1、 真空斷路器向高電壓等級發展上一篇 / 下一篇  2009-11-04 15:03:29王季梅 劉志遠 余小玲(西安交通大學高電壓真空斷路器研究開發課題組 710049)0 前言高電壓等級斷路器在我國電力系統中可歸納為4個電壓等級，126kV、252kV、550kV和1100kV。126kV和252kV稱作高電壓斷路器，550kV稱作超高壓斷路器和1100kV稱作特高壓斷路器。由于SF6斷路器具有特佳的開斷性能，世界各國和我國均采用SF6斷路器為主。自80年代以來，查明SF6氣體的大量排放于大氣中具有顯著的溫室效應，聯合國京都會議已作出決定將于2030年起嚴禁使用，因此世界各國將采取

2、其它措施解決，采用真空斷路器為措施之一。我國西安高壓電器研究所已開發研制真空斷路器，此外，國內電器制造公司和我校等也積極展開這項研究工作。本文亦將介紹高壓真空斷路器方面的情況，供讀者們參考。1 126kV真空斷路器一、126kV真空斷路器的基本結構126kV高壓真空斷路器的結構如圖1所示。圖中1為真空滅弧室，裝在絕緣陶瓷套內，圖中未能示出真空滅弧室的實體。2為絕緣陶瓷支柱，固定在鋼質橫擔架3上，4為三個永磁操動機構，分別裝在每個絕緣陶瓷支柱的下端，通過永磁操動機構的控制箱5內的電子線路組成的控制電路來操動永磁操動機構，可進行三相真空滅弧室的同步合閘和同步分閘。鋼質支撐檔6與鋼質橫擔架3以及鋼質

3、底座7焊接在一起，并固定在水泥墩上，撐住整個三相真空斷路器。三個真空滅弧室中心線間開距為1700mm。三相真空斷路器的總高度約為5m。圖1 126kV真空斷路器的外形結構1在絕緣陶瓷套內有真空滅弧室; 2絕緣陶瓷支柱;3鋼質橫擔架;4永磁操動機構;5永磁操動機構的控制箱;6鋼質支撐擋;7鋼質底座二、126kV真空滅弧室電極的綜合設計分析(1)1/2匝線圈式縱向磁場電極結構的設計圖2所示為1/2匝線圈式縱向磁場電極的結構，從這個展開圖中可看到，電流由上導電桿1順著上托盤形線圈2(見圖3)經上支撐盤3流向上導電片4，進入上觸頭片5，通過上觸頭片5和下觸頭片6空隙間的電弧，由下觸頭片6至導電片7經下

4、支撐盤8和托盤形線圈9流出到下導電桿10。上支撐盤3和下支撐盤8的加入是用來加強托盤形線圈共同產生的縱向磁場的分布，如圖4所示。磁場中心的計算最大值為60mT。根據渦流電磁場通過有限元計算分析，取觸頭直徑為100mm，在開距為60mm下的實驗證實能滿足40kA的電流開斷要求。圖2 1/2匝線圈式縱向磁場電極真空滅弧室的結構1上導電桿;2上托盤形線圈;3上支撐盤;4上導電片;5上觸頭;6下觸頭;7下導電片;8下支撐盤;9下托盤形線圈;10下導電桿圖3 托盤形線圈1 底盤;2線圈;3槽;4焊點(2)單匝線圈式縱向磁場電極結構的綜合設計分析圖5所示為單匝線圈式縱向磁場電極的結構，從這個展開圖中可以看

5、到，電流由上導電桿1流入，進入上單匝線圈2(單匝線圈具體結構見圖6)，然后達到上觸頭3，通過上觸頭片3和下觸頭片4空隙間的電弧后，從下觸頭片4接通下單匝線圈5到下導電桿6流出，由上所述的單匝線圈2和下單匝線圈5共同產生的縱向磁場的作用來滿足開斷電流的要求。所產生縱向磁場的磁通密度比1/2匝線圈式縱向磁場電極接近大一倍(最大值約為130mT)有利于增大開斷電流值。單匝線圈式觸頭回路經過巧妙的設計電阻值為43，略大于1/2匝線圈式觸頭回路的電阻值(1/2匝線圈式觸頭回路電阻值為38)，在此情況下還進行三維渦流磁場的有限元的計算分析，總的情況優于1/2匝線圈式縱向磁場電極的設計。圖4 縱向磁場計算分

6、布圖5 單匝線圈式縱向磁場1 上導電桿;2上單匝線圈;3上觸頭;4下觸頭;5下單匝線圈;6下導電桿圖6 單匝線圈1線圈本體;2線圈上直臂;3線圈下直臂圖7所示為觸頭片，觸頭片直徑取100mm，觸頭片材料為CuCr25或CuCr30。圖7 觸頭片1觸頭片槽;2觸頭片本體三、用硅油或-液作為真空滅弧室外絕緣的灌注技術目前國內外生產的高壓真空斷路器均用SF6氣體灌注在陶瓷套與真空滅弧室之間作為真空滅弧室的外絕緣，在國外已使用多年，效果比較滿意。由于SF6氣體具有嚴重的溫室效應，因此本斷路器改用了硅油或液(本設計采用液)來代替SF6氣體。硅油和液的物理性能大致分述如下：硅油和液外觀為透明的液體，無懸浮

7、物和沉淀物。粘度在25時為0.960.86kgf·s/dm2，含水量為30×10-4%，比熱1.51kJ/(kG·K)，熱導率0.151W(m·k)，擊穿電壓50kV(液)，體積電阻25時1.0×10-4·cm，開杯閃點>300，開杯著火點(液)370。灌注液的步驟是采用真空灌注技術，首先將陶瓷外套內腔用蒸餾水清洗，再用無水乙醇擦干。然后進行常規的裝配，應達到可靠密封的要求。繼之，對陶瓷外套內腔抽真空(見圖8)，使內腔達到0.3Pa后，關閉真空閥門，開啟液閥門，對已過濾的液通過閥門逐漸吸入陶瓷外套的內腔，至液面達到規定的高度后，

8、封閉液的閥門和重新打開真空閥門，再繼續對剩余空間抽真空度至0.5Pa，并關閉真空閥門，對剩余空間進行充N2氣體至1Pa。最后將總閥門封閉，并記錄室溫和壓力。24小時后，觀察N2的氣壓，若保持正常位置，可以認為灌注液成功。圖8 抽真空灌液和N2系統三、提高126kV真空斷路器額定電流的研究(1)增設散熱器來提高額定電流的措施經設計計算后，額定電流可提高到2000A，還有裕量。散熱器設置如圖9所示的部位(即在真空斷路器的上進線端部位設置了一個散熱器5和在真空斷路器的中間出線端2部位設置了另一個散熱器6)，經額定電流2000A時的實測上進線端子部位的溫升為31K，下出線端子部位的溫升為30K，完全滿

9、足了國家標準規定的要求。后又增加2000A×1.2=2400A的溫升試驗，亦能滿足標準要求。圖9 126kV真空斷路器的散熱器布置圖1進線端子;2出線端子;3永磁操動機構控制箱;4永磁操動機構;5進線端部位散熱器;6中間出線端部位散熱器(2)選用重力熱管來進一步提高126kV高壓真空斷路器額定電流的措施為了能進一步提高到3150A和更高的額定電流的水平，本設計采用了加裝重力熱管的措施如下：重力熱管的基本結構重力熱管是安裝在原126kV真空滅弧室原靜導電桿部位，由重力熱管來代替。重力熱管的銅導電桿總長為560mm，外直徑為50mm和不銹鋼管外直徑為28mm與襯在銅導電桿內壁上組成如圖1

10、0所示的模樣。重力熱管的上端安裝有鋁制的散熱器(即利用原散熱器)。熱管的殼體材料為純銅，內層為不銹鋼。圖10 重力熱管基本結構重力熱管用的工質選擇工質的選擇與殼體材料的選擇密切相關，兩者必須相容，并且在長期運行中，工質與殼體不發生化學反應，不產生氣體。還要考慮工作溫度范圍，穩定性等。采用純銅時要求其溫度不要超過軟化點185。設計的熱管工作溫度應在0185范圍內，其飽和蒸氣壓力線不低0.1個大氣壓力。現選用水為工作介質，汽化潛熱值大，價格低廉，對環境無污染。熱管總容積為526ml，充液量取總容積的15%18%，大約為8090ml。重力熱管抽真空及充工質簡介具體操作如下(見圖11)：將經過除氣處理

11、的燒瓶裝在滴定管上面，打開滴定管上面隔流閥和下隔流閥，使滴定管與熱管一起抽真空。先檢查充裝系統是否漏氣，如果不漏氣，待真空度達到10-3P以上后，再對熱管進行烘烤除氣，烘烤后待熱管冷卻到常溫。待真空度升到原來數值時，立即關閉下隔流閥，打開上隔流閥使滴定管裝入比預定量(90ml)稍多的蒸餾水(95ml)。然后關閉高真空閥，并打開下隔流閥使蒸餾水注入熱管中，從滴定管刻度可計量。充裝后采用專門的鈍口夾鉗把銅排氣管擠斷，擠斷處是完全真空密封的。圖11 熱管工質充裝系統圖重力熱管傳熱性能分析試驗(1)重力熱管測試點的布置測試點布置在三個區域如圖12所示。熱端測試點(點1、點2和點3)，冷凝端測試點(點1

12、0、點11和點12)，絕熱均勻端測試點(點4、點5、點6、點7、8點和點9)。接通電源，將電壓調節到所需的功率，記錄溫度檢測儀上所顯的溫度，當熱管穩定后，再調功率，繼續做另一個工況下的實驗。圖12 熱管測試點布置圖(2)實驗記錄的數據和分析1)熱管穩態下的溫度分布 圖13是工質為蒸餾水，充液量為90ml的重力在不同加熱功率時，從散熱器端測得的強迫對流冷卻條件下，各測點的溫度值。從圖中可以看出，在一定功率下，溫度從測試點1到測試點2之間有很大的下降趨勢，測試點2到測試點3之間溫度很接近，這主要是因為熱量是從熱管底端面傳入的，測試點4到測試點9之間，考慮到飽和蒸氣傳熱，所以他們溫度幾乎相等。測試點

13、9到測試點12溫度有所下降，因為測試點處于冷凝位置。圖13 熱管穩態時溫度分布曲線2)熱管加熱端最高溫度隨加熱功率的變化 圖14是工作穩定后，熱管加熱端溫度與加熱功率的關系曲線，當加熱功率達到300W時，熱管最高溫度尚低于185的范圍，說明運行是可靠的。圖14 熱管加熱端溫度隨功率變化的曲線采用重力熱管提高工作電流的初步結論圖15所示為實際重力熱管裝入126kV高壓真空滅弧室部位的示意圖。從目前裝置的試品試驗和分析結果可以完全滿足提高額定電流的要求。圖15 裝入126kV真空滅弧室的重力熱管布置圖1散熱器;2重力熱管;3真空滅弧室玻璃外殼;4真空滅弧室的動靜觸頭在閉合位置的狀態經創新改革后的1

14、26kV單斷口真空斷路器單極結構如圖16所示。真空斷路器，由上瓷套、下支柱瓷套和圖16 斷路器單極結構圖永磁操動機構串聯組成，不包括鋼質橫擔和鋼底座。上瓷套內裝有真空滅弧室、導電支架、下導電杯、上密封波紋套管動導電桿和超行程彈簧裝置。真空滅弧室上端為靜導電桿和上導電杯。上瓷套和真空滅弧室之間灌有-液。上瓷套上端為上接線端子，并安裝有上散熱器。上瓷套下端為下接線端子，并安裝有下散熱器。通過導電支架與下支柱瓷套相連。真空滅弧室內安裝有重力熱管。永磁操動機構安裝在下支柱瓷套上與絕緣拉桿下端絞緊，以便操動真空滅弧室分閘和合閘。四、126kV高電壓真空斷路器采用選相投切的研究永磁操動機構結構簡單、零部件

15、僅為電動彈簧操動機構的35%40%。制成的產品具有可靠性高，操作可達到10萬次以上的水平，非常適用于真空斷路器的配套使用。但事實上，更重要的應用遠超過以上所述的優點。它還可以發揮其固有的特點，用于選相投切，從而解決真空斷路器，在操作過程中的過電壓問題，涌流問題和提高固有的開斷電流能力等。選相投切技術在電力系統中的應用已愈來愈趨向于重要的地位和必要性。例如，真空斷路器在分閘時會經常產生涌流和過電壓現象，從而引起其所并聯的電容器組，架空輸電線以及空載變壓器等暫態波動。如果利用永磁操動機構與真空斷路器配合，在電壓或電流的特定相位角度完成合閘或分閘，可以實現無沖擊的平滑過渡。據國際大電網會議(CIGR

16、E)的報導，已于2000年在第十三工作組設立了一個研討分組專門討論有關選相控制斷路器的問題。在此以前，(1998)Bernerd，(1998)Reid，(2000)Jones，(2002)Nordin和(2002)Femandez等人先后向CIGRE提交了選相控制斷路器在丹麥、瑞典、英國、澳大利亞、新西蘭和巴西等國家應用情況的調查報告。2005年CIGRE在日本東京召開了有關應用選相控制斷路器的專題講座會。曾對選相控制斷路器應用的情況下作了一個調查，參加應用選相控制的總數為2500臺斷路器，其中應用于電容器組投切的數量占64%，電抗器組投切的數量占17%，變壓器投切的數量占17%和空載架空線關

17、合與自動重合器的數量占2%。根據上述情況選相投切以電容器組的應用為最多。目前在選相控制斷路器相關產品的研發應用方面做得比較出色的國外公司主要有：瑞士的ABB公司，日本的Mitsubishi公司，已經開發出的有121kV、145kV、245kV、362kV與550kV電壓等級的產品。美國有Joslyn公司，已開發有15230kV電壓等級投切電容器組的產品和法國有Alstom公司等。最近以來，西安交通大學與沈陽工業大學合作，正在研究開發126kV真空斷路器選相控制專用的永磁操動機構，行程80mm85mm，最高運動速度為3.54m/s，驅動合閘力為6000N/相。第二部分 252kV真空斷路器一、發

18、展252kV真空斷路器的探討性分析1.概述首先讓我們再提一下，為什么要探討把真空斷路器推向更高電壓等級呢?根據聯合國京都議定書的決定，要在2030年全面禁止使用SF6氣體。而當今除盡快研究更高電壓等級真空斷路器外，目前可能很難找到另一種可代替的斷路器。SF6斷路器的優異特性人皆所知，因此當今還有不少開關專家還不愿意盡快放棄。為此，我們企圖先從真空斷路器著手向高壓等級發展，現作如下介紹，以供參考。2.探討高電壓等級下真空滅弧室的觸頭材料與大開距下觸頭的選用參照日本早期所作的研究工作，在真空中長間隙下的擊穿電壓的關系如圖17所示，當間隙進入長間隙區域后，其擊穿電壓并非呈線性增長，但對研制252kV

19、級電壓的真空滅弧室從曲線上的粗略估算仍具有一定的參考價值。圖17 長間隙與擊穿電壓之間的關系曲線從圖18所示為擊穿電壓與陽極材料特性的關系。從圖中可以看出，在原有觸頭材料中，添加Cr、W、Mo、Ta等材料后(在其它文獻中也有推薦添加Nb、Co等材料)，它們都有增加絕緣性能的作用。有待于作進一步理論分析和實際試驗等工作來探索。總之，都有可能提高耐壓的趨勢。圖18 擊穿電壓與陽極材料特性的關系3.關于252kV真空滅弧室觸頭直徑大小的確定經綜合對比分析，252kV真空滅弧室的額定電流和開斷能力應大于126kV真空滅弧室的參數。初步確定為140，采用單匝式縱向磁場結構以解決開斷電流問題，并著重考慮到

20、整個觸頭的電場影響，尤其觸頭背面部分電場的影響和觸頭面積效應等。從整個真空滅弧室的布置，還應考慮到主屏蔽罩的合理布置和采用多級式的均壓屏蔽罩布置的方案。現已制造出觸頭包括導電桿的試驗模型如圖19所示。關于252kV模型帶有多級式均壓屏蔽罩的玻璃罩的玻璃結構的真空滅弧室并已初步作了面積效應和均壓的設計分析和測試。圖19 252kV真空滅弧室觸頭部分的研究模型4.252kV真空滅弧室在制造過程中的老煉技術老煉是高電壓等級真空滅弧室能否可靠正常長期工作的主要保證之一。尤其電流老煉是在排氣臺上進行的，在進行前必須更加細致地做好對特大另部件的清潔處理，在電流老煉過程中必須嚴格按照已研究制定的電流大小、次

21、數和實施步驟等進行。高壓老練和電流老練是對觸頭去氣的有效方法。(1)高壓老練高壓老練是在一次烘烤結束后進行的。其機理在于電子和離子轟擊固體表面導致氣體脫附，在電子轟擊下觸頭表面氧化膜被迅速破壞，并清除觸頭表面的微突起(尖端)，改善真空滅弧室斷口間的耐壓特性。其目的在于使觸頭獲得具有高吸附活化能的清潔表面，并清除觸頭表面微小的不均勻性。(2)電流老練電流老練對觸頭具有非常好的去氣效果。在觸頭之間施加200A或更大一些的電流，在觸頭間形成擴散型電弧，電弧在觸頭間燃燒使觸頭受到陰極斑點的作用，將觸頭表面一薄層金屬剩除覆蓋在這層金屬上少量的氧化物、污物也隨之除去，使觸頭表面為一完全新鮮的活性表面。真空

22、滅弧室排氣過程中，真空度和時間關系如圖20所示。圖20 排氣時真空度與時間的關系曲線區域預抽;區域一次烘烤去氣;區域老煉去氣;區域二次烘烤去氣第三部分 550kV真空斷路器1.550kV及更高電壓等級的真空斷路器的結構在完成252kV真空滅弧室的基礎上，可以根據電力系統不同電壓等級的需要，可方便地進行串聯的方式來滿足運行的電壓等級。例如：額定電壓為550kV的電力系統，可以采用2個252kV的真空滅弧室進行串聯組成。額定電壓為750800kV的 電力系統可以采用3個252kV的真空滅弧室進行串聯組成。額定電壓為1100kV的電力系統可以采用4個252kV的真空滅弧室進行串聯組成。2個252kV真空滅弧室串聯組成的真空斷路器如圖21a所示，4個252kV真空滅弧室組成的真空斷路器如圖21b所示，并且在每臺真空滅弧室的下端均裝有能選相控制的有雙穩態永磁操動機構，利用這個特點，可方便地同通過光電控制的方式向所有的永磁操動機構進行同步分合閘操作來完成選相分合閘動作，這是一個其他斷路器難以實現的方案。圖21 252kV和1100kV兩種串聯組成的超高電壓和特高