真空斷路器用于發(fā)電機(jī)出口保護(hù)之我見(jiàn)

1、真空斷路器用于發(fā)電機(jī)出口保護(hù)之我見(jiàn)北京北開(kāi)電氣股份有限公司 耿緒利摘要：工作于發(fā)電機(jī)出口保護(hù)用的斷路器，無(wú)論是一側(cè)的發(fā)電機(jī)，還是另一側(cè)的大型升壓變壓器，都可能造成非常嚴(yán)酷的短路開(kāi)斷條件，因此發(fā)電機(jī)回路保護(hù)用中壓斷路器會(huì)遇到極其嚴(yán)酷的短路開(kāi)斷條件。通常，大容量發(fā)電機(jī)斷路器體積很大，這種類(lèi)型的發(fā)電機(jī)斷路器常使用壓縮空氣或SF6壓氣式滅弧技術(shù)。近年來(lái)，由于真空斷路器技術(shù)的不斷發(fā)展，使其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)展。隨著時(shí)間的推移，真空滅弧室（VIS）的短路開(kāi)斷能力有了顯著提高，相應(yīng)地使真空斷路器也有了很大發(fā)展。真空滅弧室剛出現(xiàn)時(shí)，主要適用于只有較小短路電流要求的配電回路。由于對(duì)真空電弧特性和觸頭材料的不斷研究，

2、電真空工藝技術(shù)進(jìn)步了，使我國(guó)以具備開(kāi)發(fā)出能夠在非常嚴(yán)酷的故障條件下開(kāi)斷大短路電流的滅弧室。現(xiàn)在，最新一代的VIS能夠滿(mǎn)足發(fā)電機(jī)回路保護(hù)所要求的多種非常嚴(yán)酷的條件。這不僅包含具有大電流、高直流分量和長(zhǎng)時(shí)間常數(shù)等特點(diǎn)的短路電流要求，也包含具有很快瞬態(tài)恢復(fù)電壓（TRV）上升率（RRRVs）和很高峰值的TRV要求。使用縱向磁場(chǎng)設(shè)計(jì)原理的新一代VIS產(chǎn)品適合應(yīng)用于發(fā)電機(jī)回路保護(hù)，參數(shù)可達(dá)12KV-6300A-80KA。我國(guó)首臺(tái)自主研發(fā)、擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的ZN105型大容量真空斷路器試驗(yàn)已成功地表明，這種類(lèi)型的VCB符合IEEE標(biāo)準(zhǔn)C37。013關(guān)于對(duì)發(fā)電機(jī)斷路器的規(guī)定，此標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了斷路器需要滿(mǎn)足的發(fā)電機(jī)

3、回路嚴(yán)酷條件的能力。產(chǎn)品的試驗(yàn)及掛網(wǎng)實(shí)踐證明：真空斷路器用于發(fā)電機(jī)出口的保護(hù)不僅是可行的，而且在技術(shù)、經(jīng)濟(jì)以及運(yùn)行等方面是非常適宜的。關(guān)鍵詞：真空滅弧室；發(fā)電機(jī)斷路器1 前言隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)行業(yè)對(duì)電力系統(tǒng)等能源建設(shè)的要求也在日益提高，截至到2004年底我國(guó)現(xiàn)有發(fā)電機(jī)組的裝機(jī)容量已達(dá)4.32億KW，發(fā)電量達(dá)到2.16萬(wàn)億KW.h以上，位居世界第二位。在電力的產(chǎn)生、輸送、分配與實(shí)際電力負(fù)荷的應(yīng)用等環(huán)節(jié)中，作為對(duì)電力系統(tǒng)中各處用電設(shè)備及整個(gè)電力系統(tǒng)實(shí)施控制與保護(hù)的高壓斷路器無(wú)疑是一個(gè)十分重要的電器設(shè)備。它的性能優(yōu)劣、可靠性的高低都直接關(guān)系到整個(gè)電力系統(tǒng)和眾多用電設(shè)備的安全與運(yùn)

4、行，關(guān)系到國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)行業(yè)的方方面面。因此就整個(gè)電力系統(tǒng)而言，無(wú)不對(duì)斷路器的性能及可靠性提出了很高的要求與期盼。在整個(gè)電力系統(tǒng)中，根據(jù)被保護(hù)設(shè)備所處的運(yùn)行條件與環(huán)境的不同，在系統(tǒng)出現(xiàn)短路故障時(shí)斷路器所承擔(dān)的開(kāi)斷任務(wù)差異也是十分大的。為此國(guó)際電工委員會(huì)將保護(hù)斷路器區(qū)分為發(fā)電機(jī)出口保護(hù)用和一般輸配電保護(hù)用兩大類(lèi)（國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)分別是：IEEE Std C37。013-1997； IEC62271-100：2001），我國(guó)也根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的要求，分別制訂了兩種產(chǎn)品型試試驗(yàn)所依據(jù)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，它們分別是：GB/T14824發(fā)電機(jī)斷路器通用技術(shù)條件和GB1984-2003高壓交流斷路器兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)內(nèi)容

5、與對(duì)產(chǎn)品的考核程度區(qū)別甚大。2 發(fā)電機(jī)回路特點(diǎn)及我國(guó)設(shè)備現(xiàn)狀發(fā)電機(jī)斷路器位于發(fā)電機(jī)和連接其余電力系統(tǒng)的大功率升壓變壓器之間，這就造成了回路開(kāi)斷條件尤其嚴(yán)酷。無(wú)論發(fā)電機(jī)還是變壓器都只有很低的電阻和很高的電感/電阻比率（L/R），相反，架空線(xiàn)和地下電纜的L/R比率卻很低。發(fā)電機(jī)回路的L/R比率比典型配電回路的高幾倍，L/R比率的單位用時(shí)間來(lái)表示，它決定了故障電流直流分量的衰減率。直流分量的衰減率非常重要，它決定了斷路器觸頭剛分點(diǎn)及其燃弧期間直到完全開(kāi)斷時(shí)的電流強(qiáng)度。此外，發(fā)電機(jī)斷路器還必須能開(kāi)合系統(tǒng)失步條件下的回路。使得在此處工作的斷路器，除了滿(mǎn)足一般開(kāi)斷性能要求外，還需要克服系統(tǒng)暫態(tài)過(guò)程中非常高

6、的直流分量、高的電動(dòng)沖擊系數(shù)、非常陡的暫態(tài)恢復(fù)電壓等極其嚴(yán)酷的開(kāi)斷條件。正因?yàn)槿绱?，在我?guó)，當(dāng)發(fā)電機(jī)出口處的系統(tǒng)短路容量超過(guò)63KA時(shí),所需的保護(hù)用斷路器均需要進(jìn)口,且進(jìn)口的斷路器其滅弧介質(zhì)多為變壓器油、壓縮空氣以及SF6氣體等。由于受到這些介質(zhì)的靜態(tài)絕緣特性和動(dòng)態(tài)絕緣恢復(fù)特性限制，使得由這些滅弧介質(zhì)所制造出的斷路器不僅體積龐大、重量重（平均每臺(tái)3噸以上）、機(jī)電壽命不高、維護(hù)維修困難，而且價(jià)格十分昂貴，以額定電壓12KV、額定電流6300A、額定短路開(kāi)端電流80kA為例，如此參數(shù)的發(fā)電機(jī)出口保護(hù)用斷路器每臺(tái)進(jìn)口價(jià)格均在150萬(wàn)元以上，我國(guó)每年為此均需要花費(fèi)大量的外匯用來(lái)購(gòu)買(mǎi)國(guó)外大公司的產(chǎn)品來(lái)滿(mǎn)

7、足我國(guó)中小容量發(fā)電機(jī)組出口保護(hù)的系統(tǒng)要求。3 適合發(fā)電機(jī)回路保護(hù)的真空滅弧室（VIS）縱向磁場(chǎng)（AMF）真空滅弧室特別適合于發(fā)電機(jī)回路保護(hù)的應(yīng)用，這以為大量開(kāi)斷試驗(yàn)所證實(shí)，其典型特征為大故障電流和長(zhǎng)燃弧時(shí)間。縱向磁場(chǎng)（AMF）真空滅弧室由花瓣?duì)钣|頭構(gòu)成。當(dāng)電流流過(guò)花瓣?duì)钣|頭之間時(shí)，電流產(chǎn)生一個(gè)與滅弧室軸向平行的磁場(chǎng)，而該磁場(chǎng)平行于電弧，因此命名為“縱向磁場(chǎng)真空滅弧室”?？v向磁場(chǎng)與電弧電流相互作用產(chǎn)生的力，約束電弧使其不能積聚，使電弧能量均勻的分布在觸頭表面，減少了觸頭燒損。此外，真空介質(zhì)的動(dòng)態(tài)絕緣恢復(fù)強(qiáng)度也優(yōu)于變壓器油、SF6氣體等介質(zhì)，其介質(zhì)的動(dòng)態(tài)絕緣恢復(fù)強(qiáng)度時(shí)間為ns級(jí)，完全能夠滿(mǎn)足斷口暫

8、態(tài)恢復(fù)電壓對(duì)介質(zhì)絕緣恢復(fù)強(qiáng)度的要求，這也為試驗(yàn)所證實(shí)。4 我們自己研制發(fā)電機(jī)斷路器的條件與過(guò)程面對(duì)我國(guó)電力系統(tǒng)的急迫需求,北京北開(kāi)電氣股份公司決定憑借自己五十多年的經(jīng)驗(yàn)積累，以自己的工程技術(shù)人員為主,在消化吸收引進(jìn)德國(guó)西門(mén)子公司產(chǎn)品技術(shù)的基礎(chǔ)上(注:北開(kāi)于1983年在國(guó)家兩部委(電力機(jī)械)直接組織下參加了引進(jìn)德國(guó)西門(mén)子公司真空斷路器技術(shù)的工作組,并負(fù)責(zé)整機(jī)的國(guó)產(chǎn)化研制工作,同時(shí)參與引進(jìn)工作組的其它行業(yè)骨干廠所有:桂林電器研究所負(fù)責(zé)真空滅弧室觸頭材料的研制、國(guó)營(yíng)4401廠負(fù)責(zé)真空滅弧室的研制,當(dāng)時(shí)引進(jìn)產(chǎn)品的技術(shù)參數(shù)為:額定電壓12KV、額定電流3150A及以下、額定短路開(kāi)斷電流40KA及以下。在

9、經(jīng)過(guò)七年的國(guó)產(chǎn)化工作后，終于在1990年8月28日全部零件由我國(guó)自己生產(chǎn)并組裝的真空斷路器通過(guò)型式試驗(yàn)并經(jīng)過(guò)兩部鑒定；此后我們又完全依靠國(guó)內(nèi)自己的力量，于1995年完成了額定電流3150A、額定短路開(kāi)斷電流50KA；1998年完成了額定電流4000A、額定短路開(kāi)斷電流63KA的真空斷路器產(chǎn)品，成為我國(guó)同行業(yè)之最，有真空王國(guó)的美譽(yù)，為電力行業(yè)提供了大量?jī)?yōu)質(zhì)產(chǎn)品，以上產(chǎn)品還被評(píng)為北京市名牌產(chǎn)品。在此過(guò)程中，我們積累了豐富的研制經(jīng)驗(yàn)，也鍛造出一支優(yōu)秀的工程技術(shù)人員隊(duì)伍)、廣泛開(kāi)展社會(huì)上的產(chǎn)、學(xué)、研合作,于2000年1月成立了項(xiàng)目攻關(guān)組,列為當(dāng)年我公司產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的一號(hào)工程，本人作為項(xiàng)目攻關(guān)組組長(zhǎng)，作為項(xiàng)

10、目第一責(zé)任人，參加了產(chǎn)品市場(chǎng)調(diào)研、產(chǎn)品技術(shù)與經(jīng)濟(jì)可行性分析、產(chǎn)品立項(xiàng)、結(jié)構(gòu)方案及關(guān)主件的設(shè)計(jì)、試驗(yàn)方案的制定以及型式試驗(yàn)的全過(guò)程。在經(jīng)過(guò)歷時(shí)四年、兩次型式試驗(yàn)開(kāi)斷失敗的經(jīng)歷后，不斷總結(jié)失敗的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)、針對(duì)型式試驗(yàn)中遇到的新問(wèn)題，提出自己的改進(jìn)設(shè)計(jì)方案，最后通過(guò)攻關(guān)組的不懈努力、在廣泛開(kāi)展產(chǎn)、學(xué)、研合作的基礎(chǔ)上，終于開(kāi)發(fā)研制出我國(guó)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的ZN105型發(fā)電機(jī)出口保護(hù)用真空斷路器。ZN105型發(fā)電機(jī)出口保護(hù)用真空斷路器不僅能夠滿(mǎn)足國(guó)產(chǎn)中小型發(fā)電機(jī)組出口保護(hù)的要求，而且由于采用了真空介質(zhì)用于滅弧，使得產(chǎn)品的機(jī)電壽命高、體積小、重量輕、操作簡(jiǎn)單、且產(chǎn)品價(jià)格只相當(dāng)于國(guó)外進(jìn)口設(shè)備的二分之一。在20

11、04年12月27日通過(guò)的國(guó)家兩部委產(chǎn)品鑒定會(huì)上，專(zhuān)家的鑒定結(jié)論是：產(chǎn)品結(jié)構(gòu)合理，技術(shù)參數(shù)水平高，產(chǎn)品填補(bǔ)國(guó)內(nèi)空白，處于國(guó)際領(lǐng)先水平。（鑒定報(bào)告全文見(jiàn)附后，所得結(jié)論除經(jīng)過(guò)專(zhuān)家的評(píng)審?fù)猓€經(jīng)過(guò)了中國(guó)科學(xué)院文獻(xiàn)情報(bào)中心的科技檢索，此外本產(chǎn)品在今年7月13日參加了在北京科技大學(xué)科技中心召開(kāi)的北京市科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)的評(píng)審，本人作為會(huì)議要求的第一答辯人回答了專(zhuān)家的提問(wèn)。同時(shí)在今年6月，此產(chǎn)品獲得了由中華人民共和國(guó)科學(xué)技術(shù)部和中華人民共和國(guó)商務(wù)部等四部委聯(lián)合頒發(fā)的國(guó)家重點(diǎn)新產(chǎn)品證書(shū)）5 發(fā)電機(jī)斷路器的關(guān)鍵技術(shù) 作為發(fā)電機(jī)出口保護(hù)用斷路器其關(guān)鍵技術(shù)主要是解決以下三個(gè)問(wèn)題：51：如何使斷路器在大的額定電流，在不增

12、加任何輔助散熱設(shè)備的條件下（既不采用強(qiáng)制通風(fēng)、水冷等散熱方式），滿(mǎn)足設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)的溫升要求。52如何使斷路器在發(fā)電機(jī)出口這種嚴(yán)酷開(kāi)斷條件下，確保滿(mǎn)足GB/T14824的要求。53：如何解決在大的分、合閘操作功作用下，斷路器觸頭系統(tǒng)的合閘彈跳與分閘反彈問(wèn)題。51：如何使斷路器在大的額定電流，在不增加任何輔助散熱設(shè)備的條件下（既不采用強(qiáng)制通風(fēng)、水冷等散熱方式），滿(mǎn)足設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)的溫升要求。鑒于電弧開(kāi)斷過(guò)程的復(fù)雜性，尤其是大電流的開(kāi)斷受到強(qiáng)磁場(chǎng)、強(qiáng)電場(chǎng)、溫度場(chǎng)以及電力系統(tǒng)參數(shù)震蕩暫態(tài)過(guò)程的影響，使得到目前為止，國(guó)內(nèi)外尚不能對(duì)電弧開(kāi)斷過(guò)程建立起精確的數(shù)學(xué)模型.高壓斷路器的設(shè)計(jì)有些部分還不得不依憑以

13、往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，整機(jī)的性能指標(biāo)最終還得依靠大功率試驗(yàn)站的開(kāi)斷考核。同時(shí)，由于真空條件的限制，使得真空斷路器的溫升散熱成了非常薄弱的環(huán)節(jié)。我們攻關(guān)組在承擔(dān)了項(xiàng)目攻關(guān)任務(wù)后，根據(jù)多年積累下來(lái)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，首先對(duì)整機(jī)產(chǎn)品能夠用計(jì)算機(jī)仿真設(shè)計(jì)的部件進(jìn)行了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，例如，利用有限元的方法對(duì)整機(jī)的溫度場(chǎng)分布進(jìn)行了仿真計(jì)算，對(duì)主回路系統(tǒng)中的熱節(jié)點(diǎn)用ANSYS軟件進(jìn)行了逐點(diǎn)溫度場(chǎng)與磁場(chǎng)的偶合分析與計(jì)算，最終確定了斷路器上下出線(xiàn)的最佳散熱面積和外加熱管技術(shù)的溫升解決方案。不但節(jié)省了時(shí)間，還避免了以往開(kāi)大型模具的盲目性，通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真恰到好處的解決了溫升散熱、電場(chǎng)分布以及機(jī)械受力三者的關(guān)系。下面既是溫度場(chǎng)仿真計(jì)

14、算示例（見(jiàn)下面圖頁(yè)）。 52如何使斷路器在發(fā)電機(jī)出口這種嚴(yán)酷開(kāi)斷條件下，確保滿(mǎn)足GB/T14824的要求。對(duì)于發(fā)電機(jī)保護(hù)要求的，系統(tǒng)暫態(tài)過(guò)程中的高直流分量、高的恢復(fù)電壓上升陡度（TRV值）、非常大的短路開(kāi)斷電流,我們首先采取的方案是：利用真空介質(zhì)非常優(yōu)異的靜態(tài)絕緣特性和動(dòng)態(tài)絕緣恢復(fù)特性，根據(jù)我們以往成熟的縱向磁場(chǎng)約束電弧理論、加上杯狀觸頭結(jié)構(gòu)、用真空熔鑄自耗成型的特殊工藝加工制造出適于真空開(kāi)斷的觸頭材料-CuCr50（觸頭含氣量可以降到300ppm以下）、又采納了清華大學(xué)、西安交通大學(xué)等學(xué)者的建議，將滅弧室觸頭作成1/4匝線(xiàn)圈形式，在國(guó)營(yíng)777廠的大力配合下，加工制造出我國(guó)第一只大容量真空滅弧

15、室。并于2002年10月在西安高壓試驗(yàn)站進(jìn)行了首次開(kāi)斷試驗(yàn)。試驗(yàn)第一次開(kāi)斷就不成功，觸頭熔焊無(wú)法打開(kāi)。我們將觸頭熔焊的滅弧室解剖分析，針對(duì)試驗(yàn)中出現(xiàn)的問(wèn)題，提出了改善觸頭材料組分（由CuCr50改為CuCr35以提高材料的抗熔焊性）、增大觸頭超行程以增加觸頭的助分力等項(xiàng)措施，樣機(jī)經(jīng)過(guò)改進(jìn)后，于2003年初又進(jìn)行了第二次試驗(yàn)，這次觸頭熔焊的問(wèn)題解決了，又出現(xiàn)了滅弧室屏蔽罩燒穿導(dǎo)致開(kāi)斷失敗的問(wèn)題。我們又再一次將斷路器拉回廠，進(jìn)行解體分析，發(fā)現(xiàn)觸頭出現(xiàn)偏燒現(xiàn)象，這是什么原因引起的？經(jīng)過(guò)仔細(xì)分析，我認(rèn)為是大電流條件下相間電流自生磁場(chǎng)在作怪，隨后提出了在滅弧室屏蔽罩外側(cè)，增加鐵磁屏蔽桶的設(shè)計(jì)方案（此項(xiàng)內(nèi)容申報(bào)了專(zhuān)利）。通過(guò)此項(xiàng)改進(jìn)，使開(kāi)斷試驗(yàn)順利通過(guò)。53：如何解決在大的分、合閘操作功作用下，斷路器觸頭系統(tǒng)的合閘彈跳與分閘反彈問(wèn)題。為了解決在大的分、合閘操作功作用下，觸頭系統(tǒng)的合閘彈跳與分閘反彈問(wèn)題，我們又為此專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)了雙油緩沖、雙分閘簧的特殊機(jī)構(gòu)（見(jiàn)下面圖示），為了減少摩擦損耗，提高傳動(dòng)效率，我們?cè)谝酝鶛C(jī)構(gòu)成熟的基礎(chǔ)上，又采用了新的固體薄膜保護(hù)技術(shù)，一舉解決了機(jī)械試驗(yàn)中出現(xiàn)的所有問(wèn)題，