发布于：2007/3/2 16:04:13 | 740 次阅读
1 关于两种断路器的讨论及真空技术的发展
七十年代在世界范围内展开的关于真空和SF6开关的论战，至今仍在继续，但是争论的实质内容已经不同。当年的论战促进了真空断路器的发展。如采用CuCr触头材料和纵向磁场提高开断电流，使真空断路器在开断容量上有了大的突破；利用低过电压触头材料降低过电压，截流水平降至常规值的1/10；减少零部件数量，提高可靠性；减少真空灭弧室的尺寸和制造成本，出现了小型化真空灭弧室等。因此，七十年代论战的某些重要论点也随着时间的推移和真空技术的发展而不再存在，大量的真空断路器进入电网。如日本到1978年25万台柱上油断路器全部被换成柱上真空断路器；80年代末期英国真空断路器的市场占有率约为50%，SF6占20%；据EEC(共同体)统计，90年代初期的中压市场，SF6和真空断路器的销售额之比为2∶3；在我国近几年真空断路器市场的市场占有率更是优于SF6断路器；1996年在国内生产的10kV各类断路器中，SF6断路器占4.78%，真空断路器占64.93%。1997年SF6断路器占6.34%(约6000台)，真空断路器占70.79%(约50000台)，真空断路器的市场占有率和销售增长率同步增长。
七十年代的论战得出一个共识：真空和SF6断路器应发挥各自的优势，促进高压电器设计和制造水平的提高。在110kV以上SF6的地位是稳定的，但照目前真空技术发展的速度来看，我国110kV真空灭弧室的问世只是时间问题。
就目前的科技水平，真空间隙为1mm的断口耐压可达50kV。日本80年代开始生产145kV、开断电流31.5kA的单断口灭弧室。其84kV的真空断路器开断电流提高到50kA。
当年的论战结果，促进了两种技术水平的提高，因为两种技术都有需要攻克的课题。如真空断路器在开断时生产的截流问题也同时存在于SF6开关之中，西门子的曾指出：SF6断路器开断空载变压器时产生的过电压甚至比真空断路器还高。
解决真空断路器的操作过程中产生过电压的问题，国内普遍采用了RC保护装置或金属氧化物避雷器作为真空断路器的过电压保护，但仍有少数的过电压现象，导致电气设备被过电压破坏。据分析多数原因是对这些保护装置使用配合上的不当，若在选用上或参数上配合适当，问题是可以解决的。
2 关于户外SF6断路器
在我国用于10kV线路的户外断路器是以LW□10为代表的，国内对此系列断路器的开发已有10余年的历史。
SF6断路器在技术上具有很多的优势。如绝缘结构比较灵活，易于向户外发展；易于向大电流发展，因此SF6断路器在增加导电截面和触点对数方面是不存在困难的，可满足4000A及以下的额定电流和50kA以上短路开断电流；机械特性易于调整，诸如行程、超程、速度参数比真空断路器大，调整误差相对的小，也不易出现对接式触头的弹跳现象。
另一方面，SF6断路器也存在明显的不足，主要问题是漏气。
虽然SF6的密封理论和结构具备解决漏气问题，但由于对加工工艺性的要求严，密封材料的耐侯性和物化稳定性不易达到要求的性能。给运行检测带来不便，如要增加检漏仪器、充气和气体回收装置等。据国际大电网组织的专题工作小组的报告：开断短路电流后的SF6气体由于高温分解而有毒性，也是其不利推广的原因之一。
由于SF6气体的绝缘和灭弧性能和SF6断路器的技术进步，以上不利因素并不影响批量的使用，但机构的可靠性从另一方面影响到其销售市场。
3 关于户外真空断路器
1992年两部在长沙召开的农网重点新产品鉴定会上，通过了我国代户外真空断路器——ZW□10/630 63户外柱上真空断路器的鉴定。经过四年研制和两年多的宣传推广，逐步得到广大用户的认可，通过挂网试运行和用户的指导，ZW1-10真空断路器日趋完善，其优异的技术参数和使用的广泛性成为城(农)网改造中的产品，仅浙江华仪开关厂就销售了12000多台。该断路器的触头材料为CuCr合金，加之纵向磁场结构，使其开断性能好，截流值小、机械寿命超过10000次，从其功能的价格相比，确是既经济又可靠的户外断路器。
与SF6断路器相比，户外真空断路器的不足之处在于要有两个绝缘外壳；即在真空灭弧室之处还有一个外壳，两个壳体之间要有绝缘介质(或措施)解决真空灭弧室的外绝缘问题。因此，国内外研制的户外真空断路器有充变压器油、空气和充SF6气体三种基本方式，以解决真空灭弧室外壳的绝缘问题。
3.1 空气绝缘的户外真空断路器
国内开发的三相共箱空气绝缘的户外真空断路器，是在ZW1-10的基础上发展的。但这种空气绝缘方式，使产品的体积增大，但又从根本上解决不了凝露问题。
为了解决凝露而造成绝缘击穿的问题，国内外一般在以空气为绝缘气体的基础上，填充硅橡胶或其他有机物质解决真空灭弧室的外绝缘，也有称为“增爬器”的装置来加大真空灭弧室的沿面爬距或绝缘隔板、绝缘外套，以其提高绝缘水平。也有厂家着眼于用防凝露保护装置，通过自动调节箱内的空气湿度来解决凝露问题。思路是好的，但是每增加一个装置可能又会产生新的问题，即可靠性的问题。
国内研制的有一种分体式的户外真空断路器，每相以瓷套作为外绝缘套管，真空灭弧室和瓷套之间填充硅橡胶来解决真空灭弧室的外绝缘问题，方法不失为上乘。但是绝缘材料在户外环境下的物化性及填充工艺等原因，使凝露的可能性存在，引起沿面击穿导致事故发生。
3.2 充SF6气体的户外真空断路器
国内研制的已投放市场的，充0.125MPaSF6气体做为绝缘介质的户外真空断路器，试图把两种开关的优点合二为一体。但是充SF6气体使密封和防漏气工艺与SF6开关一样，使制造工艺保证更为困难。
3.3 充变压器油的户外真空断路器
充变压器油作为绝缘介质的户外真空断路器，和空气绝缘、充SF6气体绝缘的断路器相比较，是目前在电网中运行最多的断路器。用变压器油解决真空灭弧室外绝缘和相间绝缘(三相共箱式)的方法，美国在50年代就开始采用，有代表性的如美国Cooper公司，西屋(WH)公司和ABB公司的ESV型户外重合器都采用这种方法。充油的方案技术成熟，结构相对简单，制造质量可保证，这种绝缘油用户取之方便，有使用经验，易于被用户接受。
有部分用户对充油方案不感兴趣，因为很容易与油开关联想在一起。其实这种绝缘方式中变压器油的作用与油断路器有极大的区别。前者的作用仅作为解决真空灭弧室的沿面爬距及相间的绝缘问题。在ZW1-10中，变压器可排出箱内大部分空气，是有效的防凝露措施。
综上所述，充油的户外真空断路器在技术水平上不是很先进，但技术成熟可靠，同其他绝缘方式相比较，充油的方式使用方便。充油的断路器如漏油会造成污染，在事故的情况下会造成事故扩大的可能。但这根本上是产品质量和可靠性的问题，而不是绝缘介质本身问题。
在产品的设计和使用上要继承成熟的经验，因为这些经验是不止地应用而得到预期效果的，代表着从设计到制造、运行、价格一系列完整的认识。充油绝缘方式的可靠性已经过长期运行的验证，较之我们尚未完全掌握的其他方式更为适用，当然技术进步仍是我们追求的目标。
4 真空断路器的机械特性和机构可靠性
户内外真空断路器的心脏——真空灭弧室的结构比较简单，其触头由平板电极改进为纵向磁场电极，扩散电弧防止了触头表面的局部过热，开断电流提高到40kA以上，在试验室开断电流高达200kA。
真空触头的开距甚小，一般设计要求11±1mm。动触头系统的运动质量较轻，即使在分闸位置电弧亦能可靠地熄灭。因此分闸的行程时间很短，不超过半个周波；平均分闸速度对10kV真空灭弧室而言一般仅1±0.2m/s；缓冲行程更短，因而必须强而有效否则引起触头过大震动将触头间隙再度击穿。
考核真空断路器的机械寿命时，都对合闸弹跳时间要求很严，有的用户要求弹跳时间为零。弹跳是指合闸撞击引起的跳动，减少弹跳方向的撞击力是缩小跳动的有效途径。真空灭弧室的触头目前还不可能做成插入式的，那么对合闸速度及触头压力系统的设计合理性要求更为严格。弹跳时间为零的要求是不具体的，较大的超程和触头压力，对真空灭弧室的寿命有较大的影响。笔者认为把合闸弹跳时间限制在一个较小数值之内，比弹跳时间为零的要求更为合理。再者合闸弹跳时间的长短也许能说明触头系统机械调整的恰当程度，并不能由此而判定短路合闸情况的好坏，因为关合短路的实际情况要复杂得多。
分闸时的反弹同样可能造成重击穿。解决分合闸时的弹跳问题，不但考虑速度、压力和行程等机械特性要求，重要的是分合闸时的缓冲是否有效；操作机构的传动系统和谐的配合；使之不产生过多的分合闸冲击能量。
机构的可靠性是由设计和制造的正确性来保证的，要重视设计前期的研究和中间试验，生产过程中保证零部件和装配调整质量。统计数字表明：在断路器的故障总数中，机械故障占70%以上。
此外，对于户外真空断路器，还有防腐蚀、润滑和密封等要有可靠的措施来保证。
5 10kV户外真空断路器的发展趋势
新型户外断路器的要求和发展趋势是高效、可靠、不需维护和用途广泛，满足自动化配电网络对于断路器的要求。
5.1 对于真空管的要求
新型的真空管尺寸小、重量轻，从封排工艺上保证高的真空度。即使在多次短路开断后仍具有非常好的介电强度。为了有利于熄灭电弧，使用电弧驱动的横向磁吹和纵向磁次(AMF)触头，满足大容量开断的要求。通过老炼处理和改变触头材料，使其在开断容性电流时能够把截流限制在3A以下，有利于抑制过电压的产生。
5.2 免维护性
达到免维护性是个艰巨的任务。断路器的机构要求是外形尺寸小，能量需求低、轴承的支承负载和所有零件的单位负荷要相应的小。这对于机构和润滑的设计要求很高，制造必须达到设计要求。制造厂要有专用机床和检测设施予以保证制造质量。使其具有无须再调整、无须再润滑、无须修改特性参数，达到免维护性的要求。
5.3 自动化配电网络的需要——机电一体化
机电一体化是户外真空断路器的发展方向，计算机的应用使其具备控制功能，用智能信息处理系统进行故障前的检测和判别，使其工作状况更为可靠。在保护方面具备反时限过流速断、重合闸、自动检测故障、联络开关投入等。还具有遥控、遥测、遥信，显示触头磨损坏状况等功能，可满足电网自动化网络对于断路器的要求。
新型户外断路器的控制和操作按微处理器的程序进行，电源取自线路，经整流后，供控制系统也可供操作机构。也有用高能锂电池作电源，也有用气动装置的，不需外界能源。在控制、监视、显示等方面具有智能化作用，同时机电一体化的产品极大地提高了切除故障的成功率。所以，新型的户外断路器是多种科学知识的有机结合，边缘科学的发展促进了户外产品的设计与制造水平的提高。
6 10kV户外真空断路器的推广前景
真空技术水平的提高和发展，是真空断路器的日益完善，使其市场占有率日益提高。特别是户外真空断路器，在我国进入市场的时间只有几年，很多省市刚刚使用，投放市场的总量约2万台左右。农村电网需求量大，所以具有广阔的市场推广应用前景。
6.1 城市电网
10kV户外真空断路器主要使用在城市供电线路上，作为分段保护，缩小供电半径，提高供电的可靠性。我国的城网改造刚刚起步，大规模的使用尚未开始。除了资金问题外，对断路器的选型和试用，以及城网自动化控制的模式及方法的确定是主要关键。在城网自动化配电系统中，产品可能会批量地应用。但是对于众多的城市电网，在线路上暂不可能采用自动化网络，那么大量使用的将是ZW1-10类型的产品。
目前我国城市数量约为666个，地级以上城市221个，通过信息综合分析，城网需要的户外断路器约在15万台以上。
6.2 农村电网
我国地域辽阔，农村电网幅射面积大，但密度小，市场潜力很大。过去因为资金等原因，农网的发展速度缓慢，设备陈旧落后。最近国务院关于加快农村电网建设的政策，给农网的进步创造了有利条件。
在农网的供电线路中，使用户外真空断路器的量不会太大，而大量地作为变电站的出线断路器使用。1997年浙江海宁市使用了近200台户外真空断路器，大部分作为变电站的出线断路器使用，减少了占地面积，也降低了农村变电站的造价。这是一个有益的经验，同时也说明了农网的需求是很大的，估计农网对10kV户外断路器的需求量约在10万台左右。
6.3 其他
除城乡两网对于10kV断路器的需求量外，对于大量的移动电站，临时供电设备，油田和矿山变电站的进出线保护电器，10kV户外真空断路器都可能是产品。这些用量也是不可低估的。
随着供电事业的发展和两网的技术进步，结合2000年后的供电网络的优化，户外断路器的需求总量估计在30万台以上。
真空技术水平的提高和发展，使10kV户外真空断路器，具有广泛的市场推广前景。社会的发展对于城乡两网提出了一个跃变的要求，供电可靠性和两网的技术进步促使与此相应的电力装备必须跟上时代的步伐。抓住机遇，学习和消化、吸收国外技术的先进经验，进一步提高工艺技术水平，把10kV户外真空断路器的设计和制造水平提到新的高度。
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