高压真空断路器设计.docx

高压真空断路器设计.docx

《高压真空断路器设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《高压真空断路器设计.docx（27页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

高压真空断路器设计

毕业设计

题目：

高压真空断路器设计

院：

电气信息学院

专业：

电气工程及其自动化班级：

学号：

学生姓名：

导师姓名：

李建明

完成日期：

2021年6月8号

诚信声明

本人声明：

一、本人所呈交的毕业设计（论文）是在教师指导下进行的研究工作及取得的研究功效；

二、据查证，除文中专门加以标注和致谢的地址外，毕业设计（论文）中不包括其他人已经公布发表过的研究功效，也不包括为取得其他教育机构的学位而利用过的材料；

3、我许诺，本人提交的毕业设计（论文）中的所有内容均真实、可信。

作者签名：

日期：

年月日

湖南工程学院

毕业设计（论文）任务书

设计（论文）题目：

高压真空断路器设计

姓名院别电气信息学院专业电气工程及其自动化班级1001学号

指导教师李建明教研室主任谢卫才

一、大体任务及要求：

本课题要紧设计内容是：

以高压真空断路器技术条件为标准，给定要紧技术参数，以ZN型真空断路器为参照，设计一台真空断路器并进行有关验算。

1、要紧技术参数

额定电压：

10KV额定电流：

630A额定频率:

50Hz合闸电压:

220V分闸电压：

220V

外形尺寸：

800×850×590。

安装尺寸：

700×800

2、大体任务及要求

1）、真空灭弧理论研究

2）、真空灭弧室的设计计算

3）、触头设计。

4）、动、热稳固验算。

温升验算。

5）、绝缘结构分析。

5）、操动机构选用及有关计算。

6）、真空断路器总装配图设计，零件图设计。

7）、编写说明书。

二、进度安排及完成时刻

1月10日，布置任务，下达任务书。

1月11日—3月15日，查阅资料，撰写文献资料，撰写开题报告。

3月16日—3月29日，毕业实习，撰写实习报告。

3月30日—6月15日，毕业设计。

6月16日—6月19日，撰写毕业设计说明书

6月20日修改、装订说明书。

6月21日答辩

高压真空断路器

摘要：

最近几年来随着世界各国对环境爱惜愈来愈重视，SF6气体的利用和排放便受到限制，从而使电器领域内SF6断路器的进展也必将受到限制。

同时，真空断路器在中压领域己经占据了主导地位，真空断路器将不断向高电大容量方向发必然的趋势绝缘介质的压真空断路器取代高压SF6断路器是种国内第一次设计了不用SF6气体作灭弧室外嚷提出以绝缘硅脂代替kV/1600户外高压真空断路器样机，顺应环保的要传统的SF6气体或油作为真空灭弧室的外绝缘介质。

随着真空断路器电压品级的升高和它操作功的增大，产品开发进程中将会碰到一些新问题。

1997年联合国在日本京都召开了联合国气候转变框架公约。

京都议定书把SF6气体列入为一种严峻温室效应的气体，规定到2030年后将禁用SF6断路器及有关应用SF6气体的设备。

最近几年来世界各国均在致力于研究可替代SF6气体的电气设备，包括SF6断路器。

而真空断路器是无污染可持续进展的最杰出代表。

我国真空断路器水平和国外真空断路器还有专门大的差距，在国际的市场，国内的市场竞争中处于劣势。

为了我国电气的生存和进展咱们的必需严肃对待真空断路器的研究。

本文主要设计内容是以给定的要紧技术参数，以ZN型真空断路器为参照，设计一台真空断路器并进行有关验算。

关键词：

高压真空断路器

High-voltageVacuumCircuitBreaker

Abstract：

Recently,peoplepaymoreatentiontohumanlivingenvironmentintheworld,andSF6islimitedtobeusedandbeletout,sothedevelopmentofSF6circuitbreakerisrestricted.Onthecontrary,middlevoltagevacuumcircuitbreaker（VCB）hasbzenhighlydeveloped,andVCBwithhighvoltageandlargecapacityhasbecomeconsiderablyinterestedintheworld,soitispredictablethatVCBwouldcertainlybeinsteadofSF6oneinfuture.Inthispaper,itisthefirsttimetodevelopanewHVCBwithoutSF6inourcountry,whichratedvoltage,ratedcurrent,1600A.ItisimportanttodeveloptheVCBsuccessfullyinthehighvoltagefieldinimpactphenomenonbetweenVCB'smechanisticpartsisfoundwhileVCBisbreaking.Thispaperanalyzesthereasonsofimpactphenomenon,andputforwardameasureonhowtoreduceefectoftheimpactphenomenon.Thehighvoltageinsulationisoneofkeyproblemsinthispaper.TheelectricalfieldsofvacuuminterruptersandinsulativelinkshavebeencalculatedwiththehelpofANSYSsoftware,ofwhichVCB'sinsulativecharacterwasdesignedonthebasis.Atlast,someexperimentshavebeendonetoverifythecalculation.

Keywords：

High-voltageVacuumCircuitBreaker;

第1章绪论

真空断路器的进展现状

依照真空断路器国外进展的趋势、国内技术现状和我国国民经济进展的需要，在我国进展高压真空断路器是必要的。

第一，从环保的角度考虑，高压真空断路器取代高压SF6断路器是高压断路器进展的一种方向。

SF6气体在20世纪40年代起就被研究，由于SF6气体具有特异的热化学性和电负性，因此其绝缘性能和灭弧性能也专门好，被普遍用作高压开关设备的绝缘和灭弧介质，并于1959年推出第一台有效的SF6断路器，目前它已成为断路器的要紧品种。

由于SF6断路器的结构简单、技术经济指标先进等缘故，SF6断路器已经在高压及超高压领域（即及以上电压品级）内几乎占据了所有的份额，还制成大量的SF6气体绝缘开关设备（GIS），因此SF6气体的利用量在不断增加。

SF6气体是世界上最不活泼的闻名望体之一，在大气中的寿命也最长，约为3200年，因此也是最要紧的地球温室效应气体之一。

目前以GWP值（GlobalWarmingPotential,全世界温暖化势位，或称全世界升温潜能值）来描述气体对地球温室效应所起作用的强弱。

为此，从全世界环境爱惜动身，1997年联合国在日本京都会议上提出了决定草案，即《联合国气候转变框架公约京都议定书》（简称《京都议定书》181），在该议定书附件A中，列出了六种温室效应气体:

二氧化碳（CO2）.甲烷（CH4）,氧化亚氮（NO2）.氢氟碳化物（HFCS）、全氟化碳（PFCS）.六氟化硫（SF6）;并列出了与这些温室气体相关的部门类别和相应的产业，其中能源工业和制造工业、六氟化硫的生产和消费等均在指名之列。

《京都议定书》规定2020年至2021年为第一个排放量限制和削减许诺期，在附件B中列出了有关缔约方的排放量限制或削减许诺（以1990年为基准年，关于SF6等后3种气体那么以1995年为基准年）。

我国政府也明确表态，中国决心和国际社会一路尽力爱惜咱们一起的环境，已于2002年8月30日正式向联合国递交了对《京都议定书》的批准书。

目前SF6气体的应用要紧在高电压电力设备中作为绝缘和灭弧介质。

《京都议定书》对SF6气体的限制利用，应引发咱们足够的重视。

早在十几年以前，电器工作者就己开始了有关SF6气体替代品的研究，但至今尚未找到中意的替代品。

曾普遍开展了混合气体应用的研究，此刻也已有了明确的结论，即关于SF6断路器来讲，采纳混合气体并无益处，随着SF6气体利用量所占比例的减少，那么开断性能（灭弧能力）也相应下降。

从绝缘性能方面，那么采纳混合气体有必然益处，现己开始采纳N2/SF6混合气体，乃至N:

占到80%时尚有较好的绝缘性能，如此在绝缘介质中可大量减少SF6气体的用量。

从环保要求，尔后不该进一步进展SF6断路器，而应该以其他绿色环保型的断路器来代替，只有目前仍无法取代的超高压断路器仍可采纳SF6断路器外，应慢慢减少SF6断路器的产量;同时踊跃进展高压真空断路器来取代SF6断路器。

第二，从国内需求情形和经济效益来看，进展高压真空断路器有着现实的意义。

从目前我国电力系统中高压断路器运行的情形来看，少油断路器的设计达不到开断容量的要求，而电网短路容量的不断增加，少油断路器已不能知足电网的需要.SF6断路器尽管能知足要求，但不能符合环保要求。

尽管高压真空断路器一次投资价钱稍贵一点，可是全面地从环境爱惜的经济效益角度考虑是可取的，而且真空断路器平常不需要保护检修（依照日本的运行体会，用于电气化铁道和电弧电炉的真空灭弧室己能确保在额定电流下操作100万次不需保护检修，短路开断次数远远大于少油和SF6断路器，还具有寿命长，无爆炸危险等等优势。

20世纪20年代提出真空开断电流的概念后，到60年代才取得冲破，制造出真正意义上的真空断路器并投入利用，尔后便取得蓬勃进展，现也己成为断路器的要紧品种之一，但目前要紧应用在及以下电压品级，更高电压品级的真空断路器还未正式投入应用。

真空断路器对环境污染最小是符合环保要求的产品。

日本在十几年前己制成84kV-168kV单断口的真空灭弧室，除84kV品级有实际产品外，于技术和经济等方面的缘故，更高电压品级的真空断路器并无实际产品和应用。

最近几年来，真空断路器有了专门大的进展，这得益于真空断路器技术的进步。

真空断路器技术的进步表此刻大容量化、低过电压化、智能化和小型化。

而这一进步又是由于真空技术、灭弧室技术的进展及采纳新工艺、新材料及新操动技术的结果。

真空断路器的进展趋势

（1）降低过电压

众所周知，真空断路器属“硬”开断特性。

开断小电流时容易截流，引发过电压。

那个问题曾是人们利用真空断路器最关切的问题。

CuCr触头材料的利用，大大减少了截流值，如西门子公司命名用CuCr触头材料，做到实验截流值3A，产品保证不超过5A。

但有些开断情形需要进一步减少截流值，以幸免危险的过电压，如用真空断路器开断发生堵转或正在启动的电动机时，一样的解决方法是加装过电压吸收装置，如SiC、RC回路、ZnO避雷器等，最新的做法是开发低过电压触头材料，即不加任何过电压吸收装置而在触头材料上想方法，使之能降低过电压。

　　日本几家公司前后都开发低过电压触头材料，日立公司研制出一种以银为主的Co-Ag-Se触头材料，东芝公司研制出AgWC触头材料，富士公司在CuCr触头材料里添加高蒸气材料，三菱公司采纳CuCr-Bi-α多元触头材料解决截流问题。

这些触头材料能有效地解决截流问题，可将截流值降低至1/10。

但截流与大电流有矛盾。

因此低过电压真空断路器一样做到20kA水平。

（2）大容量化

真空断路器的容量已有专门大的提高，完全能知足电力进展的需要。

目前，真空断路器的额定电流已达4000A，额定短路开断电流已高达12kV下63~70kA。

东芝公司在实验室试制200kA。

真空断路器迈向大容量化，第一是由于触头结构的改良。

触头结构的改良经历了平板触头——横磁场触头——纵磁场触头。

平板触头的开断电流在8kA以下，横磁场触头将开断电流提高到40kA，而纵磁场触头又将开断电流大大提高，达到目前的63～80kA。

纵磁场触头有两种结构型式；一种是用装在灭弧室外围的线圈产生纵磁场，另一种是触头本身的特殊结构产生纵磁常纵磁场时，电弧呈扩散形态分成许多细弧，均匀散布在整个触头表面。

有利于提高开断电流和延长触头寿命。

触头材料的不断改良提高了开断性能，触头材料目前要紧有两大体系：

CuBi和CuCr。

与CuBi相较，CuCr材料具有短路电流开断能力强、介质强度高、耐烧蚀、截流低等优势。

触头材料直接阻碍截流水平，如CuBi材料的截流水平一样为10～12A，而CuCr材料将截流水平降至3～5A。

触头材料还在不断进展，在CuBi和CuCr以后又显现了更好的CuTa等材料。

（3）高靠得住性

一次封排工艺是制造真空灭弧室的先进工艺。

20世纪80年代初，英、美等国已将一次封排工艺用于真空灭弧室的大量量生产。

英国GEC公司和美国西屋公司最先采纳一次封排工艺。

此刻东芝公司、西门子公司、ABBCalorEmag等公司也已采纳一次封排工艺。

一次封排工艺相较常规工艺大大简化了工艺流程，不仅效率高，而且质量好，专门适合大量量生产。

总之，一次封排工艺将焊接、除气、封装、排气等工艺步骤在真空炉中一次完成，大大简化了制造工艺，提高了产品的靠得住性、稳固性和一致性。

国内宝光集团现已具有年产5万只一次封排真空灭弧室能力。

（4）小型化

减少零件数，就能够降低造价，因为材料费占灭弧室造价的40~50%。

由于纵磁场触头和CuCr触头材料的利用，大大减少了灭弧室管径。

　　真空灭弧室尺寸的减小是真空技术、真空工艺、真空灭弧室设计进展的要紧结果。

而真空灭弧室管径的缩小，结果使真空断路器的整体尺寸大大减小，从而使真空断路器趋于小型化。

（5）向少保护方向进展

由于对操动机构的不断优化、改良材料、改良工艺、减少调剂环节等都能够达到提高寿命的目的。

　　真空断路器在我国已经取得普遍应用。

专门是在中等电压领域里，真空断路器已占有明显优势。

国内市场，ZN—28系列真空断路器以其领先的技术与高靠得住性，已成为生产单位产量最大和系列最全的真空断路器。

但还缺少大容量品种，对中等电压真空断路器的应用范围将受到必然限制，因此很有必要开发10kV系列真空断路器的大容量规格以进一步完善化。

目前已完成额定电流4000A、额定开断电流50kA的真空断路器。

尔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电压品级的真空断路器。

　　为了适应大容量发电机组爱惜用的断路器，我国正在开发额定电压24kV、额定电流12500A和额定开断电流125～240kA的真空断路器。

　　另外，我国在完成户外额定电压110kV、额定电流1250A和额定开断电流的基础上，将继续开发额定电流更大、额定开断电流更大的110kV户外真空断路器外，同时开发220kV电压品级的户外真空断路器。

第2章:

设计进程

真空灭弧理论研究

真空灭弧室是真空开关的心脏，是不可缺少的重要部件。

真空灭弧室的灭弧介质和绝缘介质是真空。

真空开关在进行电流的合、分操作时，是通过位于真空灭弧室外的操动机构使真空灭弧室内的一对对置触头的闭合或分离来完成的。

真空灭弧室的触头被封锁在抽成真空的绝缘外壳之内。

在真空中开断电流有很多优势：

（1）分断时不需要外加气体或液体灭弧介持，真空是不可燃的，也不放出火焰或气体，无火灾或爆炸的危险；

（2）触头的电气寿命长；

（3）有较大的开断能力，开断近区故障时不需要并联电容器或电阻

（4）真空中介质强度高，触头开距很小，故操作功小。

真空电弧

真空电弧的形成

不管触头表面如何平整，微观上看老是凹凸不平的。

两触头接触时只有少数表面突起部份接触，通过电流。

接触点的多少和接触面积的大小与接触压力有关。

当触头在真空中开断电流时，随着触头分开，接触压力减少，接触点的数量和接触面积也随之减少。

电流集中在愈来愈少的少数接触点上，损耗增加，接触点温度急剧升高，显现熔化。

随着触头继续分开，熔化的金属桥被拉长变细并最终断裂产生金属蒸汽。

金属蒸汽的温度很高，部份原子可能产生热电离，加上触头刚分离时，间隙距离很短，电场强度很高，阴极表面在高温、强电场的作用下又会发射大量电子，并专门快进展成温度很高的阴极斑点。

而阴极斑点又会蒸发出新的金属蒸汽和发射电子，如此触头间的放电将转变成自持的真空电弧了。

扩散型和集聚型真空电弧

真空电弧有两种形态，即小电流（几千安）下的扩散型真空电弧和一万以上大电流的集聚型真空电弧。

（1）集聚型电弧

当电流增大超过某一数值时，电弧外形将突然发生转变，阴极斑点再也不向周围扩散，而聚集在一个或几个较大面积上，其直径可达1-2cm，并显现阳极斑点，这种真空电弧称为集聚型真空电弧或大电流真空电弧。

在真空电弧电流增大时，电弧电压增高，正离子受到电场的阻滞作用也增强，正离子在没有抵达阳极前，速度被降为零并在电场作用下返回阴极。

如此，阳极前的正空间电荷急剧减小，而显现负空间电荷，形成为阳极压降。

阳极前的电子受阳极压降的加速而轰击阴极，使阳极蒸发并使金属蒸汽游离。

阳极区产生的金属蒸汽使经柱电压降低，放电沿着那个低放电电压的通道进展，原先的放电被停止。

（2）扩散型真空电弧

当触头分开时，电流低于临界值（一样为10A）就会发生扩散型电弧。

扩散型真空电弧是由一些完全独立的分支电弧并联组成的。

每一个分支电弧是由负电极上一个阴极斑点和一个从斑点向阳极扩散的等离子体弧柱所组成的。

每一个独立电弧的电流为数十到数百A，其值与电极材料有关。

当既无电场又无电磁干扰时，一个单独的阴极斑点将在阴极表面继续不断地作不规那么运动。

其运动速度随电流的增大和电弧电压的增高而上升。

阴极斑点面积很小，电流密度专门大，温度就很高，它不仅要提供壮大的电子流，也同时蒸发出大量的金属蒸汽来维持真空电弧的燃烧。

真空间隙的气体压力很低，由于阴极斑点蒸发出大量的金属蒸汽，从斑点向外就形成很高的轴向和径向压力梯度，金属蒸汽和游离质点向外扩散，形成从阴极斑点向阳极慢慢扩散的锥形中亮弧柱。

阴极斑点在阴极表面不断地由电极中心向边缘运动。

当分支弧柱抵达电极边缘时被弯曲，现在电弧电压不足维持这一分支弧柱，那个阴极斑点就被熄灭，电弧电流转移到其它新产生的阴极斑点上。

这种真空电弧因阴极斑点不断向周围扩散，而被称为扩散型真空电弧。

同时，在金属表面两个相邻阴极斑点会相互排斥，因此，许多割裂的阴极斑点也是相互排斥的，并扩散到阴极的全数有效表面上。

在一个斑点运动超过触头的边缘时，那个斑点的电弧就被熄灭，斑点上的电流就转移到还继续存在着的斑点上，使之产生新的割裂斑点，而所有的斑点都向触头边缘的外边移动，并依次熄灭。

磁场对真空电弧的阻碍

横向磁场确实是与弧柱轴线垂直的磁场。

它与电弧电流作用产生的洛伦磁力能使电弧沿着圆周方向运动，能避免电弧长时候停留在电极表面的某些点上所造成的局部温度太高，从而抑制或推延阳极斑点的产生，对提高真空开关的开断性能能有明显的成效。

但横向磁场使电弧运动会把电弧弯曲拉长，电弧电压及电弧能量也将提高，又会使真空开关开断电流的提高受到必然限制。

目前应用横向磁场原理制成的真空断路器的额定开断电流可达几十千安。

纵向磁场是与弧柱轴线平行的磁场，它对电弧的形态、抑制阳极斑点的形成、减小电弧电压有着显著的作用。

在某一纵向磁场作用下电弧电压可有最小值，它能极大地提高由扩散型电弧转变成集聚型电弧的电流（简称集聚电流）值，例如，在足够大的触头上，纵向磁场能够使电流高达200kA的真空电弧仍维持为扩散型。

电弧特性

真空电弧的电弧电压也由阴极压降、弧柱（等离子区）压降与阳极压降三部份组成，真空电弧的长度很短，对电弧电压起要紧作用的是阴极和阳极压降。

真空电弧具有正的伏安特性，电弧电压随电流增大而增加。

（1）阴极压降

阴极压降要紧由触头材料决定。

阴极压降的高低取决于电极表面产生金属蒸气的难易程度。

电极材料的沸点温度Tb愈高，表示金属蒸气愈不易产生；而热导率大，表示热量容易向周围散出，斑点温度不易提高。

因此，二者的乘积愈大，要求输入更多的能量才能维持足量的金属蒸汽的产生，这就必需通过增大阴极压降才能达到。

（2）弧柱压降

由阴极表面发射的电子和正离子具有必然的初速度和动能。

在小电流的扩散型电弧中，弧柱中的粒子密度很低，具有必然初速的电子能够自由地通过弧柱区抵达阳极，因此弧柱中只需要很低的电场强度就能够维持电流通过。

测量说明，当电流为100A时，弧柱区的电场强度只有cm。

（3）阳极压降

与弧柱压降相同，阳极压降的大小也与电弧电流有关。

电弧电流很小时，电子和正离子穿越弧柱时速度可不能改变，因此阳极前正离子与电子数量大体相同，可不能显现净的空间电荷，因此也不显现阳极压降。

真空间隙的击穿

理想的真空间隙是指电极表面滑腻的真空间隙，也确实是不考虑电极表面微观凹凸变形的阻碍。

高真空间隙中，气体分子的平均自由路程很长，×10-2Pa时为250mm，比真空开关中的触头间隙距离大一个数量级。

气体分子的碰撞游离大体不起作用，这确实是高真空间隙具有绝缘强度的全然缘故。

（1）场致发射击穿机理

大量研究说明，真空间隙的击穿不是由于间隙中气体分子的碰撞游离所引发的，而要紧由电极现象决定。

电极表面在强电场作用下会产生电子发射。

经典的肖特基公式描述了在电场和温度作用下，电极表面电子发射的电流密度j为

[5]，其中

，

，

式中：

m,e别离为电子的质量和电荷，k为玻尔兹曼常数，h为普朗克常数，T,E为电极表面和外加的电场强度，

为电极材料的电子逸出功，关于大多数金属

=4eV~。

随着电极表面温度和外加电场强度的增大，电极表面电子发射的电流密度也增大。

当电流密度达到某一临界值时，真空间隙就被击穿了。

（2）微粒击穿机理

电极表面不可幸免地总会粘有一些微粒质点，它们在电场作用下会附着电荷运动，具有必然动能。

若是电场足够强，微粒直径又适当，在穿过间隙抵达另一电极时已经具有专门大的动能，在与另一电极碰撞时，动能转变成热能，使微粒本身熔化和蒸发，蒸发产生的金属蒸气又会与场致发射的电子产生碰撞游离，最终致使间隙的击穿。

交流真空电弧的熄灭

扩散型交流真空电弧在电流过零后，电极可不能再产生新的阴极斑点，间隙的介质强度恢复也十分迅速，因此，假设现在触头间距已有足够大，主可不能发生重燃现象，一样在电流过零后就可最终熄灭。

集聚型交流真空电弧虽在电流过零时造成熄灭的有利机会，电弧熄灭，弧柱区游离质点向周围真空区域迅速扩散。

可是由于阴极和阳极表面都有面积较大、且有必然深度的熔区，这些熔区的冷却需要毫秒级的时刻。

在这段时刻内，电极的熔区仍向弧隙提供大量金属蒸汽，在恢复电压的上升进程中，充满金属蒸汽的弧隙不可幸免要发生击穿而使电弧重燃。

集聚型交流真空电弧难于熄灭，不能用它来开断电流。

因此用真空电弧开断较大的交流短路电流时，须采纳必要的方法：

（1）使集聚电流值提高，在被开断的电流范围内，始终维持扩散型电弧以使电弧容易熄灭，这通常利用纵向磁场触头来达到；

（2）增强横向磁吹、使集聚型交流真空电弧在工频半周的末尾从头转变成扩散型电弧，使在电流过零后可不能再引发重燃而熄灭。

因为横向磁吹作用使集聚型真空电弧迅速运动，阴极斑点不断地被移向冷的电极，不能停留在原先的熔区上。

当在后半周电流减小时