提高真空断路器短路关合与开断试验成功率.doc

如何提高真空断路器短路关合与开断试验成功率 东芝白云真空开关管（锦州）有限公司 常玉斌摘要：真空断路器的短路关合与开断能力试验（含电寿命试验）对断路器及真空灭弧室的设计参数、断路器的分合闸速度等机械参数及机构操作功的确定起主导作用，对产品定型影响最大。而要提高真空断路器短路关合与开断试验的成功率，真空断路器配件的选择及机械参数的调整极为关键。本文仅就型式试验前真空灭弧室的选择及断路器机械参数的调整做以阐述。关键词：真空断路器 短路关合与开断 型式试验 真空灭弧室 机械参数1 概述利用真空作为触头间的绝缘与灭弧介质的断路器称为真空断路器。真空断路器在使用中灭弧室无需定期打压检测；正常短路关合与开断中不会产生很高的压力，无爆炸危险性；开断短路电流时没有很大的噪声。因此，近年来，在7.240.5kV中压领域，真空断路器的市场占有率逐年提高。由于真空断路器开断过程中牵涉到的问题极为复杂，目前还不能完全依靠理论分析和定量计算的方法设计出符合各项开断性能和其它要求的真空断路器。因此，一种新的真空断路器投入市场或老产品转产生产必须进行型式试验。GB1984-2003将断路器的型式试验项目分为强制的型式试验项目（共11项）和适用时强制的型式试验项目1（共13项）。高压真空断路器型式试验的主要目的是为了考核真空断路器的关合与开断性能及绝缘性能等，另外也能检验灭弧室及其它部分的结构设计、制造工艺和材料的选择是否正确合理。笔者作为真空灭弧室制造厂家的技术支持人员，曾在电力工业部电力设备及仪表质量检验测试中心高压开关及直流电源质检站（北京）、机械工业高压电器产品质量检测中心（沈阳）及西安高压电器研究所高压电器试验室多次配合真空断路器（开关柜）的制造厂家进行真空断路器型式试验，积累了一定的经验。断路器的短路关合与开断能力试验（含电寿命试验）对断路器及真空灭弧室的设计参数、断路器的分合闸速度等机械参数及机构操作功的确定起主导作用，对产品定型影响最大。试验一旦失败，较其它试验项目相比，对断路器及灭弧室的损坏程度最大，试验费用的损失也最大。因此，要提高真空断路器短路关合与开断试验的成功率，真空断路器配件的选择及机械参数的调整极为关键。本文仅就型式试验前真空灭弧室的选择及断路器机械参数的调整做以阐述。2 真空灭弧室的选择真空灭弧室作为真空断路器的核心器件，在短路关合与开断中起着至关重要的作用。很多真空断路器的制造厂家在做型式试验时都非常关心真空灭弧室是否是“试验管”。就目前国内几家大型真空灭弧室厂家的制造水平而言，“试验管”和正常销售的管子从总体质量上已没什么太大的区别。从一次封排的生产工艺上来讲，也不可能人为地提高“试验管”的技术指标。因此，过分强调“试验管”的作用无疑是对真空断路器制造厂家的一种误导。但型式试验毕竟是一种“可破坏性”试验，其短路关合与开断的严酷条件是正常使用所无法比拟的。因此，作为真空灭弧室的制造厂家，在选择型式试验用的真空灭弧室时，还是比较慎重的。锦州华光电力电子（集团）公司在生产“试验管”时，技术人员对制造过程全程监控，以便掌握真空灭弧室的全面数据。这也是对断路器厂家的一种负责态度。2.1 触头如果说真空灭弧室是真空断路器的心脏，那么触头无疑就是真空灭弧室的心脏。触头的质量对真空断路器短路关合与开断的成败都起着至关重要的作用，无论是触头材料本身的问题还是生产过程中人为的污染，一旦发生，在短路开断的瞬间由于电弧的高温作用会分解、放气，使得真空灭弧室内真空度瞬间降低而造成不熄弧，使短路开断失败。2.1.1 触头材料目前作为真空断路器用真空灭弧室的触头材料一般为CuCr合金。CuCr合金触头具有如下特点：1)工作时Cu和Cr的变化具有同步性，因此可以保证开断性能不变；2)介质强度恢复快；3)触头电磨损小；4)吸气能力大，Cr与O2有很大的亲和力，同时也能大量吸收CH4、CO、N2、和H2等气体2。衡量触头材料质量水平的指标主要有Cu和Cr的比例、材料的硬度、密度、金相分布及含气量，其中含气量主要考核含N2量和含O2量。由于CuCr触头在开断中Cr对O2具有强力亲和效应及灭弧室内吸气剂的作用，一般对含N2量的考核指标更为严格。对于以上指标，除要求触头厂家提供产品抽检报告单及质量保证书外，锦州华光电力电子（集团）公司还要对每批触头来料抽样化验分析，只有所有指标满足要求，该批触头才可以进入生产环节。2.1.2 过程控制除触头材料本身的问题，真空灭弧室在生产制造过程中还要严格控制各环节对触头的污染。进入真空炉前各道工序的超声波清洗及出炉后的超高压老炼和电流老炼对清洁触头表面的污物极为重要。真空灭弧室在常温下触头一般不会放出太多气体，但在开断电流的过程中，可能放出较多的气体而影响真空灭弧室的开断能力。真空灭弧室的老炼工艺是提高触头间隙击穿电压及清洁触头表面的有效措施。老炼工艺根据放电参数分为电压老炼和电流老炼两类。电压老炼回路中串联的限流电阻较大，放电时产生火花放电。 电流老炼回路中串联的限流阻抗较小，可以形成电弧放电。2.1.2.1 超高压老炼超高压老炼可以消除触头表面毛刺，金属和非金属微粒以及各种污物和有机夹杂物等。在进行超高压老炼时，电极电压逐步提高，随着外加电压的升高，电极表面不断出现火花和闪络。以后火花和闪络会逐渐消失，再增加电压后，上述过程重复出现，直至稳定在设定的外施电压值。锦州华光电力电子（集团）公司引进的美国西屋公司的超高压老炼设备，可以使12kV的真空灭弧室，在绝缘油中达到150kV的老炼效果。2.1.2.2 电流老炼电流老炼是用一百至几百安培的电流，通过真空灭弧室的触头间隙形成均匀的扩散型真空电弧，利用在一定时间内电弧连续放电的烧蚀作用，改善触头表面状况。电流老炼为直流老炼。电流老炼对触头表面的烧蚀作用主要来自正离子对阴极的轰击，对阴极表面有较好的烧蚀作用，而在阳极表面并没有电弧烧蚀的痕迹3。因而在进行电流老炼时，需采用正负极性轮流放电，以保证两个触头表面都达到足够的老炼效果。电流老炼与电压老炼比较，其特点是放电能量大，可以均匀的烧蚀掉触头表面一层，有效除掉触头表面存在的金属氧化物和油渍、手汗等污物，提高真空灭弧室的动态绝缘，防止开断过程中因杂质在电弧作用下分解、放气而造成真空灭弧室内真空度的降低。2.2 真空灭弧室各项性能参数真空灭弧室出厂时主要测试的参数有真空度、额定触头压力下限时的接触电阻、工频耐压、雷电冲击耐压、同轴度、触头自闭力及额定开距下的反力。这些参数是由合理的设计方案与先进的生产制造工艺及完善的质量监督体系来保障的。通过计算机辅助设计，优化了真空灭弧室内部电场分布；先进的机加手段和自动化的清洗设备使得零件的光洁度及清洁度得以保证；加之超高压老炼和电流老炼的作用，使得真空灭弧室的绝缘强度保持在较高的水平。对于12kV真空灭弧室，在做型式试验时，GB1984规定的工频耐压为48kV，雷电冲击耐压为85kV，而通过上述设计和工艺过程的保证，锦州华光电力电子（集团）公司生产的真空灭弧室工频耐压可达5060 kV，雷电冲击耐压可达95110 kV。设计合理的装配模具及先进的一次封排工艺保证了出炉后真空灭弧室的真空度、同轴度等各项参数的一致性。真空灭弧室出炉后的锤击试验、高压储存及出厂前的静态存放使得个别慢漏的管子得以剔除，从而使真空灭弧室的真空度更加得以保证。3 真空断路器机械参数的调整真空断路器的关合与开断过程是靠真空灭弧室内触头的运动来实现的，真空断路器机械特性的好坏在很大程度上决定了真空灭弧室的开断性能，因而真空断路器各项机械参数的调整也是依据真空灭弧室的要求来进行的。型式试验中由真空灭弧室本身造成的问题，最大的可能就是真空灭弧室的漏气或触头问题，这种情况在真空灭弧室出厂前的工艺过程和参数测试中基本上是可以控制的，因而由真空灭弧室本身的问题造成开断失败的概率很小。在型式试验中所出现的诸如触头熔焊、不熄弧、重燃、重击穿等现象绝大多数都是由于真空断路器参数调整不当造成的，而其最终的结果却体现在真空灭弧室上。 3.1 触头开距与分合闸不同期3.1.1 触头开距触头开距指分闸状态时, 真空灭弧室两触头之间的距离。触头开距的大小主要是由真空断路器的额定电压决定的，从提高绝缘水平这个角度讲，应适当增大触头开距。但触头开距过大，会带来一些其它的弊端。对于M2级真空断路器，一万次的机械寿命试验对真空灭弧室内波纹管是一种严酷的考验。根据GB1984的要求，在做温升及机械寿命试验时是允许在另一台新的真空断路器上试验的，在这种情况下触头开距应适当减小。从开断能力这个角度分析，触头开距过大，将会显著地降低触头间有效纵向磁场的强度2，使短路开断能力下降。因此，在增大触头开距时要充分考虑对开断能力的影响。由于设计及生产工艺的不同，对于开距这一指标，各真空灭弧室厂家的要求略有不同。型式试验前实际调整时建议开距尽量靠近真空灭弧室厂家给定范围的中心值。3.1.2 分合闸不同期理想状态下真空断路器的三相开距应该是完全一致的，三相同时关合，同时开断，平均分配能量。但实际调试中是很难达到的，其差值也没有统一的规定。为满足实际运行需要，又引入了触头合闸和分闸不同期性这一指标，来控制三相开距的差值。对于触头合闸和分闸不同期性这一指标，真空灭弧室的生产厂家均要求不大于1ms，实际调整时越小越好。3.2 分闸速度与分闸反弹3.2.1 分闸速度分闸速度分为刚分速度和平均分闸速度。动静触头刚分离瞬间的速度称为刚分速度。平均分闸速度真空灭弧室厂家一般规定为075行程内的平均速度。某些真空断路器厂家在测试平均分闸速度时一般取缓冲器作用前这段距离，对于12kV真空断路器，一般取6mm左右。分闸速度的大小直接影响电流过零后触头间介质强度的恢复速度。如果在电弧熄灭后，触头间介质强度的恢复速度小于恢复电压的上升速度，将造成电弧重燃。为防止电弧重燃，必须有足够的分闸速度。分闸速度的指标主要是由额定电压和开距决定的,也与短路开断电流有一定的关系。真空断路器在短路开断试验中，随着开断电流的逐渐增大，其平均燃弧时间也随之增长，分散性也增大，重燃和重击穿的概率增大4。因此，对于同一电压等级的真空断路器，开断电流越大，所要求的分闸速度也就越高。型式试验中，真空断路器的燃弧时间一般为312ms。燃弧时间越短，对触头的烧损越轻，重燃或重击穿的概率也越小，表明真空断路器的开断能力越强。真空断路器的燃弧时间的长短不但体现了真空灭弧室的灭弧性能，同样也体现了机构动作的合理性4。对于真空断路器开断能力影响最大的不是平均分闸速度，而是刚分速度。若刚分速度不高，电弧在第一个过零点触头间隙很小，此时金属蒸汽尚处于高密度状态。由于动静触头没有达到足够的开距，很容易导致电弧的重燃。因此，从提高开断性能这个角度，刚分速度越大越好。提高刚分速度的另一好处是短路开断时很容易拉断动静触头间轻微的熔焊点。平均分闸速度或最大分闸速度则不宜过大，否则，不仅造成分闸反弹的增大，结构元件的机械强度及对真空灭弧室内波纹管的损害都会变成突出的问题。真空断路器的结构参数对刚分速度有直接的影响5。分闸弹簧在分闸全过程中都起作用，既影响刚分速度，也影响平均分闸速度和最大分闸速度；触头弹簧只在超行程阶段起作用，对刚分速度有较大的影响，而对平均分闸速度和最大分闸速度的影响却较小，因此，适当增大触头弹簧刚度和超行程来提高刚分速度是提高分闸速度的优选办法。分闸速度经验值见表1，型式试验前实际调整时建议分闸速度取中心值以上。表1电压等级（kV）1227.540.5电流等级（kA）12.531.540506380分闸速度(m/s)1.0±0.21.2±0.21.4±0.21.6±0.21.8±0.23.2.2. 分闸反弹真空断路器在开断过程中出现反弹是不可避免的。过大的分闸反弹将会引起开断过程中的重燃，对波纹管的寿命也有一定的影响。影响分闸反弹的因素有两个，一个是平均分闸速度或最大分闸速度，另一个是分闸缓冲器的缓冲性能。为提高分闸速度来调整分闸弹簧时必须兼顾对分闸反弹的影响。目前真空断路器厂家大多都选用油缓冲器或橡皮缓冲器。油缓冲器缓冲能力强，几乎没有反弹力。橡皮缓冲器结构简单、造价低，缺点是有反弹力。它们共同的缺点是受环境温度影响较大。油缓冲器在低温时粘性增大，制动力显著增大；橡皮缓冲器在低温下橡皮弹性变差，影响缓冲性能5。型式试验中发现，温度过低对真空断路器的机械参数有很大的影响。当温度低于零下20后，弹簧受温度影响变硬；有些南方厂家为防潮在弹簧表面涂上润滑油；加之油缓冲器制动力的增大，致使某些户内真空断路器的分合闸速度变得较低，使型式试验无法进行。在做合成试验时，分闸时间的不稳定会严重影响合成的成功率，既影响试验进度，又多花费试验费用。户内断路器使用条件6对环境温度的要求分为两个等级，允许的最低温度分别为15和25。所以，真空断路器厂家在冬季做型式试验时，要根据产品的温度等级，充分考虑环境温度的影响，选择优质的弹簧材料，分、合闸弹簧及触头弹簧最好不要涂抹润滑油或选用低温油（包括油缓冲器）。现场解决的方法一般是用碘钨灯烘烤，这种方法对尺寸较小的真空断路器效果更明显一些。分闸反弹幅值经验值为12kV真空断路器小于1.5mm，27.5kV及以上真空断路器小于2mm。实际调整时分闸反弹越小越好。3.3 合闸速度与合闸弹跳3.3.1 合闸速度合闸速度是指真空断路器在合闸过程中动触头向静触头运动的平均速度。由于真空灭弧室在额定开距时的静态耐压水平比较高，因而真空断路器的合闸速度可以比分闸速度低很多。不同电压等级的真空灭弧室要求的合闸速度略有不同，在相同电压等级下，合闸速度在比较大的范围内对关合能力影响不大。合闸速度的确定主要考虑两个因素，一个是刚合前的预击穿，另一个是合闸弹跳。因合闸速度较慢而导致预击穿时间过长及因合闸速度较快而导致的弹跳时间过长都易产生合闸熔焊。型式试验前实际调整时建议合闸速度尽量靠近真空灭弧室厂家给定范围的中心值。3.3.2 合闸弹跳合闸弹跳是指在合闸过程中触头走完行程，两触头刚接触上又分开瞬间到触头完全接触不再分开所经历的时间。在短路关合时合闸弹跳时间过长易导致触头熔焊。影响合闸弹跳的因素较多，除合闸速度外，真空灭弧室的触头材料、触头结构和真空断路器的触头压力、超行程、动端的质量、机构的传动间隙等对弹跳都有很大的影响。有些影响因素需要在真空断路器的设计过程中就要考虑。为抑制合闸弹跳，真空断路器厂家需要采取的措施有：1)选择刚性好的触头弹簧；2)合闸速度要适宜；3)保证足够的超行程；4)尽量减小动端质量；5)减小机构传动环节的装配间隙；6)保证真空断路器各支撑部件的强度及相关部分的螺栓紧固不松动等。型式试验过程中短路关合时产生的电动力是阻止触头关合的斥力，对弹跳有一定的缓解作用，所以实际短路关合时的弹跳会比空载时测得的弹跳要小一些。各真空灭弧室生产厂家一般要求合闸弹跳时间不大于2 ms，实际调整时越小越好。3.4 触头压力和超行程3.4.1 触头压力真空断路器在合闸状态时，操动机构施加给真空灭弧室的外加压力与真空灭弧室的触头自闭力之和为真空灭弧室的触头压力。触头压力分为触头初压力和触头终压力。由于真空灭弧室在封排后其自闭力是固定的，触头终压力的大小主要取决于触头弹簧的刚度和超行程；触头初压力的大小主要取决于触头弹簧的刚度和触头簧的预压缩量。触头压力主要有以下几方面的作用：1)可以使真空灭弧室的接触电阻保持在规定的数值之内，在一定的范围内，触头终压力越大，接触电阻越小；2)可以满足动稳定的试验要求，在做动稳定试验时，触头终压力必须大于动稳定电流所产生的斥力，否则会导致触头斥开使真空灭弧室炸裂烧毁；3)可以抑制合闸弹跳，足够的触头初压力是减小合闸弹跳的有效措施之一；4)可以预防短路关合时由于过大的触头斥力而产生的触头熔焊，型式试验中短路合分操作时触头间的熔焊绝大多数都是由于触头终压力不足造成的。在保证上述作用的前提下，触头压力也不宜过大。过大的触头压力既增加了操动机构的合闸功，也易造成真空灭弧室在合闸时的机械损伤，如触头的变形和导电杆的弯曲及压缩等。CuCr触头终压力经验值见表2，型式试验前实际调整时建议取中心值以上。表2短路开断电流（kA）12.516202531.540506380额定触头压力（N）1100±1001500±2001700±2002600±2003100±2004200±3005700±3006700±30010000±10003.4.2 超行程超行程是指合闸操作中，开关触头接触后动触头部件继续运动的距离。超行程的作用体现在以下几个方面：1)保证触头在一定的电磨损后仍能保持足够的触头终压力；2)借助触头弹簧力为合闸提供缓冲，抑制合闸弹跳；3)在分闸时使动触头获得一定的初始加速度，提高刚分速度，拉断轻微熔焊点。和触头压力一样，超行程也不是越大越好。超行程太大，在同样的触头弹簧刚度的情况下会增加操动机构的合闸功，容易造成合闸不到位而使合闸变得极不可靠。真空断路器的超行程一般取触头开距的15407。真空灭弧室厂家没有给出具体的推荐值，实际调整应与触头弹簧的刚度兼顾考虑，要保证给出足够的触头终压力4. 结束语真空灭弧室的制造质量和真空断路器的机械参数是型式试验中影响短路关合与开断成功率的主要因素。真空灭弧室出厂后其各项指标几乎不再变化，基本不受人为因素及环境因素的影响。真空断路器从出厂前的装配到型式试验前的调整要经过多次的机械磨合，其机械参数受人为因素及环境因素的影响较大。且不同的真空断路器厂家对型式试验中机械参数的理解也有略有不同，这就需要真空断路器厂家和真空灭弧室厂家的技术（试验）人员在试验前的充分沟通。只有对真空灭弧室的性能指标和真空断路器的机械参数有了足够的了解和掌握，才能将真空断路器的总体性能调整到最佳状态。参考文献：1GB1984-2003高压交流断路，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，2004.2王季梅，真空灭弧室的设计、制造及应用，西安交通大学出版社1993.3钱家骊、张节容等、古嘉琴等，高压开关开合电容电流和小电感电流，中国电力出版社，1999.4苑舜，真空断路器操动机构的设计与优化，中国电力出版社，1997.5徐国政、张节容、钱家骊等，高压断路器原理和应用，清华大学出版社，2000.6DL402交流高压断路器订货技术条件，中华人民共和国能源部，1991.7王季梅、吴维忠、魏一钧等，真空开关，机械工业出版社，1983作者简介常玉斌，男，1964年出生，教授级高级工程师。