编者按 近年，我国开发成功新一代真空断路器，其具有开断大电流的稳定性及开断小电流（电感及电容电流）的安全性，即不产生损坏设备的过电压，也就是切电感小电流低截流值，开断电容电流无重燃。解决了多年困扰我们的世界难题。目前，我国正在建设坚强智能电网，我们认为智能电网中的一切元件都应该是有优秀的。因此，本文介绍了我国第三代真空断路器---“绿色”真空断路器的研制原理，以推进我国电网的优质高效发展。
世界真空开关发展到今天经历了两代。第一代是上世纪70年代至80年代中期,是探索启蒙阶段；第二代为上世纪80年代至今,是引进国外技术消化模仿阶段。此时我国真空开关技术有了长足的进步,接近了国际先进水平,在国内得到了广泛应用。然而,在这20多年里尽管国内外真空开关型号繁多,结构五花八门,但基本性能却没有太大的差异。据试验站对开断大电流成功率的统计,多年来一直徘徊在85-88%之间。操作感性负载还离不开保护装置。切电容电流重击穿现象和第一代相比并没有明显的好转。因此,研制第三代真空断路器应该在这几方面着手,于是“开断大电流的稳定性和开断小电流的安全性”理所当然成为第三代真空开关发展的里程碑。
一.开断大电流的稳定性
目前我们开断大电流出问题有三种情况:a,完全开不断。b,后开相开不断及中燃弧开不断。c,异相接地开断重燃。
出现以上问题的根本原因是我们在设计中没有为不同电流相位灭弧创造适当的灭弧环境。首开相灭弧即有有利条件也有不利条件。有利条件是它开断的电流正处在下降阶段,因此它开断的实际电流要比额定值小得多。不利条件是此时触头刚分离,窄小的空间金属蒸气呈高气压,而高气压的金属蒸气电弧具有大气电弧的一切特性(非线性的伏安特性,电弧集聚),触头烧损严重,因此,首开相最佳灭弧环境就是加快刚分速度,扩大金属蒸气存在的空间和扩散通道,使电弧迅速由高气压转变为低气压（扩散型）,为电流过零熄灭创造条件。 后开相灭弧环境和首开相不同。它要求有较小的灭弧开距,使不等式λ>T。(λ为粒子碰撞自由程,T。为灭弧开距)更容易成立。并远离分闸到底机械震动区。因而此刻分闸速度要慢。在做单相异相接地开断试验中,开断电流相位是随机的,燃弧时间在3-13ms之间,为躲避震区要求开关分闸到底时间不小于20ms。因而分闸运动最后阶段要更慢。这样一条分闸运动特性是第三代真空开关必需具备的。
二. 开断感性小电流
开断感性小电流的危害性在于截流的产生,出现截流的原因大气电弧(高气压电弧)和小电流真空电弧(低气压电弧)的机理是不一样的。前者是电弧非线性伏安特性造成的,后者是电流自身蒸发的金属蒸汽密度小到不能维持阴极电离区,电流自然就会在过零前熄灭而形成截流。要减小截流值就必须在触头材料中添加低熔点金属,但这就会影响开断大电流的能力。解决此矛盾的最好办法就是大幅度减小灭弧开距。试验证明,首开相的截流值平均为1.8A,后开相为8.1A,相差4.5倍。巧合的是目前真空开关首开相的灭弧开距平均在1.5-2.5mm之间,后开相的灭弧开距约在8-10mm左右(正好处在油缓冲器的末端),几乎也是4.5倍。这充分表明小开距空间金属蒸汽密度大,维持小电流能力强,而大开距空间金属蒸汽密度小,维持小电流能力差,截流值自然增大。可见一条合理的分闸运动特性,在分闸中程(2-6mm)分闸速度减慢对开断大,小电流都很有益处。
三. 开断电容电流
切电容电流最棘手的问题就是重击穿现象,它严重威胁电容器的安全。重击穿现象不是哪家公司产品,哪种型号的缺陷,而是一种技术时代的特征。因此要解决这道世界性的难题,真空开关在设计上没有大的突破是不可能的。
要解决重击穿问题首先必须搞清楚其发生机理。行业中普遍存在“清洁度,毛刺论”和“反弹论”。持前一种观点的人认为要用电流老炼来消除它。而后者要求限制开关分闸反弹幅度。但这“两论”都存在经不起推敲之处。既然触头清洁不好,又有毛刺,为何开断别的负载重燃现象就很少呢!既然管子有这么多毛病,绝缘耐压关怎么通得过?在实际生产中,不论管子进厂检验还是整机检验都很顺利,说明管子现代生产工艺是不存在问题的。电流老炼论认为毛刺是先天存在,用电流老炼除去就万事大吉。这显然有悖客观事实。况且单管老炼基本不起作用。“反弹论”也有明显的缺陷,大量切电容试验表明,在整个时间坐标上几乎都有重燃发生记录,即便反弹了开距的60%也不可能击穿,否则首开相就开不断。看来我们还没有触及到发生重燃的要害之处。
在真空开关特定条件下,真空间隙被击穿主要因素应该是场致发射。它的发生是由于触头平面存在“微突点”(俗称毛刺),电场便在此集中,理论和试验都证明,此处的场强将是断口平均场强的10-100倍(摘自教科书)。而断口击穿的发生及经历时间又和微突点材料比热,热容量,曲率半径及电场强度有关。由几毫秒到几百毫秒不等。问题是好好的触头怎么会形成微突点,是先天就有还是后天形成的呢?我们认为是后天形成的,是开断和关合负载后处理不当形成的。只要存在电弧,触头就会有局部熔化,在外力(合分闸机械震动)的作用下,就有可能形成微突点,要消除真空开关重击穿的物理因素,必须在克服内外因素上下功夫。
四. 如何实现“开断大电流的稳定性”
要完成上述任务就必须有一条科学合理的分闸运动特性,因为世界上一切断路器都是通过特有的机械运动来获得其电气性能的。简而言之真空开关的分闸运动应该是:快-慢-更慢。但现有的真空开关根本做不到这一点。首先第一步“快”就做不到,即便加大分闸弹簧勉强做到较快,第二步“慢”如何实现?油缓冲器能做到第三步“更慢”吗?（有的开关甚至于连缓冲器都取消了）真要做到这些,真空开关设计必须动大手术。
我们这一代真空开关在结构设计上到底存在什么缺陷需要动大“手术”呢？其实是明摆着的,只是大家习以为常罢了。那就是动静触头接触方式。其它断路器动静触头接触都是插入式,唯独真空开关是平板接触。这种接触方式带来三大弊病:1.动触头是静止起步V。=0.很难完成第一步“快”的使命。2.因为是平板接触,就必需有弹簧来保持接触压力,分闸时就得先释放“超行程”,这样就会使分闸运动复杂化。牛顿定律告诉我们:物体的运动状态不能突变。因此,运动的绝缘杆和尚处于静止的动导电杆在一起稳态运动前就会有一“过渡过程”(图1). 在测试仪器上可清晰的看到动导电杆初分阶段有一小间隙(约0.5mm)短时(1-3ms)停顿。小间隙的金属蒸汽呈高气压,增加了触头额外的电弧烧损。3.在分闸的初始阶段,触头压缩簧压力不断减小,动静触头间接触点也随之减少,电流密度增加使触头局部熔化而形成电弧,这种热起弧方式有别于其它断路器电起弧方式,触头除了电弧烧损外还有热烧损。
要实现科学的分闸模式,就必须克服上述的三大弊病,为此,我们采取两项措施:1.V。>0.将灭弧室结构实现“双动”(图2),即原静端也能动。触头压力弹簧移至上端。合闸时下导电杆推动上导电杆上移n毫米(超行程)。分闸后,触头压力簧推动上下触头系统往下运动(请注意:此时触头压力对于动导电杆是外力而不是原结构的内力),当超行程释放完毕,上导电杆嘎然止住。此前双方获运动速度为V,接着下导电杆以V的速度离开上触头获得V。>0目的。没有了“过渡过程”，消除了小间隙短时停顿,真空开关不论开断大小电流都会表现出优良的电气性能。 2。采用“先推后拉”分闸模式。分闸力由拉改为推是真空开关技术的一大创举。它有效的减轻或消除了触头的热烧损。双动方案初始分闸力有两个,一个是上推,另一个是主轴分闸弹簧的下拉,如果两个力同时作用,即又推又拉,触头压力仍会逐渐减小,热烧损不可避免。采取先推后拉方式,在释放超程时,主轴簧并不参与,当走完超程后主轴分闸簧才拉动下系统完成分闸程序。由于下触头系统(包括绝缘杆)有相当质量,触头间会保持一定压力,再由于下触头系统是被推出去的,触头间压力必定是突然消失,这样起弧过程就会由热过程变为传统断路器电击过程。
采取了上述两项措施,真空断路器的结构设计完全摆脱了传统模式,科学的分闸运动特性才得以兑现。V。>0就确保了第一步“快”的实现。成功迈出了第一步,第二步“慢”和第三步“更慢”就迎刃而解了。由于主轴分闸簧只是将下触头拉到底并抵消灭弧室的自闭力,因而力值可设计小些,再配上适当的缓冲装置便大功告成。
五. 切电容电流如何实现无重燃（开断小电流的安全性）
动完大“手术”的新型真空开关确保了开断大电流的稳定性,也大幅度降低了截流值,但对于切电容电流的安全性任务只完成了一小半。V。>0和“先推后拉”两项措施只是在分闸时减弱或消除切电容电流对触头的电弧烧损和热烧损,但大量试验证明关合电容器组也是重燃的主要因素。我们在实践中发现,带电合闸,无电分闸真空开关断口绝缘耐压将大幅下降,这是因为带电合闸触头一旦局部熔焊,分闸拉出来的毛刺没有电弧清除的缘故。其实关合故障电流也可能熔焊,但它开断电流大,毛刺被电弧清除掉。而电容电流却很小,清除毛刺能力差。因此一旦熔焊,发生重燃的概率就很高。关合电容使触头熔焊的罪魁祸首就是它高频的涌流。由于灭弧室结构的特点,触头在接触瞬间很难做到绝对平行,因此存在“初始接触点”,高频的涌流就会快速在这小区域通过,电流密度很大,熔焊就有可能发生。可见在组装真空开关时确保安装精度是何等重要(在试验中来回更换管子总能通过就是这个道理)。电流老炼的作用就是不断的用电弧烧蚀使初始接触点越来越多,避免了熔焊,重燃发生的机率就会变小。但这只有在整机上进行才有效。如果把管子拆下来重装也许前功尽弃。这就是单管老炼不如整机老炼的原因。要使触头在关合涌流时不熔焊必须在触头接触形状上想办法。球面或锥面凹凸型接触方式就是其中之一。由于组装很难保证上下导电杆的同轴度,合闸初始接触点必定是球(锥)体的侧面,涌流使其熔化(也许来不及焊),随着合闸动作继续进行,触头面自动找正,对熔焊点有切断磨平功能,此刻接触面已足够大,再也不会发生熔焊了。没有了熔焊点,分闸就不会拉出毛刺。消除了分,合电容器组(其它负载也是如此)产生重击穿的物理因素。
到此，我们正确地判断了真空开关产生重燃的物理因素,采取了有效措施消除它,研制成功无重燃真空断路器,实现了开发不产生损坏设备过电压“绿色”真空断路器的梦想,使真空开关完成了它更新换代的历史重任。
（作者：北京华东森源电气有限责任公司） |
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