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技术答疑

高压断路器的原理是什么?

  “真空断路器”因其灭弧介质和灭弧后触头间隙的绝缘介质都是高真空而得名;其具有体积小、重量轻、适用于频繁操作、灭弧不用检修的优点,在配电网中应用较为普及。 真空断路器是3~10kV,50Hz三相交流系统中的户内配电装置,可供工矿企业、发电厂、变电站中作为电器设备的保护和控制之用,特别适用于要求无油化、少检修及频繁操作的使用场所,断路器可配置在中置柜、双层柜、固定柜中作为控制和保护高压电气设备用。
 
为什么高压真空断路器技术的进步发展前景看好?
 
  真空断路器在中压领域(12-40.5 kV)已占绝对优势,而在高压领域(72.5-252 kV)也已暂露头角,其发展前景看好。在我国,中压真空断路器2009年已占中压开关的99.39%。高压真空断路器也在72.5~126 kV等级不断研制出,并已有投运。在国外,许多国家和公司在研发高压真空断路器,且有的产品已投运多年,如日本、韩国、美国、德国、俄罗斯等。据统计,日本输电系统已使用72-252kV真空断路器3 350台。目前,高压真空断路器已达到145 kV单断口,168 kV双断口,现正在研制更高电压等级产品。产品在结构上有罐式和瓷柱式,我国已作出瓷柱式126 kV真空断路器,而日本168 kV真空断路器采用罐式结构。在真空灭弧室外绝缘上,有用低压力SF6气体如(内充压力0.12 MPa)绝缘,也有用干压空气等作为外绝缘。
值得一提的是我国两家高压开关主流厂家最新开发出瓷柱式真空断路器,如2010年西电公司成功完成的国家科技部 126 kV真空断路器,并通过国家科技部验收。该产品的灭弧室采用纵磁场线圈结构,使用具有高开断能力和良好抗熔焊性的铜铬触头材料。该配套开发的真空灭弧室是国内首家完成的具有完全知识产权的产品,其技术水平处于国际先进水平。另一家为平高集团,平高集团在大力发展高电压大容量SF6断路器的同时,也不失时机地研发出高电压真空断路器。该集团于2011年11月同时进行了LW55-72.5型罐式SF6断路器、ZW55-63型高电压真空断路器、ZW55-2×31.5型和ZW55-31.5型真空断路器4种新产品国家鉴定,总体达到国际先进水平。
 
在2011年的汉诺威博览会上,西门子公司展出了用充氮(N2)绝缘的72.5 kV真空断路器取代了传统的SF6断路器,这说明西门子公司开始注重高压真空断路器的研发。在高电压等级,研发真空断路器是形势发展的需要,能大大减少SF6温室气体的使用量,有利于环境保护,减少大气中的温室效应。同时,高压真空断路器具有良好的耐低温特性,可以避免高寒地区SF6气体液化问题,是高寒地区高电压等级断路器的最佳选择。在研发高压真空断路器中需要解决一系列技术问题有:高电压真空绝缘、大电流真空开断、额定电流与温升、机械特性、真空灭弧室外绝缘及容性电流开断、小感性电流开断等。这些技术问题的解决,促进了真空断路器技术的进步。然而,高压真空断路器的发展方兴未艾,尚需大力开展研究工作。
 
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真空断路器的发展前景好吗?
 
  面临极其不同的开断任务,新的专用断路器应运而生。如用于发电机保护断路器的特大容量真空断路器(短路开断电流高达63~80kA及以上),标准型真空断路器(短路开断电流25~50kA),经济型真空断路器(16~25kA),频繁型真空断路器(如操作次数5~6万次),超频繁型真空断路器(如操作次数10~15万次)。如西门子公司的3AH系列断路器就按使用场合划分为5种型号,其中3AH1和3AH3型为标准型,操作10000次,3AHZ型为频繁型,操作6万次,3AH4为超频繁型,操作12万次,3AH5型为经济型,价格便宜.
 
1.低过电压型真空断路器
 
众所周知,真空断路器因截流会引起截流过电压,特别在开断小的感性负截如电动机时,一般情况下,为限制过电压而给真空断路器配过电压吸收装置如SicRC路,ZnO避雷器等,这使断路器结构庞大且复杂化,而且有的限制过电压不理想。
 
日本几家公司另辟路径,开发出低过电压真空断路器。它不用加过电压吸收装置而用新开发出的触头材料,将过电压限制至常规值的十分之一。低过电压触头材料东芝为AgWC日立为Co-Ag-Se,三菱为Cu-Cr-Bi-α,富士为CuCr+高蒸气材料。这些公司一般做到7.2kV下20kA,只有东芝公司做到7.2kV下40kA。请登陆:高压开关网浏览更多信息
 
2.多功能真空断路器
 
众所周知真空断路器迄今为二I位(即合一分)完成关合和开断任务。现在出现了多功能真空断路器,赋予了多个功能,如合—分—隔离—接地等。西门子公司、Alstom公司、日立公司均有这样的产品。西门子公司最新推出NXACT型模块式真空断路器就具有多功能,集关合、开断、隔离、接地及联锁于一体。Alstom公司配VISAX开关柜的真空断路器为三I位(合—分—隔离)。日立公司与东京电力公司合作研发的24kV真空断路器为四I位(合—分—隔离—接地)。
 
为使产品多功能化,从现有产品看,有两种做法:一是真空断路器相柱在开断后移动或旋转,形成隔离和接地;另一是真空灭弧室内触头旋转完成隔离和接地。西门子公司NXAct型产品为开断后相柱移动完成隔离和接地,而Alstom公司为开断后相柱旋转完成隔离任务,日立公司通过灭弧室内触头旋转完成隔离和接地任务。
 
3.同步断路器
 
同步断路器又叫选相真空断路器或受控真空断路器。其基本原理是使真空断路器在电压或电流最有利时刻关合或开断。
 
与普通真空断路器相比,同步断路器具有如下优势:1.降低了电网瞬态过电压负荷;2.改善了电网供电质量;3.提高了断路器电寿命及性能;4.简化了电网设计,从而降低了整个系统费用。
 
ABB公司利用数字电子器件和磁力操动机构已开发出了同步真空断路器,这是一个良好的开端。
 
4.智能型真空断路器
 
真空断路器智能化是建立在现代传感技术和数字化控制技术之上。
 
国外制造公司都使自己的产品具有智能,这是配电自动化的需要,也是断路器本身控制保护的需要。如Alstom公司的DCX型可编程序数字控制装置,ABB公司的REF542型控制和保护装置,西门子公司第二代数字保护装置等。
 
由以上可知,真空断路器发展很快,究其原因,固然很多,但有两条是基本的:一是真空灭弧室技术的进步;二是操动机构技术的进步。真空灭弧室是真空断路器的心脏。真空灭弧室的进步表现在如触头材料从CuBi转变成CuCr,提高了开断能力,并降低了截流值,同时磁场从横磁场转向纵磁场,提高了开断能力,减少了触头的烧损。在工艺上,一次排封工艺的采用,大大提高了灭弧室性能及可靠性。
 
操动机构被称之为真空断路器的神经中枢。原先用电磁机构,后出现了弹簧机构,最新又出现了永磁机构。弹簧机构结构复杂,零件数多(多达200个),加工精度要求高,且弹簧机构的出力特性与真空断路器的负载特性不相匹配,要在凸轮轮廓曲线和连杆结构上进行合理设计。永磁机构的机械结构特别简单,零部件比任何其他机构都要少,运动部件可以减少至一个,因而机械可靠性特别高,而且永磁机构的出力特性能与真空断路器的负载特性很好的匹配。永磁机构用永磁锁扣,电容器(或直流屏供电)储能,用电子控制。永磁机构特别适用于频繁操作,如可达6万~15万次。
 
在世界上,特瑞能电气公司(TAVRIDAELECTRICAG简称TEL公司)于1974年首创配永磁机构的真空断路器模型,1989年配永磁机构的免维护真空断路器投放市场,1993年配永磁机构的真空断路器在荷兰KEMA试验站通过了型式试验。1994年配永磁机构的ISM型真空断路器获得俄罗斯专利(专利号N.020631)自此以后,ABB、Josly、Cooper、Whipp&Bourn等公司均开发出自己的配永磁机构的真空断路器。如ABB公司1997年开发成功配永磁机构的VM1型真空断路器。配永磁机构的真空断路器不仅用于户内断路器,也用于户外断路器和重合器,如TEL公司的OSM型重合器和Whipp&Bourne公司的GVR型户外重合器。
 
上世纪90年代后期,配永磁机构的真空断路器传入我国,我国许多公司开发出永磁机构,而且有的试验到10万次,配永磁机构的真空断路器如VSM和VSIA型、ZN23-40.5型、ZN65型、ZWD-12型、ZND-40.5型等产品。
 
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