真空斷路器淺析
真空斷路器在中國運(yùn)行有近30年的歷史，真空斷路器的開發(fā)有兩次大的技術(shù)飛躍，一次是20世紀(jì)70年代，出現(xiàn)了中國第一代真空斷路器。它采用的是阿基米德螺旋槽的觸頭結(jié)構(gòu)，觸頭材料為銅鉍銀及銅鉍鋁兩大類，受其材料性能限制，開斷能力只能達(dá)到20 kA。另一次是20世紀(jì)80年代初期，在杯形觸頭上刻槽，使其在開斷時(shí)產(chǎn)生橫向磁場，讓電弧在觸頭上旋轉(zhuǎn)，減少觸頭燒損，提高觸頭壽命，同時(shí)觸頭材料上研制了銅鉍銻、銅鉍鋁及銅鉻材料等，使其斷路器在電壽命、機(jī)械壽命等方面有了較大的飛躍。在其20世紀(jì)80年代中后期，由北京開關(guān)廠引進(jìn)德國西門子3AF，廣州南洋電器廠引進(jìn)日本東芝公司VK10J，比利時(shí)EIB公司VB5及其ABB公司VD4等為代表，采用在杯狀圓盤觸頭上刻槽，在開斷時(shí)產(chǎn)生縱向磁場，使電弧呈擴(kuò)散性，最大限度地減少燒損。觸頭材料全都采用銅鉻(CuCr)新材料，此種觸頭材料具有很低的截流值，一般僅為3~5 A。因此在感性電路中能限制其操作過電壓產(chǎn)生，開斷容性負(fù)載重?fù)舸⿴缀醪话l(fā)生，弧后工頻耐壓基本不降低，克服了真空開關(guān)在20世紀(jì)70年代及20世紀(jì)80年代初的三大缺陷:①開斷故障電弧后工頻耐壓特別低;②開斷容性負(fù)載經(jīng)常發(fā)生重?fù)舸┈F(xiàn)象;③在感性電路中其操作過電壓特別高。這樣在國內(nèi)掀起了真空開關(guān)熱，生產(chǎn)真空斷路器的廠家目前已突破350家，真空斷路器型號已達(dá)50多種，可稱位居世界之首。
1、現(xiàn)階段國產(chǎn)真空斷路器種類和區(qū)別
1.1、種類
目前中國生產(chǎn)的真空斷路器可粗略分為三大類:
第一類為分體型結(jié)構(gòu)，完全是按原少油斷路器SN10型模仿設(shè)計(jì)出來的，主要是為了舊少油斷路器開關(guān)設(shè)備的改造，也有安裝在新開關(guān)設(shè)備上的，如ZN7-10X、ZN13-10X、ZN19-10X、ZN28-10A等;第二類為具有獨(dú)立型號機(jī)構(gòu)的拼湊型結(jié)構(gòu)，由CD10、CD17、CT8、CT17、CT19等機(jī)構(gòu)與真空滅弧室及轉(zhuǎn)軸、彈簧等拼湊成一臺斷路器，如ZN7-10、ZN13-10、ZN19-10、ZN28-10等;第三類為整體型結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)是沒有獨(dú)立的機(jī)構(gòu)，傳動損耗少的真空斷路器，此類斷路器主要以引進(jìn)技術(shù)占主體，如ZN12-10真空斷路器是以北京開關(guān)廠為代表引進(jìn)的西門子公司3AF真空斷路器，ZN18-10真空斷路器為廣州南洋電器廠引進(jìn)的東芝公司VK10J真空斷路器，廈門ABB開關(guān)有限公司的VD4真空斷路器、VM1永磁真空斷路器以及森源公司設(shè)計(jì)的VS1型真空斷路器等。
1.2、第三類與一、二類真空斷路器區(qū)別
1)整體型結(jié)構(gòu)的斷路器一般為1套四連桿傳動系統(tǒng);而分體型結(jié)構(gòu)與拼湊型結(jié)構(gòu)均為2套四連桿相聯(lián)傳動系統(tǒng)或者1套五連桿與1套四連桿相聯(lián)的傳動系統(tǒng)。
2)整體型結(jié)構(gòu)的斷路器的觸頭壓縮行程一般為3~4 mm;而分體型結(jié)構(gòu)與拼湊型結(jié)構(gòu)的斷路器的觸頭壓縮行程一般為6~10 mm。
3)整體型結(jié)構(gòu)的斷路器是從斷路器在控制回路中的整體要求設(shè)計(jì)的;而分體型結(jié)構(gòu)與拼湊型結(jié)構(gòu)的斷路器是仿型(分體仿SN10-10)及湊合(將分體與操動機(jī)構(gòu)湊合起來)出來的設(shè)計(jì)。
2、真空斷路器的優(yōu)化設(shè)計(jì)
2.1、處理好斷路器可靠性
真空斷路器的可靠性對用戶最有切身利益。真空斷路器從問世那一天，其機(jī)械壽命就從傳統(tǒng)斷路器的2 000次躍升增為10 000次，這幾年已有20 000次及30 000次的產(chǎn)品，國外西門子公司已有60 000次及120 000次的長壽命真空斷路器，這主要是在真空狀態(tài)下的低壓電弧無與倫比的特性，使用壽命增加的緣故。因此與其配合的操動機(jī)構(gòu)的機(jī)械壽命及可靠性就成了很突出的問題。一個(gè)產(chǎn)品的可靠性，主要由制造質(zhì)量和設(shè)計(jì)質(zhì)量來保證，前者要求制造者有嚴(yán)格的質(zhì)量保證體系，其涉及到管理、人員素質(zhì)和培訓(xùn)，新設(shè)備的采用等諸因素。因此在中國目前人員素質(zhì)還不很高、責(zé)任心還不很強(qiáng)、管理相對落后、設(shè)備陳舊的情況下，把產(chǎn)品的可靠性過多地依賴制造質(zhì)量本身是不現(xiàn)實(shí)的。產(chǎn)品的可靠性便落在設(shè)計(jì)者的肩上。一個(gè)高可靠性的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，必定是最簡單的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，即用最少的零部件達(dá)到產(chǎn)品必要的功能。另外，經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)后的產(chǎn)品應(yīng)做到批量化生產(chǎn)，這樣有利于質(zhì)量的提高和生產(chǎn)成本的降低。國外真空斷路器都是貫徹此原則，可以從兩方面的工作來提高可靠性。
2.1.1、簡化連桿系統(tǒng)設(shè)計(jì)
在上面闡述過，國內(nèi)真空斷路器普遍采用原少油開關(guān)操動機(jī)構(gòu)CD10、CT8及其改進(jìn)型CD17、CT17、CT19等。他們均為五連桿結(jié)構(gòu)體系，其設(shè)計(jì)意圖是為了滿足具有自由脫扣功能，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。其中某些限位連桿極其脆弱。如CD10的死區(qū)連桿，CD17的半軸結(jié)構(gòu)，CT17及CT19的各種半軸和扣板。“自由脫扣”是在一定技術(shù)歷史背景下提出的，不但不能執(zhí)行正常的分閘操作，還會對操作者造成人身安全事故。對于電磁機(jī)構(gòu)，直流電源由老式CZO-40C型直流接觸器操作控制，它的“分閘時(shí)間”(切除控制線圈電源到主觸頭分開的時(shí)間)約為150~200 ms。若無自由脫扣功能，配電磁機(jī)構(gòu)的斷路器也無法執(zhí)行正常的分閘操作，即使采用新型專為斷路器設(shè)計(jì)的CZO-40D型直流接觸器(動作時(shí)間約70 ms)，在少油開關(guān)做合分閘操作時(shí)，由于高質(zhì)量的合閘鐵芯來不及復(fù)位，將阻攔動導(dǎo)電桿運(yùn)動路線，降低分閘開關(guān)速度，影響開斷性能。而真空斷路器就無此顧慮。技術(shù)的發(fā)展，使某種限制消亡是歷史的必然。GB1984標(biāo)準(zhǔn)和電力部訂貨技術(shù)條件都取消了自由脫扣對電磁機(jī)構(gòu)配真空開關(guān)的限制。因此新設(shè)計(jì)的CD17保留自由脫扣功能表明設(shè)計(jì)者思想不夠開放。而CT17及CT19彈簧機(jī)構(gòu)搞自由脫扣無異是畫蛇添足，造成結(jié)構(gòu)無謂的復(fù)雜，降低了可靠性，在國外(如日本、德國)也有取消自由脫扣器來提高可靠性的報(bào)導(dǎo)文章。
2.1.2、一體化設(shè)計(jì)
以真空滅弧室單元配用獨(dú)立型號的操動機(jī)構(gòu)(電磁或彈簧)單元組成斷路器的構(gòu)思是從少油開關(guān)延續(xù)下來的觀念。因?yàn)檫@種方式用在真空斷路器領(lǐng)域不論對機(jī)械性能還是電氣性能是有百害而無一利的。不論CD10、CD17、CT8、CT17及CT19等本身是由五連桿體系組成的。它的輸出軸并不是斷路器的主軸，還必須使其輸出軸和斷路器主軸組成另一套四連桿來傳遞合閘力，這樣使結(jié)構(gòu)復(fù)雜，傳動損耗大。與其對比一體化的斷路器(如ZN12、ZN18、VD4、VM1、VS1，其中ZN12、ZN18、VD4、VS1為彈簧力操作;VM1為永磁力操作)是由一套四連桿組成，其中一個(gè)絞點(diǎn)即為斷路器的主軸，結(jié)構(gòu)簡單，傳動損耗小，可靠性大為提高。因此，應(yīng)大力發(fā)展此類真空斷路器。
2.2、處理好斷路器的分閘過程
真空斷路器的分閘過程并不是人們想象的這樣簡單，如何處理這些過程是真空斷路器設(shè)計(jì)優(yōu)劣的重要標(biāo)志。
2.2.1、處理好分閘起始階段(引弧階段)
現(xiàn)代理論證明真空斷路器的初分階段(0~3mm)，對開斷性能至關(guān)重要。真空斷路器在分閘初始的電弧電流總是由集聚型向擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變，此過程轉(zhuǎn)變的越快越好。目前凡是搞這一行的技術(shù)人員都應(yīng)將此觀念貫徹到設(shè)計(jì)中去。
加快分閘初始的電弧電流由集聚型向擴(kuò)散型過程轉(zhuǎn)變，有三種措施。
�、贉p少運(yùn)動零部件的質(zhì)量:在研制真空斷路器過程中，減小導(dǎo)電夾來減小運(yùn)動的零部件質(zhì)量，經(jīng)對比，結(jié)果是初分速度不同程度上有所提高。
�、谠龃蠓珠l彈簧彈力，且要使其在分閘初期(0~3 mm)發(fā)揮作用。
③觸頭壓縮行程必須盡量的小(2~3 mm)，使分閘彈簧盡早地參加分閘運(yùn)動。因?yàn)閭鹘y(tǒng)的斷路器動靜觸頭接觸方式皆是插入式。當(dāng)發(fā)生短路電流時(shí)，電動力使梅花觸指抱緊導(dǎo)電桿，在動導(dǎo)電桿的運(yùn)動方向分力為零。而真空斷路器的動靜觸頭接觸方式為平面接觸，當(dāng)短路電流發(fā)生時(shí)其強(qiáng)大電動力對觸頭運(yùn)動是排斥力。這樣觸頭的分離就不必等觸頭壓縮彈簧完全釋放之后由分閘彈簧來拉動了，它的分離和主軸運(yùn)動時(shí)間并無滯后(或滯后甚小)，如果壓縮彈簧的行 程很小，則分閘彈簧可盡早地參加運(yùn)動。以便提高初分速度。因此現(xiàn)在研制的真空斷路器的觸頭壓縮彈簧的壓縮就盡量的小(2~3 mm)，既然初分階段的原動力是電動力的排斥力，要減小的運(yùn)動質(zhì)量范圍就是全部運(yùn)動的零部件。可見分體型結(jié)構(gòu)及拼湊型結(jié)構(gòu)移植到真空斷路器設(shè)計(jì)上來，由于連桿太長、太多，對提高真空斷路器的初分速度是不利的。
