固封極柱式真空滅弧室在高壓真空斷路器中的應用研究

丁 鶴

（銅陵有色設計研究院 機電加工工程室，安徽 銅陵 244000）

0 概述

“真空斷路器”因其滅弧介質和滅弧后觸頭間隙的絕緣介質都是高真空而得名；其具有體積小、重量輕、適用于頻繁操作、滅弧不用檢修的優點，在配電網中應用較為普及。真空斷路器是3～10kV，50Hz三相交流電力系統中的戶內配電裝置，可供工礦企業、發電廠、變電站中作為電器設備的保護和控制之用，特別適用于要求無油化、少檢修及頻繁操作的使用場所，真空斷路器可配置在中置柜、雙層柜、固定柜中作為控制和保護高壓電氣設備用。

1 高壓真空斷路器的組成部件

真空斷路器主要包含三大部分：真空滅弧室、電磁、永磁或彈簧操動機構、支架及其他部件，相關介紹如下：

1.1 真空滅弧室

按照開關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小型化真空滅弧室、內封接式玻璃泡滅弧室，其基本結構如下：

1.1.1 氣密絕緣系統(外殼)

由陶瓷、玻璃或微晶玻璃制成的氣密絕緣筒、動端蓋板、定端蓋板、不銹鋼波紋管組成的氣密絕緣系統是一個真空密閉容器。為了保證氣密性，除了在封接式要有嚴格的操作工藝，還要求材料本身透氣性和內部放氣量小。

1.1.2 導電系統

由定導電桿、定跑弧面、定觸頭、動觸頭、動跑弧面、動導電桿構成。觸頭結構大致有三種：圓柱形觸頭、帶有螺旋槽跑弧面的橫向磁場觸頭、縱向磁場觸頭。目前采用縱磁場技術，此種滅弧室具有強而穩定的電弧開斷能力。

1.1.3 屏蔽系統

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：（1）防止燃弧過程中電弧生成物噴濺到絕緣外殼的內壁，從而降低外殼的絕緣強度。（2）改善滅弧室內部電場分布的均勻性，有利于降低局部場強，促進真空滅弧室小型化。（3）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強度的恢復。

1.2 操作機構

按照斷路器型式不同，采用的操作機構不同。常用的操作機構有彈簧操作機構、CD10電磁操作機構、CD17電磁操作機構、CT19彈簧儲能操作機構、CT8彈簧儲能操作機構。

1.3 其它部件

基座、絕緣支撐件、絕緣子等。

2 我國高壓真空斷路器的現狀及相關缺陷

高壓真空斷路器在我國供電系統中的應用始于1978年，其重量輕，結構簡單，使用壽命長等優點很快被電力部門運行、檢修和技術人員認可。早期國內生產的高壓真空斷路器質量不夠穩定，操作過程中載流過電壓偏高，個別真空滅弧室還存在有漏氣現象。在工業環境惡劣的使用場合下（如空氣的濕度、灰塵、氣體的密度等），都會對陶瓷真空滅弧室的電氣性能和絕緣產生破壞,甚至滅弧室因絕緣損壞而產生爆炸現象,極大地影響了供配電安全。直至1992年天津真空開關應用推廣會議時，我國真空斷路器的制造技術已經進入了國際同行業同類型產品的前列，成為我國高壓真空斷路器應用，制造技術新的歷史轉折點。

3 解決方案

根據高壓真空斷路器相關性能要求，結合目前高壓斷路器在實際使用中的運行維護經驗，采用固封式高壓真空斷路器可大大提高設備絕緣性能，其結構簡單，動作可靠，相關介紹如下：

3.1 簡介

固封式高壓真空斷路器在具有高壓斷路器常規器件的基礎上其主導電回路采用固體絕緣方式的固封極柱形式，采用特殊的嵌入技術，將具有超低電阻值的真空滅弧室和導電零部件澆注在環氧樹脂中來實現主導電回路的固體絕緣。目前市場上常見的配套操動機構有彈簧操動機構和永磁操動機構等。

3.2 真空滅弧室工作原理

真空滅弧室是利用高真空工作絕緣滅弧介質，靠密封在真空中的一對觸頭來實現電力電路的通斷功能的一種電真空器件。當其斷開一定數值的電流時，動、靜觸頭在分離的瞬間，電流收縮到觸頭剛分離的一點上，出現電極間電阻劇烈增大和溫度迅速提高，同時形成極高的電場強度，導致極強烈的發射和間隙擊穿，產生真空電弧，當工頻電流接近零時，同時隨著觸頭開距的增大，真空電弧的等離子體很快向四周擴散，電弧電流過零后，觸頭間隙的介質迅速由導電體變為絕緣體，于是電流被分斷。由于觸頭的特殊構造，燃弧期間觸頭間隙會產生適當的縱向磁場，這個磁場可使電弧均勻分布在觸頭表面，維持低的電弧電壓，從而使真空滅弧室具有較高弧后介質強度恢復速度、小的電弧能量和小的腐蝕速率，這樣就提高了真空滅弧室開斷電流的能力和使用壽命。

3.3 相關技術特點

3.3.1 雙APG壓力澆注工藝

運用硅膠緩沖層的APG工藝和極柱環氧樹脂的APG工藝，兩項工藝參數是采用優選法經過大量的試驗和性能測試后來確定的，它確保了固封極柱產品質量的先進性和穩定性。該絕緣制品按GB7354要求，在1.1Ur(Ur:額定電壓)試驗電壓測試：局部放電量≤5Pc。

3.3.2 可靠的固封極柱

與傳統組裝式極柱相比，固封極柱的零部件、導體搭接面、連接用緊固件的數量都大大減少，從而簡化了主回路的裝配環節，降低了回路電阻，提高了主導電回路連接的可靠性。真空滅弧室被嵌入環氧樹脂固體材料后，極柱的外界環境對真空滅弧室的影響被降到最低，其外絕緣能力可以免受灰塵、潮氣、小動物、凝霧和污穢的影響，完全滿足GB/DL標準規定的二級污穢地區爬距要求，從而提高主導電回路的絕緣性能。特有的堅固結構可以為真空滅弧室提供更加充分的保護，使其在裝配和運輸過程中免受意外機械沖撞。采用環氧樹脂作為絕緣介質，相間距和極間距都可以縮小，減少了真空斷路器及其配用開關柜的體積。由于整個極柱被澆注成整體部件，真空滅弧室得到了充分保護，真空滅弧室的免維護為斷路器的免維護提供了條件。固封極柱式斷路器可在一定程度上替代SF6氣體作為外絕緣的需要，因而更加環保。

3.3.3 性能優異的真空滅弧室

其分斷短路電流時形成的縱向磁場強，熱熔性好，因而分斷短路電流能力強，重燃率低，可靠性高，能滿足首次100%額度短路電流的開斷要求，獨特的動靜觸頭結構強度高，分合閘過程中不會變形，短路分段性能穩定，且無引弧槽，外形完美，渾然一體，耐電壓水平高。此外相關回路電阻小，具有高可靠的容性負載及感性負載開斷能力及高可靠的異相接地故障電流開斷能力，在正常工作條件下具有極低的X射線輻射量，可滿足環境保護要求。

3.3.4 操動機構

新型彈簧儲能操動機構平面布置在機箱中，機構儲能及合、分閘單元分別采用一個功能模塊，凸輪經以及四桿和搖桿機構傳動使動觸頭運動，合閘保持采用扣板、半軸鎖扣；儲能電機經齒輪減速箱輸出，通過齒輪傳動、傳動輪滑塊離合，摯子保持。該操動機構結構簡單，動作可靠，不同規格產品的零部件通用性強。

新型永磁操動機構體積更小，操動功耗更低、更節能，運行故障率極低，免維護。此外由于永磁操動機構的運動特性與新型真空滅弧室的熄弧特性高度吻合，使其斷路器的使用壽命大幅度增加，其具有機械手動分閘裝置，其分閘速度與電動分閘速度相同，可在控制電源發生故障的情況下帶負荷分閘，獨特的永磁機構電子控制器大大提高了高壓斷路器實際供電的穩定性。

4 總結

目前國家能源局、國網及南網公司已對固封極柱生產廠家提出了要求，要求固封極柱產品必須按相關標準型式進行試驗，希望設計固封極柱專用真空滅弧室，完善固封極柱用真空滅弧室的工藝生產線，完善固封極柱環氧包覆結構及工藝，解決好包封界面的問題，加強質量控制等。采用新型固封極柱式高壓真空斷路器相較傳統高壓真空斷路器大大提高了配電裝置在實際使用尤其在灰塵污穢嚴重及潮濕的惡劣工業環境下供電的穩定性，另外它還具有完善的機械和電氣聯鎖裝置，同時具有極高的操作可靠性與使用壽命，配合適當的高壓開關柜可完成安全的配電功能，確保操作者和設備的安全，如今在工業企業及電力部門的配電裝置中正在廣泛推廣使用。

［1］余建明,同向前,蘇文成.供電技術[M].3 版.北京:機械工業出版社,1998.

［2］劉滌塵.電氣工程基礎[M].武漢:武漢理工大學出版社,2002.

［3］中國航天工業規劃設計研究院,等.工業與民用配電設計手冊[M].3版.北京:中國電力出版社,2005.

［4］《鋼鐵企業電力設計手冊》編委會.鋼鐵企業電力設計手冊[M].北京:冶金工業出版社,1996.

［5］焦留成.實用供配電技術手冊[M].北京:機械工業出版社,2001.

［6］楊志和,胡虛懷,常廣.高壓斷路器機械狀態監測系統研究[J].電子技術,2012(06).

［7］梁義明,賈守輝,邵濤,王東玨,于洋,張偉,嚴萍.12kV真空滅弧室真空度測試校驗儀的研究[J].高壓電器,2011(02).

［8］袁艷霞,馮冰,蘇現保.真空斷路器合閘彈跳危害及改善措施[J].河南科技,2006(07).

［9］顧正昌.高壓真空斷路器的常見故障與處理[J].電工技術,2000(04).