1 真空断路器特点及技术进步
真空断路器的灭弧原理与其他型式断路器不同,是指触头在真空中关合、开断的开关设备,也就是利用真空作为绝缘及灭弧介质的断路器。但目前适用的电压等级比较低,主要是12kV和405kV电压等级。
高压真空断路器具有一系列优点,诸如结构简单,真空熄弧效果好,电弧不外露,无火灾爆炸危险,噪声小,能频繁操作,使用寿命长,运行安全可靠,维护检修工作量少等。其使用面大量广,尤其在12kV电压等级断路器中例如2004年真空断路器生产量已占该电压等级的98.85%。其使用范围很广,可用作小型发电机的出线开关配电网络或电缆线路中以及厂用电的配电开关、电炉及高压电动机的控制开关,也可用于各工农业用户、矿山铁路、城市供电、高层建筑和成套变电站的保护开关。
真空断路器结构上通常采用三相联动的方式,主要由导电部分、真空灭弧室、绝缘部分、操动机构和框架等部件组成。
真空灭弧室是最关键的部件其真空度可用内部压力代表,要求内部气体压力应低于133×104pa,新产品真空度至少应达到104pa以上,并保证使用寿命大于20年。12kV电压等级灭弧室动静触头开距只有8mm~10mm,而真空接触器触头开距约在6mm左右,国产405kV电压等级灭弧室动静触头开距大约为20mm左右。真空灭弧室的主要零件包括动静触头、屏蔽罩、动静导电杆、波纹管及外壳等。触头材料及其结构型式对开断能力影响大,触头材料主要有CuBi或CuCr合金等品种,绝大多数采用CuCr合金,并有多种组成方案。触头结构包括有平板触头、横磁场触头和纵磁场触头结构等几种,纵磁场触头结构使电弧呈现扩散形态而不是聚集形态,电弧在触头表面均匀分布成很多细弧,熄弧能力强而触头烧损少有利于提高开断能力和触头电寿命,更适用于较大的开断电流。外亮材料有玻璃和氧化铝陶瓷等两类,目前以陶瓷类外壳居多,更适用于批量生产。现代真空灭弧室的制造采用先进的一次封排工艺,将焊接、除气、封装、排气等工艺步骤在真空炉中一次性完成,大大简化了工艺流程,除气更为彻底,产品质量稳定性好,生产效率高。总之,由于真空灭弧室结构、材料和工艺等方面的进步在技术性能和小型化等方面取得了明显进步促进了真空断路器的发展。
操动机构在结构和性能方面都有提高,主要有电磁和弹簧机构等品种,尤其是弹簧机构使用广泛。
2 各类真空断路器产品介绍
真空断路器的技术参数和性能必须符合相关标准,并应通过型式试验才能推向市场。这几年国产真空断路器发展快,品种增多,技术进步明显,有专家称之为真空断路器走向辉煌。
行业上相关标准规定,真空断路器的基本型号户内用ZN表示,户外用ZW表示o目前,户内真空断路器产品序号已超过一百,还有很多企业自定的型号。
另外,也有不少产品既有行业型号又有企业自定型号。这反映了行业的景气和技术的不断创新,但对各品种优劣的评价却比较模糊,选用也比较困难,下面从绝缘结构、操动机构品种、市场占有量和运行情况等方面来进行分析比较。
2.1 根据绝缘结构不同可以粗略地分为三种真空断路器
有专家称为"真空断路器的相柱绝缘经历了空气绝缘一复合绝缘一固封绝缘这就形成了三代真空断路器"。
2.1.1 空气绝缘真空断路器
产品的相间绝缘、对地绝缘和灭弧室外绝缘均为空气介质。这种断路器的真空灭弧室多采用悬挂支撑方式,并且要遵循严格的安装调试工艺O例如对于静触头在顶部的结构,灭弧室安装时要先将静触头端面与静触头支架联接牢固,然后再联接动触头一侧,配合操动机构的安装使动触头的运动轨迹保持在灭弧室的中轴线上O典型产品如国产ZN28-122N12-12型等,西门子公司很多产品以采用空气绝缘结构见长,例如有3AF、3AG、3AH等型号。
干净清洁的空气是良好的绝缘介质,使用历史最悠久。考虑到环境的影响有关标准对户内开关设备规定了湿度等条件,要求日相对湿度平均值不大于95%,月相对湿度平均值不大于90%。但是湿度平均值概念不是很确切,也很难掌握。标准又指出在这种环境条件下要考虑到偶尔会产生凝露所以电力行业标准还提出了凝露型设备的概念。对单纯以空气作为绝缘介质的断路器及开关柜的空气绝缘净距和爬电比距作出了规定,在相应试验基础上,对12kV开关设备要求各相导体相间和对地净距达到125mm对于瓷质和有机材料绝缘件的爬电比距分别要求18mmkV、20mmkV。有时还免不了发生绝缘事故,很多用户还是不放心,要求在绝缘净距和爬电比距满足上述规定外,对裸露母线增加硅橡胶套,以进一步提高绝缘水平。
采取上述措施后这些开关设备的绝缘可靠性得到了提高,近几年的安全运行水平大为好转,过去曾频繁发生过的火烧连营事故已很少见。但是,局部的绝缘事故仍有发生产品的小型化也很困难。
2.1.2 复合绝缘真空断路器
产品的绝缘结构采用固体绝缘和空气绝缘相结合的方法,一方面提高了绝缘性能,另一方面可以减小设备的尺寸。具有代表性的产品如国产VS1(ZN63)型和ABB公司技术产品VD4(ZN64)型断路器,采用绝缘套筒式结构真空灭弧室通过螺栓固定在环氧树脂绝缘套筒内o三菱公司VPR型产品,其三相灭弧室由一个浇铸的绝缘支架隔离。这些措施提高了相间和对地的绝缘,可以避免外部机械力对灭弧室的冲撞,断路器尺寸也能减小但是环境气候条件对灭弧室外绝缘的影响还不可避免,分析和实践表明两种绝缘结构各有所长。但相比之下,复合绝缘真空断路器更易被用户接受,在目前已占有主导地位。然而也有运行中发生绝缘事故的报导,例如《高压开关》杂志2005年第3期曾报导重庆市电力公司一台VD4断路器绝缘筒击穿事故。
2.1.3 固封极柱真空断路器
又可称为浇注式极柱结构这是中压真空断路器绝缘结构的重大变革近几年来得到了迅速发展。
这类产品共同特点是其一次导电部分,包括真空灭弧室、主导电回路(连同上下触臂的连接端头),采用APG工艺(环氧树脂自动压力凝胶工艺)固封在绝缘筒中,浇铸时在灭弧室外表面添加一层强绝缘高气密的缓冲层,以避免灭弧室外壳陶瓷和环氧树脂热膨胀系数不同而引起的极柱绝缘开裂问题,使固封可靠o这种绝缘结构的真空灭弧室完全由固封极柱固定,解决了用螺栓联接的缺陷。环境耐受能力大大提高,基本解决了断路器外绝缘受环境影响的问题,并且已有产品推向户外使用。另外灭弧室触头采用低阻型设计,降低了损耗和发热,例如厂家介绍额定电流1250A等级的灭弧室直流电阻仅为9±μΩ。固封极柱结构还有利于产品的组装和性能的稳定,为开发免维护产品创造了条件。
ABB公司和西门子公司等著名企业都先后推出这种产品。国产固封极柱断路器发展很快,生产厂家也比较多。典型产品如厦门华电开关有限公司和江苏帕威尔电气有限公司等单位引进德国科博公司技术(GEIPAG)生产的VEP型(行业型号ZN96-12),常州森源开关有限公司结合西门子公司技术生产的3AS系列真空断路器(3AS系列根据机构和固封极柱等元件配置的不同有3AS14等品种),扬州北辰电气有限公司选用西门子公司固封极柱研制的3AHLEB型和VBC-EB型、镇江诚翔电器有限公司引进乌克兰洛瓦高压电器公司技术(RZVA)采用永磁机构的BPC型等。很多"固封式极柱"户内12kV真空断路器的外形尺寸基本上与ZN63一12型相同很容易与多种金属铠装式开关柜相匹配。另外,有资料介绍,华仪电器集团生产的ZW4342户外真空断路器也采用固封式极柱,年产量已达数千台。
2.2 按操动机构晶种分类
除了少数产品配用电磁机构外大多数产品都配用一体化的弹簧操动机构采用永磁操动机构的品种也逐渐增多。
2.2.1 配用电磁机构
这是使用历史最悠久的品种在原有的GGlA开关柜无油化改造中以使用CD10型电磁机构结合分体式真空断路器为多。配合国产ZN28-12型产品发展有CD17型机构结构上也采用与真空灭弧室前后布置的方式。电磁机构的合闸电流较大,结构也比较笨重,动作时间较长,市场占有量逐渐减少。
2.2.2 配用弹簧操动机构
这是目前使用量最大的品种而且基本上都是采用机构和本体前后布置的一体式结构方式。较先进的弹簧操动机构采用所请模块化设计主要由合闸模块、分闸模块和合分闸弹簧等元件组成。机构的零部件数量有所减少可靠性逐步提高。
理论上,弹簧机构的输出特性不太理想,与真空灭弧室合闸特性不能很好配合。但其结构和技术不断进步,各制造企业的品种多,事实上已得到了市场的认可。各种断路器配置的弹簧机构采用的动作原理相同,而具体结构和型式有所不同。例如合闸弹簧就有拉簧和卷簧(也有称之为盘簧)等品种,设置有分闸缓冲器或者不设置分闸缓冲器等。
机械工业高压电器质量检测中心(沈阳)在对开关柜进行型式试验时测量了所装配断路器的机械特性,如图1~图4所示的是该试验站在一次试验中对12kV等级VS1和VD4型断路器测量到的分、合闸特性曲线。
由图1~图4可见两种断路器的合闸特性曲线基本相同,其中VS1断路器在动静触头接触后触头弹簧的稳定时间略长。但分闸特性曲线有很大不同,不设置分闸缓冲器的断路器在分闸时,运动部件过冲和反弹比较严重,过冲达到30%以上,反弹约为6%,到达
分闸位置时的稳定过程长达70ms左右。可见该型断路器的机械特性不够理想机械稳定性比较差。
2.2.3 配用永磁操动机构
经过多年的研制已经有多种产品供应市场。这种机构主要由铁铁棚材料永久磁铁和分闸、合闸控制线圈等部件组成,将永久磁铁应用于操动机构中,使断路器分合闸位置的保持通过永久磁铁实现,取消了传统的锁扣装置并且其吸力特性可以较为理想地满足真空灭弧室的要求。产品机械结构大为简化,活动部件仅有几个,耗材省,节能且成本低。所以,其机械动作可靠性大大提高,有可能实现免维护,特别适用于要求频繁操作的场所。
多数配永磁机构产品的操作回路采用电子控制原理,操作电源由电容器组和电容充电控制环节组成。电容器的充放电过程由逻辑单元来控制,电容器的放电实现分、合闸线圈的通断由电力电子开关即晶闸管来完成。所以控制系统的优劣和寿命将直接影响到整个断路器的性能。
另外,还有采用直流电源经高性能低压接触器给分合闸线圈供电的永磁机构产品的分闸线圈电流只有2A左右,但合闸线圈的电流达到数十安,所以接触器的性能必须可靠。实践证明这种永磁机构简单可靠,可以免除对电子控制系统可靠性的担心。因为合闸线圈电流的持续时间很短直流电源也比较容易解决。
2.3 从市场占有量分析
据不完全统计,2003年、2004年全国12kV真空断路器生产量分别为20万台、24万台左右。按照使用场所可以分为户内和户外两大类以户内真空断路器占有绝对多的份额差不多占到75%~80%。
国内生产12kV户内高压真空断路器的厂家很多,不完全统计全国已超过130家实际的制造厂家还要多,产品型号多品种繁杂。面对真空断路器品种繁多的现状,用户有更多选择余地,但并不是各种型号产品都有乐观的市场前景市场占有量大的相对集中于几类品牌产品。
(1)第1类是生产厂家最多、市场占有量最大的品种,主要是引进技术产品ZN63-12型,其中以企业名称VS1型居多。不完全统计近年来ZN63-12系列真空断路器的产量占全部户内产品的50%以上。并且,生产企业有数十家之多。中外合资企业产品VD4型外形结构相同,其年产量也很大。此外,ZN28-12系列产品面大量广但所占份额逐年减少。
(2)其次就是年产量达到数千台的产品,如ZN96-12、ZN65-12和ZN12-12等系列产品,也有几个制造厂家提供产品。
(3)占有较少的市场份额年产量约在千台左右的产品。如ZN18-12、ZN21-122N33-12、ZN48-12、ZN55-12型等产品。
借鉴国外技术自行研发的产品或者引进国外技术国产化产品的产量比较多影响比较大。另外,如西电三菱的VPR型、上海富士的HS型等中外合资企业产品产量也不少。除此以外,其他品种或者产量极少,也有的已经停产。
很多品牌产品的额定电流和额定短路开断电流等参数上已形成系列规格品种比较齐全。
3 真空断路器向高电压等级发展
经过将近二十年时间的努力真空断路器发展快进步大,几乎占领了12kV断路器的市场,可以说改变了电力工业配电系统的面貌。
鉴于真空断路器环境保护方面的优势,基于真空灭弧室的技术发展包括灭弧原理、结构材料和制造工艺的进步,近年来真空断路器呈现向高电压等级发展的趋势,已经有几个厂家研制成功126kV电压等级的高压真空断路器,并可供应市场需要。结构上,多数采用真空灭弧和SF6气体绝缘相配合,配用弹簧操动机构。技术参数达到额定电流1600A,额定短路开断电流达到4OKA。有资料介绍,北京北开电气股份有限公司的ZW364%厅160040户外真空断路器已于2002年通过鉴定。另外,江苏东源电器集团股份有限公司研制的ZW-126真空断路器在2005年通过了型式试验,据悉已有多台产品挂网运行。
4 真空断路器的选用问题
4.1 产晶质量是选型的关键
产品的选用要考虑其技术参数和性能,最重要的是考虑产品的质量,此外还要考虑使用习惯和售后服务,原则上应综合评价其经济技术性能,选用产量较大的品牌产品。
产品质量的评价除了分析其结构和性能外,更要重视实际运行经验。虽然关于产品运行中故障情况的分析比较复杂,更缺少符合实际的定量分析,但运行中发生故障或事故案例应该作为借鉴。
4.2 国外晶牌和国产产晶的分析比较
在高压断路器和高压开关设备的研制方面,国外企业往往处于领先地位,产品的技术参数和性能比较先进。在若干年前,引进国外品牌产品及制造技术,既符合当时的实际需求也起到了带动国内制造水平的作用。但时至今日,应该辩证对待国外品牌和国产产
品的关系,应该改变"国产设备不如组装设备、组装产品不如进口产品"这种盲目的思维方式。事实上,很多国产产品的质量已明显提高。以中压真空断路器为例,例如有代表性的VSl和VEP型真空断路器,其市场占有量大,技术性能比较成熟。尤其是几个主导企业的产品经受了非常严格的型式试验考核,有极良好的稳定性。另外,近年来发展的固封极柱真空断路器,性能进一步提高。从技术参数、技术性能和运行情况等方面分析,不低于国外同类产品有些性能还具有优势,这些产品完全能满足用户的要求,而在价格上与国外产品相比占有绝对的竞争力。
4.3 真空断路器使用中的重点问题
真空断路器多数是安装在高压开关柜中使用的,技术比较成熟,安装问题不太突出,但要重视安装后的现场调试工作。
由于真空灭弧室的技术进步真空断路器及其成套柜的质量有了明显提高,虽然使用量越来越大,但运行情况比较良好。相对来说仍以绝缘事故和机构故障居多,对运行单位来说,应坚持新技术新工艺的研究开发,提高运行中的维护监测水平。
应坚持运行中对真空灭弧室真空度的判别。电力系统预防性试验规程规定12kV真空断路器每隔1~3年应进行工频耐压试验予以鉴定对断口进行耐压试验的同时,主回路对地及相间也被考核,通常断口间的耐压值和对地及相间的相同。该规程同时对405kV真空断路器规定的工频耐压试验周期是大修后或必要时,耐压试验必须停电进行,工作量较大。过去产品质量较差,真空灭弧室漏气率较高耐压试验有一定的检出率。现在真空灭弧室的漏气情况大为减少,应该总结各地的经验,适当延长耐压试验的周期o结合少维护或免维护的要求,逐步开展状态检修。
关于投切电容器组时可能产生危险过电压问题无论是12kV还是405kV真空断路器都还不可靠。包括国产和进口的405kV真空断路器投切电容器组时发生重燃引发事故曾有多次报导。目前,采用SF6断路器作为投切电容器组开关,成为比较安全可靠的选择。新的国标和IEC标准对高压断路器提出了少维护的概念,所谓少维护就是指必要的润滑、清扫和补气之类工作。随着电力系统的发展设备多检修人员少,供电质量要求又高,无人值守变电站越来越多,这种少维护或者检修周期很长的开关设备更受到用户的欢迎,有望进一步提高电网的安全运行水平,并为实现状态检修创造必要条件.
目前,从安全运行考虑运行中应该进行必要的维护。一方面要发展在线监测技术同时要坚持日常的巡视检查,元人值守变电站应按规定进行定期检测,为实行状态检修积累数据和资料。另外要结合实际情况,适时进行小修检查,国外产品往往推荐14年进行核对性检查,大约5年进行检查性维护o鉴于多数高压断路器动作次数较安的实际情况,每次停电检查时,除了规定的绝缘、导电和机械特性测量外,应重视机械操作试验,并且建议适当增加机械操作次数。经验表明,经过长期运行,经过环境冷热和其他气候条件的考核,尤其对操动机构的可靠性影响最大,操作次数多一些,潜在缺陷暴露的概率就高一些,这方面有相当多的经验教训值得借鉴。
至于大修,国外产品多数建议大修的期限是20年或更长,或者当机械操作次数或电流开断数值到了临界值时进行。这方面的经验还比较缺乏,需要进一步的积累和交流。
对运行设备要掌握开关设备的历史运行资料和同类设备的运行信息,要科学评定设备状态。另外,要提高系统的保护水平,发生故障或事故后,正确判断和尽快切除故障是最重要的,短路持续时间越长,损失越大,恢复越困难,事故原因查找也更难。例如,有某个用户的6kV配电系统,选用12kV电压等级的GGlA开关柜,其母联柜的断路器处于热备用状态,装用的是ZN28-123150-315断路器已安全运行5年左右,但在2006年4月28日的正常运行中突发事故,过流动作经2s左右才切除故障断路器三相均已烧损惨重,间接损失更大。几经分析,仍无法确认故障起始处和故障元件,考虑到该断路器长时间热备用状态的实际情况,可以判定为绝缘事故。设想或者是灭弧室漏气引发故障,或者是某绝缘部件劣化引发对地击穿。讨论反事故措施时,一致认为应从加强绝缘人手,但采取那些具体有效的措施却比较难以确定。
