浅谈10kV真空断路器

浅谈10kV真空断路器真空断路器是以真空作为灭弧和绝缘介质。零部件都密封在绝缘的玻璃等材料制成的外壳内，动触杆与动触头的密封靠金属波纹管来实现。1.真空断路器的特点： 1.1优点： 结构轻巧、触头开距小（10千伏，只有10毫米）、动作迅速、操作轻便、体积小、重量轻。 燃弧时间短，因为触头处于真空中，基本上不发生电弧，极小的电弧一般只需半周波（0.01秒）就能熄灭，故有半周波断路器之称，而且与电流大小无关。 触头间隙介质恢复速度快。 使用寿命长。 维修工作量少，又能防火防爆。1.2缺点： 操作过电压。真空断路器在操作时往往会产生较高的截流过电压和电弧重燃过电压，在运行管理中，需从技术上防止和抑制过电压，如适当加大触头开距，以抑制电弧重燃过电压，装设性能较好的金属氧化物避雷器或阻容保护装置进行预防等。 真空灭弧室的漏气问题。随着真空灭弧室使用时间的增长和开断次数增多，以及受外界因素的作用，其真空度会逐步下降，影响它的开断能力和耐压水平。目前，普遍使用纵向磁场灭弧原理和铜铬触头材料，以减少触头烧损，提高电气寿命。但如果导电杆同心度调整不当，将影响真空灭弧室的封接强度，导致漏气。为了保证同心度的调整，合理的选择使用和储存环境，是解决真空灭弧室漏气问题的重要措施。 合闸弹跳。在断路器合闸时，触头刚接触直至触头稳定接触瞬间为止的时间称为合闸弹跳时间，实践及理论分析均表明，它是影响灭弧室电寿命的重要因素。但由于其远小于合闸过程中电弧燃烧时间，一定范围内的弹跳最主要的危害是加速触头的摩损，导致灭弧室电寿命的缩短。合闸弹跳是由于动静触头的非弹性碰撞引起的，弹跳值大小与诸多因素有关，如触头弹簧的弹力、合闸速度、开距、触头材料、安装、调试质量、零部件的加工精度等等。 温升。真空断路器的回路电阻是产生温升的主要热源，而灭弧室的回路电阻通常要占回路电阻的50%以上。触头与外壳之间的真空形成了热绝缘，因而产生的热量只能通过动、静导电杆向外部散热。真空灭弧室静端直接与静支架相连，动端则通过导电夹、软连接与动支架相连。因动端连接环节较多，导热路径较长，所以温升的最高点多集中于动导电杆与导电夹搭接部位。在实际应用中，应结合过载能力差的特点，严格控制负荷电流，使其低于额定电流。2.真空断路器的操作机构真空断路器可配用电磁操作机构、弹簧操作机构2.1电磁操作机构：靠电磁力合闸并同时给分闸弹簧储能，分闸靠弹簧力的操作机称为电磁操作机构。电磁操作机构优点是结构简单，工作可靠，制造成本较低，缺点是合闸消耗的功率太大（17W至52W合闸线圈电流758-235A）。因此用户必须配备价格较贵的蓄电池组或整流电源装置，而且结构笨重、耗材多、合闸时间长（0.2-0.8S）只适用于110KV及以下的断路器。2.2弹簧操作机构：弹簧操作机构是利用已储能的弹簧为动力，来实现断路器的分合闸操作，弹簧储能靠电动机。弹簧操作机构因使用的弹簧类型不同，有各种形式。有压缩弹簧操作机构、拉伸弹簧操作机构等。弹簧操作机构的传动机构为四连杆机构，其原理是相同的。弹簧操作机构的优点是： 不需要专门的操作电源。储能电动机功率小，交直流两用，使用方便。 没有油压和气压，因此也不需要这些压力的监控装置。弹簧操作机构的缺点是： 结构比较复杂，零件数量较多，加工要求高。 传动环节较多，有时会出现故障。3.真空断路器的机械参数3.1额定开距额定开距是真空开关触头处在完全断开位置时，动静触头之间的最短距离。它决定于真空开关的额定电压、使用条件下开断电流的性质、触头材料及其耐压要求。在不同额定电压下，不同种类的真空开关触头开距的选择范围见表1。 从表1可知，真空接触器的触头开距选择得小些，主要是为了适应频繁操作的需要，以提高真空开关的电寿命和机械寿命，但牺牲了一定的耐压强度。断路器触头开距相对选得高些，但真空开关触头开距与耐压强度并非是呈线性关系。当额定电压超过一定值后，往往采用两个断口或多个开关管串联的方法来解决耐压问题。每一种真空开关触头开距都有技术条件的规定，开距太大太小都会引起开断能力下降，导致开关机械寿命降低。3.2触头接触压力在无外力作用时，动触头在大气压作用下，对内腔产生一个闭合力使其与静触头闭合，称之为自闭力，其大小取决于波纹管的端口直径。灭弧室在工作状态时，这个力太小不能保证动静触头间良好的电接触，必须施加一个外加压力。这个外加压力和自闭力之和称为触头的接触压力。这个接触压力有如下几个作用： 保证动、静触头的良好接触，并使其接触电阻少于规定值。 满足额定短路状态时的动稳定要求。应使触头压力大于额定短路状态时的触头间的斥力，以保证在该状态下的完全闭合和不受损坏。 抑制合闸弹跳。使触头在闭会碰撞时得以缓冲，把碰撞的动能转为弹兴的势能，抑制触头的弹跳。 为分闸提供一个加速力。当接触压力大时，动触头得到较大的分闸力，容易拉断会闹熔焊点，提高分闸初始的加速度，减少燃弧时间，提高分断能力。触头接触压力是一个很重要的参数，在产品的初始设计中要经过多次验证、试验才选取得比较合适。如触头压力选得太小，满足不了上述各方面的要求；但触头压力太大，一方面需要增大合闸操作功，另外灭弧室和整机的机械强度要求也需要提高，技术上不经济。 3.3接触行程(或称压缩行程)目前真空断路器毫无例外地采用对接式接触方式。动触头碰上静触头之后就不能再前进了，触头接触压力是由每极触头压缩弹簧(有时称作合闸弹簧)提供的。所谓接触行程，就是开关触头碰触开始，触头压簧施力端继续运动至会闹终结的距离，亦即触头弹簧的压缩距离，故又称压缩行程。 接触行程有两方面作用，一是令触头弹簧受压而向对接触头提供接触压力；二是保证在运行磨依后仍然保持一定接触压力，使之可靠接触。一般接触行程可取开距的20%30%左右，10kV的真空断路器约为34mm。 真空断路器的实际结构中，触头合闸弹簧设计成即使处于分闸位置，也有相当的预压缩量，有预压力。这是为使合闸过程中，当动触头尚未碰到静触头而发生预击穿时，动触头有相当力量抵抗电动力，而不致于向后退缩；当触头碰接瞬间，接触压力陡然跃增至预压力数值，防止合闸弹跳，足以抵抗电动斥力，并使接触初始就有良好状态；随着接触行程的前进，触头间的接触压力逐步增大，接触行程终结时，接触压力达到设计值。接触行程不包括合闸弹簧的预压缩量程，它实际上是合闸弹簧的第二次受压行程。 3.4平均合闸速度平均合闸速度主要影响触头的电磨蚀。如合闸速度太低，则预击穿时间长，电弧存在的时间长，触头表面电磨损大，甚至使触头熔焊而粘住，降低灭弧室的电寿命。但速度太高，容易产生合闸弹跳，操动机构输出功也要增大，对灭弧室和整机机械冲击大，影响产品的使用可靠性与机械寿命。平均合闸速度通常取0.6m/s左右为宜。 3.5平均分闸速度断路器的分闸速度一般而言速度越快越好，这样可以使首开相在电流趋近于0前23ms时能开断故障电流；否则首开相不能开断而延续至下一相，原来首开相变为后开相，燃弧时间加长了，增加了开断的难度，甚至使开断失败。但分闸速度太快，分闸的反弹也大，反弹太大震动过剧亦容易产生重燃，所以分间速度亦应考虑这方面同素。分闸速度的快慢，主要取决于合闸时动触头弹簧和分闸弹簧的贮能大小。为了提高分闸速度，可以增加分闸弹簧的贮能量，也可以增加合闸弹簧的压缩量，这都必然需要提高操动机构的输出功和整机的机械强度，降低了技术经济指标。经过多年试验认为，10kV的真空断路器，平均分闸速度能保证在0.951.2m/s比较合适。 3.6合闸弹跳时间合闸弹跳时间是断路器在合闸时，触头刚接触开始计起，随后产生分离，可能又触又离，到其稳定接触之间的时间。 这一参数国外的标准中都没有明确规定，1989年底能源部电力司提出真空断路器合闸弹跳时间必须小于2ms。为什么合闸弹跳时间要小于2ms呢？主要是合闸弹跳的瞬间会引起电力系统或设备产生L.C高频振荡，振荡产生的过电压对电气设备的绝缘可能造成伤害甚至损坏。当合闸弹跳时间小于2ms时，不会产生较大的过电压，设备绝缘不会受损，在关合时动静触头之间也不会产生熔焊。 3.7合、分闸不同期性合闸的不同期性太大容易引起合闸的弹跳，因为机构输出的运动冲量仅由首合闸相触头承受。分闸的不同期性太大可能使后开相管子燃弧时间加长，降低开断能力。 合闸与分闸的不同期性一般是同时存在的，所以调好了合闸的不同期性，分闸的不同期性也就有了保证。产品中要求合分闸不同期性小于2ms。 3.8合、分闸时间合、分闸时间是指从操动线圈的端子得电时刻计起，至三极触头全部合上或分离止的一段时间间隔。 合、分闸线圈是按短时工作制作设计的，合闸线圈的通电时间不到100ms，分闸线圈的不到60ms。分、合闸时间一般在断路器出厂时已调好，无须再动。 当断路器用在发电系统并在电源近端短路时，故障电流衰减较慢，若分闸时间很短，这时断路器分断的故障电流就可能含有较大的直流分量，开断条件更为恶劣，这对断路器的开断是很不利的。所以用于发电系统的真空断路器，其分闸时间尽可能设计长些为宜。 3.9回路电阻回路电阻值是表征导电回路的联接是否良好的一个参数，各类型产品都规定了一定范围内的值。若回路电阻超过规定值时，很可能是导电回路某一连接处接触不良。在大电流运行时接触不良处的局部温升增高，严重时甚至引起恶性循环造成氧化烧损，对用于大电流运行的断路器尤需加倍注意。回路电阻测量，不允许采用电桥法测量，须采用GB763规定的直流压降法。 3.10触头系统真空断路器的触头常采取对接式触头。因为一般的真空断路器在分闸状态下动静触头的距离只有16mm，这么小的距离很难制作出其他形状的接触面，而且平直的接触面瞬间动作电弧的损伤也较小。真空断路器的优点之一是体积小，动静触头要在一个绝对真空的空间内动作，如果制作成其他的对接方式也会增加断路器自身的体积。 4.真空断路器容易出现的问题由于生产厂家不同，一部分真空断路器性能较好，检修、维护工作量小，供电可靠性高；也有一部分真空断路器性能很差，特别是断路器的特性方面，存在的问题比较多；还有一些真空断路器缺陷极其严重，容易造成事故越级，导致大面积停电。 4.1真空泡真空度降低 故障现象 真空断路器在真空泡内开断电流并进行灭弧，而真空断路器本身没有定性、定量监测真空度特性的装置，所以真空度降低故障为隐性故障，其危险程度远远大于显性故障。 原因分析 真空度降低的主要原因有以下几点： 真空泡的材质或制作工艺存在问题，真空泡本身存在微小漏点； 真空泡内波形管的材质或制作工艺存在问题，多次操作后出现漏点； 分体式真空断路器，如使用电磁式操作机构的真空断路器，在操作时，由于操作连杆的距离比较大，直接影响开关的同期、弹跳、超行程等特性，使真空度降低的速度加快。 故障危害 真空度降低将严重影响真空断路器开断过电流的能力，并导致断路器的使用寿命急剧下降，严重时会引起开关爆炸。 处理方法 在进行断路器定期停电检修时，必须使用真空测试仪对真空泡进行真空度的定性测试，确保真空泡具有一定的真空度； 当真空度降低时，必须更换真空泡，并做好行程、同期、弹跳等特性试验。 预防措施 选用真空断路器时，必须选用信誉良好的厂家所生产的成熟产品； 选用本体与操作机构一体的真空断路器； 运行人员巡视时，应注意断路器真空泡外部是否有放电现象，如存在放电现象，则真空泡的真空度测试结果基本上为不合格，应及时停电更换； 检修人员进行停电检修工作时，必须进行同期、弹跳、行程、超行程等特性测试，以确保断路器处于良好的工作状态。 4.2 真空断路器分闸失灵 故障现象 根据故障原因的不同，存在如下故障现象： 断路器远方遥控分闸分不下来； 就地手动分闸分不下来； 事故时继电保护动作，但断路器分不下来。 原因分析 分闸操作回路断线； 分闸线圈断线； 操作电源电压降低； 分闸线圈电阻增加，分闸力降低； 分闸顶杆变形，分闸时存在卡涩现象，分闸力降低； 分闸顶杆变形严重，分闸时卡死。 故障危害 如果分闸失灵发生在事故时，将会导致事故越级，扩大事故范围。 处理方法 检查分闸回路是否断线； 检查分闸线圈是否断线； 测量分闸线圈电阻值是否合格； 检查分闸顶杆是否变形； 检查操作电压是否正常； 改铜质分闸顶杆为钢质，以避免变形。 预防措施 运行人员若发现分合闸指示灯不亮，应及时检查分合闸回路是否断线；检修人员在停电检修时应注意测量分闸线圈的电阻，检查分闸顶杆是否变形；如果分闸顶杆的材质为铜质应更换为钢质；必须进行低电压分合闸试验，以保证断路器性能可靠。 4.3 弹簧操作机构合闸储能回路故障 故障现象 合闸后无法实现分闸操作； 储能电机运转不停止，甚至导致电机线圈过热损坏。 原因分析 行程开关安装位置偏下，致使合闸弹簧尚未储能完毕，行程开关触点已经转换完毕，切断了电机电源，弹簧所储能量不够分闸操作； 行程开关安装位置偏上，致使合闸弹簧储能完毕后，行程开关触点还没有得到转换，储能电机仍处于工作状态； 行程开关损坏，储能电机不能停止运转。 故障危害 在合闸储能不到位的情况下，若线路发生事故，而断路器拒分闸，将会导致事故越级，扩大事故范围；如储能电机损坏，则真空开关无法实现分合闸。 处理方法 调整行程开关位置，实现电机准确断电； 如行程开关损坏，应及时更换。 预防措施 运行人员在倒闸操作时，应注意观察合闸储能指示灯，以判断合闸储能情况；检修人员在检修工作结束后，应就地进行2次分合闸操作，以确定断路器处于良好状态。 4.4 分合闸不同期、弹跳数值大 故障现象 此故障为隐性故障，必须通过特性测试仪的测量才能得出有关数据。 原因分析 断路器本体机械性能较差，多次操作后，由于机械原因导致不同期、弹跳数值偏大； 分体式断路器由于操作杆距离较大，分闸力传到触头时，各相之间存在偏差，导致不同期、弹跳数值偏大。 故障危害 如果不同期或弹跳大，都会严重影响真空断路器开断过电流的能力，影响断路器的寿命，严重时能引起断路器爆炸。由于此故障为隐性故障，所以危险程度更大。 处理方法 在保证行程、超行程的前提下，通过调整三相绝缘拉杆的长度使同期、弹跳测试数据在合格范围内； 如果通过调整无法实现，则必须更换数据不合格相的真空泡，并重新调整到数据合格。 预防措施 由于分体式真空断路器存在诸多故障隐患，在更换断路器时应使用一体式真空断路器；定期检修工作时必须使用特性测试仪进行有关特性测试，及时发现问题解决问题。 5.真空断路器的维护 重视机械参数的调整。操动机构在真空断路器机械结构中是最为复杂、精度要求最高的部分，机械参数的合理配置，直接关系到真空断路器的技术性能和机械寿命。因此，要认真做好机械参数的调试工作，严格机械参数指标要求，规范备品备件管理和储存，保证备品备件的技术性能指标和质量的一致性、通用性和可靠性。 严格控制真空断路器的合、分闸速度，按照产品说明书的要求进行调节。 合闸速度过低时，会由于预击穿时间加长，而增大触头的磨损量。又由于真空灭弧室一般采用铜焊工艺，并且经高温下去气处理，机械强度不高，耐振性差。如果合闸速度过高会造成较大的振动，对波纹管产生较大的冲击，降低波纹管寿命。对一定结构的真空断路器有着最佳合闸速度。 真空断路器断路时的燃弧时间短，其最大燃弧时间不超过1.5个工频半波，并要求电流第一次过零时，灭弧室要有足够的绝缘强度，通常希望断路时在工频半波内触头的行程达到全行程的50%80%，因此，需要严格控制开关的分闸速度。 要求真空断路器的分闸缓冲器与合闸缓冲器有较好的特性，尽量减轻冲击力，以保护真空灭弧室的使用寿命。 严格控制触头行程和超程。要严格按照产品安装说明书要求进行调整。在大修后一定要进行测试，并且与出厂记录进行比较。不能误以为开距大对灭弧有利，而随意增加真空断路器的触头行程。否则会使得断路器合闸在波纹管产生过大的应力，引起波纹管损坏，破坏灭弧室密封，从而造成漏气。超行程的减少，就是触头的磨损量。因此，每次调整超过行程时必须进行记录，当触头磨损量累计超过4 mm时，应更换灭弧室。当触头磨损使动、静触头接触不良时，通过回路电阻的测试也可以发现问题。应仔细检查触头弹簧，不应有变形损伤现象。 定期检查灭弧室的真空度。定期进行工频耐压试验（42 kV）。根据“电力设备预防性试验规程”的规定，结合本单位的实际情况，制定真空断路器的工频耐压试验周期。经验证明灭弧室由于工艺的缺欠致使超出自然泄漏率的现象一般发生在使用第12年，因而在开始运行头两年根据变电所的具体情况多加监视，最好在真空断路器投运后0.5年、1年、1.5年、2年进行一次工频耐压试验，2年后根据运行情况再决定一年一次还是一年两次。目前，由于现场不拆卸测试真空度的仪器尚不够完善，工频耐压还是检测真空度较为有效的方法。有条件时，可选用真空度测试仪，在不拆卸真空灭弧室的情况下检测真空灭弧室的真空度。在进行工频耐压试验的同时配合进行真空度检测，作为辅助手段。目前市场上已有几种不同型号的真空度现场测试仪供用户选用。合理安排真空断路器的检修周期。结合季节（年度）性预防性试验对真空灭弧室断口采用工频耐压方法检验真空度。 在正常操作（合、分负荷电流）次数达到2000次，开断额定电流10次后应检查各部位的螺栓有无松动。检查方法和要求按真空断路器的维修检查要求进行，若符合规定的技术参数，可继续使用。 注意安装和维修。真空灭弧室允许储存期限为1520年，因此，备品不宜过多，存放和使用环境中应无化学腐蚀性气体存在。调试触头开距时，应控制波纹管的压缩量，防止波纹管发生塑性变形，分闸缓冲器的回弹不应过大，过大会影响波纹管的寿命。装调时如果发现螺纹配合不良，应查明原因后再处理，不要用很大力气拧动真空灭弧室，防止波纹管受到损伤。二次回路的接线、辅助开关的接触应完好，以免影响断路器动作的可靠性。 检查测量每相主导电回路的电阻值。触头接触电阻与触头间的压力有关，在一定范围内，压力越大，接触电阻越小越稳定。一般真空断路器每相的接触电阻不要大于80u。检查传动部分的润滑情况和紧固螺栓有无松动，保持清洁，按机械说明书进行各项操作。注意保护真空灭弧室不受任何外力碰撞。 严格进行交接验收。安装完毕或大修理后，必须进行有关参数的测试和复核。主要复测的参数有：合闸弹跳，分闸同期，开距，压缩行程，合、分闸速度，合、分闸时间，直流接触电阻，断口绝缘水平，传动验收试验等，均应满足真空断路器的要求。6.结束语 真空断路器已经得到广泛的使用，但是一直没有相应的检修工艺标准，而各厂家的真空断路器在机构上也不尽相同，而且，真空断路器的故障，如真空度降低、分合闸不同期、弹跳大等多为隐性故障，所以，进行检修工作时必须使用有关的科学仪器进行测试、测量，用实际数据来说明问题，也用实际数据来证明和解决问题。另外，有关部门应尽快制定出统一规范的真空断路器检修工艺标准来指导真空断路器的检修、维护工作。