淺析10kV高壓真空斷路器設計和維護

簡兆輝

(中駿電氣（廈門）有限公司，福建 廈門 361000）

1 概述

真空斷路器是指主回路接觸點在真空介質中的斷路器。因主觸頭處于真空中，開斷過程基本上不發生電弧，極小的電弧一般只需半周波就逐漸熄滅，因此具有燃弧時間短，觸頭間隙介質回復速度快，使用壽命長，維修工作量少等優點。

2 真空斷路器的操作機構

操作機構是真空斷路器可正常動作的動力源，直接影響斷路器性能，真空斷路器的故障又往往出現在其所選配的操作機構上。目前，斷路器操作機構按照儲能形式的不同，分為永磁、彈簧和盤簧機構。對比見表1。

表1 真空斷路器操作機構對比

3 高壓真空斷路器設計

以中駿自主開發的VSCE系列高壓真空斷路器產品為例，介紹斷路器的關鍵部件及設計要點。該產品采用彈簧操動機構和APG技術固封極柱部件，用底盤車實現斷路器的搖入搖出功能。

3.1 真空斷路器主要結構

VSCE系列高壓真空斷路器主要結構為機構部、固封極柱、觸臂組件和底盤車，如圖1所示。該系列產品已通過整套產品型式試驗及國家級產品鑒定，批量生產并正常運行于國網及其他工業與樓宇等配電項目。該系列產品的額定電流覆蓋范圍為630～4000A，額定開斷電流可達50kA。

圖1 VSCE真空斷路器結構

3.2 機構部結構設計

機構部設計復雜，零件制造加工要求較高，并直接影響斷路器特性。機構部主要包括機箱、單模塊機構、面框和二次附件與控制模塊。機箱提供斷路器各零部件連接支撐。面框提供斷路器按鈕及指示位置，孔位大小影響斷路器IP防護等級。二次附件為斷路器提供電動操作功能，控制模塊內含防跳繼電器和整流橋元件，可實現斷路器防跳及二次回路交直流通用功能。

采用單模塊機構，為斷路器的小型化以及智能化提供設計空間。其結構如圖2所示。機構部運動過程如下：通過電機或手動儲能帶動小齒旋轉，小齒輪旋轉聯動大齒輪，并帶動儲能組件儲能；儲能到位后，儲能指示通過壓板切換微動開關，將儲能回路切斷，同時棘爪輪

與棘爪分離滾子分離，防止連續儲能；儲能到位后，傳動凸輪掛金至按鈕拐臂架，實現合閘掛金，通過電動或手動按壓彎板，實現儲能彈簧釋放，達到合閘目的；合閘到位，合分閘指示被主軸連桿按壓切換，顯示合閘指示，同時通過拉簧拉動計數器實現計數功能。在合閘過程，主軸旋轉，主軸小拐臂按壓分閘聯板實現分閘掛金。機構部合閘過程，分閘彈簧被拉長，主軸小拐臂按壓分閘聯板實現分閘掛金；通過電動或者手動按壓分閘按鈕彎板，使得分閘聯板脫扣，分閘彈簧釋放，帶動主軸旋轉實現機構部分閘；分閘到位，主軸旋轉過程，合分閘指示釋放，顯示分閘指示，在此過程技計數器不切換，避免重復計數。

3.3 固封極柱結構

圖2 單模塊機構

固封極柱由上下出線座、真空滅弧室、軟連接線和固封絕緣層組成。真空滅弧室內含動靜觸頭，作為主回路導電部件。由于真空滅弧室為外瓷殼結構，固封絕緣層采用環氧樹脂，這兩種材質的收縮率不同，所以需先對真空滅弧室進行包膠，形成一層包膠緩沖層，避免因不同收縮率使滅弧室損壞。固封極柱采用APG技術，極大的提高了真空斷路器的耐候性，減少相間距，使斷路器的結構更加緊湊，體積更小；固封技術的應用，使真空滅弧室的外絕緣水平得到了強化，在內部絕緣優化的基礎上，真空滅弧室的體積也相應減少。但固封極柱亦存在如下缺點：①滅弧室被環氧樹脂固封，散熱性差，易產生溫升問題；②操作振動、撞擊、動熱穩定或環境溫度等引起開裂；③環氧材質不可回收，不環保。目前已陸續出現了環保及可回收的塑料或橡塑材料來代替環氧樹脂。

3.4 觸臂組件和底盤車

觸臂組件起到連接斷路器與柜體主母排作用，包括為觸臂和梅花觸頭。其材質直接影響到斷路器的發熱量，一般采用T2銅，表面需鍍銀3μΩ以上，尤其是接觸面，要求鍍銀8μΩ以上。當額定電流2000A以上時，極柱上處需設計散熱板；當額定電流4000A時，柜體內部需采用風機強制風冷。

底盤車主要起到斷路器搖入搖出作用。需設計與機構部聯鎖功能。當斷路器在工作或試驗位置時，斷路器才可以進行合分閘操作。底盤車與斷路器的聯鎖功能，主要通過底盤車翻板和機構聯鎖板來設計實現。電動底盤車可實現遠程操作，電動搖入、搖出斷路器。

4 高壓真空斷路器維護

由于生產廠家不同，真空斷路器的質量及性能也不盡相同。針對真空斷路器存在的問題，對斷路器的維護提出如下關鍵調整和檢測項目。

（1）絕緣試驗。在檢修時，必須對斷路器進行絕緣試驗。10kV高壓真空斷路器需對相間及對地進行42kV工頻耐壓試驗，斷口48kV試驗，時間1分鐘。斷路器絕緣試驗失效常見于固封極柱，亦可采用真空度測試儀測試單相極柱真空度進行絕緣試驗驗證，確保安全可靠。

（2）機械特性調整。當斷路器正常操作次數達2000次，或開斷電流次數達10次，需對機械特性參數進行測試。采用機械特性測試儀和傳感器進行測試。檢測的關鍵特性參數為：合閘彈跳、三相同期性、接觸行程和開距。合閘彈跳要求小于2ms，彈跳時間過長，容易產生較大過電壓，導致設備絕緣受損，嚴重時引起動靜觸頭關合熔焊現象。三相同期性要求小于2ms，同期性時間過大，導致燃弧時間加長，斷路器開斷能力降低。接觸行程是動靜觸頭能夠可靠接觸的保證，一般要求3～5mm。一般接觸行程調整好后，開距也就隨之調整好。

（3）主回路電阻測試。采用電阻測試儀對斷路器每相進行主回路電阻值測試。根據生產廠商要求范圍及出廠記錄對比，確定實際電阻值。主回路電阻值過大，會造成柜內發熱量加大，內部絕緣件絕緣性能下降，嚴重時會引起火災并導致事故發生。在化工或水泥廠等惡劣環境場合，需加強斷路器及柜體的溫度監測。

（4）重視數據歸檔和驗收。當安裝或檢修完畢后，需對相關參數的測試和復核資料進行記錄并歸檔。所有測試數據需符合國標或生產廠商的要求，檢修及測試記錄可用于查證和為下次檢修提供依據。

5 結語

高壓真空斷路器由于其零部件數量較多，組立前需加強單零件的檢測，組立時需用治工具保證斷路器性能一致。斷路器出廠前需進行相應的出廠試驗。需按照生產廠商說明書或國標要求進行例行檢修工作。檢修人員需有相關資質，并使用科學儀器設備檢查、測量，并對實際數據進行記錄和歸檔。