真空斷路器淺析
真空斷路器在中國運行有近30年的歷史，真空斷路器的開(kāi)發(fā)有兩次大的技術(shù)飛躍，一次是20世紀70年代，出現了中國第一代真空斷路器。它采用的是阿基米德螺旋槽的觸頭結構，觸頭材料為銅鉍銀及銅鉍鋁兩大類(lèi)，受其材料性能限制，開(kāi)斷能力只能達到20 kA。另一次是20世紀80年代初期，在杯形觸頭上刻槽，使其在開(kāi)斷時(shí)產(chǎn)生橫向磁場(chǎng)，讓電弧在觸頭上旋轉，減少觸頭燒損，提高觸頭壽命，同時(shí)觸頭材料上研制了銅鉍銻、銅鉍鋁及銅鉻材料等，使其斷路器在電壽命、機械壽命等方面有了較大的飛躍。在其20世紀80年代中后期，由北京開(kāi)關(guān)廠(chǎng)引進(jìn)德國西門(mén)子3AF，廣州南洋電器廠(chǎng)引進(jìn)日本東芝公司VK10J，比利時(shí)EIB公司VB5及其ABB公司VD4等為代表，采用在杯狀圓盤(pán)觸頭上刻槽，在開(kāi)斷時(shí)產(chǎn)生縱向磁場(chǎng)，使電弧呈擴散性，最大限度地減少燒損。觸頭材料全都采用銅鉻(CuCr)新材料，此種觸頭材料具有很低的截流值，一般僅為3~5 A。因此在感性電路中能限制其操作過(guò)電壓產(chǎn)生，開(kāi)斷容性負載重擊穿幾乎不發(fā)生，弧后工頻耐壓基本不降低，克服了真空開(kāi)關(guān)在20世紀70年代及20世紀80年代初的三大缺陷:①開(kāi)斷故障電弧后工頻耐壓特別低;②開(kāi)斷容性負載經(jīng)常發(fā)生重擊穿現象;③在感性電路中其操作過(guò)電壓特別高。這樣在國內掀起了真空開(kāi)關(guān)熱，生產(chǎn)真空斷路器的廠(chǎng)家目前已突破350家，真空斷路器型號已達50多種，可稱(chēng)位居世界之首。
1、現階段國產(chǎn)真空斷路器種類(lèi)和區別
1.1、種類(lèi)
目前中國生產(chǎn)的真空斷路器可粗略分為三大類(lèi):
第一類(lèi)為分體型結構，完全是按原少油斷路器SN10型模仿設計出來(lái)的，主要是為了舊少油斷路器開(kāi)關(guān)設備的改造，也有安裝在新開(kāi)關(guān)設備上的，如ZN7-10X、ZN13-10X、ZN19-10X、ZN28-10A等;第二類(lèi)為具有獨立型號機構的拼湊型結構，由CD10、CD17、CT8、CT17、CT19等機構與真空滅弧室及轉軸、彈簧等拼湊成一臺斷路器，如ZN7-10、ZN13-10、ZN19-10、ZN28-10等;第三類(lèi)為整體型結構，其特點(diǎn)是沒(méi)有獨立的機構，傳動(dòng)損耗少的真空斷路器，此類(lèi)斷路器主要以引進(jìn)技術(shù)占主體，如ZN12-10真空斷路器是以北京開(kāi)關(guān)廠(chǎng)為代表引進(jìn)的西門(mén)子公司3AF真空斷路器，ZN18-10真空斷路器為廣州南洋電器廠(chǎng)引進(jìn)的東芝公司VK10J真空斷路器，廈門(mén)ABB開(kāi)關(guān)有限公司的VD4真空斷路器、VM1永磁真空斷路器以及森源公司設計的VS1型真空斷路器等。
1.2、第三類(lèi)與一、二類(lèi)真空斷路器區別
1)整體型結構的斷路器一般為1套四連桿傳動(dòng)系統;而分體型結構與拼湊型結構均為2套四連桿相聯(lián)傳動(dòng)系統或者1套五連桿與1套四連桿相聯(lián)的傳動(dòng)系統。
2)整體型結構的斷路器的觸頭壓縮行程一般為3~4 mm;而分體型結構與拼湊型結構的斷路器的觸頭壓縮行程一般為6~10 mm。
3)整體型結構的斷路器是從斷路器在控制回路中的整體要求設計的;而分體型結構與拼湊型結構的斷路器是仿型(分體仿SN10-10)及湊合(將分體與操動(dòng)機構湊合起來(lái))出來(lái)的設計。
2、真空斷路器的優(yōu)化設計
2.1、處理好斷路器可靠性
真空斷路器的可靠性對用戶(hù)最有切身利益。真空斷路器從問(wèn)世那一天，其機械壽命就從傳統斷路器的2 000次躍升增為10 000次，這幾年已有20 000次及30 000次的產(chǎn)品，國外西門(mén)子公司已有60 000次及120 000次的長(cháng)壽命真空斷路器，這主要是在真空狀態(tài)下的低壓電弧無(wú)與倫比的特性，使用壽命增加的緣故。因此與其配合的操動(dòng)機構的機械壽命及可靠性就成了很突出的問(wèn)題。一個(gè)產(chǎn)品的可靠性，主要由制造質(zhì)量和設計質(zhì)量來(lái)保證，前者要求制造者有嚴格的質(zhì)量保證體系，其涉及到管理、人員素質(zhì)和培訓，新設備的采用等諸因素。因此在中國目前人員素質(zhì)還不很高、責任心還不很強、管理相對落后、設備陳舊的情況下，把產(chǎn)品的可靠性過(guò)多地依賴(lài)制造質(zhì)量本身是不現實(shí)的。產(chǎn)品的可靠性便落在設計者的肩上。一個(gè)高可靠性的產(chǎn)品設計，必定是最簡(jiǎn)單的設計結構，即用最少的零部件達到產(chǎn)品必要的功能。另外，經(jīng)過(guò)優(yōu)化設計后的產(chǎn)品應做到批量化生產(chǎn)，這樣有利于質(zhì)量的提高和生產(chǎn)成本的降低。國外真空斷路器都是貫徹此原則，可以從兩方面的工作來(lái)提高可靠性。
2.1.1、簡(jiǎn)化連桿系統設計
在上面闡述過(guò)，國內真空斷路器普遍采用原少油開(kāi)關(guān)操動(dòng)機構CD10、CT8及其改進(jìn)型CD17、CT17、CT19等。他們均為五連桿結構體系，其設計意圖是為了滿(mǎn)足具有自由脫扣功能，結構復雜。其中某些限位連桿極其脆弱。如CD10的死區連桿，CD17的半軸結構，CT17及CT19的各種半軸和扣板。“自由脫扣”是在一定技術(shù)歷史背景下提出的，不但不能執行正常的分閘操作，還會(huì )對操作者造成人身安全事故。對于電磁機構，直流電源由老式CZO-40C型直流接觸器操作控制，它的“分閘時(shí)間”(切除控制線(xiàn)圈電源到主觸頭分開(kāi)的時(shí)間)約為150~200 ms。若無(wú)自由脫扣功能，配電磁機構的斷路器也無(wú)法執行正常的分閘操作，即使采用新型專(zhuān)為斷路器設計的CZO-40D型直流接觸器(動(dòng)作時(shí)間約70 ms)，在少油開(kāi)關(guān)做合分閘操作時(shí)，由于高質(zhì)量的合閘鐵芯來(lái)不及復位，將阻攔動(dòng)導電桿運動(dòng)路線(xiàn)，降低分閘開(kāi)關(guān)速度，影響開(kāi)斷性能。而真空斷路器就無(wú)此顧慮。技術(shù)的發(fā)展，使某種限制消亡是歷史的必然。GB1984標準和電力部訂貨技術(shù)條件都取消了自由脫扣對電磁機構配真空開(kāi)關(guān)的限制。因此新設計的CD17保留自由脫扣功能表明設計者思想不夠開(kāi)放。而CT17及CT19彈簧機構搞自由脫扣無(wú)異是畫(huà)蛇添足，造成結構無(wú)謂的復雜，降低了可靠性，在國外(如日本、德國)也有取消自由脫扣器來(lái)提高可靠性的報導文章。
2.1.2、一體化設計
以真空滅弧室單元配用獨立型號的操動(dòng)機構(電磁或彈簧)單元組成斷路器的構思是從少油開(kāi)關(guān)延續下來(lái)的觀(guān)念。因為這種方式用在真空斷路器領(lǐng)域不論對機械性能還是電氣性能是有百害而無(wú)一利的。不論CD10、CD17、CT8、CT17及CT19等本身是由五連桿體系組成的。它的輸出軸并不是斷路器的主軸，還必須使其輸出軸和斷路器主軸組成另一套四連桿來(lái)傳遞合閘力，這樣使結構復雜，傳動(dòng)損耗大。與其對比一體化的斷路器(如ZN12、ZN18、VD4、VM1、VS1，其中ZN12、ZN18、VD4、VS1為彈簧力操作;VM1為永磁力操作)是由一套四連桿組成，其中一個(gè)絞點(diǎn)即為斷路器的主軸，結構簡(jiǎn)單，傳動(dòng)損耗小，可靠性大為提高。因此，應大力發(fā)展此類(lèi)真空斷路器。
2.2、處理好斷路器的分閘過(guò)程
真空斷路器的分閘過(guò)程并不是人們想象的這樣簡(jiǎn)單，如何處理這些過(guò)程是真空斷路器設計優(yōu)劣的重要標志。
2.2.1、處理好分閘起始階段(引弧階段)
現代理論證明真空斷路器的初分階段(0~3mm)，對開(kāi)斷性能至關(guān)重要。真空斷路器在分閘初始的電弧電流總是由集聚型向擴散型轉變，此過(guò)程轉變的越快越好。目前凡是搞這一行的技術(shù)人員都應將此觀(guān)念貫徹到設計中去。
加快分閘初始的電弧電流由集聚型向擴散型過(guò)程轉變，有三種措施。
�、贉p少運動(dòng)零部件的質(zhì)量:在研制真空斷路器過(guò)程中，減小導電夾來(lái)減小運動(dòng)的零部件質(zhì)量，經(jīng)對比，結果是初分速度不同程度上有所提高。
�、谠龃蠓珠l彈簧彈力，且要使其在分閘初期(0~3 mm)發(fā)揮作用。
�、塾|頭壓縮行程必須盡量的小(2~3 mm)，使分閘彈簧盡早地參加分閘運動(dòng)。因為傳統的斷路器動(dòng)靜觸頭接觸方式皆是插入式。當發(fā)生短路電流時(shí)，電動(dòng)力使梅花觸指抱緊導電桿，在動(dòng)導電桿的運動(dòng)方向分力為零。而真空斷路器的動(dòng)靜觸頭接觸方式為平面接觸，當短路電流發(fā)生時(shí)其強大電動(dòng)力對觸頭運動(dòng)是排斥力。這樣觸頭的分離就不必等觸頭壓縮彈簧完全釋放之后由分閘彈簧來(lái)拉動(dòng)了，它的分離和主軸運動(dòng)時(shí)間并無(wú)滯后(或滯后甚小)，如果壓縮彈簧的行 程很小，則分閘彈簧可盡早地參加運動(dòng)。以便提高初分速度。因此現在研制的真空斷路器的觸頭壓縮彈簧的壓縮就盡量的小(2~3 mm)，既然初分階段的原動(dòng)力是電動(dòng)力的排斥力，要減小的運動(dòng)質(zhì)量范圍就是全部運動(dòng)的零部件�？梢�(jiàn)分體型結構及拼湊型結構移植到真空斷路器設計上來(lái)，由于連桿太長(cháng)、太多，對提高真空斷路器的初分速度是不利的。
