真空开关的维护与探讨毕业设计文档格式.docx

1、10kV真空开关是一种最安全，最“清洁”的开关。10kV真空开关的主要缺点是有截流现象，在某些场合会产生较高的操作过气压。随着触头材料的进步，以及真空灭弧室设计和制造工艺的改进，现代10kV真空开关的操作过电压已大大降低，价格也明显降低，它的缺点已越来越不明显了。因而特别受到电力系统的欢迎，得到了最为广泛的应用。1 真空开关的发展历程1.1 国外真空开关的发展 人类从事将真空作为灭弧和绝缘介质的应用研究，到现在已有一百多年的历史。早在1893 年，美国人里顿豪斯（Rittenhause）就设计出世界上第1 只真空灭弧室并以专利的形式发表；1920年，瑞典佛加（Birka）公司研制出世界上第一台

2、真空开关；1926年，加里福尼亚工学院的索伦森（Sornsen）教授发表了真空开关的试验结果，并预言应用真空开关的时代不久就会到来。由于当时的真空技术还很落后，使得真空开关在工业上的实际应用被大大推迟了。 到1950年前后，随着真空技术以及相关技术如冶金技术等的发展，真空灭弧室的制造技术得到了提高，又重新开始了真空开关在工业上应用的研究。1956年，罗斯（HCross）对杰宁无线电制造公司（Jenning）生产的用于高频回路的真空开关进行了改造，试制出了15kV、200A的真空开关。 1961年美国通用电气公司在总结前人经验的基础上首先研制成功额定电压15kV、12.5kA的10kV真空开关，

3、1966年相继研制成功额定电压为15kV、开断电流为25kA和31.5kA的10kV真空开关，从此真空开关正式进入电力开关的行列，美国也因此成为世界上最早批量生产和使用真空开关的国家，在其影响和推动下，欧洲和亚洲的部分国家也相继开始了研制工作，真空开关从此在全球范围内得到认同和发展。二十世纪70年代初，全球范围掀起的中压开关无油化浪潮给真空开关带来了前所未有的发展机遇。凭借自身巨大的技术优势，真空开关仅用了不到20年的时间就取代少油开关而成为中压领域的主导产品。目前单断口10kV真空开关已达到145kV 电压等级，短路开断电流已达到200kA 。 1.2 我国真空开关的发展我国真空开关的研制工

4、作始于二十世纪50年代末，基本与美国同步，略早于日本。1958 年，由西安交通大学电器教研室和当时的西安高压开关整流器厂合作成立了一个厂校联合研制小组，由王季梅副教授和童永潮总工程师负责，正式开展真空开关的研制工作。小组成立后不到半年就成功研制出我国第一只真空灭弧室，并在西安交通大学电器实验室的合成回路上通过了50Hz、4kV、5kA的电流开断试验。此后，西安高压电器研究所于1960 年研制成功了电压为6.7kV、500A 的单相真空开关，西安交通大学于1964年开发成功10kV，1500A 的三相真空开关，当同年这台三相真空开关在北京全国高教展览会上展出时，受到来自全国各地专家的好评，并引起

5、全国各省市开关制造厂的极大兴趣，是为推动我国真空开关生产和发展的起始点。1968年9月5日，国家重点国防工程（6895工程）在华光电子管厂实施，同年诞生了我国第一只商用真空灭弧室，从此华光电子管厂成为国内首家生产真空灭弧室的企业。此后由于受到“文革”的影响，我国在真空电弧理论研究和真空开关开发方面的工作暂时停顿，一直到1976年才开始恢复。当时国内从事真空电弧理论研究的主要单位有西安交通大学、西安高压电器研究所和上海电器科学研究所三家。1978年以后，国内有10多家工厂正式投入真空开关的生产，所需的真空灭弧室主要由宝光电工总厂和华光电子管厂生产。1984年，西安高压电器研究所、桂林电器科学研究

6、所、宝光电工总厂和北京开关厂等四家联合引进了德国西门子公司3AF系列10kV真空开关的全套制造技术（含CuCr触头材料、真空灭弧室和10kV真空开关三大部分）。1986年，华光电子管厂引进了美国西屋公司全套真空灭弧室的制造技术（含CuCr触头材料）。这两次引进使我国真空开关行业的制造和设计水平均得到了极大的提高，为此后我国真空开关行业的发展和繁荣奠定了技术基础。目前国内在真空开关和10kV真空开关方面的研究和生产均得到很大重视和迅速发展。2 10kV真空开关的主要结构和特点2.1 10kV真空开关的主要结构 2.1.1 10kV真空开关主要包含三大部分：真空灭弧室、操动机构、支架及其它部件。

7、真空灭弧室是10kV真空开关中最重要的部件。真空灭弧室的外壳是由绝缘筒、两端的金属盖板和波纹管所组成的密封容器。灭弧室内有一对触头，静触头焊接在静导电杆上，动触头焊接在动导电杆上，动导电杆在中部与波纹管的一个断口焊在一起，波纹管的另一端口与动端盖的中孔焊接，动导电杆从中孔穿出外壳。由于波纹管可以在轴向上自由伸缩，故这种结构即能实现在灭弧室外带动动触头作分合运动，又能保证真空外壳的密封性。 2.1.2 10kV真空开关的操动机构主要有三种类型：电磁操动机构、弹簧操动机构及永磁操动机构。电磁操动机构由一个电磁线圈和铁心，加上分闸弹簧和必要的机械锁扣系统组成，结构简单、零件数少、工作可靠、制造成本低

8、。同时螺管电磁铁的出力特性容易满足10kV真空开关合闸反力特性的要求。其缺点是合闸线圈消耗的功率太大，因而要求配用昂贵的蓄电池，加上电磁机构的结构笨重，动作时间较长。电磁操动机构出现最早，但目前用量趋于减少。弹簧操动机构由弹簧贮存分合闸所需的所有能量，并通过凸轮机构和四连杆机构推动真空灭弧室触头动作。其分合闸速度不受电源电压波动的影响，相当稳定，通过调整弹簧的压力能够获得满足要求的分合闸速度。其缺点是机械零件多，零件的材质、加工精度和装配精度都直接影响机构的可靠性。弹簧机构的出力特性，基本上就是储能弹簧的释能下降特性，为改善匹配，设计中采用四连杆机构和凸轮机构来进行特性改变。目前弹簧操动机构技

9、术已经成熟，因此用量较大。永磁机构是一种全新的操动机构，它利用永磁保持、电子控制、电容器储能。其优势是结构简单、零件数目少，工作时的主要运动部件只有一个，无需机械脱扣、锁扣装置。永磁机构分为两种类型：单稳态永磁机构和双稳态永磁机构。永磁机构尚需经受考验，需解决好电容器的寿命问题、永久磁铁的保持力问题及电子器件的可靠性等问题。目前其用量还不大。2.1.3 10kV真空开关的支架及其它部件包括安装各功能组件的架体及绝缘支持件将各功能元件等等。2.2 10kV真空开关的特点 10kV真空开关与其他开关相比，具有下列特点：（1）真空的绝缘强度高，熄弧能力强，燃弧时间短，全分断时间也短。（2）熄弧时间短

10、，触头电磨损小，因此分断次数多，电寿命长，适于频繁操作，特别适合于切断电容性负载电路，触头不受外界有害气体的侵蚀。（3）触头开距小，减少了操动机构的操作功，机械寿命也长。（4）结构简单，在使用期限内，触头部分不需维修、检查，即使机构需要维修检察，也十分简便，需要的时间很短。（5）体积小，重量轻。（6）环境污染小。开断在密闭容器内进行，电弧生成物不会污染周围环境，操作时也没有严重噪音，没有易燃易爆介质，无爆炸和火灾危险。3 10kV真空开关的运行与维护3.1 10kV真空开关的运行分析10kV真空开关以其结构简单、机电寿命长、维护量小、无火灾危害和适宜频繁操作等优异特性在中压系统中得到广泛应用。

11、从目前我国10kV真空开关运行状况来看，10kV真空开关的故障率远远大于SF6开关，一方面10kV真空开关性能不够稳定，另一方面是前几年，我国高耗能企业用电负荷的增加，冶金、化工企业的开关频繁投退，造成电网电压不稳定，开关频繁受到过电压冲击，导致多台10kV真空开关受损，主要集中在以下几方面：3.1.1过电压的影响（1）载流过电压：影响载流过电压因素有：触头材料的饱和蒸汽压力，开断电流大小，触头的运动速度，开断次数。（2）多次复燃过电压：10kV真空开关在切电力电器组或开断较大电感电流器时，即使载流过电压无问题，也有可能发生多次复燃，产生过电压。如厂家所选触头材料不严格或技术参数调整不当，如分

12、合闸速度、弹跳、周期性都会影响负载流过电压或复燃过电压。（3）过电压的危险：不论是截流过电压还是重燃过电压，将会使开关动作瞬间的电压幅值在4倍于相电压左右，开关的绝缘将会受到危害，严重时开关绝缘将被击穿，发生爆炸现象。（4）过电压防范措施：目前广泛采用方法有：开关的截流值与开关触头材料有关。开关触头材料应选用铜合金，以降低开关截流值来减少截流过电压或降低复燃率。在感性负载上并联电路器。采用非线性电阻吸收器（如加装氧化锌避雷器）。串联电感保护器。3.1.2真空度的影响由于10kV真空开关的灭弧和绝缘介质是真空，衡量真空的标准是“真空度”，真空度是10kV真空开关的一项重要技术参数。按照国标运行和

13、储存的10kV真空开关的真空度不能低于6.6x10-2Pa，工厂出厂的真空灭弧室的真空度要求达到1.32x10-5Pa以上。（1）真空度下降产生的危害：真空度下降严重影响10kV真空开关开断灭弧能力和绝缘水平，导致开关使用寿命急剧下降，严重将引起开关爆炸。（2）真空度下降的原因：真空泡的材质或制作工艺存在着问题，有微小漏点。玻璃管或陶瓷管工艺差，多次操作震动后出现漏点。（3）真空度下降的防范措施：开关真空度下降直观反映是真空泡外部有放电现象，如有放电现象，要及时更换。观察方法有：火花计法、弧光法。定期对开关真空度进行测试，如真空度达不到技术要求的要及时更换。测试方法有：工频耐压法、真空度测试仪

14、法。（4）真空度测试工作存在的问题：由于10kV真空开关本身没有定性、定量监测真空度的装置，真空度的测试只能靠真空度测试仪对真空度进行测试，鉴于目前市场上真空度测试仪性能还不够稳定，这项工作在我局还没有有效地展开，目前我局10kV真空开关的真空度，多采用最简便、最简接的工频耐压法，这种方法只能判断灭弧室的优劣，不能测试出真空压力数据，不能反映出真空度的大小。因此效果差，效率低，有的还造成误判，因此开关真空度要用真空度测试仪和工频耐压测试法相互配合进行，以保证测试的准确性。3.1.3机械润滑的影响我国目前运行的10kV真空开关，全部配的是弹簧机构，对于弹簧机构来说支持开关正常分、合闸所需的能量都

15、是靠机械转动来储存、释放以及传递，因此机械润滑在弹簧机构中起了很重要的作用。部分10kV真空开关夏天分、合正常，冬天不能正常分、合。以及出现润滑脂质量差，或传动轴无润滑脂，引起传动轴锈蚀，造成开关不能正常分、合闸现象。造成机械润滑因素有：机械加工粗糙，造成卡滞现象。润滑脂质量差，容易失效或耐高温、耐低温性差，达不到润滑的作用。开关出厂前传动轴因忘加润滑脂造成传动轴生锈。润滑脂要选用耐高温、耐低温，时效长的高质量的润滑脂。对于忘加润滑脂的转轴圈，首先要用水砂纸进行打磨，除锈、清洗、再涂抹适量的润滑脂。3.1.4 10kV真空开关的机械特性调整参数的影响10kV真空开关的机械特性调整参数有动静触头

16、的开距、压缩行程，分、合闸速度，触头合闸弹跳时间，接触电阻：（1）触头开距的调整不当产生的危害：触头开距决定于10kV真空开关的额定电压，也决定于使用条件下的分断性质和耐压要求。因此10kV真空开关的触头开距选的过大不适应频繁操作的需要，还会降低真空灭弧室的电寿命和机械寿命，引起开断能力下降，开距选得过小会引起开断能力和耐压水平，使绝缘容易击穿。（2）引起开距变化的因素及防范措施：引起开距变化的最大因素一方面是调整不当，另一方面因材质差引起传动杆变形，机械磨损。对于不同型号，不同厂家的产品出厂前都要经过严格的测试、试验。安装后还要进行复测，对于本体与机构一体的10kV真空开关，由于导电部件、传

17、动部件、机构部件，结构紧凑，根据运行多年后复测，开关开距都能保持在一个稳定的数值上，对于开距来说变化不是很大，而对于本体与机构分体的10kV真空开关来说部分10kV10kV真空开关（本体为10kV真空开关，机构为CD10电磁机构）受机械应力的变化，拐臂轴销的磨损，电磁机构空行程的影响，开关的开距数值变化会很大，存在很大的隐患，对这类开关要加强监测工作，最好更换为本体、机构为一体的开关。（3）压缩行程调整不当产生的危害：压缩行程的主要作用是：保证触头在一定程度的电磨损后仍保持一定的接触压力，保证可靠接触。在触头闭合时提供缓冲，减小弹跳。在触头分闸时，使动触头获得一定的加速度，拉断熔焊点，减小燃弧

18、时间，提高介质恢复速度。因此压缩行程调整过小，会使动静触头接触不良，电阻增大容易发热，压缩行程过大，会增大分闸弹振，这一弹振不仅对10kV真空开关的机械寿命产生不良影响，而且增加10kV真空开关工作时重燃和重击穿几率。（4）引起压缩行程不稳定的因素及防范措施：压缩行程与开距一样，一方面是调整不当，另一方面受材质的影响比较大，多年来不论在开关安装调试中，还是停运检查中发现；一体式10kV真空开关的压缩行程都能保持在一个稳定的数值上，分体式的10kV真空开关（本体为10kV真空开关，机构沿用少油开关的CD10电磁机构）压缩行程变化很大,.因此对于分体式的10kV真空开关要及时更换。（5）分、合闸速

19、度调整不当产生的危害：10kV真空开关合闸时，触头的运动速度对开断性能和机械性能影响极大，10kV真空开关触头运动速度过高，对于机构元件的机械强度，操作过程中的震动，（包括弹跳和弹振）以及截流都会变成突出问题，如果过低，不仅对灭弧不利，加速触头的电磨损，还会引起开断的失败和重击穿的发生，产生严重的过电压。（6）影响分、合闸速度的因素及防范措施：由于10kV真空开关大多选用弹簧机构，对于弹簧机构来说，最致命的问题是弹簧的疲劳，开关靠储能弹簧，分闸弹簧释放能量来进行合闸、分闸，弹簧弹力的大小直接影响开关的分、合闸速度，开关处于运行状态时，储能弹簧、分闸弹簧始终处于拉伸状态，长时间的拉伸势必造成弹簧

20、疲劳。开关本身没有能力监测到弹簧疲劳程度的装置，许多生产厂家也没有提到弹簧的使用周期，因此要靠我们日常的特性试验数据来判断弹簧的疲劳程度。我局早期安装的浙江华仪厂的ZW27-12、平顶山高压电器厂的ZW27-1210kV真空开关多次出现弹簧疲劳，弹力下降，造成开关不能正常分、合闸现象。对于弹簧严重疲劳，弹力下降，分、合闸速度达不到要求的开关要及时更换弹簧。（7）三相同期性调整不当产生的危害：10kV真空开关的三相在分、合闸操作时要求灭弧室的触头同时分离和同时接触，最大误差不超过1毫秒。三相同期值偏大，严重影响10kV真空开关开断过电流的能力，影响开关的寿命，严重时能引起开关爆炸。（8）三相同期

21、值偏大的原因及防范措施：三相同期值偏大的原因：触头开距调整不当，三项数值偏差大。开关本体机械性能较差，多次操作后，出现机械部件变形、卡滞等现象。分体式开关由于操作杆距离较大，分、合闸力传递不均匀。防范措施：对三项触头的开距、压缩行程重新调整，尽可能减小开距，压缩行程的偏差值。通过调整无法实现，必须更换数据不合格的真空泡。分体式的10kV真空开关变换为一体式10kV真空开关，对开关的三相同期差数据，可以用开关特性测试仪定期检测。（9）10kV真空开关合闸弹跳调整不当产生的危害：由于10kV真空开关与其他开关不同，一方面合闸状态没有插入行程，在合闸过程中，动静触头两个平面依靠一定的压力结合在一起，

22、所以合闸过程中由于动静触头的弹性碰撞引起弹跳。另一方面合闸弹跳过程中触头断开距离小，电弧不会熄灭，导致触头电磨损加重，从而影响灭弧室的电寿命，因此合闸弹跳是10kV真空开关机械特性的一项重要参数。（10）引起合闸弹跳过大的原因及防范措施：合闸弹跳过大的原因：弹跳值大小与诸多因素有关：触头弹簧的弹力、合闸速度、开距。10kV真空开关触头的材料。安装、调试质量。零部件如传动轴、灭弧室、轴销的加工精度。在10kV真空开关调试过程中严格按照技术要求，对开关的开距、压缩行程、三相不同期差，以及合闸速度进行调整。提高配件的加工精度，使传动轴以及轴销要紧密配合，减小空程间隙。提高装配工艺质量，减小传动部件摩

23、擦力，避免灭弧室受到剪力和切力的作用。提高安装质量，开关一定要水平安装，基础要牢固来减小合闸过程中的震动。适度加大触头起程弹簧预压力。（11）低电压试验数据过低、过高且不稳定产生的危害：低电压试验包括合闸、分闸，对于低电压试验标准许多产品都有一定的标准，对于电磁机构的开关合闸接触器线圈、分闸线圈的动作电压不得低于额定电压的30%，不得高于额定电压的60%，合闸线圈最低动作电压不低于额定电压的80%85%，开关的分、合闸动作都需要有一定的能量，为了保证开关的合闸速度，规定合闸线圈最低动作电压不得低于额定电压80%85%，对分闸线圈和接触器线圈的低电压规定是这个线圈动作电压不能过低，也不能过高，如

24、果过低，在直流系统绝缘不良，两点高阻接地情况下，在分闸线圈或接触器线圈两端可能引入一个数值不大的直流电压，当线圈动作电压过低，会引起开关误分闸和误合闸，如果过高，则会因系统故障时，直流母线电压降低而拒绝跳闸。对于弹簧机构的开关，虽说要求不高，但也要按标准进行调试。（12）低电压过高、过低且不稳定原因及防范措施：低电压过高、过低且不稳定的原因：机构内材质质量差，分、合闸挚子、半轴易变形，易磨损造成分、合闸挚子扣接量产生变化。分、合闸线圈质量差，功率达不到要求。（13）动静触头接触电阻过大产生的危害：开关合闸后，动静触头可靠接触后，导电回路接通实现传输电能作用。反映动静触头接触质量好坏，可以通过测

25、试动静触头间的接触电阻，如果接触电阻过大，开关触头发热，造成导电能力下降，绝缘水平下降，灭弧性能下降，严重导致开关爆炸。接触电阻过大产生的原因：厂家选用的材质差，导电能力过低。触头加工工艺差，触头接触不良。开距、接触压缩调整不当或触头的压缩弹簧力量不够，造成动静触头接触不良。由于10kV真空开关动静触头在真空灭弧室内，电阻过大不容易处理，对于运行单位主要的防范措施是：定期用电阻测试仪检查动静触头的接触电阻，电阻达不到要求的要及时更换真空泡。3.1.5 10kV真空开关与保护不能相配合的影响10kV真空开关必须满足保护的一切要求，除正常的分、合闸试验，正常的带负荷投退外，当遇到故障时保护速断、过

26、流、后加速保护启动后，开关在规定的时限内能可靠断开，快速切断故障，同时保护自动重合闸装置出口，开关在规定的时限内能自动可靠合闸，还必须满足一个分合分全过程。3.2 10kV真空开关的维护 10kV真空开关作为新一代的、先进的开关设备在我国电网得到广泛应用。比10kV油开关，它具有开断容量大，灭弧性能好，机械电寿命长，运行维护量小，检修周期长等特点。当前，真空开关的缺陷率和故障率有上升的趋势。主要表现为真空泡慢性漏气和机构卡阻等方面，这就要求我们切实加强真空开关维护管理工作。 3.2.1 定期检测（1）真空度和绝缘检测 真空开关本体常见的缺陷主要有：真空泡慢性漏气、本体绝缘件绝缘击穿等。在目前仍

27、未有完善的在线监测手段的情况下，定期检查绝缘，试耐压是检验上述缺陷的主要手段。开关本体绝缘子，特别是拉杆绝缘子是非“全工况”产品，运行中常因爬距不足够和裂痕等原因造成电击穿或闪络放电。更要注意那些为满足爬距而采用内外两层结构的拉杆绝缘子，其内外两层之间的有机填充物在内部有气泡或受潮时亦会产生沿面闪络和电击穿。真空度的检测采用真空度检测仪进行，以不超过10-8mmHg为合格，也可通过定期工频耐压的方法，对开关极间施加一定的工频交流耐压，出厂和新设备交接试验在极间施加42KV/min，东检预防性试验施加27KV/min，开关大修试验施加38KV/min，以不发生极间辉光放电为合格。本体绝缘检测用2

28、500V兆欧表测量，运行中的设备绝缘不低于300兆欧。（2）机构的检修 一般来说，真空开关的检修主要针对机构检修、开关的本体不能检修。对机构的检修严格执行有关检修规程、规定和检修工艺导则，保证检修质量，我国电网的真空开关，运行几年后，尤其是近区短路故障后，开关接触电阻在东检结果中偏高，行程不一致，远达不到厂家说明书中所说的效果，机构常见如下故障及处理办法： 真空开关分闸不可靠。（1）此时应调整扣板和半轴的扣接深度，使扣接深度为1.5-2.5mm；（2）分闸顶杆变形，分闸时存在卡涩现象，分闸力降低，改铜质分闸顶杆为钢质，以避免变形。 分合闸不同期、弹跳数值大。（1）、开关本体机械性能较差，多次操

29、做后，由于机械原因导致不同期、弹跳数值偏大；（2）、分体式开关由于操作杆距离大，分闸力传到触头时，各相之间存在偏差，导致不同期、弹跳数值偏大。在保证行程、超行程的前提下，通过调整三相绝缘拉杆的长度使用期、弹跳测试数据在合格范围内；也可能是支架存在卡滞现象，也可能是辅助开关动作时间调整不当，应调整辅助开关拉杆长度，使其在开关动静触头闭合后再断开。 接触电阻偏高。（1）、测量仪器误差，采用不小于100A的开关回路电阻测试，（2）、测量仪器线夹松动，线夹夹住位置氧化严重。（3）定期检查触头的烧损厚度，具体是检查真空灭弧室动导电杆伸出导向长度的变化情况。如总的变化量超出3mm，则真空灭弧室应更换。 真空泡受压严重。更换灭弧室时，灭弧室在紧固件紧固后不应受弯矩，也不应受到明显的拉应力和横向应力，且灭弧室的弯曲变形不得大于0.5mm。上支架安装后，上支架不可压住灭弧室导向套，其间要留