| 真空断路器在中国应用的经验 |
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国外先进的真空断路器的参数与我国产品基本相同：最大额定短路开断电流一般为63kA,有些公司也生产更大额定短路开断电流的产品，如日本有额定短路开断电流为100kA的产品，这些真空断路器只用于一些特殊的场所。国外真空断路器的额定电流一般最高为3150A，个别产品额定电流为4000A。国外先进的真空断路器的机械寿命比较长，像西门子公司的3AF、3AH系列真空断路器的机械寿命为30000次，且在寿命期间不需要维修，我国的真空断路器还达不到这样的水平。
在开断能力和在关合能力等方面，我国真空断路器的性能是高的，也是稳定的。近年来西安高压电器研究所进行了大量真空断路器的开断试验，试品包括国内各生产厂的和各主要国外真空断路器生产公司的产品，从大量试验的统计看，国产真空断路器的开断能力试验和额定短路开断电流开断次数(电寿命)、试验的一次成功率比进口真空断路器还要高。
真空断路器的触头是不能维修和更换的，要求真空断路器有足够高的电寿命是必要的。真空断路器的电寿命也一直受到使用部门的密切关注。我国一般真空断路器的技术条件规定：额定短路开断电流31.5kA及31.5kA以下真空断路器的电寿命为50次，40kA真空断路器为30次，50kA为20次。有些产品在技术条件中规定75次甚至100次电寿命。我国真空断路器技术条件规定的电寿命，是型式试验中实际进行的满容量开断次数。当代我国真空断路器的预期电寿命，要比技术条件规定的高，早期真空断路器(如ZN3-1，ZN5-10)的电寿命为30次，经30次开断后，触头烧损厚度接近甚至大于允许触头烧损厚度3mm。可以认为这些真空断路器的预期电寿命为30次左右。新一代真空断路器普遍使用纵向磁场电极和铜铬触头材料，用纵向磁场电极替代横向磁场电极，成倍地降低了短路开断电流下的电弧电压(电弧能量)，而且使电弧在触头表面分布得比较均匀，用铜铬触头材料替代铜基触头材料则降低单位电弧能量所造
成的触头烧损量。两者相结合，使真空断路器的电寿命有了突破性的提高。采用纵向磁场电极和铜铬触头材料的真空断路器，电寿命试验所造成的触头烧损厚度一般小于1mm，远远小于允许触头烧损厚度3mm，可以推断，其预期电寿命要比技术条件规定值高得多。现在有些工厂为了证明自己的产品先进，在型式试验中进行75次，甚至100次额定短路开断电流开断试验。其实，这种试验只是证明其具有原来已经有的能力而已，并不意味着它的性能一定比其他产品的电寿命长。
在当前的技术水平下，只要适当牺牲一些经济性，提高真空断路器短路开断电流的电寿命是不因难的。简单地加大触头直径(相应放大真空灭弧室直径)就可以有效地提高电寿命。真空断路器的这种电寿命究竟应取多长才能充分满足使用要求?对于这一问题需要进行认真的研究。初步的结论认为短路开断电流的电寿命并不一定是越高越好，电寿命和其他性能指标一样，一旦它超出了使用的需要，超出的部分便成了多余的功能，为此而付出的人力、物力都是一种浪费。上面已指出，我国早期真空断路器的实际电寿命只有30次左右，它们投入运行最长的已超过20年，在电力系统至今还没有发现有真空断路器因短路开断电流的电寿命终了而退出运行的，也没有发现因短路开断电流的电寿命过短而造成事故的，可见这些真空断路器已能基本满足电力系统对短路开断电流的电寿命的要求了。六氟化硫断路器也是一种免维修的断路器，中压六氟化硫断路器在型式试验时最多只进行20次满容量开断试验，它们在电力系统中运行得也是令人满意的。新一代真空断路器的电寿命更长、更可靠，它们的这种电寿命实际上已远超过了使用要求。在此条件下片面追求更长的电寿命是毫无实用价值的。
西门子公司的3AH系列31.5kA真空断路器的电寿命为50次；ABB公司的真空断器为了在中国销售，经过努力通过了50次满容量开断试验；全俄电工研究院的16kA、20kA真空断路器的电寿命为50次，40kA和50kA真空断路器分别为25次和20次；日本三菱公司的真空断路器在型式试验中只进行8次满容量开断。由此可见，我国真空断路器的电寿命一点不比国外最先进的水平低。
真空断路器有许多机械参数，如合、分闸速度，触头行程，触头合闸弹跳时间，触头分闸反弹幅值等等。这些参数是用以保证真空断路器达到其性能而设定的，只要它们能保证其主要性能就不必苛求。
综上所述可以看出，从型式试验反映的国产真空断路器的性能是好的，不比国外先进产品差。只有机械寿命还比较低，需要进一步做工作。
2.2 真空断路器的总体结构
70年代我国独立研制的ZN3-10型和ZN5-10型真空断路器采用落地式总体布置。ZN3-10型真空断路器，每个真空灭弧室用几根绝缘杆固定在位于断路器下部的机架上，操动机构置于机架内(如图1所示)。ZN5-10型真空断路器的真空灭弧室的固定方式略有改进，每个真空灭弧室用两个新月形的绝缘板固定在断路器最下部的机架上，操动机构同样布置在机架内(如图2所示)。
这种结构形式带来了一系列的问题。用绝缘杆或新月形绝缘板支撑，使真空断路器的整体刚度不佳。用在手车柜中使用时，由于刚度不佳，真空断路器无法承受手车推进和拉出时所产生的机械冲击。为了提高刚度，断路器上部必须用绝缘子固定到手车架上。这不仅使手车的结构复杂，还可能使真空灭弧室和绝缘杆受较大的应力作用。当短路电流通过时，相间受巨大的电动力作用，绝缘杆支撑结构承受相间电动力的能力是很有限的。在电动力作用下，绝缘杆容易弯曲变形，从而使真空灭弧室的外壳受力。额定短路开断电流不太大(如20kA或31.5kA)时，刚度差的矛盾还不会很突出，当额定短路开断电流为40kA或50kA时，这一矛盾就会非常突出。这就制约了ZN3-10型和ZN5-10型真空断路器，发展成包括大额定短路开断电流品种的完整的系列化产品。
由于操动机构置于真空断路器的最下部的机架内，这使ZN3-10型和ZN5-10型的断路器的装配、调试、检测和维护很不方便。在真空断路器运行中，对操动机构的检查、维护和调整是很难避免的。当这类真空断路器用于手车柜中时，只有将真空断路器从手车上卸下来后，才能对操动机构进行检查、调整和维护。当它们在固定柜中使用时，必须将其从柜子中拆下来才能进行检查，这对用户是非常不方便的。
我国早期真空断路器(包括ZN3-10型和ZN5-10型)只配备电磁操动机构，没有配置弹簧操动机构，在ZN3-10型和ZN5-10型这样的落地式布置的真空断路器中，安装弹簧机构也比较因难，使这类真空断路器，不能满足那些没有直流电源的用户的要求。
因此，使用不方便是这类真空断路器比较大的缺点，而且难以从根本上加以克服，在这里值得一提的是，仍然有个别新研制的真空断路器，采用与ZN3-10非常相似的结构形式。虽然由于使用了性能先进的真空灭弧室和采取了一些技术措施，使某些性能有了提高，但由于结构上的局限性，使它们在系列性和使用方便性方面，不仅远远落后于国外先进断路器，而且落后于我国当代真空断路器的先进水平。
80年代至90年代初研制的真空断路器，基本放弃了落地式布置方式，多数采用与国外真空断路器相似的悬挂式或综合式总体布置方式。真空灭弧室由机械强度很高的绝缘子支撑，真空断路器的整体刚度很高，其中综合式布置的真空断路器的整体刚度更高，这种结构形式，已成功地用于额定短路开断电流高达50kA的真空断路器。这些真空断路器的操动机构，都布置在真空断路器后部的框架中，卸下后部盖板就可对操动机构进行维护、检查和调整。1998年以后，我国真空断路器很少采用绝缘框架或整体绝缘筒，作为真空灭弧室支撑和对地绝缘。
70～80年代，我国还没有适合于真空断路器使用的长寿命弹簧操动机构。1992年以后发展了几种长寿命弹簧操动机构，它们的输出特性与真空断路器的反力特性能有较好的匹配，输出功能满足大容量真空断路器的要求，机械寿命已达到30000次。
多数真空断路器用的操动机构(包括电磁机构和弹簧机构)是集中布置的，即机构被设计成独立的元件，自成一体，这样做便于操动机构的集中生产，有利于保证产品质量。
我国的新一代真空断路器多数已克服了早期产品参数范围不广，不成系列和使用不便的缺点，目前生产的真空断路器具有参数范围广、系列性强和使用方便的优点，基本上满足了用户的要求。在这些方面我国的真空断路器与国外产品已不存在差距。
由于我国的真空断路器沿面爬电距离和空气间隙都设计得比较大，更适合于我国的使用环境条件，国产真空断路器的价格比进口产品低得多，国产真空断路器更适合于中国市场。
2.3 提高可靠性和改善外观质量
我国用户喜欢选用国外进口真空断路器的主要原因：一是普遍认为进口产品的可靠性高，二是国外产品精致和美观。我国真空断路器确实存在这二个问题，特别是机械可靠性不够高，机械寿命还不够长和外观不够美观和精致。
可靠性对真空断路器来说
是特别重要的，机械寿命则直接关系着使用寿命，两者的提高具有巨大的实用价值，我国真空断路器可靠性不够高的主要原因有以下几方面。
首先，我们对产品的可靠性重视不够。以前我们一直着重解决开断能力、电寿命、开断后的绝缘水平等问题。现在这些问题在10kV级真空断路器中已基本解决。在此条件下，已经把工作的重点转移到提高可靠性和机械寿命上来，但时至今日，还有少数人依然对提高电寿命不遗余力，甚至把电寿命的长短作为衡量真空断路器优劣的依据。这对于引导生产厂提高产品的可靠性和机械寿命是非常不利的。
有些设计观念也是造成可靠性不够高的原因，我们的设计往往强调产品能用一般加工工艺手段制造出来，这就不得不迁就落后的加工工艺，零部件的设计精度低，依靠调整解决精度低的矛盾，因而调整环节多，结构复杂，这不可能不降低可靠性。
设计中偏重于提高产品的性能指标，对可靠性不够重视，甚至个别产品为了提高一些不太重要的性能指标而牺牲可靠性，例如有的真空断路器为了追求触头合闸无弹跳，在真空灭弧室的静端设置合闸缓冲弹簧，合闸缓冲可以减小合闸弹跳是没有问题的，但为了保证明显的缓冲效果，动、静触头接触后，静触头必须跟随动触头运动一个缓冲距离，这导致与静触头连成一体的整个真空灭弧室绝缘外壳的合闸振动，这很容易造成真空灭弧室外壳损伤。真空灭弧室的静端不是刚性固定的，因而真空灭弧室外壳在电动力的作用下可能作横向摆动，这同样容易引起外壳损伤。开断电流越大，这种危险也越大。这些作用无疑将降低真空断路器的机械可靠性。经验表明，将合闸弹跳时间控制在某一范围(如2ms)内，合闸弹跳是无害的。国外先进的真空断路器也并不是没有触头合闸弹跳，西门子公司的3AF，3AH系列真空断路器通过提高加工精度使合闸弹跳时间控制在1ms之内，东芝公司的真空断路器的允许合闸弹跳时间为10ms，实际产品的合闸弹跳时间可控制在4ms之内。牺牲产品的可靠性换取合闸无弹跳的作法不可取。
再如，有的真空断路器试图用提高分闸速度来提高电寿命，从理论上说，提高分闸速度可以缩短最短燃弧时间，减小每次开断所产生的电弧能量，从而提高电寿命。另一方面，提高分闸速度会带来一系列副作用，分闸速度提高将大大提高运动部件和支持件的机械负荷，缩短波纹管的寿命，从而降低机械寿命和机械可靠性，提高分闸速度等效于增大燃弧期间的电弧长度，不利于提高开断能力。在电寿命已足够长，而机械寿命和可靠性尚需进一步提高的条件下，靠提高分闸速度来提高电寿命是得不偿失的，在当前机械寿命和可靠性是真空断路器的薄弱环节的情况下，即使略微增长一点燃弧时间，取较低的分闸速度，以提高可靠性和机械寿命则更为合理。
有人把型式试验中偶而发生的开断失败归罪于真空灭弧室的小型化，这是一种误解。真空灭弧室的直径不断缩小是技术进步的结果，而不是靠降低开断能力的裕度得到的。当前小型化真空灭弧室的开断能力稳定性、绝缘水平、电寿命等性能都比我国早期大直径直空灭弧室有显著提高， 生产成本则大大降低。真空灭弧室的小型化还有利于提高真空灭弧室的机械可靠性。漏气是导致真空灭弧室失效的重要原因之一，在相同的工艺条件下，发生漏气的概率与焊缝长度、玻璃－可伐(或陶瓷－可伐)封接长度成正比。 随着真空灭弧室直径的缩小，焊缝长度和封接长度缩短，漏气可能减少，真空灭弧室的可靠性提高。 |
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