真空高压断路器的设计.docx

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真空高压断路器的设计

真空高压断路器的设计

摘要

  高压开关技术已走过了半个世纪的历程。

在这50年中，建立起我国自己的产品系列，满足了电力系统和工业部门各个方面的需要。

由于我国各地区发展极不平衡，配电网的结构与布局日趋复杂，各种技术水平的开关设备有着不同的应用。

随着国民经济的高速发展、用电量不断增加的同时，客户对供电的可靠性及供电质量提出了更高的要求，断路器是变电所作为控制、保护非常重要的设备，因此合理设计断路器就显得由为重要，采用合理的结构设计以保证基础的稳定性，从而达到安全运行的目的。

目 录

1绪论

1.1概述

1.2真空断路器的发展情况

1.3真空断路器的应用场合与技术要求

1.4本课题的主要研究内容

2真空断路器的结构设计

2.1真空灭弧室的特点

2.2真空断路器的操作机构

2.3真空断路器绝缘机构

3真空高压断路器的设计计算 14

3.1真空灭弧室设计计算 14

3.2GCB绝缘结构设计计算 22

3.3GCB合闸电阻及并联电容器设计计算 25

3.3.1GCB合闸电阻的设计计算 25

3.3.2并联电容器的设计计算 28

3.4GCB密封结构设计 29

结论

1绪论

1.1概述

真空断路器是指触头在真空中关合、开断的断路器。

 真空断路器最初由英、美研究,随后发展到日本、德国和原苏联等其他国家。

我国从1959年起开始研究真空断路器的理论,到20世纪70年代初正式生产各类真空断路器。

真空灭弧室、操动机构、绝缘水平等制造技术的不断创新和改进,使真空断路器的发展极为迅速,在大容量、小型化、智能化及可靠性研究方面取得了一系列重大成果。

 真空断路器以具备良好的灭弧特性,适宜频繁操作,电气寿命长、运行可靠性高、不检修周期长的优势,在当今我国电力工业城乡电网改造、化工、冶金、-铁道电气化以及矿山等行业得到了广泛的应用。

产品从过去的ZN1-ZN5几个品种到现在数十个型号、品种,额定电流达到4000A,开断电流达到5OKA,甚至有63kA,电压达到35kV等级

1.2真空断路器发展情况

用真空介质来熄灭电弧的设想在19世纪末就己提出,20世纪20年代制造出了最早的真空灭弧室。

但是由于受真空工艺、材料等技术水平的限制,当时并未实现实用化。

20世纪50年代以后,随着新技术的发展解决了真空灭弧室制造中的很多难题,使真空开关逐渐达到实用水平。

20世纪50年代中期美国通用电气公司批量生产了额定开断电流为12KA的真空断路器。

随后在20世纪50年代末由于发展了具有横向磁场触头的真空灭弧室,使额定开断电流提高到3OKA的水平o20世纪70年代后,日本东芝电气公司研制成功了具有纵向磁场触头的真空灭弧室,使额定开断电流又进一步提高到5OKA以上。

目前真空断路器己广泛用于1OKV、35kV配电系统中,额定开断电流己能做到5OKA-100KAo有些国家还生产了72kV/84kV级的真空灭弧室,但数量不多。

 近年来,我国真空断路器的生产发展也很快。

目前国内真空灭弧室的技术与国外产品不相上下,有采用纵向、横向的磁场技术、采用中央引燃触头技术的真空灭弧室,Cu-Cr合金材料制成触头已成功地开断5OKA、63kAo中国的真空灭弧室已达到较高的水平,真空断路器完全可以选用国产的真空灭弧室。

1.3真空断路器的应用场合与技术要求

（1）应用场合

从大的方面讲主要有保护和供配电两种场合。

所谓保护像电动机的短路保护，过载保护，缺相保护当然不是所有的断路器都有上述保护功能只有具备了相应的机械硬件结构才具备相应的功能。

当然几乎所有的断路器都有短路保护，短路保护也可以用在普通的配电保护中，但要注意区分他们的动作曲线是不同的，波动的电流曲线像电动机要用D型的，一般的纯电阻电路一般要用C型的。

配电其实很容易理解，就像一个工厂用的总开关，虽说也有保护作用，但目的是配电用。

你只要理解了断路器的功能对于他应用的场合也就自然明了了。

（2）额定开距

真空断路器处于分闸状态时，真空开关管动、静触头之间的距离选择与真空断路器的额定电压、使用条件、开断电流的性质及触头材料、真空间隙的耐压强度等因素有关，主要取决于额定电压和触头材料。

由于真空开关管的额定开距对绝缘性能的影响较大，当额定开距从零开距增大时，其绝缘水平也将提高，但当开距增大到一定数值时，开距对绝缘性能的影响就不大了，若进一步增大开距，将严重影响开关管的机械寿命。

通过对真空断路器的安装、运行及检修得出真空断路器额定开距一般选择范围为：

6kV及以下一般为4～8mm，10kV及以下一般为8～12mm，35kV一般为20～40mm。

（3）　触头接触行程

触头接触行程的选择必须保证触头在磨损后仍能保持一定的压力；在分闸时使动触头获得一定的初始动能，提高开关的初始分闸速度，拉断熔焊点，减小燃弧时间，提高介质恢复速度；在合闸时能利用触头弹簧得到平滑的缓冲，减小弹跳。

开关的接触行程太小，不能保证触头在烧毁后具有的触头压力，开关的初始速度太小，影响真空断路器的开断和动热稳定性，同时产生严重的合闸弹振。

开关的接触行程太大，将增加操作机构的合闸功，或者使合闸变的极不可靠。

通常真空断路器的触头接触行程一般取额定开距的20%～40%，10kV真空断路器的接触行程一般取3～4mm。

（4）　触头工作压力

真空断路器触头的工作压力对真空断路器的性能有很大的影响，其压力等于真空开关管的自闭力与触头弹簧力之和。

断路器触头的工作压力选择应该满足4方面的要求：

1、使真空开关管的触头接触电阻保持在规定的范围内，2、满足动稳定试验的要求，3、抑制合闸弹跳，4、减小分闸弹振。

由于真空断路器在关合短路电流时，触头在予击穿后要产生电弧和电动斥力，触头产生弹跳，机构合闸速度也最慢，所以，关合短路电流是考核触头工作压力是否满足要求的最苛刻的条件。

如果触头的工作压力太小，将增长触头合闸时的弹跳时间，同时，造成一次回路的电阻增大，直接影响真空断路器的长期工作温升。

如果触头的工作压力太大，由于真空开关管的自闭力是一个恒定值，则工作压力增大，从而增加触头的弹簧力，造成操作机构的合闸功增加，增大对真空管的冲击和振动。

在实际工作中不仅要考虑触头间的电动力除与短路电流峰值有关外，还必须考虑开关的触头结构及大小尺寸，同时，还必须考虑触头的硬度、分闸速度等因素。

总之，必须在实践中进行综合考虑。

真空开关的触头接触压力根据分断电流大小得出经验数据为分断电流为12.5kA时，选择压力为50kg。

分断电流为16kA时，选择压力为70kg。

分断电流为20kA时，选择压力为90～120kg。

分断电流为31.5kA时，选择压力为140～180kg。

分断电流为40kA，选择压力为230～250kg

（5）　分闸速度

由于分闸速度直接影响电流过零后触头间介质强度恢复的速度，如果电弧熄灭后，触头间介质强度恢复速度小于恢复电压，将造成电弧重燃，为了防止电弧重燃，以及缩短燃弧时间，必须满足分闸速度。

分闸速度的大小主要取决于额定电压，当额定电压和触头开距一定时，分闸速度的波动范围取决于开断电流的大小，负载性质，恢复电压等因素，开断电流较大时，分闸速度也应较大，开断电容电流时，由于恢复电压较高，为了减小重燃的几率，分闸速度也应较大。

10kV真空开关分闸速度通常取值为0.8-1.2m/s，必要时还可以高于1.5m/s。

实际上，对开断能力影响最大的是初始分闸速度，而不是平均分闸速度，因而，一些高性能的真空断路器，及35kv级的真空断路器，通党考核刚分时几毫米内的分闸速度。

似乎分闸速度越大越好，但实际并非如此，分闸速度越大，引起的分闸弹振越历害，过冲也就越历害，这样对开关管波纹管的振动、压缩也就越严重，容易造成波纹管提早损坏而漏气，同时，对速机的振动也越大，容易造成零部件的损坏。

（6）　合闸速度

由于真空开关管在额定开距时的静态耐压水平比较高，所以真空断路器的合闸速度比分闸速度明显低。

为了尽量减小触头在合闸过程中由于予击穿造成的电磨损，以及避免发生触头熔焊，因此必须具备一定的合闸速度，但过高的合闸速度不仅增加操作机构的合闸功，同时使开关管受到的合闸冲击增大，大大降低其使用寿命。

通常情况下10kV级的真空断路器的合闸速度为0.4-0.7m/s必要时可取为0.8-1.2m/s。

（7）　触头合闸弹跳时间

真空断路器合闸时间的大小，是衡量真空断路器性能好坏的一个重要标志，其与断路器的触头弹跳压力、合闸速度、开距及真空开关管的触头材料等有关，同时还与开关管的结构、断路器的结构及安装调试有关。

触头合闸弹跳时间越小，其性能越好，弹跳时间越长，触头的电磨损越严重，容易产生合闸过电压，在关合短路电流或电容器时，以及行动、热稳定试验时将导致触头熔焊。

另外，触头合闸弹跳时间越长，严重危害开关管的波纹管使用寿命。

10kV级铜络触头材料的真空断路器合闸弹跳时间不超2ms，其他触头材料的真空断路器合闸弹跳时间可以相对大一些，但是不得超过5ms。

（8）　三极同期性

真空断路器的三极同期性表示三极不同时闭合或分离的程度，由于分、合闸同期性是相对的，数值也差异不大，所以一般情况下只考核三极合闸同期性。

三极同期性差的断路器将严重影响开关的分断能力，容易产生过长的燃弧时间。

由于断路器的分合闸速度较快，开距较小，通过准确调试，达到参数要求并不困难，一般规定合闸同期性不超过1ms。

（9）　动、静触头的同轴度

动、静触头的同轴度对于真开关管是有具体要求并能过制造工艺来保证的，开关管装在操作机构上否能保证其同轴度，与操作机构的型式及安装工艺有直接的关系，对于悬挂式的机构，同轴度主要取决于操动机构，对于落地式机械对同轴度的影响也很大，在安装过程中一定要避免开关管受到剪力和切力的作用，同轴度一般要求不大于2mm。

1.4本课题的主要研究内容

（1）关于“免维护”的问题。

当前，在对真空断路器的广告宣传、产品样本及使用说明书中，普遍谈到该产品"免维护"一词，实际上不现实的。

高压真空断路器由于安装有质量相对较好的真空灭弧室，其电气性能和机械性能均有明显的提高，现场安装、维护比较简便，但也绝不是"免维护"。

每一种形式的真空断路器，从结构上来讲，都是由上百种零部件组成，而这些零部件中生产厂只可能对部分零部件自行设计、加工，而相当一部分则是依靠外协。

这些零部件的材质选型、工装、工艺、检验等各个环节都关系到整体产品的电气和机械性能，因此"免维护"这一提法欠妥，对真空断路器的应用是一种"误导"。

依据标准的要求，应为"维护量小"、"不检修周期"比较妥当。

（2）机械寿命。

　　机械寿命是高压真空断路器产品质量的主要考核指标。

根据相关资料报道，家高压电器质量检测中心对国产高压真空断路器进行过6次（1993、1995、1996、1999、2002及2003年）监督抽查，其合格率分别为83.3％、91.3％、58.8％、60％、57.1％及78.6％，此情令堪忧。

其中一个主要问题是机械寿命达不到企业标准规定值，机械特性主要数也超出产品技术条件规定范围。

　　通常一台高压断路器都是由数百只零部件组成，而每一个零部件的加工和工艺缺陷、相互配合链接咬合都将直接影响到高压断路器的机械特性。

同时与操动机构配套的辅助开关、微动开关、减速器、接线端子等绝大部分都是外协件，存在有一定的分散性，质量难以达到100％，这些问题，都是直接影响真空断路器机械寿命的主要因素。

有些真空断路器机械寿命标称3万次，有的甚至达到6万次或者10万次之多，这样的宣传令人疑虑。

就当前国产真空灭弧室及与之配套部件能过关吗？

产品真正的机械寿命试验通过了吗？

所以，在高压真空断路器的选型应用中，不宜轻信产品说明书的不实之词，应以实际试验报告为依据，如果能够安全可靠地动作2万次，就足以满足运行现场的应用要求了。

（3）断口的工频耐压。

　　目前真空断路器中灭弧室真空度的