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浅谈真空断路器的发展现状、特点及其优越性能
Wan-SukYool, Seung-OhKinr and Jeong-HyunSohrr
(Manuscript Received April 10,2007; RevisedJune 5, 2007; Accepted June 7, 2007)
摘要：
高压开关设备是电力系统中不可缺少的重要组成部分．随着电力技术的飞速发展与进步，城网改造、农网改造的需要，时高压开关设备的性能提出了更高的要求。比如：无油化、良好的开断性能、安全可靠、易于操作、无需或很少维护等。国内生产真空断路器的历史虽然很短，但其机械寿命从传统断路器的2000次跃增为20000次，各方面都比少油断路器更为先进可靠。为提高对真空鹰I}路器的认识。特以ZN28A、ZN63A系列开关为例，简要说明真空断路器的原理及其优越性能
关键词：绝缘特性；电弧；可靠性
1.真空断路器发展现状
真空断路器的发展趋向于高电压、大容量、小型化、智能化、低过电压、免维护．专用化和多功能化；
1．1高电压
随着真空开关制造技术和理论研究水平的不断提高，真空开关的发展已经不完全局于中压而向高电压大容量方向发展。首先是72．5kV～1 26kV，日本已研制出l26kV40kA真空断路器。目前，在126kV及电压等级，SF6断路器和GIS一统天下。由于SF6气体在《京都议定书》被定为受限制使用气体，如何减少sF6气体的使用成为各力工作者关注的问题。真空断路器具有开断容量大和无污染优点，发展高电压真空断路是解决这一问题的有力途径，已成为各国发展的重要方向。发展超高电压等级的真窄断路器，应首解决额定电流的提高及灭弧室外壳绝缘的技术难题。真空介质的导热性能极差，真空灭弧室内只能通过传导散热，真空断路器的温成为制约其发展的重要因素。寻找导热率和导电率较高的导体材料，研究新的散热方式可以有效的降低真空断路器的成本，推进高压大电流真窄断路器的发展。另一方面，随着电压等级的提高，真空灭弧室的外绝缘处理难度越来越大，现在研制中的超高压断路器真空灭弧室外绝缘一般采用sF6或压缩空绝缘以解决这一技术难题。
1．2小型化
真空断路器小型化主要靠缩小灭弧窒尺寸来实现。一方面真空灭弧室内采用新的电弧控制技术，在不降低开断能力的条件下不断缩小真空灭弧室的尺寸和体积，另一方面是采用新的复合绝缘技术和浇注技术将真空灭弧室与非绝缘体浇注在一起使体积缩小。同时努力减少真空断路器的零件数量。AEG公最新推出第
三代真空灭弧室，其体积缩小到为原来的l／3；日本东芝公司在十年间使灭弧室尺寸缩小了一半-日本三菱公司开发第五代真空灭弧室体积，7．2kV、12为第一代灭弧辜的15％I西门子公司3A真窄断路器零件数仅为3AF型真空断路器50％，西安高压电器研究所开发的真空灭同等参数体积亦仅为上个世纪80年代产品1／3。国外新研制的真空灭弧室考虑将屏和外壳结合在一起或使用悬浮屏蔽罩，进一减少灭弧室尺寸。
1．3采用永磁操动机构
永磁操动机构是最近1 O年出现的操动机构，它具有零部件数量少、可靠性高、体积小和减少对操作电源的要求等优点。由于真空开关的工作行程和操作功小，永磁操动机可以和真空开关完美的配合在一起。真空断路器配永磁操动机构后，不仅可以提高机械可靠性，满足免维护要求，而且可以拓展真空路器应用范围，发展真空断路器的新品种，例如同步真空断路器。同步真空断路器可以提高电力系统稳定性。实现断路器的智能化操做。
2真空断路器的：主要特点
2．1真空的绝缘特性
真空具有很强的绝缘特性，在真空断路器中．气体谁常稀薄，气体分子的自由行程牛}j埘较大．发生相互碰撞的几率很小，因此，碰撞游离不是真空间隙击穿的主要原因，而在高强电场作用下由电饭析出的金属质点才是引起绝缘破坏的主要因素。真空间隙中的绝缘强度不仅与间隙的大小、电场的均匀程度有关，而且受电极材料的性质及表西状况的影响较大。真空间隙在较小的距离同隙(2—3mm)情况下。有比空气与SF6体高的绝缘特性．这就是真空断路器的触头开距一般不大的原因。电檄材料对击穿电压的影响主要表现在材料的机械强度(抗拉强度)和金属材料的熔点上。抗拉强度和熔点越高，电极在真空下的绝缘强度越高。实验表明，真空度越高，气体间隙的击穿电蚯越高．所以，要保证真空灭弧室的绝缘强度。
2．2真空中电弧的形成与熄灭真空电弧
和我们以前学习的气体电弧放电现象有很大的差别，气体的游离现象不是产生电弧的主要闪索，真空电弧放电是在触头电极蒸发出来的金属蒸汽中形成的。同时，开断电流的大小不同，电弧表现的特点也不同．所以，我们一般把它分为小电流真空电弧和大电流真空电弧。
2．2．1小电流真空电弧
触头在真空中开断时，产生的电流和能鼋集聚在阴极斑点，从阴极斑点上大量的蒸发金属蒸汽。其中的金属原子和带电质点的密度鄙很高，电弧就在其中燃烧。同时，弧柱内的金属蒸汽和带电质点不断的向外扩散，电极也不断的蒸发新的质点来补充。在电流过零时，电弧的能量减小，电极的温度下降，蒸发作用减小，弧柱内的质点密度降低，最后，在过零时阴饭斑消失，电弧熄火。有时，蒸
发作用不能维持弧柱的扩散速度。电弧将突然熄灭。发生截流现象。
2．2．2大电流真空电弧
在触头断开大的电流时。电弧的能鼹增大，阳极也严重发热，形成很强的集聚型弧柱。同时，电动力的作用也更加明显了，因此，对于大电流真空电弧。触头网的磁场分布就对电弧的稳定性和熄弧性能有决定性的影响。如果电流太大，超过了极限开断电流，就会造成开断失败。此时，触头发热严霞，电流过零以后仍然蒸发，介质恢复用难，不能断开电流。
3真空断路器的主要特性参数及作用
判断一个真空断路器是否满足耍求，应对其合分闸时问、合分闸速度、燃弧时间、超行程和触头烧损厚度等其它一些参数进行确定和判定。通过优化和筛选，对真空断路器的机械、电气特性作出全面评价。
3．1合闸弹跳
对真空断路器而言．动、静触头闭合时不要弹跳是最理想的情况。可是在很多情况下，减小触头的弹跳时问是为保证触头高质量地工作，但不能更换的真宅触头仍然希单消除振动。从断路器机械方面和电气方面讲．要求减小合闸弹跳时间是合理的。一方面．触头弹跳时间长则说明合阐时的冲力过大，多余的能量只毹消耗于断路器框架等处，以微小的变形和振动为代价．长此以往，只能有害无益。另一方面，弹跳时间长则触头的磨损量也大。当然，抑制合I嘲弹跳．也并不是说完全没有弹跳便是最优，实际上．合闸电动排斥力是消除合闸蝉跳的有效手段。
3．2真空断路器的超行程
由于真空断路器的触头都是对接式触头，其超行程的作用主要有以下几点：
3．2．1保证触头在一定的烧损厚度内仍有一定的接触压力．以保持可靠的接触，并可减少主回路的接触电阻值，以降低温升；
3．2．2使动触头在断路器分闸时获得一定的初始冲击动能，提高动触头的初始分离速度。拉断动、静触头间的熔焊点；
3．2．3使断路器在合峥1时能够借助触头力(既弹簧力)得到缓冲．以减少弹跳；
3．2．4可以利用运行中的真空断路器超行程的数恳值来确定触头雉力的大小。通常，对一些不能直接测甓触头烧损厚度的真空断路器，可通过超行程的累计改变壁来计算触头烧损的厚度．并以此问接地估算真空断路器的剩余电寿命。
3．3燃弧时间
通过对燃弧时间的分析，可获得真空断路器性能必要的判据。燃弧时间的长短，不但体现真空火弧室的性能，而且也体现了操作机构作的合理性和稳定性。燃弧时问与真率断路器开断能力关系密切，它能预示开断能否达到极限。长燃弧
时间对灭弧室考-喻意味着比短燃弧时问的作用自更大的热和机械效应．因此燃弧时n5应尽可能的短。但应以建立电弧熄灭件为度。一般来讲，燃弧时间在loins以内为优，10～15m为主，大于15ms为差。首开弧时问以不小于3ms为最佳，最大不超过8ms，后开丰H应在电流第一次过零时熄灭。首开相的分布应以均匀分布为佳，对同一台断路器来讲。在其整个电寿命试验过程中，历次开断短路电流时燃弧时间的分布在正常情况F呈现类似“浴盆”曲线，即开始时的燃弧时间稍长，中问若干次燃弧时间较短且稳定．末了燃弧时间又变长的规律，是此规律的真空断路器则说明真空灭弧室性能稳定。断路器机械特性参数也比较稳定。反之。分散性很大、燃弧时问呈长短无序分布．则反映出整个断路器性能的不稳定或尚有缺陷。
4真空断路器的主要优点
4．1真空断路器的灭弧室直径较小。真空度在1．33×104Pa以上，绝缘强度很高，电易熄灭，其灭弧能力强。
4．2燃弧时问短，电气寿命高．其额定短路开断次数一般均在20--100次，甚至更高。开额定短路开断电流后，动、静触头间仍具有较高的绝缘水平。
4．3触头开距及接触行程小、操作功率小，良好的丹断性能，稳定可靠的电寿命，机械可高达20000次以上，且很少开断失败。
4．4使用安全、维护简单，开断过程中不会因燃弧产生高气压，因此操作危险性小，且真空灭弧室无须检修。
4．5无污染、噪音低，适用于频繁操作、工作条件比较苛刻的场所。
4．6操作机构的可靠性高，故障率小，具备检修用期长、维护工作量少等优点。目前，国外产品已大多采用整体式结构，与同产断路器相比少了断路器本体与操作机构之间的传动轴，使操作机构与断路器浑然一体。断路器佗管配合精度、刚度大为提高，既提高了机构功率，使机构输出功少了许多。又增加了可靠性。由于真空断路器具有以上很多独特的优点．所以，越来越得到人们的重视，应用的也越来越广泛。结束语通址以上的叙述，我们对真空断路器的性能及应用都有了一定的了解和认识，判断真空断路器性能的优劣，除了要看它的型式和试验结果外，还要看其机械可靠性，选用耶些值得信赖的设备，使真空断路器能在系统内全面推广和应用。总之，经过实践证明，真空断路器其性能完全能满足安全生产及运行的要求。
