真空断路器在我国的运用

【摘要】首先介绍了我国改革开放以来真空开关的发展概况，总结了我国真空开关在发展过程中取得的成就及经验。阐述了我国中等电压等级的真空断路器的完善化，完成了开断能力50kA和63kA的真空断路器的研制工作，并正在开发更大开断能力的真空断路器，如额定电压24kV、额定电流12500A、开断能力125～240kA保护大容量发电机组的真空断路器，还报道了我国已研制成功110kV、户外双断口真空断路器和进一步开发220kV的户外真空断路器和其他产品。文章最后报道了中国电力科学研究院,在1997～1998年运行中的真空开关所发生事故的分析报告和在运行中各类真空开关的实践经验总结，以便向我国制造部门提出更高的制造要求和改进真空开关的制造水平。1一般概述早在1978年，我国不少工矿企业对真空开关已有所了解，并希望能早日应用到这些企业中去，而当时国内制造真空开关的工厂也在寻找有关真空开关的应用单位。中型钢铁企业在连续轧钢生产过程中，一直选择不到比较合适的高压接触器来承担连续不断轧钢操作运行下的要求，而已在运行中的电磁式高压接触器均来自原苏联和东欧国家，这批在连续轧钢生产运行中的设备一直很不稳定，加上这些设备已运转期满，亦需要更换补充新设备，但再要进口购买这些设备在经济上有一定困难。选择了国产的高压少油断路器来替代，虽然高压少油断路器的价格低廉，但在生产过程中需不断地替换和检修高压少油断路器,来保证维持生产，这样劳动强度较高，所以在我国最先投入使用国产真空开关的就是这批中型钢铁企业。由于当时选用国产真空接触器还没有保护线路短路故障的大容量限流熔断器，仅选用了真空断路器来替代真空接触器。不久西安交通大学研制出了这种大容量限流熔断器，才有力地解决了真空接触器与大容量限流熔断器配套的问题。这批首次应用于钢铁企业中的真空断路器或真空接触器，在实际运行中非常平稳，获得了用户们的好评和满意。因为真空开关在实际运行中,几乎不需要像高压少油断路器那样需经常维护检修，大大降低了劳动生产率。此外，在长期频繁操作过程中没有像其他开关那样，在运转过程中会产生强烈的燥声，因而大大减轻了工人们的疲劳感受。同时发挥了真空开关还具有重量轻、结构简单、使用寿命长等优点。随着我国改革开放的不断深化，国内石油、化工、电子和矿山等企业也陆续使用了各种真空开关。由于这些企业的动力都要求真空开关来配套，除部分企业直接从国外引进真空开关外，大多数企业采用了国产的真空开关，这样大大促进了我国真空开关的生产。但实际使用真空开关的主要用户是电力工业部门，而当时电力工业部门对真空开关的优点还不十分了解，同时国内生产的真空开关的质量亦不够稳定，例如，截流过电压偏高,真空灭弧室还有个别漏气的现象。当时只在少数电力用户开始应用和试用。关于上述一些问题，经过国内制造厂、科研单位和高等院校共同努力的结果，大约到1990年已基本上得到了解决，同时对真空开关的制造技术和产品质量也有显著提高，使电力工业部门认识到真空开关确实是一种比较优越的中压开关设备之一。1.1真空灭弧室的事故分析据西安高压电器研究所1999年的调查表明,国产真空灭弧室的质量已趋于正常状态，事故率已逐年下降。根据事故分析报告，真空灭弧室造成漏气的大概有下列几个方面。1.1.1真空灭弧室的本体漏气真空灭弧室的漏气在全世界均有存在，但位数极少。分析国内存在问题的原因有原料的质量，也有制造工艺和设计的因素，还有使用不当等。(a)原材料的质量无氧铜棒的纵向气线、可伐和不锈钢板裂缝均可造成慢性漏气。这种情况在生产过程中均发现过，但由此造成的漏气，工厂已能在原材料进厂时严格检查和产品出厂前检验中发现，尚未发现流到运行现场。陶瓷外壳质量一致性差，金属化分散性大，陶瓷－金属封接强度不稳定,都是造成陶瓷真空灭弧室漏气的主要原因。这种漏气与真空灭弧室生产批次有关，大量的漏气故障往往发生在个别批次中。实际使用中曾发现个别批次的真空灭弧室漏气情况远较其他批次高，经分析检验均是由这种原因引起的。(b)制造工艺和设计的因素陶瓷金属化工艺不稳定，与陶瓷外壳材料质量不稳定，共同构成了批次的高漏气比率。使用中曾发现因设计结构不合理，导致封接应力大而产生气密性的漏气。(c)使用不当在沿海地区及海上平台使用的真空灭弧室，由于盐雾的侵蚀，造成不锈钢波纹管和盖板及封接面腐蚀，导致的漏气情况也有发生。金属波纹管是薄壁零件，盐雾及凝露点状腐蚀，是导致波纹管漏气的主要原因。用户使用及储放环境不符合要求，也曾有导致真空灭弧室漏气的情况。1.1.2波纹管的质量我国极大多数波纹管是采用0.15mm厚的不锈钢油压成形的，在三、四年前，因不锈钢原材料厚度的不均匀性，直接影响了制成的波纹管使用寿命。近几年来不锈钢的质量和厚度均匀性都有很大的提高，同时油压设备的不断改进，使波纹管的制造技术有很大的改善，操作寿命已达到20000次以上，目前正向着更高的操作寿命努力，已能控制操作寿命在30000～40000次左右，1.1.3排气工艺技术我国对开断电流在40kA左右的真空灭弧室的排气工艺已基本掌握，但对制造较大开断电流的真空灭弧室的排气工艺尚未完全掌握，如80kA以上开断电流的真空灭弧室尚待进一步研究。1.2改进真空断路器制造技术的实践经验回顾90年代我国真空断路器的科研、生产和使用方面的实践经验，开发了纵向磁场结构电极的真空灭弧室，开展了真空灭弧室小型化等研究工作，例如西安高压电器研究所研制出ZN28系列的真空断路器。这一代新型真空断路器的技术经济指标，远远优于我国早期采用横向磁场电极结构真空灭弧室组装成的ZN3-10型和ZN5-10型等老一代的真空断路器。新一代真空断路器的研制成功，取得了巨大的经济和社会效益，大大缩小了我国真空断路器产品与国际先进水平之间的差距。我国许多工厂在此基础上也试制了不少新型结构的真空断路器，说明我国已具有自行开发各种不同类型的真空开关的能力。目前我国采用纵向磁场电极结构的真空开关生产量，已经超过了6万台/年的数量，占我国中等电压生产和使用总量的60％以上，生产真空开关的工厂已达200多家。西安高压电器研究所曾对771厂生产的真空灭弧室，于1996年进行过42台次的短路电流电寿命的开断试验，来分析其开断成功率有多少。试验结果有4次发生开断失败，其中2次在导电杆接地开断失败，2次在试验方式4时开断失败，这样771厂生产的真空灭弧室开断试验成功率为95％以上(不包括导电杆接地开断失败)。后来查出其制造上的原因后，再经过同样的短路电流开断电寿命试验，没有发生过开断失败的记录，即开断成功率为100％。西安高压电器研究所还在1994～1996年，对所有10kV纵向磁场电极结构的国产真空断路器，对初次试制真空断路器的开关制造厂，在进行开断型式试验时作过开断成功率的统计，大约在85％～90％。真空灭弧室的小型化，我国有关研究所和高等院校曾作了不少工作，研究的方向是采用各种纵向磁场结构的真空灭弧室和寻求新的触头材料。由于纵向磁场结构的电极开断能力强，在额定的短路开断电流相同，设计裕度和工艺水平相同的条件下，纵向磁场结构的电极比横向磁场结构的电极小得多，采用纵向磁场结构电极的真空灭弧室可以做得小些。这就是真空灭弧室采用纵向磁场结构电极后，使真空灭弧室小型化的原因。小型化真空灭弧室的直径缩小，原材料节约和工艺费用降低。因而真空灭弧室的生产成本大幅度下降和真空断路器可以做得更紧凑。此外，随着真空灭弧室外壳尺寸的缩小，外壳上的真空密封焊缝的长度缩短，真空灭弧室漏气的可能性减小，真空灭弧室的可靠性提高，小型化真空灭弧室的其他性能也远远优于横向磁场真空灭弧室。小型化真空灭弧室的开发和推广，是我国真空断路器进入一个新的发展阶段的重要标志。试验表明，我国ZMD11-10/1250-20、ZMD-14-10/1250-20小型化真空灭弧室的开断能力的裕度是相当大的。它们的额定开断能力是20kA，曾作过多次开断试验，不但能轻松开断25kA，还能开断3.15kA短路电流。1.3其他方面的改进工作操动机构在真空断路器中机械结构最为复杂，是精度要求最高的部分，不少真空断路器生产厂很难满足操动机构的加工要求。把操动机构独立出来可以在生产条件比较好的工厂集中生产，保证其可靠性。将操动机构的输出轴与断路器主轴合而为一，在设计上是不困难的，这样做对机架的精度要求将大大提高，一般真空开关生产厂很难达到这种精度。将操动机构与真空开关主体二者分开，使大多数真空开关厂都能生产真空开关，并保证了真空断路器的可靠性。分装式真空断路器是专为我国GG1A等固定开关柜设计的。分装式真空断路器自诞生以来，至今已有近20年历史，其间经历了设计、试验、小规模试用、大面积推广等典型的新产品发展过程。分装式真空断路器经过数以百次计的型式试验的考核，又经过了十多年各种运行条件的考验。事实证明，符合国情，经济实用，试验成功率很高，性能满足使用要求，运行安全可靠。几年来对高电压等级的真空断路器作了研究和开发工作。现已研制成功110kV双断口的户外真空断路器和继续研制220kV的真空断路器。此外，还在研制保护发电机组用的额定电压24kV、额定电流12500A和开断容量125～240kA的真空断路器，高电压等级的永磁操动机构，四相高压真空断路器和超高压转换并联电抗器用的真空负荷开关等。2我国真空断路器的现状与国际先进水平的差距我国从60年代末开始真空断路器的实用化研究，经过近三年的努力，现在技术上已趋成熟，应用已相当普遍。随着真空断路器技术上的进步和性能的提高，使用部门对真空断路器的要求也越来越高。因此设计、制造、研究和高校等部门已在不断总结经验，不断改进、完善产品，不断推出新产品，更好地满足用户的要求。改革开放以来，大量国外先进真空断路器进入我国开关市场，我们必须尽快完善和改进国产真空断路器，并应尽快拿出与国外先进产品媲美的真空断路器来提高竞争力。为了改进和完善老产品和发展新一代真空断路器，我们必须对现有的真空断路器的不足之处，用户的要求以及与国外先进的真空断路器的差距作出充分的估计，以便确定我国真空断路器今后发展的方向。2.1我国真空断路器的参数和性能对于真空断路器最重要的是其性能和参数应满足使用要求，并具有一定的裕度，性能稳定和工作可靠，由于真空断路器是一种保护设备，其性能的稳定性和可靠性尤为重要。作为一个好的真空断路器，还必须使用方便，参数范围广，系列性强，外形美观和价格合理。我国80年代以来，研制了一批12kV的真空断路器，与70年代研制的产品相比,各方面都有显著的提高。就额定参数而言，我国真空断路器的额定短路开断电流已达到63kA，额定电流最高可达到4000A，对于额定电流小于、等于3150A的产品，部分产品允许在1.1倍额定电流下长期运行。机械寿命一般为10000～20000次，正在开展将机械寿命提高到30000～40000次的水平。开断短路电流前的工频耐压可达48kV，冲击耐压可达84kV，断流容量试验后的工频耐压一般为42kV，冲击耐压一般为75kV，允许储存期20年。已有真空断路器形成完整的、参数范围很宽的产品系列。上述真空断路器的额定参数已能满足配电的要求，也能满足大部分冶金、化工部门的要求。对于一些特殊场所，如发电厂厂用电系统，某些冶金和化工企业，还需要开断能力更大，额定电流更高的真空断路器，这些断路器正在开发和发展中。国外先进的真空断路器的参数与我国产品基本相同：最大额定短路开断电流一般为63kA,有些公司也生产更大额定短路开断电流的产品，如日本有额定短路开断电流为100kA的产品，这些真空断路器只用于一些特殊的场所。国外真空断路器的额定电流一般最高为3150A，个别产品额定电流为4000A。国外先进的真空断路器的机械寿命比较长，像西门子公司的3AF、3AH系列真空断路器的机械寿命为30000次，且在寿命期间不需要维修，我国的真空断路器还达不到这样的水平。在开断能力和在关合能力等方面，我国真空断路器的性能是高的，也是稳定的。近年来西安高压电器研究所进行了大量真空断路器的开断试验，试品包括国内各生产厂的和各主要国外真空断路器生产公