目前我国高压户内外真空断路器的实用化研究,在技术上已趋成熟,应用已相当普遍。随着使用部门对高压户内外真空断路器的要求也越来越高,高压户内外真空断路器技术上的进步和性能也在不断地提高。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,更好地满足用户的要求,不断推出新产品。为了改进和完善老产品和发展新一代高压户内外真空断路器,我们必须对现有的高压户内外真空断路器的不足之处,用户的要求以及与国外先进的高压户内外真空断路器的差距做出充分的估计,以便确定我国高压户内外真空断路器今后发展的方向。
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。高压户内外真空断路器以具备良好的灭弧特性,适宜频繁操作,电气寿命长.运行可靠性高、不桧修周期长的优势,在当今我国电力工业城乡电网改造、化工、冶金、铁道电气化以及矿山等行业得到了广泛的应用。产品从过去的ZN1-ZNS几个品种到现在数十个型号、品种,额定电流达到4000A,开断电流达到50KA,甚至有63kA,电压达到35kV等级。
当代高压户内外真空断路器的发展水平利和技术进步,主要表现在以下几个方面:
1、真空灭弧室的小型化
我国有关研究所和高等院校对真空灭弧室的小型化曾作了不少工作,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儆得小些。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。
真空灭弧室向小型化方向发展,表现在真空灭弧室管径不断缩小,如将12kV31.5kA真空灭弧室的管径缩小到88mm,自主研发出U系列小型化陶瓷灭弧室,将管径在12kV31.5kA下缩小至85mm。真空灭弧室管径的缩小,又有利于断路器和开关柜小型化。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高压户内外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,外壳上的真空密封烨缝的长度缩短,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,是我国高压户内外真空断路器进人一个新的发展阶段的重要标志。
2、发展大容量、高电压等级高压户内外真空断路器
高压户内外真空断路器在我国已经得到广泛应用。特别是在中等电压领域里,高压户内外真空断路器已占有明显优势。但还缺少大容量品种,对中等电压高压户内外真空断路器的应用范围将受到一定限制,因此很有必萎开发10kV系列高压户内外真空断路器的大容量规格以进一步完善化。今后将继续研究试制更大额定电流和更大额定开断电流的10kV电压等级的高压户内外真空断路器。
为了适应大容量发电机组保护用的断路器,我国正在开发额定电压24kV、额定电流12.5KA和额定开断电流125~240kA的高压户内外真空断路器。
此外,我国在完成户外额定电压110kV、额定开断电流31.5kA的基础上将继续开发额定电流更大、额定开断电流更大的110kV户外高压户内外真空断路器外,同时开发220kV电压等级的户外高压户内外真空断路器。
3、研制新的触头材料
铜铬合金是目前真空灭弧室触头材料中具有优良电性能的材料之一。它的主要缺点是熔焊性能较差和工艺要求复杂。在不影响其他性能的情况下,适当地加入脆性相能很好地改善关合能力和动热稳定性,是解决CuCr触头材料抗熔焊性能的有效途径之一。特别是对于开断电流50kA以上的大容量高压户内外真空断路器产品,触头熔焊是需要解决的关键问题之一。提高触头接触压力也可以帮助解决熔焊问题,但势必带来机械可靠性方面的副作用。试验证明,用添加脆性相材料的方法可以改善CuCr触头材料的抗熔焊性能,降低熔焊强度。
近年来对CuMnTa.CuMnNb.cuCrTa和CuCoTa等系列的触头材料研究已有进展。这几种触头材料制造成本虽略高于CuCr触头材料,但具有优良的电性能和低的熔焊强度。国内有关院校和研究所已开始进行上述触头材料的研究,制造厂也已制出样品,进行相关的试验,并已取得-定成果。
低截流值触头材料亦在研制中,常用的方法是在触头材料中加入饱和蒸汽压比较高的材料。通常这种方法对触头断口间耐压和开断短路电流能力都会产生不利和影响。在不降低电性能的情况下降低截流水平,从目前情况来看尚存在较大难度,但研究工作已大有进展。
4.改进触头结构
由平板触头到横磁场触头再到纵磁场触头,使得电弧不在聚集而呈扩散形态,以提高开断能力、提高可靠性和缩小尺寸。纵向磁场电极结构的发展是近几年来国产高压户内外真空断路器技术的重大进步。在开断能力和稳定性以及抗电蚀性等方面,都比横向磁场触头结构有优势。造价也在可接受的合理范围,已为高压户内外真空断路器设计人员和制遭单位普遍接受。
5、开发智能化产品.
高压户内外真空断路器的二次技术从传统技术转向现代技术。现代二次技术采用了机电一体化技术。机电一体化技术是建立在微电子技术、信息传感技术、计算机控制技术,伺服驱动技术及精密机械技术等高度发展之上的综合技术。机电一体化用在开关设备上,把计算机加入机械系统,使开关系统有了“大脑”,再加入“传感器”采集信息,用光纤传导信息,使开关系统有了“知觉”,大脑根据知觉作出判断与决定,使系统有了“智能”。因此现代二次技术使之开关设备智能化。智能化高压户内外真空断路器在保留断路器原有的各种功能的基础上,具有对电路的异常状况进行监测:与判断及一定的自适应功能。开关设备的智能化,可通过连续检测,确切了解运行状况,作趋势分析,识别存在的故障,从而采取必要的措施,防患于未然,改以往的“定期检修”为“状态检修",从而提高设备的利用率和节省检修费用。
6、提高真空断路器的机械操动性能我国高压户内外真空断路器由于国产材料、元件和标准件的质量问题以及传统的产品设计观念,致使其机械可靠性和机械寿命还不够十分理想。电磁操动机构结构简单,性能可靠、调整维修方便、运行人员习惯使用和维修而被广泛使用:有些地方也有习惯使用电动弹簧操纵机构的。操动机构在高压户内外真空断路器机械结构中是最为复杂、精度要求最高的部分,多数制造厂生产条件是难以满足加工精度要求的。为了保证高压户内外真空断路器的可靠性。
我国对高压户内外真空断路器采取了分装式结构,即将操动机构与断路器主体二者分开,由生产条件比较好的工厂集中生产操动机构,然后再将机构的输出轴与断路器合而为一,所以机械参数的合理配置,直接关系到高压户内外真空断路器的技术性能和机械寿命。近年来开发研制的配真空开关的永磁保持、电磁操动机构更以其零件少、结构简单、机械寿命高引起中压领域的关注。
7、采用先进的一次封排工艺
为了进一步提高真空灭弧室的生产效率、降低生产成本,研究人员对灭弧室的工艺结构进行了更加深入的简化,开发出一种新型真空灭弧室生产工艺即“一次封排”工艺。它只需事先将灭弧室的相关零件设计成自定位形式,无须任何工装夹具对零件进行定位,省去了部件焊接及相应的部件检漏。进炉前只需将所有零件连同所需的各种焊料完整地装配起来组成一个整管,然后用专用夹具将其定位与固定,再放人自动运行的大型真空炉中进行烘烤、排气、焊接及封口,从而一次完成了真空灭弧室的焊接与封排的生产过程。这种方式是目前真空灭弧室生产企业所追求的最高境界,也是我们今后发展的方向。
8.改进灭弧室技术,提高综合性能国外大力发展高压户内外真空断路器,特别在灭弧室上下了很大功夫。生产工艺的不断发展提高了真空灭弧室的开断性能及绝缘水平,促进了真空灭弧室向小型化、大容量方向发展。在一次封排的工艺条件下,缩小灭弧室的外形尺寸可进-步提高灭弧室的单位产量,降低生产成本,增强真空开:关的市场竞争力。不断改进波纹管的制造工艺,提高波纹管的寿命。采用中封式结构的屏蔽罩,改善了电场分布,提高了绝缘强度。
9、专用化
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高压户内外真空断路器,标准型高压户内外真空断路器,经济型高压户内外真空断路器,频繁型真空断路,超频繁型高压户内外真空断路器。
10、低过电压
高压户内外真空断路器开断小电流容易发生截流,引起过电压。过电压是人们使用高压户内外真空断路器最关心的问题。一般解决方法有两种:第一种是加装过电压吸收装置(RC回路、ZnO避雷器),但它作为高压户内外真空断路器的附加装置,不仅使高压户内外真空断路器结构复杂化,而且增加成本:另一种方法也是今后要致力研究的课题,采用低电压触头材料。研究采用低电压触头材料日本几家公司走在前列。富士康公司开发了CuCr添加高蒸气材料、三菱公司开发了CuCrBia多元触头材料,东芝公司开发了新型的AgWC触头材料开断短路电流达40KA。