| 華東森源電氣股份有限公司 聶崇志
目前國內外真空開關普遍存在的問題
談到真空開關存在的問題,一般不是特指某個廠家,某種型號產品的偶然事故,也不是指合閘彈跳,分閘反彈,同期之類機械特性,而是涉及到根本性的“設計質量”缺陷。這種缺陷在型式試驗中反映得最充分；即開斷大電流的穩定性及開斷小電流的安全性。
從國內大電流試驗站額定短路電流開斷試驗情況來看,試品(包括合資企業)一次合格率遠達不到理論百分比(如果設計是正確的,一次通過率應不低于99%)。反映到運行現場,盡管短路事故概率本身就不高,額定容量幾乎沒有,而每年還是有10來臺真空開關發生開斷失敗事故。小電流(電感和電容)開斷的安全性也不容樂觀,據紹興無功補償試驗站統計,12kV真空開關切電容器試驗一次通過率至今尚徘徊在60-80%之間,35kV更是少之又少。無功補償運行現場事故也時有發生(2005年1月四川瀘州電業局就生一起切電容器事故,泡子還是進口的)。開斷電感電流過電壓損壞設備事故也時有報道。盡管Cu-Cr觸頭材料截流水平自稱在3-5安,但此數據是在特定條件下測得的,具體到不同的開關設計,其值差異很大。據湖南省中試所測得的數據來看,0-13安的截流值都有可能出現。這說明安全和危險同在,我們不可掉以輕心.
原因何在
1.開大電流失敗的原因: 開大電流失敗表現形式多種多樣,有完全失敗的(首開相就開不斷),有后開相開不斷的,有后開相滑相開斷的,有開斷n次又失敗的,在合成回路試驗中長燃弧開不斷的,有同一型號開關,甲廠開斷順利而乙廠失敗的,有同一廠家同一型號開關在做配合試驗中成功和失敗都有的等等。什么原因呢? 型式試驗的樣機制作和調試一定精益求精,慎之又慎,因而,試驗失敗人為因素(制造質量)基本可以排除。設計質量就成了我們分析的重要因素。現今真空開關在設計上有哪些問題呢? 我歸結為:“三顧,三不顧”,即只顧分閘運動的上半程而不顧下半程; 只顧首開相開斷而不顧后開相; 只顧開斷大電流而不顧小電流。
既然是開斷三相交流電,就一定會有首開相和后開相,而兩者對分閘運動特性的要求是各不相同的,我們必須在設計中營造不同的環境來滿足它們的各自需要。
首開相開斷有利和不利條件并存:有利條件是它開斷的電流正處在下降階段,開斷的實際電流要比額定值小得多。不利條件是此刻觸頭剛分離,電弧形成后,金屬蒸氣密度大而梯度小,電弧必呈集聚型,電弧要盡快轉變為擴散型就成為了首開相成功開斷的必要條件。而加快此轉變最有效的手段就是提高初分速度。而目前真空開關普遍采用的分閘速度為前6mm的平均值，但此6mm對首開相太遠,對后開相又太近,而且滿足此條件的曲線無窮多。假設有三條分閘運動曲線A,B,C,速度都為1.2m/s(圖1),但它們的開斷性能差異很大。C最好,B次之,A最差。問題就出在“初”字上。理論和實踐都證明“初分”的范圍應為2mm,這樣C分2mm的時間t1遠小于B,A的t2,t3.它首開相開斷的成功率就最高。可見,目前真空開關的分閘速度定義不夠準確,它不能指導人們設計出性能完全合格的產品。其次,不管以2mm還是6mm來定義分閘速度,后半程任其自然是現今真空開關設計的一大誤區。它的許多弊病,諸如后開相開斷失敗,滑相,重擊穿,截流水平大等,或多或少和它都有關系。
2. 開小電流引發過電壓的原因:當電流小到一定程度,電弧的陰極電離區就會消失,此刻,電流不過零也會熄滅而產生截流,在感性負載中引發過電壓。真空間隙絕緣強度很高,但它對電場很敏感,一旦觸頭表面不平整(熄弧時震動引起的),電場強度過于集中,就有可能發生場致發射而擊穿,切電容負載時就會產生重燃過電壓。
改進措施
有一家公司3AH1的結構可以借 鑒作為改進措施之一:將觸頭壓縮 彈簧及其相關部件從分閘運動桿 系中剝離出來,減小了分閘部件的 質量(圖2)措施之二:采用R型觸頭中區起弧技術(圖3)。
當電弧在中區引弧,金屬蒸氣向四周擴散,空間驟然變大,金屬蒸氣密度隨之驟然變小,由高氣壓轉變為低氣壓,起到了提高初分速度的等效作用,為首開相成功開斷鋪平道路。 到此為止,只是完成了開斷過程的一半,下面該輪到后開相開斷了.如何為它營造開斷條件呢?以往,從事真空開關技術工作人員忽略了一個重要細節:后開相燃弧時間80%都在10-12ms時間 段(圖4),而開關分閘到底引起機械震動時間幾乎和它重合,不難想象,強烈的震動,會使尚未凝固的液態金屬飛濺,形成觸頭間金屬顆粒懸浮物,同時也破壞觸頭表面平整,這些都是造成后開相開斷失敗及重擊穿的誘發因素。可見處理好后半程運動狀況是何等重要。其實,真正對開斷有重大影響的區域處于速度變化率最大處,后開相滅弧時間進此時間段的概率并不很大,所以往往被人忽略.要做到真空開關穩定開斷,就必須將后開相的滅弧區遠離機械震動區(圖5)。此刻,分閘緩沖器的設計和采用就顯得格外重要(永磁和VD4都沒有分閘緩沖器是否可取！)。它將分閘過程分為三個階段: 快—首開相滅弧；慢—后開相在動觸頭近似勻速運動中滅弧；更慢—分閘運動在遠離滅弧區平穩結束。這樣,后開相熄弧后,留有足夠的時間來冷卻弧根,保證了觸頭空間潔凈和表面平整,從而消除了開斷失敗,重擊穿的外部因素。
凡從事真空開關和滅弧室設計的人員,大多把精力放在觸頭結構,磁場強度,滅弧方式,觸頭材料,電場分布及開斷能力上,很少有人顧及開斷小電流如何如何,這又是真空開關設計誤區之一。截流過電壓是伴隨開小電流產生的衍生物。傳統的觀念認為,截流水平只與觸頭材料有關,熟不知觸頭空間(滅弧開距)減小后,同等電流的金屬蒸氣密度就會增加(等效在觸頭材料中添加了低熔點金屬,但它不影響開大電流能力),維持小電流能力加強,截流水平自然下降。圖5中“慢”曲線中,后開相滅弧開距約為5-6mm,只有傳統開關的一半,截流過電壓可大幅下降。
下面一組數據是1995年8月湖南省中試所在株洲電廠做切電機(6kV,400kW)試驗數據中隨機摘取的,從表列中可清楚的發現一種規律:每一次測得的三相截流值都是一小二大;也就是小開距的首開相截流值小,而大開距的后開相截流值大,且大很多。
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序號 |
截 流 值 (A) |
|
A 相 |
B 相 |
C 相 |
|
1 |
5.50 |
0 |
5.50 |
|
2 |
10.76 |
8.87 |
2.98 |
|
3 |
12.30 |
9.63 |
0 |
|
4 |
2.00 |
10.70 |
9.80 |
|
5 |
2.50 |
10.26 |
7.08 |
|
6 |
8.46 |
12.10 |
2.23 |
|
7 |
10.00 |
1.61 |
9.70 |
|
8 |
2.30 |
9.26 |
11.20 |
|
9 |
5.00 |
3.10 |
3.80 |
|
10 |
9.70 |
12.90 |
1.67 |
用一條理想的分閘運動特性解決真空開關開斷大,小電流問題是一種創新思路。它關系著真空開關技術發展的大問題,也關系著與國外大公司競爭生存還是淘汰的大問題。我們要弘揚民族工業,就必須走自主創新的路子,跟著人家盲目亦步亦趨的走是沒有出路的。希望業內同仁多加關注。也許“風景這邊獨好”。
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