| 真空断路器在中国应用的经验 |
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以先进技术为依托，不断改进和完善产品的设计是提高可靠性的重要途径，为了做到这一点不仅需要设计和制造部门的努力，还需要使用部门的通力合作，使用部门从我国的实际需要出发，提出先进、合理的性能，要求设计、制造部门设法满足这些要求，设计出先进、可靠、经济的产品。
真空断路器的生产条件、生产管理比较差，是影响我国真空断路器可靠性的另一重要原因，我国真空断路器生产厂多，多数生产厂的规模小，生产设施落后，生产批量小。为了提高真空断路器的可靠性必须改善生产设施和提高管理水平，近几年来，几个主要真空断路器生产厂设备水平有了很大提高，他们的产量在总产量中的比重也在增大， 这种发展趋势对提高真空断路器质量是有利的。
真空灭弧室的生产条件比真空断路器要好得多，真空灭弧室的主干生产厂都是大中型国有企业，这些厂有较强的技术力量和较好的设备，有丰富的真空器件生产经验，较严密的质量保证体系。五个主干生产厂的真空灭弧室产量至少占总产量的80％。其中一些厂还引进了国外真空灭弧室制造技术，为生产高质量的真空灭弧室创造了有利条件。但就总体而言，真空灭弧室的生产设备有些老化，自动化程度不高，产品质量常因人为因素的波动而波动。近年来，真空灭弧室生产设备的更新步伐加快，自动化程度在不断提高，一些厂的设备已达到国外生产厂的中等水平，如果在几种关键元件、材料和工艺上进一步提高，我国真空灭弧室的可靠性是可以在不太长的时间内赶上国外先进水平的。
国产材料、元件和标准件的质量也是制约真空断路器的可靠性的重要因素。我国钢材品种少，强度低，质量一致性差。铜材的导电率低。辅助开关、储能电机的寿命不长，不稳定。标准件质量差，螺钉、螺母，弹簧垫卷等紧固件的质量根本得不到保证。滚珠轴承的质量也很不可靠。真空灭弧室用的可伐、不锈钢、无氧铜的质量很难令人满意。由于材料、元件和标准件涉及我国工业的总体水平，很难在短期内得到根本解决，作为权宜之计，有些生产厂已打算在关键部位使用进口材料、元件和标准件。
我国大多数真空断路器的外观和内部零件显得粗糙，在外观上我国真空断路器与国外产品的差距是非常明显的。
我国产品的外观质量差与我们的设计思想有关。在设计中主要考虑产品的性能和经济性，很少考虑或根本不考虑外观。这种设计思想目前我国不少制造厂已有很大转变，其外观质量已能接近和达到国外产品的水平。
3 我国发展大容量、高电压等级真空断路器的现状
真空断路器在我国已经得到广泛应用。特别是在中等电压领域里，真空断路器已占有明显优 势。国内市场，ZN—28系列真空断路器以其领先的技术与高可靠性，已成为生产单位产量最 大和系列最全的真空断路器。但还缺少大容量品种，对中等电压真空断路器的应用范围将受 到一定限制，因此很有必要开发10kV系列真空断路器的大容量规格以进一步完善化。目前已 完成额定电流4000A、额定开断电流50kA的真空断路器。今后将继续研究试制更大额定电流 和更大额定开断电流的10kV电压等级的真空断路器。
为了适应大容量发电机组保护用的断路器，我国正在开发额定电压24kV、额定电流12500A和 额定开断电流125～240kA的真空断路器。
此外，我国在完成户外额定电压110kV、额定电流1250A和额定开断电流31.5kA的基础上 ，将继续开发额定电流更大、额定开断电流更大的110kV户外真空断路器外，同时开发220kV 电压等级的户外真空断路器。
3.1 10kV、4000A和50kA真空断路器的开发 额定电压 10kV
最高工作电压 12kV
额定电流 4000A
额定短路开断电流 50kA
短路开断电流次数 不少于20次
额定短路关合电流(峰值) 125kA
额定动稳定电流(峰值) 125kA
4s热稳定电流 50kA
断口间工频耐压 48kV
断口间冲击耐压(峰值) 85kV
额定短路开断直流分量 不小于37％
机械寿命 10000次
3.1.2 结构原理
(a)真空灭弧室
真空灭弧室的技术水平与性能稳定性，在一定程度上决定了所配真空断路器的技术水平与性 能稳定性。因此，人们常称真空灭弧室是真空断路器的核心部件。核心部件主要由触头结构 、触头材料和绝缘结构三部分组成。
1触头结构
纵向磁场电极结构的发展是近几年来国产真空断路器技术的重大进步。在开断能力和稳定性 以及抗电蚀性等方面，都比横向磁场触头结构有优势。一般来说纵向磁场触头复杂程度并不高，造价也在可接受的合理范围，已为真空断路器设计人员和制造单位普遍接受。
目前纵向磁场电极结构有多种形式。形成产品的有1/2匝，1/3匝和1/4匝线圈式的纵向磁场极结构，杯状纵向磁场电极结构，马蹄形电极结构和横臂式纵向磁场电极结构等。
杯状纵向磁场电极结构最先是西门子公司开发的。近几年来，国内对这种电极结构进行了大量试验分析研究，对其开断短路电流稳定性及适合不同短路电流的磁场强度进行了探索。试验分析证明：改进后的电极结构具有较好的开断短路电流稳定性，高的弧后介质强度恢复速 度(首开相燃弧时间统计)和少的触头电烧蚀速率(50kA 20次短路电流开断后触头烧损不大于 0.3mm)。同时，改进的电极结构也可以控制起弧位置和燃弧区域，提高了真空灭弧室内部空 间利用效率，使大容量小型化真空灭弧室得以实现。
2触头材料
CuCr触头材料是目前真空灭弧室触头材料中具有优良电性能的材料之一。它的主要缺点是熔 焊性能较差和工艺要求复杂。在ZN13—10型真空断路器试制阶段，曾多次发生触头熔焊。在 不影响其他性能的情况下，适当的加入脆性相能很好地改善关合能力和动热稳定性，是解决 CuCr触头材料抗熔焊性能的有效途径之一。特别是对于开断电流50kA以上的大容量真空断路 器产品，触头熔焊是需要解决的 关键问题之一。提高触头接触压力也可以帮助解决熔焊问题，但势必带来机械可靠性方面的 副作用。试验证明，用添加脆性相材料的方法可以改善CuCr触头材料的抗熔焊性能，降低熔 焊强度。
近年来对CuMnTa、CuMnNb、CuCrTa和CuCoTa等系列的触头材料研究已有进展。这几种触头材 料制造成本虽略高于CuCr触头材料，但具有优良的电性能和低的熔焊强度。国内有关院校和 研究所已开始进行上述触头材料的研究，制造厂也已制出样品，进行相关的试验，并已取得一定成果。
低截流值触头材料亦在研制中，常用的方法是在触头材料中加入饱和蒸汽压比较高的材料。 通常这种方法对触头断口间耐压和开断短路电流能力都会产生不利影响。在不降低电性能的 情况下降低截流水平，从目前情况来看尚存在较大难度，但研究工作已大有进展。
3绝缘结构
为了确保50kA真空灭弧室的外壳绝缘可靠性，采用了波浪式大爬距陶瓷外壳。
真空灭弧室内部触头间的绝缘水平取决于触头材料、触头表面状态和真空灭弧室内部电场分 布情况，电场分布同时也影响到短路开断过程触头烧蚀程度。对称的电场分布可降低主屏蔽 罩悬浮电位，均匀真空灭弧室内部电场能提高触头间隙耐压水平和降低触头电腐蚀速率。试验证明，真空灭弧室内部电击穿多数发生在场强90％以上区域。转移电场集中区域，使场强 最多区域从主触头间隙转移到不受电弧烧蚀部位，可减缓触头间隙电场应力，提高真空灭弧 室绝缘水平稳定性。另外，金属－陶瓷封接部位(常称三界面)也是容易发生电击穿的部位， 对这个部位采取屏蔽罩措施也可改善真空灭弧室的绝缘性能。
(b)操动机构
中等电压真空断路器操动机构有电磁操动机构和电动弹簧操动机构。国外产品多数采用电动 弹簧操动机构，国内使用电磁操动机构较多。电磁操动机构结构简单，性能可靠，调整维修方便，运行人员已经积累了丰富的使用与维护经验，继续发展仍然有广阔前景。
ZN28—10/4000—50真空断路器配用电磁操动机构状态示意图见图3。
为了满足不同用户需要，我国也生产配用于ZN28—10/4000—50真空断路器用的弹簧操动机构。
(c)总体结构布置
ZN28—10/4000—50真空断路器，总体结构布置如图4所示。产品采用综合布置方式，这种布置方式是ZN28系列小型化真空断路器的突出特点。其优点是结构稳固，整体刚度好，操作稳定性好，便于安装、调试和维修，并且有利于动端热量发散。对于发展大容量和大额定电流 真空断路器奠定了基础。
真空灭弧室的回路电阻，通常占真空断路器回路电阻的50％以上，是长期工作的主要发热源 。触头间隙接触电阻，是真空灭弧室回路电阻的主要组成部分。因为触头系统密封在真空灭 弧室内， 所产生热量的唯一散发途径是通过动、静导电杆导出，利用外部散热装置散发掉热量。真空 灭弧室静端直接与静支架相联，动端则通过导电夹、软连接与动支架相联。虽然动端向上有利于动端热量散发，但因动端联接环节多和导热路径长，所以真空断路器温升最高点通常集 中在动导电杆与导电夹搭接部位。有效地利用静端散热元件，迫使触头间隙热量更多地从静 端导出，同时对动端发热量进行分流，是解决大额定电流真空断路器温升的有效途径。利用这种设计思想，可以在经济和方便的条件下解决额定电流4000A的温升。
50kA真空断路器，为满足关合能力和动热稳定性能的要求，需要有较大触头接触压力。在尺寸和运动质量受到限制的条件下，设计大压力触头弹簧，结构上有一定难度，而且触头弹簧 力量加大，势必影响主轴及框架的刚度与机械强度。利用传动比的适当变化，在确保运行特性满足要求的前提下，减小触头弹簧压力，可以降低传动部件的强度要求，减小合闸功率，达到减小合闸冲击，提高真空灭弧室和真空断路器机械寿命的目的。
真空断路器的合闸速度，在不同电压等级略有不同。在相同电压等级下，合闸速度在一个比较大的范围内对关合能力影响不大，这一点已为大量试验所证实。但是，试验表明，特定区间的分闸速度对开断短路电流能力有比较大的影响。并且这个速度在不同短
路电流下也不相同，这一点从触头烧损情况可以明显反映出来。这个速度如果选择不恰当，必然造成触头烧损增加，这样，完成电性能试验只好靠产品设计裕度了。
在开断电流等级比较少的10kV产品中，电场分布和电动力对短路开断过程触头间隙磁场分布和触头利用效率影响并不突出。随着开断电流等级的提高，这种影响越来越明显。按照理想模型对触头系统进行的计算和推论基本失去了等效性。这些数据只能在整机布置方式确定后从大量试验中总结。 |
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