1、真空斷路器用于發電機出口保護之我見北京北開電氣股份有限公司 耿緒利摘要：工作于發電機出口保護用的斷路器，無論是一側的發電機，還是另一側的大型升壓變壓器，都可能造成非常嚴酷的短路開斷條件，因此發電機回路保護用中壓斷路器會遇到極其嚴酷的短路開斷條件。通常，大容量發電機斷路器體積很大，這種類型的發電機斷路器常使用壓縮空氣或SF6壓氣式滅弧技術。近年來，由于真空斷路器技術的不斷發展，使其應用領域不斷擴展。隨著時間的推移，真空滅弧室（VIS）的短路開斷能力有了顯著提高，相應地使真空斷路器也有了很大發展。真空滅弧室剛出現時，主要適用于只有較小短路電流要求的配電回路。由于對真空電弧特性和觸頭材料的不斷研究，

2、電真空工藝技術進步了，使我國以具備開發出能夠在非常嚴酷的故障條件下開斷大短路電流的滅弧室。現在，最新一代的VIS能夠滿足發電機回路保護所要求的多種非常嚴酷的條件。這不僅包含具有大電流、高直流分量和長時間常數等特點的短路電流要求，也包含具有很快瞬態恢復電壓（TRV）上升率（RRRVs）和很高峰值的TRV要求。使用縱向磁場設計原理的新一代VIS產品適合應用于發電機回路保護，參數可達12KV-6300A-80KA。我國首臺自主研發、擁有自主知識產權的ZN105型大容量真空斷路器試驗已成功地表明，這種類型的VCB符合IEEE標準C37。013關于對發電機斷路器的規定，此標準規定了斷路器需要滿足的發電機

3、回路嚴酷條件的能力。產品的試驗及掛網實踐證明：真空斷路器用于發電機出口的保護不僅是可行的，而且在技術、經濟以及運行等方面是非常適宜的。關鍵詞：真空滅弧室；發電機斷路器1 前言隨著我國國民經濟的快速發展，國民經濟各個行業對電力系統等能源建設的要求也在日益提高，截至到2004年底我國現有發電機組的裝機容量已達4.32億KW，發電量達到2.16萬億KW.h以上，位居世界第二位。在電力的產生、輸送、分配與實際電力負荷的應用等環節中，作為對電力系統中各處用電設備及整個電力系統實施控制與保護的高壓斷路器無疑是一個十分重要的電器設備。它的性能優劣、可靠性的高低都直接關系到整個電力系統和眾多用電設備的安全與運

4、行，關系到國民經濟各個行業的方方面面。因此就整個電力系統而言，無不對斷路器的性能及可靠性提出了很高的要求與期盼。在整個電力系統中，根據被保護設備所處的運行條件與環境的不同，在系統出現短路故障時斷路器所承擔的開斷任務差異也是十分大的。為此國際電工委員會將保護斷路器區分為發電機出口保護用和一般輸配電保護用兩大類（國際標準分別是：IEEE Std C37。013-1997； IEC62271-100：2001），我國也根據國際標準的要求，分別制訂了兩種產品型試試驗所依據的國家標準，它們分別是：GB/T14824發電機斷路器通用技術條件和GB1984-2003高壓交流斷路器兩個標準。兩個標準的試驗內容

5、與對產品的考核程度區別甚大。2 發電機回路特點及我國設備現狀發電機斷路器位于發電機和連接其余電力系統的大功率升壓變壓器之間，這就造成了回路開斷條件尤其嚴酷。無論發電機還是變壓器都只有很低的電阻和很高的電感/電阻比率（L/R），相反，架空線和地下電纜的L/R比率卻很低。發電機回路的L/R比率比典型配電回路的高幾倍，L/R比率的單位用時間來表示，它決定了故障電流直流分量的衰減率。直流分量的衰減率非常重要，它決定了斷路器觸頭剛分點及其燃弧期間直到完全開斷時的電流強度。此外，發電機斷路器還必須能開合系統失步條件下的回路。使得在此處工作的斷路器，除了滿足一般開斷性能要求外，還需要克服系統暫態過程中非常高

6、的直流分量、高的電動沖擊系數、非常陡的暫態恢復電壓等極其嚴酷的開斷條件。正因為如此，在我國，當發電機出口處的系統短路容量超過63KA時,所需的保護用斷路器均需要進口,且進口的斷路器其滅弧介質多為變壓器油、壓縮空氣以及SF6氣體等。由于受到這些介質的靜態絕緣特性和動態絕緣恢復特性限制，使得由這些滅弧介質所制造出的斷路器不僅體積龐大、重量重（平均每臺3噸以上）、機電壽命不高、維護維修困難，而且價格十分昂貴，以額定電壓12KV、額定電流6300A、額定短路開端電流80kA為例，如此參數的發電機出口保護用斷路器每臺進口價格均在150萬元以上，我國每年為此均需要花費大量的外匯用來購買國外大公司的產品來滿

7、足我國中小容量發電機組出口保護的系統要求。3 適合發電機回路保護的真空滅弧室（VIS）縱向磁場（AMF）真空滅弧室特別適合于發電機回路保護的應用，這以為大量開斷試驗所證實，其典型特征為大故障電流和長燃弧時間。縱向磁場（AMF）真空滅弧室由花瓣狀觸頭構成。當電流流過花瓣狀觸頭之間時，電流產生一個與滅弧室軸向平行的磁場，而該磁場平行于電弧，因此命名為“縱向磁場真空滅弧室”。縱向磁場與電弧電流相互作用產生的力，約束電弧使其不能積聚，使電弧能量均勻的分布在觸頭表面，減少了觸頭燒損。此外，真空介質的動態絕緣恢復強度也優于變壓器油、SF6氣體等介質，其介質的動態絕緣恢復強度時間為ns級，完全能夠滿足斷口暫

8、態恢復電壓對介質絕緣恢復強度的要求，這也為試驗所證實。4 我們自己研制發電機斷路器的條件與過程面對我國電力系統的急迫需求,北京北開電氣股份公司決定憑借自己五十多年的經驗積累，以自己的工程技術人員為主,在消化吸收引進德國西門子公司產品技術的基礎上(注:北開于1983年在國家兩部委(電力機械)直接組織下參加了引進德國西門子公司真空斷路器技術的工作組,并負責整機的國產化研制工作,同時參與引進工作組的其它行業骨干廠所有:桂林電器研究所負責真空滅弧室觸頭材料的研制、國營4401廠負責真空滅弧室的研制,當時引進產品的技術參數為:額定電壓12KV、額定電流3150A及以下、額定短路開斷電流40KA及以下。在

9、經過七年的國產化工作后，終于在1990年8月28日全部零件由我國自己生產并組裝的真空斷路器通過型式試驗并經過兩部鑒定；此后我們又完全依靠國內自己的力量，于1995年完成了額定電流3150A、額定短路開斷電流50KA；1998年完成了額定電流4000A、額定短路開斷電流63KA的真空斷路器產品，成為我國同行業之最，有真空王國的美譽，為電力行業提供了大量優質產品，以上產品還被評為北京市名牌產品。在此過程中，我們積累了豐富的研制經驗，也鍛造出一支優秀的工程技術人員隊伍)、廣泛開展社會上的產、學、研合作,于2000年1月成立了項目攻關組,列為當年我公司產品開發的一號工程，本人作為項目攻關組組長，作為項

10、目第一責任人，參加了產品市場調研、產品技術與經濟可行性分析、產品立項、結構方案及關主件的設計、試驗方案的制定以及型式試驗的全過程。在經過歷時四年、兩次型式試驗開斷失敗的經歷后，不斷總結失敗的經驗教訓、針對型式試驗中遇到的新問題，提出自己的改進設計方案，最后通過攻關組的不懈努力、在廣泛開展產、學、研合作的基礎上，終于開發研制出我國具有自主知識產權的ZN105型發電機出口保護用真空斷路器。ZN105型發電機出口保護用真空斷路器不僅能夠滿足國產中小型發電機組出口保護的要求，而且由于采用了真空介質用于滅弧，使得產品的機電壽命高、體積小、重量輕、操作簡單、且產品價格只相當于國外進口設備的二分之一。在20

11、04年12月27日通過的國家兩部委產品鑒定會上，專家的鑒定結論是：產品結構合理，技術參數水平高，產品填補國內空白，處于國際領先水平。（鑒定報告全文見附后，所得結論除經過專家的評審外，還經過了中國科學院文獻情報中心的科技檢索，此外本產品在今年7月13日參加了在北京科技大學科技中心召開的北京市科技進步一等獎的評審，本人作為會議要求的第一答辯人回答了專家的提問。同時在今年6月，此產品獲得了由中華人民共和國科學技術部和中華人民共和國商務部等四部委聯合頒發的國家重點新產品證書）5 發電機斷路器的關鍵技術 作為發電機出口保護用斷路器其關鍵技術主要是解決以下三個問題：51：如何使斷路器在大的額定電流，在不增

12、加任何輔助散熱設備的條件下（既不采用強制通風、水冷等散熱方式），滿足設備正常運行時的溫升要求。52如何使斷路器在發電機出口這種嚴酷開斷條件下，確保滿足GB/T14824的要求。53：如何解決在大的分、合閘操作功作用下，斷路器觸頭系統的合閘彈跳與分閘反彈問題。51：如何使斷路器在大的額定電流，在不增加任何輔助散熱設備的條件下（既不采用強制通風、水冷等散熱方式），滿足設備正常運行時的溫升要求。鑒于電弧開斷過程的復雜性，尤其是大電流的開斷受到強磁場、強電場、溫度場以及電力系統參數震蕩暫態過程的影響，使得到目前為止，國內外尚不能對電弧開斷過程建立起精確的數學模型.高壓斷路器的設計有些部分還不得不依憑以

13、往的設計經驗，整機的性能指標最終還得依靠大功率試驗站的開斷考核。同時，由于真空條件的限制，使得真空斷路器的溫升散熱成了非常薄弱的環節。我們攻關組在承擔了項目攻關任務后，根據多年積累下來的設計經驗，首先對整機產品能夠用計算機仿真設計的部件進行了計算機輔助設計，例如，利用有限元的方法對整機的溫度場分布進行了仿真計算，對主回路系統中的熱節點用ANSYS軟件進行了逐點溫度場與磁場的偶合分析與計算，最終確定了斷路器上下出線的最佳散熱面積和外加熱管技術的溫升解決方案。不但節省了時間，還避免了以往開大型模具的盲目性，通過計算機仿真恰到好處的解決了溫升散熱、電場分布以及機械受力三者的關系。下面既是溫度場仿真計

14、算示例（見下面圖頁）。 52如何使斷路器在發電機出口這種嚴酷開斷條件下，確保滿足GB/T14824的要求。對于發電機保護要求的，系統暫態過程中的高直流分量、高的恢復電壓上升陡度（TRV值）、非常大的短路開斷電流,我們首先采取的方案是：利用真空介質非常優異的靜態絕緣特性和動態絕緣恢復特性，根據我們以往成熟的縱向磁場約束電弧理論、加上杯狀觸頭結構、用真空熔鑄自耗成型的特殊工藝加工制造出適于真空開斷的觸頭材料-CuCr50（觸頭含氣量可以降到300ppm以下）、又采納了清華大學、西安交通大學等學者的建議，將滅弧室觸頭作成1/4匝線圈形式，在國營777廠的大力配合下，加工制造出我國第一只大容量真空滅弧

15、室。并于2002年10月在西安高壓試驗站進行了首次開斷試驗。試驗第一次開斷就不成功，觸頭熔焊無法打開。我們將觸頭熔焊的滅弧室解剖分析，針對試驗中出現的問題，提出了改善觸頭材料組分（由CuCr50改為CuCr35以提高材料的抗熔焊性）、增大觸頭超行程以增加觸頭的助分力等項措施，樣機經過改進后，于2003年初又進行了第二次試驗，這次觸頭熔焊的問題解決了，又出現了滅弧室屏蔽罩燒穿導致開斷失敗的問題。我們又再一次將斷路器拉回廠，進行解體分析，發現觸頭出現偏燒現象，這是什么原因引起的？經過仔細分析，我認為是大電流條件下相間電流自生磁場在作怪，隨后提出了在滅弧室屏蔽罩外側，增加鐵磁屏蔽桶的設計方案（此項內容申報了專利）。通過此項改進，使開斷試驗順利通過。53：如何解決在大的分、合閘操作功作用下，斷路器觸頭系統的合閘彈跳與分閘反彈問題。為了解決在大的分、合閘操作功作用下，觸頭系統的合閘彈跳與分閘反彈問題，我們又為此專門設計了雙油緩沖、雙分閘簧的特殊機構（見下面圖示），為了減少摩擦損耗，提高傳動效率，我們在以往機構成熟的基礎上，又采用了新的固體薄膜保護技術，一舉解決了機械試驗中出現的所有問題，