電流時(shí)磨損量較小，所以觸頭的電氣壽命長，滿容量開斷達(dá)30-50次，額定電流開斷達(dá)5000次以上，噪音小適于頻繁操作。⑤體積小、重量輕。⑥適用于開斷容性負(fù)荷電流。由于其優(yōu)點(diǎn)很多，所以廣泛應(yīng)用于變電站中，目前型號(hào)主要有：ZN12-10型、ZN28A-10型、ZN65A-12型、ZN12A-12型、VS1型、ZN30型等。 具體介紹真空斷路器技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)真空斷路器在我國近十年來得到了蓬勃的發(fā)展。產(chǎn)品從過去的ZN1～ZN5幾個(gè)品種發(fā)展到數(shù)十多個(gè)型號(hào)、品種，額定電流達(dá)到5000A，開斷電流達(dá)到50kA的較好水平，并已發(fā)展到電壓達(dá)35kV等級(jí)。80年代以前，真空斷路器處于發(fā)展的起步階段，技術(shù)上在不斷摸索，還不能制定技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，直到1985年后才制定相關(guān)的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。國內(nèi)主要依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)：JP3855-96《3.6～40.5kV交流高壓真空斷路器通用技術(shù)條件》DL403-91《10～35kV戶內(nèi)高壓斷路器訂貨技術(shù)條件》這里需要說明：IEC標(biāo)準(zhǔn)中并無與我國JB3855相對(duì)應(yīng)的專用標(biāo)準(zhǔn)，只是套用《IEC56交流高壓斷路器》。因此，我國真空斷路器的標(biāo)準(zhǔn)至少在下列幾個(gè)方面高于或嚴(yán)于IEC標(biāo)準(zhǔn)：（1） 絕緣水平： 試驗(yàn)電壓 IEC 中國1min工頻耐壓（kV） 28 42（極間、極對(duì)地）48（斷口間）1.2/50沖擊耐壓（kV） 75 75（極間、極對(duì)地）84（斷口間）（2）電壽命試驗(yàn)結(jié)束后真空滅弧室斷口的耐壓水平：IEC56中無規(guī)定。我國JB3855一96規(guī)定為：完成電壽命次數(shù)試驗(yàn)后的真空斷路器，其斷口間絕緣能力應(yīng)不低于初始絕緣水平的80%，即工頻1min33.6kV和沖擊60kV。（3）觸頭合閘彈跳時(shí)間：IEC無規(guī)定，而我國規(guī)定要求不大于2ms。（4）溫升試驗(yàn)的試驗(yàn)電流：IEC標(biāo)準(zhǔn)中，試驗(yàn)電流就等于產(chǎn)品的額定電流。我國DL403-91中規(guī)定試驗(yàn)電流為產(chǎn)品額定電流的110%。2.真空斷路器的主要技術(shù)參數(shù) 真空斷路器的參數(shù)，大致可劃分為選用參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)兩個(gè)方面。前者供用戶設(shè)計(jì)選型時(shí)使用；后者則是斷路器本身的機(jī)械特性或運(yùn)動(dòng)特性，為運(yùn)行、調(diào)整的技術(shù)指標(biāo)。下表是選用參數(shù)的列項(xiàng)說明，并以三種真空斷路器數(shù)據(jù)為例。表中所列各項(xiàng)參數(shù)，均須按JB3855和DL403標(biāo)準(zhǔn)的要求，在產(chǎn)品的型式試驗(yàn)中逐項(xiàng)加以驗(yàn)證，最終數(shù)據(jù)以型式試驗(yàn)報(bào)告為準(zhǔn)。

　　真空斷路器采用真空滅弧室，真空滅弧室中動(dòng)觸頭和靜觸頭采用平面對(duì)接方式接觸。為保證動(dòng)觸頭和靜觸頭良好的接觸，必須保證足夠的觸頭壓力；在真空斷路器合閘過程中，動(dòng)觸頭具有合理的合閘速度（一般控制在0.4～0.8 m/s），合閘瞬間動(dòng)觸頭和靜觸頭發(fā)生彈性碰撞，觸頭壓力又將動(dòng)觸頭保持在合閘位置，出現(xiàn)動(dòng)觸頭反復(fù)的跳動(dòng)過程，即彈跳現(xiàn)象產(chǎn)生。在合閘時(shí)動(dòng)靜觸頭剛接觸直至動(dòng)靜觸頭穩(wěn)定接觸瞬間為止的時(shí)間間隔即為彈跳。彈跳時(shí)間為n ms。

　　合閘彈跳對(duì)真空斷路器影響目前業(yè)內(nèi)關(guān)于合閘彈跳對(duì)真空斷路器的影響存在兩種看法。

　　1、彈跳無害論

　　型式試驗(yàn)中真空滅弧室觸頭熔焊分不開時(shí)就把原因歸結(jié)到合閘彈跳上是不合理的。分析中做單分試驗(yàn)和動(dòng)熱穩(wěn)定時(shí)也出現(xiàn)熔焊，那又如何解釋呢？認(rèn)為只要有足夠大的觸頭壓力完全可以避免動(dòng)靜觸頭的熔焊，與合閘彈跳并沒關(guān)系。合閘彈跳時(shí)間n ms不等于觸頭回彈了n ms，合閘彈跳時(shí)間越長，觸頭熔焊越嚴(yán)重的觀點(diǎn)并不一定成立。合閘彈跳時(shí)間是在空載時(shí)測(cè)得，而在負(fù)載時(shí)也會(huì)有預(yù)擊穿發(fā)生，伴隨著產(chǎn)生和合閘方向相反的電動(dòng)力，這相當(dāng)于一個(gè)緩沖器。此時(shí)有可能沒有彈跳。認(rèn)為真空斷路器開斷失敗、重?fù)舸┖陀|頭熔焊等和合閘彈跳毫無關(guān)系，甚至主張將這一指標(biāo)從技術(shù)條件中刪除。

　　2、彈跳有害論

　　真空斷路器合閘彈跳過程中，動(dòng)觸頭在觸頭壓力的作用下回彈距離小，電弧不會(huì)熄滅，容易導(dǎo)致滅弧室的動(dòng)、靜觸頭電弧燒損。彈跳時(shí)間過長的主要危害在于加速了真空滅弧室觸頭的電磨損，從而導(dǎo)致滅弧室電壽命縮短。在關(guān)合峰值電流時(shí)，真空斷路器發(fā)生合閘彈跳現(xiàn)象，真空滅弧室內(nèi)電弧能量會(huì)迅速積累，容易產(chǎn)生動(dòng)靜觸頭發(fā)熱熔焊現(xiàn)象，特別是關(guān)合容性電流時(shí)合閘涌流較大，如果彈跳時(shí)間過長就會(huì)使得真空滅弧室觸頭發(fā)生熔焊，嚴(yán)重影響真空斷路器的電壽命。

　　合閘彈跳產(chǎn)生的原因及抑制合閘彈跳的方法

　　真空斷路器在合閘操作時(shí)，為了保證足夠的觸頭壓力合閘機(jī)構(gòu)具有較大的動(dòng)能，這一能量在動(dòng)靜觸頭碰撞后主要被分成了三部分：合閘碰撞損失、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的觸頭壓縮彈簧的部分儲(chǔ)能和觸頭彈跳時(shí)的動(dòng)能。從理論上講，產(chǎn)生彈跳的主要原因是在動(dòng)靜觸頭合閘碰撞時(shí)，合閘沖擊不能因材料變形以及操動(dòng)機(jī)構(gòu)上觸頭壓縮彈簧的部分儲(chǔ)能全部吸收掉，剩余的能量使得動(dòng)觸頭發(fā)生了反彈而產(chǎn)生的。剩余的能量也就是觸頭彈跳時(shí)的動(dòng)能，直到該能量全部消耗完畢為止，彈跳才消失。

　　真空斷路器動(dòng)觸頭合閘彈跳分散性很大，影響因素也很多。主要原因有以下幾點(diǎn)：真空滅弧室、真空斷路器合閘速度、觸頭壓力、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)端的質(zhì)量、機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)間隙和真空斷路器安裝裝配質(zhì)量、機(jī)構(gòu)穩(wěn)定性等。

　　1、真空滅弧室對(duì)彈跳的影響

　　真空滅弧室動(dòng)觸頭機(jī)械強(qiáng)度、質(zhì)量、動(dòng)和靜觸頭平面度對(duì)彈跳的影響合閘的碰撞損失，也就是合閘碰撞過程中動(dòng)靜觸頭產(chǎn)生變形而吸收的能量。這包括動(dòng)、靜觸頭的材料彈性變形和塑性變形。動(dòng)、靜觸頭的機(jī)械強(qiáng)度越高，其變形能力越差，碰撞損失越小，吸收合閘能量的能力也就越小，彈跳就會(huì)越大。因此，在保證滅弧室機(jī)械性能要求的前提下，適當(dāng)?shù)慕档碗姌O的機(jī)械強(qiáng)度，也可以很好地降低彈跳。

　　合閘時(shí)的動(dòng)能與動(dòng)觸頭、動(dòng)端的質(zhì)量和合閘速度成正比，動(dòng)觸頭、動(dòng)端的質(zhì)量越大其產(chǎn)生的慣性沖擊越大；動(dòng)端的質(zhì)量過大又會(huì)引起斷路器合閘彈跳時(shí)間加長，在確保真空斷路器合閘可靠的前提下，應(yīng)盡量減小動(dòng)端質(zhì)量避免合閘彈跳加劇。動(dòng)、靜觸頭平面度越差，彈跳越大。動(dòng)、靜觸頭平面度差，碰撞時(shí)的接觸面積就小，碰撞損失也就小，彈跳也就會(huì)相應(yīng)加大。真空滅弧室是外購元件，其特性是外購廠成型的無法改變，但應(yīng)選擇性能和口碑良好的真空滅弧室生產(chǎn)廠家。

　　2、真空斷路器合閘速度對(duì)彈跳的影響

　　合閘時(shí)，合閘速度越大所產(chǎn)生的合閘沖擊也越大，動(dòng)、靜觸頭發(fā)生碰撞的反彈幅值越大，會(huì)出現(xiàn)觸頭反復(fù)的合、分過程，反彈幅值越大，彈跳時(shí)間就越長。所以，要合理設(shè)計(jì)并控制合閘速度。不能過高追求高合閘速度，導(dǎo)致合閘彈跳過大。

　　3、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的推桿與真空滅弧室同心度配合對(duì)彈跳的影響

　　傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的推桿與真空滅弧室同心度幾何公差越大，彈跳越大。當(dāng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的軸心與真空滅弧室不同軸時(shí)，滅弧室被強(qiáng)迫適應(yīng)機(jī)構(gòu)，造成動(dòng)導(dǎo)電桿發(fā)生傾斜，更嚴(yán)重時(shí)靜端蓋板也會(huì)因受彎曲力而變形，使得動(dòng)靜觸頭閉合時(shí)兩觸頭間產(chǎn)生夾角，碰撞時(shí)的接觸面積減小，碰撞損失也就小，從而使得彈跳增大。同時(shí)動(dòng)導(dǎo)電桿傾斜，在合閘過程中導(dǎo)電桿與導(dǎo)向套運(yùn)動(dòng)不暢，也會(huì)使彈跳時(shí)間加長。

　　4 、觸頭壓力對(duì)彈跳的影響

　　彈跳與觸頭初壓力成反比。為了保證關(guān)合過程中動(dòng)、靜觸頭可靠接觸，需要增加動(dòng)、靜觸頭間的接觸壓力，觸頭接觸壓力分為觸頭初壓力和觸頭終壓力。觸頭終壓力的大小主要取決于觸頭彈簧的超程和剛度；觸頭初壓力的大小則取決于觸頭彈簧的剛度和觸頭彈簧的預(yù)壓縮量。足夠的觸頭初壓力使觸頭在閉合碰撞時(shí)得到緩沖， 將碰撞的動(dòng)能轉(zhuǎn)為彈性勢(shì)能，抑制觸頭的彈跳時(shí)間。在適應(yīng)合閘機(jī)構(gòu)的合閘功情況下盡可能提高觸頭初壓力。

　　5、機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)間隙對(duì)彈跳的影響

　　機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)間隙越大所造成的彈跳也越大的，對(duì)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)間隙進(jìn)行控制，通?？刂圃?.03～0.05 mm內(nèi)，減小空程間隙；機(jī)構(gòu)傳動(dòng)間隙越大，帶來合閘彈跳的可能性就越大，同時(shí)機(jī)構(gòu)的可靠性降低。

　　6、真空斷路器安裝裝配質(zhì)量對(duì)彈跳的影響

　　開關(guān)安裝裝配質(zhì)量是造成彈跳過大重要因素。提高真空斷路器的裝配工藝質(zhì)量。裝配合理，真空滅弧室不受到額外的力。調(diào)整導(dǎo)向裝置的位置，使真空滅弧室動(dòng)觸頭的運(yùn)動(dòng)軌跡與弧室的軸心在一條直線上，真空滅弧室動(dòng)觸頭活動(dòng)自如，無卡澀現(xiàn)象，確保真空斷路器的各支撐部件的強(qiáng)度及相關(guān)緊固件不松動(dòng)等。

　　7、機(jī)構(gòu)穩(wěn)定性對(duì)彈跳的影響

　　真空滅弧室的動(dòng)、靜導(dǎo)電桿材料是由無氧銅，起導(dǎo)通電流的作用，真空滅弧室觸頭材料大量使用的是銅鉻合金。無氧銅材料導(dǎo)電性能優(yōu)良但剛性較差，超程在前200次合閘過程中會(huì)變小導(dǎo)致觸頭壓力變小。為確保機(jī)械特性穩(wěn)定，真空斷路器在出廠檢測(cè)前進(jìn)行300次的合分操作，使其動(dòng)、靜導(dǎo)電桿冷作硬化達(dá)到機(jī)械磨合的效果，這樣就能確保出廠后的真空斷路器特性穩(wěn)定，超程穩(wěn)定并不會(huì)再發(fā)生大的變化，通過機(jī)械磨合試驗(yàn)后觸頭材料平面度提高，這些都能降低合閘彈跳。

　　結(jié)語

　　如果彈跳時(shí)間控制在5 ms以下，對(duì)電壽命的影響是很小的。但是GB 50150 -2006《電氣裝置安裝工程電氣設(shè)備交接試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》中第12.0.5條測(cè)量合閘過程中觸頭接觸后的彈跳時(shí)間，應(yīng)符合下列規(guī)定：合閘過程中觸頭接觸后的彈跳時(shí)間，40.5 kV以下斷路器不應(yīng)大于2 ms；40.5 kV及以上斷路器不應(yīng)大于3 ms。雖然不是強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)，但真空斷路器制造廠在交接或驗(yàn)收時(shí)是否會(huì)受到驗(yàn)收人員的質(zhì)問或在招投標(biāo)中受到排斥？有些制造廠家為了體現(xiàn)其高參數(shù)甚至技術(shù)要求合閘彈跳小于1 ms。為了避免在供貨驗(yàn)收或招投標(biāo)時(shí)引起不必要的麻煩，依靠目前成熟技術(shù)和制造工藝通過調(diào)整真空斷路器的合閘彈跳完全能達(dá)到GB 50150-2006《電氣裝置安裝工程電氣設(shè)備交接試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》的要求。

　關(guān)于真空斷路器的介紹就到這了，希望通過本文能讓你對(duì)真空斷路器有更深的認(rèn)識(shí)。