論252kV單斷口高壓真空斷路器的開發(fā)研究

1、論252kV單斷口高壓真空斷路器的開發(fā)研究 王季梅(西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院 西安 710049)摘要 文章描述了西安交通大學(xué)真空電弧理論研究和產(chǎn)品開發(fā)小組與浙江溫嶺電器有限公司聯(lián)合開發(fā)的現(xiàn)狀，在相互配合共同努力下，僅通過一年多來的時(shí)間已初步設(shè)計(jì)和試制出國(guó)內(nèi)第一臺(tái)252kV真空滅弧室樣機(jī)，并初步解決了有關(guān)制造工藝技術(shù)的關(guān)鍵問題。目前正在進(jìn)一步對(duì)這臺(tái)真空滅弧室樣機(jī)的解剖和深入的緣絕性能分析，并對(duì)其額定電流的確定和增容，開斷能力的估算和試驗(yàn)以及解決其操動(dòng)機(jī)構(gòu)的配合問題等。關(guān)鍵詞 絕緣性能，制造工藝，額定電流，開斷電流，操動(dòng)機(jī)構(gòu)真空和SF6兩種性能優(yōu)異的滅弧和絕緣介質(zhì)成功地應(yīng)用到斷路器領(lǐng)域是在20世

2、紀(jì)五十年代末。從那以后，真空斷路器和SF6斷路器逐漸樹立起高壓斷路器市場(chǎng)的主流產(chǎn)品地位，由于SF6氣體具有優(yōu)異的熱化學(xué)性能和極強(qiáng)的負(fù)電性，因而其絕緣和滅弧性能更適合于高電壓的要求和在72.51000kV電壓等級(jí)的斷路器中占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)地位。真空開關(guān)在科學(xué)技術(shù)的對(duì)比競(jìng)賽下退居占領(lǐng)高壓領(lǐng)域的中等電壓地位，即在150kV及以下的電壓發(fā)揮作用。但SF6氣體經(jīng)過電弧的高溫分解作用后可產(chǎn)生劇毒的分解物，更重要的是從環(huán)境保護(hù)角度看，SF6氣體是一種溫室效應(yīng)氣體?，F(xiàn)在公認(rèn)全球溫度上升的主要原因是人類排放的溫室效應(yīng)氣體造成的。SF6的地球暖化系數(shù)(Global Warming Potential)是CO2的2490

3、0倍，而且SF6氣體的分子結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定，其壽命長(zhǎng)達(dá)3200年。2全世界SF6氣體的產(chǎn)量主要用于斷路器和其它輸電設(shè)備等電力工業(yè)。在實(shí)際生產(chǎn)和運(yùn)行過程中SF6氣體有很大的泄漏。1若SF6氣體的排放量繼續(xù)增大的話，其溫室效應(yīng)的影響程度將相當(dāng)可觀。12從全球環(huán)境保護(hù)出發(fā)，1997年在日本京都會(huì)議上提出了決議，即聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約京都議定書，簡(jiǎn)稱京都議定書。在京都議定書中列出了六種溫室效應(yīng)氣體，SF6氣體是其中之一。京都議定書對(duì)SF6氣體的限制使用已引起了世界各國(guó)的關(guān)注和同時(shí)引起我國(guó)環(huán)保部門和電力部門的極大關(guān)注，同時(shí)也給廣大從事高壓開關(guān)的研究者提出了新的課題。限制SF6氣體的排放量有4個(gè)途徑：第一，

4、尋找SF6氣體的替代品;第二，在產(chǎn)品中減少SF6氣體的使用量或采用SF6混合氣體;第三，加強(qiáng)產(chǎn)品密封，減少漏氣量;第四，采用環(huán)保型產(chǎn)品。到目前為止世界上尚未找到一種氣體像SF6氣體那樣同時(shí)具有優(yōu)異的滅弧和絕緣性能。在這4個(gè)途徑中，我們初步認(rèn)為，最后一種途徑作為今后發(fā)展方向較為合適，世界各國(guó)的專家們也認(rèn)為最后一種可行性途徑較為現(xiàn)實(shí)。自2005以來，西安交通大學(xué)真空電弧理論研究和產(chǎn)品開發(fā)組聯(lián)合浙江溫嶺紫光電器有限公司和陜西斯瑞工業(yè)有限公司觸頭材料研究室開始共同研究開發(fā)252kV單斷口真空斷路器。經(jīng)過一年多來的精心設(shè)計(jì)和實(shí)踐性試制工作已于2006年4月4日制造出國(guó)內(nèi)第一臺(tái)252kV單斷口真空斷路器用

5、的真空滅弧室樣機(jī)。初步解決了制造技術(shù)上的一系列工藝問題：例如，組件的加工，真空處理，整體組裝的精確度，大直徑的玻殼封接退火技術(shù)，高真空度抽氣，真空下的直流排氣老煉，高電壓下的老煉技術(shù)等等。圖1所示為制成前真空滅弧室的剖面圖和實(shí)樣照片圖，真空滅弧室的外直徑為260mm，電極直徑為140mm，有效開距為80mm，管內(nèi)布置有1個(gè)主屏蔽罩和4個(gè)均壓屏蔽罩，預(yù)計(jì)設(shè)計(jì)的額定電流為3150A，短路開斷電流為50kA。1主屏蔽罩 2中間均壓屏蔽罩 3端部均壓屏蔽罩 4電極 5動(dòng)導(dǎo)電桿 6靜導(dǎo)電桿a)設(shè)計(jì)剖面圖b)實(shí)樣照片圖圖1 252kV真空滅弧室剖面圖和實(shí)樣照片圖圖2所示為252kV單斷口高壓真空斷路器結(jié)構(gòu)

6、圖。從圖中可以見到真空斷路器的總高為6102mm，與一年前試制成功的126kV單斷口高壓真空斷路器對(duì)比略高一些，因此支撐的穩(wěn)定性還是比較可靠的，三相電力輸電線路可由三個(gè)單柱真空斷路器組成。據(jù)2002年在法國(guó)召開的ISDEIV國(guó)際會(huì)議論文中的報(bào)導(dǎo)，關(guān)于高電壓大容量真空斷路器今后發(fā)展可行性的論文作者S.Yanabu3等認(rèn)為自1997年京都會(huì)議提出SF6氣體屬于地球溫室效應(yīng)氣體之一，并且將于2030年后禁止使用。建議提出開發(fā)高電壓真空斷路器的建議來解決。具體要點(diǎn)有下列幾個(gè)方面，可借鏡作為參考：(1)對(duì)于800kV的輸電線路，至少需要能制造出154kV到200kV額定電壓的真空滅弧室采用串聯(lián)方式組成。

7、(2)用于VCB的真空滅弧室的額定電流至少需要制造出3000A，今后還需考慮到4000A至6000A的額定電流。(3)參照VCB的情況，觸頭材料的外裸部分是真空，由陶瓷或玻璃容器作為密封體。所以用真空作為絕緣成為非常復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。尤其操動(dòng)機(jī)構(gòu)又外露于空氣中用空氣作絕緣。 關(guān)于VCB的內(nèi)部電氣絕緣可分為四種情況(1) 主觸頭間的絕緣(2) 主觸頭與主屏蔽罩間的絕緣(3) 絕緣支架與對(duì)地間的絕緣(4) 外絕緣等等四大部分如圖3所示。其中對(duì)真空滅弧室的內(nèi)部真空絕緣尤為重要，并指出電極的老煉需要進(jìn)行特殊的處理才能滿足真空絕緣要求3，同時(shí)還要考慮到VCB的冷卻，如何將大額定電流產(chǎn)生的巨大熱量從真空滅弧室內(nèi)

8、部傳送到外部進(jìn)行散熱的措施。論文的最后建議真空斷路器可采用箱式的結(jié)構(gòu)，內(nèi)部設(shè)置有串聯(lián)的真空滅弧室、接地開關(guān)、隔離開關(guān)和避雷器等，并用硅油來作為外絕緣的結(jié)構(gòu)方案，如圖4所示。圖2 252kV單斷口真空斷路器結(jié)構(gòu)圖1 上散熱器 2進(jìn)線端子 3真空滅弧室 4真空滅弧室瓷套 5下散熱器 6出線端子7絕緣拉桿 8波紋管 9永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu) 10支柱瓷套圖3 真空滅弧室的內(nèi)部真空絕緣252kV高壓真空滅弧室的試制研究，雖已取得一定的成績(jī)，這僅不過是萬里長(zhǎng)征第一步，還需要繼續(xù)努力作大量的工作，希望國(guó)內(nèi)有關(guān)研究單位，大專院校，各方面專家們共同攜起手來，大力協(xié)作為我國(guó)電力事業(yè)的發(fā)展作出貢獻(xiàn)。圖4 浸在硅油中的箱式真空斷路器開關(guān)設(shè)備參考文獻(xiàn)1 王季梅.論開發(fā)750kV超高壓真空斷路器的必要性北京，電力設(shè)備，2004年9月 5卷9期.3 H.Wanib.et al Impulse Conditioning Characteristics of Break