真空斷路器工作原理

真空斷路器工作原理與其他斷路器相比之是滅弧介質(zhì)不同罷了，真空不存在導(dǎo)電介質(zhì)，使電弧快速熄滅，因此該斷路器的動靜觸頭之間的間距很小。該斷路器一般用于電壓等級相對低的廠用電配置中！隨著電力系統(tǒng)的迅猛發(fā)展， 10kV真空斷路器在我國已經(jīng)大批量地生產(chǎn)和使用。對于檢修人員來說，提高對真空斷路器的認(rèn)識，加強(qiáng)維護(hù)保養(yǎng)，使其安全運(yùn)行，成了一個迫在眉睫的問題。本文以ZW27—12為例，簡要說明真空斷路器的原理與維修。

一、真空的絕緣特性

真空具有很強(qiáng)的絕緣特性，在真空斷路器中，氣體非常稀薄，氣體分子的自由行程相對較大，發(fā)生相互碰撞的幾率很小，因此，碰撞游離不是真空間隙擊穿的主要原因，而在高強(qiáng)電場作用下由電極析出的金屬質(zhì)點(diǎn)才是引起絕緣破壞的主要因素。

真空間隙中的絕緣強(qiáng)度不僅與間隙的大小，電場的均勻程度有關(guān)，而且受電極材料的性質(zhì)及表面狀況的影響較大。真空間隙在較小的距離間隙（2—3毫米）情況下，有比高壓力空氣與SF6 氣體高的絕緣特性，這就是真空斷路器的觸頭開距一般不大的原因。

電極材料對擊穿電壓的影響主要表現(xiàn)在材料的機(jī)械強(qiáng)度（抗拉強(qiáng)度）和金屬材料的熔點(diǎn)上?？估瓘?qiáng)度和熔點(diǎn)越高，電極在真空下的絕緣強(qiáng)度越高。

實(shí)驗(yàn)表明，真空度越高，氣體間隙的擊穿電壓越高，但在10-4 托以上，就基本保持不變了，所以，要保持真空滅弧室的絕緣強(qiáng)度，其真空度應(yīng)不低于10-4托。

二、真空中電弧的形成與熄滅

真空電弧和我們以前學(xué)習(xí)的氣體電弧放電現(xiàn)象有很大的差別，氣體的游離現(xiàn)象不是產(chǎn)生電弧的主要因素，真空電弧放電是在觸頭電極蒸發(fā)出來的金屬蒸汽中形成的。同時，開斷電流的大小不同，電弧表現(xiàn)的特點(diǎn)也不同。我們一般把它分為小電流真空電弧和大電流真空電弧。

1、小電流真空電弧

觸頭在真空中開斷時，產(chǎn)生電流和能量十分集聚的陰極斑點(diǎn)，從陰極斑點(diǎn)上大量地蒸發(fā)金屬蒸汽，其中的金屬原子和帶電質(zhì)點(diǎn)的密度都很高，電弧就在其中燃燒。同時，弧柱內(nèi)的金屬蒸汽和帶電質(zhì)點(diǎn)不斷地向外擴(kuò)散，電極也不斷的蒸發(fā)新的質(zhì)點(diǎn)來補(bǔ)充。在電流過零時，電弧的能量減小，電極的溫度下降，蒸發(fā)作用減少，弧柱內(nèi)的質(zhì)點(diǎn)密度降低，最后，在過零時陰極斑消失，電弧熄滅。

有時，蒸發(fā)作用不能維持弧柱的擴(kuò)散速度，電弧突然熄滅，發(fā)生截流現(xiàn)象。

2、大電流真空電弧

在觸頭斷開大的電流時，電弧的能量增大，陽極也嚴(yán)重發(fā)熱，形成很強(qiáng)的集聚型的弧柱。同時，電動力的作用也明顯了，因此，對于大電流真空電弧，觸頭間的磁場分布就對電弧的穩(wěn)定性和熄弧性能有決定性的影響。如果電流太大，超過了極限開斷電流，就會造成開斷失敗。此時，觸頭發(fā)熱嚴(yán)重，電流過零以后仍然蒸發(fā)，介質(zhì)恢復(fù)困難，不能斷開電流。

三、斷路器的結(jié)構(gòu)和工作原理

真空斷路器的生產(chǎn)廠家比較多，型號也較繁雜。按使用條件分為戶內(nèi)（ ZNx—**）和戶外（ZWx—**）兩種類型。主要由框架部分，滅弧室部分(真空泡)，和操動機(jī)構(gòu)部分組成。

斷路器本體部分由導(dǎo)電回路，絕緣系統(tǒng)，密封件和殼體組成。整體結(jié)構(gòu)為三相共箱式。其中導(dǎo)電回路由進(jìn)出線導(dǎo)電桿，進(jìn)出線絕緣支座，導(dǎo)電夾，軟連接與真空滅弧室連接而成。

機(jī)構(gòu)為電動儲能，電動分合閘，同時具有手動功能。整個結(jié)構(gòu)由合閘彈簧，儲能系統(tǒng)，過流脫扣器，分合閘線圈，手動分合閘系統(tǒng)，輔助開關(guān)，儲能指示等部件組成。

工作原理

真空斷路器利用高真空中電流流過零點(diǎn)時，等離子體迅速擴(kuò)散而熄滅電弧，完成切斷電流的目的。

動作原理

儲能過程：當(dāng)儲能電機(jī) 14接通電源時，電機(jī)帶動偏心輪轉(zhuǎn)動，通過緊靠在偏心輪上的滾子10帶動拐臂9及連板7擺動，推動儲能棘爪6 擺動，使棘輪11 轉(zhuǎn)動，當(dāng)棘輪11 上的銷與儲能軸套32的板靠住以后，二者一起運(yùn)動，使掛在儲能軸套上32 上的合閘彈簧21 拉長。儲能軸套32 由定位銷13 固定，維持儲能狀態(tài)，同時，儲能軸套32 上的拐臂推動行程開關(guān)5切斷儲能電機(jī)14 的電源，并且儲能棘爪被抬起，與棘輪可靠脫離。

合閘操作過程：當(dāng)機(jī)構(gòu)接到合閘信號后（開關(guān)處于斷開，已儲能狀態(tài)），合閘電磁鐵 15 的鐵心被吸向下運(yùn)動，拉動定位件13 向逆時針方向轉(zhuǎn)動，解除儲能維持，合閘彈簧21 帶動儲能軸套32逆時針方向轉(zhuǎn)動，其凸輪壓動傳動軸套 30，帶動連板29及搖臂27 運(yùn)動，使搖臂27 扣住半軸25，使機(jī)構(gòu)處于合閘狀態(tài)。此時，連鎖裝置28 鎖住定位件，使定位牛不能逆時針方向轉(zhuǎn)動，達(dá)到機(jī)構(gòu)聯(lián)銷的目的，保證了機(jī)構(gòu)在合閘位置不能合閘操作。

分閘操作過程：斷路器合閘后，分閘電磁鐵接到信號，鐵芯吸合，分閘脫扣器 19 中的頂桿向上運(yùn)動，使脫扣軸16 轉(zhuǎn)動，帶動頂桿18向上運(yùn)動，頂動彎板26 并帶動半軸25 向反時針方向轉(zhuǎn)動。

半軸25 與搖臂27 解扣，在分閘彈簧的作用下，斷路器完成分閘操作。

四、斷路器的調(diào)試

開距與超行程斷路器的開距與超行程的測量可以根據(jù)圖三所示，在分合閘狀態(tài)測量出的 X 值之差為斷路器的開距，Y 值之差為斷路器的超行程。調(diào)整的方法為放長或縮短絕緣操作桿3 或機(jī)構(gòu)與主軸的連桿。

分合閘機(jī)構(gòu)調(diào)整

1、搖臂 27 與半軸25 的扣接量為1.5~2.5mm,可以通過調(diào)整螺釘24 來實(shí)現(xiàn)。

2、傳動軸套 30 轉(zhuǎn)動最大角時，搖臂27 與半軸間要有1.5~2mm的間隙，以保證傳動軸套回落到合閘位置時，搖臂27 能自動扣接到半軸 25 上，可以通過螺釘31 的調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)。

3、輔助開關(guān) 2的轉(zhuǎn)換應(yīng)準(zhǔn)確可靠，可以通過調(diào)整輔助開關(guān)2的拐臂3位置及位桿4 的長短來實(shí)現(xiàn)。

4、在儲能過程中，當(dāng)棘爪到達(dá)最后一個齒的最高點(diǎn)時，應(yīng)能保證儲能軸套 32 上的拐臂使行程開關(guān)的觸點(diǎn)可靠切換，切斷電機(jī)電源，可以通過調(diào)整行程開關(guān)5 的上下前后位置來實(shí)現(xiàn)。

5、調(diào)整分閘合閘彈簧的預(yù)拉長度，保證斷路器的可靠分合，且分合閘速度達(dá)到規(guī)定值。

五、斷路器的控制回路

在我國的農(nóng)網(wǎng) 35KV標(biāo)準(zhǔn)化變電站中，采用了控制母線和合閘母線分開的原則。

在短路器的輔助常閉接點(diǎn)與合閘線圈之間，把斷路器儲能行程開關(guān)的一對常開接點(diǎn)串聯(lián)進(jìn)控制回路。這樣，在斷路器未儲能的情況下，將不能進(jìn)行合閘操作。防止了在斷路器未儲能的情況下合閘，合閘回路保持，燒毀合閘線圈。

同時，在接線的過程中，要注意儲能行程開關(guān)接點(diǎn)中合閘母線與控制母線的極性要一致，防止出現(xiàn)在開關(guān)蓄能時，合閘回路的電弧擊穿行程開關(guān)，造成控制保險的熔斷或控制空氣開關(guān)的掉閘。

這一點(diǎn)在綜合自動化變電站上要特別注意。

六、運(yùn)行維護(hù)與檢修試驗(yàn)

真空斷路器的燃弧時間短，絕緣強(qiáng)度高，電氣壽命也較高，觸頭的開距與行程小，操作的能量小，因此，機(jī)械壽命也較高。在日常的運(yùn)行中，維護(hù)工作量很小，主要檢查機(jī)構(gòu)的運(yùn)動部件磨損情況，緊固件有無松動，清除絕緣表面的灰塵，在活動部位注入一些潤滑脂等。

在春檢預(yù)防性試驗(yàn)中，對開關(guān)的直流電阻測試要與歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)問題及時處理更換，對斷口的工頻耐壓試驗(yàn)，是檢驗(yàn)真空泡是否漏氣的有效方法。（戶內(nèi)真空斷路器可以借鑒斷開負(fù)荷時，真空泡內(nèi)閃光的顏色來初步判斷真空泡的真空度，顏色暗紅時表明真空度降低，顏色淡藍(lán)時，表明真空度良好）保護(hù)定植校驗(yàn)時，對斷路器做低電壓掉合閘試驗(yàn)，檢驗(yàn)開關(guān)在母線故障狀態(tài)時，電壓降低時動作是否可靠。

一、專用真空斷路器

 面臨極其不同的開斷任務(wù)，新的專用斷路器應(yīng)運(yùn)而生。如果用于發(fā)電機(jī)保護(hù)斷路器的特大容量真空斷路器（短路開斷電流高達(dá)63～80kA及以上），標(biāo)準(zhǔn)型真空斷路器（短路開斷電流25～50kA），經(jīng)濟(jì)型真空斷路器（16～25kA），頻繁型真空斷路器（如操作次數(shù)5～6萬次），超頻繁型真空斷路器（如操作次數(shù) 10～15萬次）。如西門子公司的3AH系列斷路器就按使用場合劃分為5種型號，其中3AH1和3AH3型為標(biāo)準(zhǔn)型，操作10000次，3AHZ型為頻繁型，操作6萬次，3AH4為超頻繁型，操作12萬次，3AH5型為經(jīng)濟(jì)型，價格便宜。

二、低過電壓型真空斷路器

眾所周知，真空斷路器因截流會引起截流過電壓，特別在開斷小的感性負(fù)截如電動機(jī)時，一般情況下，為限制過電壓而給真空斷路器配過電壓吸收裝置如SicRC 路，ZnO避雷器等，這使斷路器結(jié)構(gòu)龐大且復(fù)雜化，而且有的限制過電壓不理想。

 日本幾家公司另辟路徑，開發(fā)出低過電壓真空斷路器。它不用加過電壓吸收裝置而用新開發(fā)出的觸頭材料，將過電壓限制至常規(guī)值的十分之一。低過電壓觸頭材料東芝為AgWC日立為Co－Ag－Se，三菱為Cu－Cr－Bi－α，富士為CuCr＋高蒸氣材料。這些公司一般做到7.2kV下20kA，只有東芝公司做到7.2kV下40kA。

三、多功能真空斷路

眾所周知真空斷路器迄今為二I位（即合一分）完成關(guān)合和開斷任務(wù)?，F(xiàn)在出現(xiàn)了多功能真空斷路器，賦予了多個功能，如合—分—隔離—接地等。西門子公司、 Alstom公司、日立公司均有這樣的產(chǎn)品。西門子公司最新推出NXACT型模塊式真空斷路器具有多功能：集關(guān)合、開斷、隔離、接地及聯(lián)鎖于一體。Alstom公司配VISAX開關(guān)柜的真空斷路器為三I位（合—分—隔離）。日立公司與東京電力公司合作研發(fā)的24kV真空斷路器為四I位（合—分—隔離—接地）。

為使產(chǎn)品多功能化，從現(xiàn)有產(chǎn)品看，有兩種做法：一是真空斷路器相柱在開斷后移動或旋轉(zhuǎn)，形成隔離和接地；另一是真空滅弧室內(nèi)觸頭旋轉(zhuǎn)完成隔離和接地。西門子公司NXAct型產(chǎn)品為開斷后相柱移動完成隔離和接地，而Alstom公司為開斷后相柱旋轉(zhuǎn)完成隔離任務(wù)，日立公司通過滅弧室內(nèi)觸頭旋轉(zhuǎn)完成隔離和接地任務(wù)。

四、同步斷路器

同步斷路器又叫選相真空斷路器或受控真空斷路器。其基本原理是使真空斷路器在電壓或電流最有利時刻關(guān)合或開斷。

與普通真空斷路器相比，同步斷路器具有如下優(yōu)勢：1.降低了電網(wǎng)瞬態(tài)過電壓負(fù)荷；2.改善了電網(wǎng)供電質(zhì)量；3.提高了斷路器電壽命及性能；4.簡化了電網(wǎng)設(shè)計，從而降低了整個系統(tǒng)費(fèi)用。

 ABB公司利用數(shù)字電子器件和磁力操動機(jī)構(gòu)已開發(fā)出了同步真空斷路器，這是一個良好的開端。

五、智能型真空斷路器

真空斷路器智能化是建立在現(xiàn)代傳感技術(shù)和數(shù)字化控制技術(shù)之上。國外制造公司都使自己的產(chǎn)品具有智能，這是配電自動化的需要，也是斷路器本身控制保護(hù)的需要。如Alstom公司的DCX型可編程序數(shù)字控制裝置，ABB公司的REF542型控制和保護(hù)裝置，西門子公司第二代數(shù)字保護(hù)裝置等。

由以上可知，真空斷路器發(fā)展很快，究其原因，固然很多，但有兩條是基本的：一是真空滅弧室技術(shù)的進(jìn)步；二是操動機(jī)構(gòu)技術(shù)的進(jìn)步。真空滅弧室是真空斷路器的心臟。真空滅弧室的進(jìn)步表現(xiàn)在如觸頭材料從CuBi轉(zhuǎn)變成CuCr，提高了開斷能力，并降低了截流值，同時磁場從橫磁場轉(zhuǎn)向縱磁場，提高了開斷能力，減少了觸頭的燒損。在工藝上，一次排封工藝的采用，大大提高了滅弧室性能及可靠性。

操動機(jī)構(gòu)被稱之為真空斷路器的神經(jīng)中樞。原先用電磁機(jī)構(gòu)，后出現(xiàn)了彈簧機(jī)構(gòu)，最新又出現(xiàn)了永磁機(jī)構(gòu)。彈簧機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，零件數(shù)多（多達(dá)200個），加工精度要求高，且彈簧機(jī)構(gòu)的出力特性與真空斷路器的負(fù)載特性不相匹配，要在凸輪輪廓曲線和連桿結(jié)構(gòu)上進(jìn)行合理設(shè)計。永磁機(jī)構(gòu)的機(jī)械結(jié)構(gòu)特別簡單，零部件比任何其他機(jī)構(gòu)都要少，運(yùn)動部件可以減少至一個，因而機(jī)械可靠性特別高，而且永磁機(jī)構(gòu)的出力特性能與真空斷路器的負(fù)載特性很好的匹配。永磁機(jī)構(gòu)用永磁鎖扣，電容器（或直流屏供電）儲能，用電子控制。永磁機(jī)構(gòu)特別適用于頻繁操作，如可達(dá)6萬～15萬次。

在世界上，特瑞能電氣公司（TAVRIDA ELECTRIC AG簡稱TEL公司）于1974年首創(chuàng)配永磁機(jī)構(gòu)的真空斷路器模型，1989年配永磁機(jī)構(gòu)的免維護(hù)真空斷路器投放市場，1993年配永磁機(jī)構(gòu)的真空斷路器在荷蘭KEMA試驗(yàn)站通過了型式試驗(yàn)。1994年配永磁機(jī)構(gòu)的ISM型真空斷路器獲得俄羅斯專利（專利號N.020631）自此以后，ABB、 Josly、Cooper、Whipp＆Bourn等公司均開發(fā)出自己的配永磁機(jī)構(gòu)的真空斷路器。如ABB公司1997年開發(fā)成功配永磁機(jī)構(gòu)的VM1型真空斷路器。配永磁機(jī)構(gòu)的真空斷路器不僅用于戶內(nèi)斷路器，也用于戶外斷路器和重合器，如TEL公司的OSM型重合器和Whipp＆Bourne公司的GVR 型戶外重合器。

上個世紀(jì)90年代后期，配永磁機(jī)構(gòu)的真空斷路器傳入我國，我國許多公司開發(fā)出永磁機(jī)構(gòu)，而且有的試驗(yàn)到10萬次，配永磁機(jī)構(gòu)的真空斷路器如VSM和VSIA 型、ZN23－40.5型、ZN65型、ZWD－12型、ZND－40.5型等產(chǎn)品。

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