編者按 近年，我國開發成功新一代真空斷路器，其具有開斷大電流的穩定性及開斷小電流（電感及電容電流）的安全性，即不產生損壞設備的過電壓，也就是切電感小電流低截流值，開斷電容電流無重燃。解決了多年困擾我們的世界難題。目前，我國正在建設堅強智能電網，我們認為智能電網中的一切元件都應該是有優秀的。因此，本文介紹了我國第三代真空斷路器---“綠色”真空斷路器的研制原理，以推進我國電網的優質高效發展。
世界真空開關發展到今天經歷了兩代。第一代是上世紀70年代至80年代中期,是探索啟蒙階段；第二代為上世紀80年代至今,是引進國外技術消化模仿階段。此時我國真空開關技術有了長足的進步,接近了國際先進水平,在國內得到了廣泛應用。然而,在這20多年里盡管國內外真空開關型號繁多,結構五花八門,但基本性能卻沒有太大的差異。據試驗站對開斷大電流成功率的統計,多年來一直徘徊在85-88%之間。操作感性負載還離不開保護裝置。切電容電流重擊穿現象和第一代相比并沒有明顯的好轉。因此,研制第三代真空斷路器應該在這幾方面著手,于是“開斷大電流的穩定性和開斷小電流的安全性”理所當然成為第三代真空開關發展的里程碑。
一.開斷大電流的穩定性
目前我們開斷大電流出問題有三種情況:a,完全開不斷。b,后開相開不斷及中燃弧開不斷。c,異相接地開斷重燃。
出現以上問題的根本原因是我們在設計中沒有為不同電流相位滅弧創造適當的滅弧環境。首開相滅弧即有有利條件也有不利條件。有利條件是它開斷的電流正處在下降階段,因此它開斷的實際電流要比額定值小得多。不利條件是此時觸頭剛分離,窄小的空間金屬蒸氣呈高氣壓,而高氣壓的金屬蒸氣電弧具有大氣電弧的一切特性(非線性的伏安特性,電弧集聚),觸頭燒損嚴重,因此,首開相最佳滅弧環境就是加快剛分速度,擴大金屬蒸氣存在的空間和擴散通道,使電弧迅速由高氣壓轉變為低氣壓（擴散型）,為電流過零熄滅創造條件。 后開相滅弧環境和首開相不同。它要求有較小的滅弧開距,使不等式λ>T。(λ為粒子碰撞自由程,T。為滅弧開距)更容易成立。并遠離分閘到底機械震動區。因而此刻分閘速度要慢。在做單相異相接地開斷試驗中,開斷電流相位是隨機的,燃弧時間在3-13ms之間,為躲避震區要求開關分閘到底時間不小于20ms。因而分閘運動最后階段要更慢。這樣一條分閘運動特性是第三代真空開關必需具備的。
二. 開斷感性小電流
開斷感性小電流的危害性在于截流的產生,出現截流的原因大氣電弧(高氣壓電弧)和小電流真空電弧(低氣壓電弧)的機理是不一樣的。前者是電弧非線性伏安特性造成的,后者是電流自身蒸發的金屬蒸汽密度小到不能維持陰極電離區,電流自然就會在過零前熄滅而形成截流。要減小截流值就必須在觸頭材料中添加低熔點金屬,但這就會影響開斷大電流的能力。解決此矛盾的最好辦法就是大幅度減小滅弧開距。試驗證明,首開相的截流值平均為1.8A,后開相為8.1A,相差4.5倍。巧合的是目前真空開關首開相的滅弧開距平均在1.5-2.5mm之間,后開相的滅弧開距約在8-10mm左右(正好處在油緩沖器的末端),幾乎也是4.5倍。這充分表明小開距空間金屬蒸汽密度大,維持小電流能力強,而大開距空間金屬蒸汽密度小,維持小電流能力差,截流值自然增大。可見一條合理的分閘運動特性,在分閘中程(2-6mm)分閘速度減慢對開斷大,小電流都很有益處。
三. 開斷電容電流
切電容電流最棘手的問題就是重擊穿現象,它嚴重威脅電容器的安全。重擊穿現象不是哪家公司產品,哪種型號的缺陷,而是一種技術時代的特征。因此要解決這道世界性的難題,真空開關在設計上沒有大的突破是不可能的。
要解決重擊穿問題首先必須搞清楚其發生機理。行業中普遍存在“清潔度,毛刺論”和“反彈論”。持前一種觀點的人認為要用電流老煉來消除它。而后者要求限制開關分閘反彈幅度。但這“兩論”都存在經不起推敲之處。既然觸頭清潔不好,又有毛刺,為何開斷別的負載重燃現象就很少呢!既然管子有這么多毛病,絕緣耐壓關怎么通得過?在實際生產中,不論管子進廠檢驗還是整機檢驗都很順利,說明管子現代生產工藝是不存在問題的。電流老煉論認為毛刺是先天存在,用電流老煉除去就萬事大吉。這顯然有悖客觀事實。況且單管老煉基本不起作用。“反彈論”也有明顯的缺陷,大量切電容試驗表明,在整個時間坐標上幾乎都有重燃發生記錄,即便反彈了開距的60%也不可能擊穿,否則首開相就開不斷。看來我們還沒有觸及到發生重燃的要害之處。
在真空開關特定條件下,真空間隙被擊穿主要因素應該是場致發射。它的發生是由于觸頭平面存在“微突點”(俗稱毛刺),電場便在此集中,理論和試驗都證明,此處的場強將是斷口平均場強的10-100倍(摘自教科書)。而斷口擊穿的發生及經歷時間又和微突點材料比熱,熱容量,曲率半徑及電場強度有關。由幾毫秒到幾百毫秒不等。問題是好好的觸頭怎么會形成微突點,是先天就有還是后天形成的呢?我們認為是后天形成的,是開斷和關合負載后處理不當形成的。只要存在電弧,觸頭就會有局部熔化,在外力(合分閘機械震動)的作用下,就有可能形成微突點,要消除真空開關重擊穿的物理因素,必須在克服內外因素上下功夫。
四. 如何實現“開斷大電流的穩定性”
要完成上述任務就必須有一條科學合理的分閘運動特性,因為世界上一切斷路器都是通過特有的機械運動來獲得其電氣性能的。簡而言之真空開關的分閘運動應該是:快-慢-更慢。但現有的真空開關根本做不到這一點。首先第一步“快”就做不到,即便加大分閘彈簧勉強做到較快,第二步“慢”如何實現?油緩沖器能做到第三步“更慢”嗎?（有的開關甚至于連緩沖器都取消了）真要做到這些,真空開關設計必須動大手術。
我們這一代真空開關在結構設計上到底存在什么缺陷需要動大“手術”呢？其實是明擺著的,只是大家習以為常罷了。那就是動靜觸頭接觸方式。其它斷路器動靜觸頭接觸都是插入式,唯獨真空開關是平板接觸。這種接觸方式帶來三大弊病:1.動觸頭是靜止起步V。=0.很難完成第一步“快”的使命。2.因為是平板接觸,就必需有彈簧來保持接觸壓力,分閘時就得先釋放“超行程”,這樣就會使分閘運動復雜化。牛頓定律告訴我們:物體的運動狀態不能突變。因此,運動的絕緣桿和尚處于靜止的動導電桿在一起穩態運動前就會有一“過渡過程”(圖1). 在測試儀器上可清晰的看到動導電桿初分階段有一小間隙(約0.5mm)短時(1-3ms)停頓。小間隙的金屬蒸汽呈高氣壓,增加了觸頭額外的電弧燒損。3.在分閘的初始階段,觸頭壓縮簧壓力不斷減小,動靜觸頭間接觸點也隨之減少,電流密度增加使觸頭局部熔化而形成電弧,這種熱起弧方式有別于其它斷路器電起弧方式,觸頭除了電弧燒損外還有熱燒損。
要實現科學的分閘模式,就必須克服上述的三大弊病,為此,我們采取兩項措施:1.V。>0.將滅弧室結構實現“雙動”(圖2),即原靜端也能動。觸頭壓力彈簧移至上端。合閘時下導電桿推動上導電桿上移n毫米(超行程)。分閘后,觸頭壓力簧推動上下觸頭系統往下運動(請注意:此時觸頭壓力對于動導電桿是外力而不是原結構的內力),當超行程釋放完畢,上導電桿嘎然止住。此前雙方獲運動速度為V,接著下導電桿以V的速度離開上觸頭獲得V。>0目的。沒有了“過渡過程”，消除了小間隙短時停頓,真空開關不論開斷大小電流都會表現出優良的電氣性能。 2。采用“先推后拉”分閘模式。分閘力由拉改為推是真空開關技術的一大創舉。它有效的減輕或消除了觸頭的熱燒損。雙動方案初始分閘力有兩個,一個是上推,另一個是主軸分閘彈簧的下拉,如果兩個力同時作用,即又推又拉,觸頭壓力仍會逐漸減小,熱燒損不可避免。采取先推后拉方式,在釋放超程時,主軸簧并不參與,當走完超程后主軸分閘簧才拉動下系統完成分閘程序。由于下觸頭系統(包括絕緣桿)有相當質量,觸頭間會保持一定壓力,再由于下觸頭系統是被推出去的,觸頭間壓力必定是突然消失,這樣起弧過程就會由熱過程變為傳統斷路器電擊過程。
采取了上述兩項措施,真空斷路器的結構設計完全擺脫了傳統模式,科學的分閘運動特性才得以兌現。V。>0就確保了第一步“快”的實現。成功邁出了第一步,第二步“慢”和第三步“更慢”就迎刃而解了。由于主軸分閘簧只是將下觸頭拉到底并抵消滅弧室的自閉力,因而力值可設計小些,再配上適當的緩沖裝置便大功告成。
五. 切電容電流如何實現無重燃（開斷小電流的安全性）
動完大“手術”的新型真空開關確保了開斷大電流的穩定性,也大幅度降低了截流值,但對于切電容電流的安全性任務只完成了一小半。V。>0和“先推后拉”兩項措施只是在分閘時減弱或消除切電容電流對觸頭的電弧燒損和熱燒損,但大量試驗證明關合電容器組也是重燃的主要因素。我們在實踐中發現,帶電合閘,無電分閘真空開關斷口絕緣耐壓將大幅下降,這是因為帶電合閘觸頭一旦局部熔焊,分閘拉出來的毛刺沒有電弧清除的緣故。其實關合故障電流也可能熔焊,但它開斷電流大,毛刺被電弧清除掉。而電容電流卻很小,清除毛刺能力差。因此一旦熔焊,發生重燃的概率就很高。關合電容使觸頭熔焊的罪魁禍首就是它高頻的涌流。由于滅弧室結構的特點,觸頭在接觸瞬間很難做到絕對平行,因此存在“初始接觸點”,高頻的涌流就會快速在這小區域通過,電流密度很大,熔焊就有可能發生。可見在組裝真空開關時確保安裝精度是何等重要(在試驗中來回更換管子總能通過就是這個道理)。電流老煉的作用就是不斷的用電弧燒蝕使初始接觸點越來越多,避免了熔焊,重燃發生的機率就會變小。但這只有在整機上進行才有效。如果把管子拆下來重裝也許前功盡棄。這就是單管老煉不如整機老煉的原因。要使觸頭在關合涌流時不熔焊必須在觸頭接觸形狀上想辦法。球面或錐面凹凸型接觸方式就是其中之一。由于組裝很難保證上下導電桿的同軸度,合閘初始接觸點必定是球(錐)體的側面,涌流使其熔化(也許來不及焊),隨著合閘動作繼續進行,觸頭面自動找正,對熔焊點有切斷磨平功能,此刻接觸面已足夠大,再也不會發生熔焊了。沒有了熔焊點,分閘就不會拉出毛刺。消除了分,合電容器組(其它負載也是如此)產生重擊穿的物理因素。
到此，我們正確地判斷了真空開關產生重燃的物理因素,采取了有效措施消除它,研制成功無重燃真空斷路器,實現了開發不產生損壞設備過電壓“綠色”真空斷路器的夢想,使真空開關完成了它更新換代的歷史重任。
（作者：北京華東森源電氣有限責任公司） |
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