真空斷路器工作原理

真空斷路器工作原理與其他斷路器相比之是滅弧介質(zhì)不同罷了，真空不存在導電介質(zhì)，使電弧快速熄滅，因此該斷路器的動(dòng)靜觸頭之間的間距很小。該斷路器一般用于電壓等級相對低的廠(chǎng)用電配置中！隨著(zhù)電力系統的迅猛發(fā)展， 10kV真空斷路器在我國已經(jīng)大批量地生產(chǎn)和使用。對于檢修人員來(lái)說(shuō)，提高對真空斷路器的認識，加強維護保養，使其安全運行，成了一個(gè)迫在眉睫的問(wèn)題。本文以ZW27—12為例，簡(jiǎn)要說(shuō)明真空斷路器的原理與維修。

一、真空的絕緣特性

真空具有很強的絕緣特性，在真空斷路器中，氣體非常稀薄，氣體分子的自由行程相對較大，發(fā)生相互碰撞的幾率很小，因此，碰撞游離不是真空間隙擊穿的主要原因，而在高強電場(chǎng)作用下由電極析出的金屬質(zhì)點(diǎn)才是引起絕緣破壞的主要因素。

真空間隙中的絕緣強度不僅與間隙的大小，電場(chǎng)的均勻程度有關(guān)，而且受電極材料的性質(zhì)及表面狀況的影響較大。真空間隙在較小的距離間隙（2—3毫米）情況下，有比高壓力空氣與SF6 氣體高的絕緣特性，這就是真空斷路器的觸頭開(kāi)距一般不大的原因。

電極材料對擊穿電壓的影響主要表現在材料的機械強度（抗拉強度）和金屬材料的熔點(diǎn)上?？估瓘姸群腿埸c(diǎn)越高，電極在真空下的絕緣強度越高。

實(shí)驗表明，真空度越高，氣體間隙的擊穿電壓越高，但在10-4 托以上，就基本保持不變了，所以，要保持真空滅弧室的絕緣強度，其真空度應不低于10-4托。

二、真空中電弧的形成與熄滅

真空電弧和我們以前學(xué)習的氣體電弧放電現象有很大的差別，氣體的游離現象不是產(chǎn)生電弧的主要因素，真空電弧放電是在觸頭電極蒸發(fā)出來(lái)的金屬蒸汽中形成的。同時(shí)，開(kāi)斷電流的大小不同，電弧表現的特點(diǎn)也不同。我們一般把它分為小電流真空電弧和大電流真空電弧。

1、小電流真空電弧

觸頭在真空中開(kāi)斷時(shí)，產(chǎn)生電流和能量十分集聚的陰極斑點(diǎn)，從陰極斑點(diǎn)上大量地蒸發(fā)金屬蒸汽，其中的金屬原子和帶電質(zhì)點(diǎn)的密度都很高，電弧就在其中燃燒。同時(shí)，弧柱內的金屬蒸汽和帶電質(zhì)點(diǎn)不斷地向外擴散，電極也不斷的蒸發(fā)新的質(zhì)點(diǎn)來(lái)補充。在電流過(guò)零時(shí)，電弧的能量減小，電極的溫度下降，蒸發(fā)作用減少，弧柱內的質(zhì)點(diǎn)密度降低，最后，在過(guò)零時(shí)陰極斑消失，電弧熄滅。

有時(shí)，蒸發(fā)作用不能維持弧柱的擴散速度，電弧突然熄滅，發(fā)生截流現象。

2、大電流真空電弧

在觸頭斷開(kāi)大的電流時(shí)，電弧的能量增大，陽(yáng)極也嚴重發(fā)熱，形成很強的集聚型的弧柱。同時(shí)，電動(dòng)力的作用也明顯了，因此，對于大電流真空電弧，觸頭間的磁場(chǎng)分布就對電弧的穩定性和熄弧性能有決定性的影響。如果電流太大，超過(guò)了極限開(kāi)斷電流，就會(huì )造成開(kāi)斷失敗。此時(shí)，觸頭發(fā)熱嚴重，電流過(guò)零以后仍然蒸發(fā)，介質(zhì)恢復困難，不能斷開(kāi)電流。

三、斷路器的結構和工作原理

真空斷路器的生產(chǎn)廠(chǎng)家比較多，型號也較繁雜。按使用條件分為戶(hù)內（ ZNx—**）和戶(hù)外（ZWx—**）兩種類(lèi)型。主要由框架部分，滅弧室部分(真空泡)，和操動(dòng)機構部分組成。

斷路器本體部分由導電回路，絕緣系統，密封件和殼體組成。整體結構為三相共箱式。其中導電回路由進(jìn)出線(xiàn)導電桿，進(jìn)出線(xiàn)絕緣支座，導電夾，軟連接與真空滅弧室連接而成。

機構為電動(dòng)儲能，電動(dòng)分合閘，同時(shí)具有手動(dòng)功能。整個(gè)結構由合閘彈簧，儲能系統，過(guò)流脫扣器，分合閘線(xiàn)圈，手動(dòng)分合閘系統，輔助開(kāi)關(guān)，儲能指示等部件組成。

工作原理

真空斷路器利用高真空中電流流過(guò)零點(diǎn)時(shí)，等離子體迅速擴散而熄滅電弧，完成切斷電流的目的。

動(dòng)作原理

儲能過(guò)程：當儲能電機 14接通電源時(shí)，電機帶動(dòng)偏心輪轉動(dòng)，通過(guò)緊靠在偏心輪上的滾子10帶動(dòng)拐臂9及連板7擺動(dòng)，推動(dòng)儲能棘爪6 擺動(dòng)，使棘輪11 轉動(dòng)，當棘輪11 上的銷(xiāo)與儲能軸套32的板靠住以后，二者一起運動(dòng)，使掛在儲能軸套上32 上的合閘彈簧21 拉長(cháng)。儲能軸套32 由定位銷(xiāo)13 固定，維持儲能狀態(tài)，同時(shí)，儲能軸套32 上的拐臂推動(dòng)行程開(kāi)關(guān)5切斷儲能電機14 的電源，并且儲能棘爪被抬起，與棘輪可靠脫離。

合閘操作過(guò)程：當機構接到合閘信號后（開(kāi)關(guān)處于斷開(kāi)，已儲能狀態(tài)），合閘電磁鐵 15 的鐵心被吸向下運動(dòng)，拉動(dòng)定位件13 向逆時(shí)針?lè )较蜣D動(dòng)，解除儲能維持，合閘彈簧21 帶動(dòng)儲能軸套32逆時(shí)針?lè )较蜣D動(dòng)，其凸輪壓動(dòng)傳動(dòng)軸套 30，帶動(dòng)連板29及搖臂27 運動(dòng)，使搖臂27 扣住半軸25，使機構處于合閘狀態(tài)。此時(shí)，連鎖裝置28 鎖住定位件，使定位牛不能逆時(shí)針?lè )较蜣D動(dòng)，達到機構聯(lián)銷(xiāo)的目的，保證了機構在合閘位置不能合閘操作。

分閘操作過(guò)程：斷路器合閘后，分閘電磁鐵接到信號，鐵芯吸合，分閘脫扣器 19 中的頂桿向上運動(dòng)，使脫扣軸16 轉動(dòng)，帶動(dòng)頂桿18向上運動(dòng)，頂動(dòng)彎板26 并帶動(dòng)半軸25 向反時(shí)針?lè )较蜣D動(dòng)。

半軸25 與搖臂27 解扣，在分閘彈簧的作用下，斷路器完成分閘操作。

四、斷路器的調試

開(kāi)距與超行程斷路器的開(kāi)距與超行程的測量可以根據圖三所示，在分合閘狀態(tài)測量出的 X 值之差為斷路器的開(kāi)距，Y 值之差為斷路器的超行程。調整的方法為放長(cháng)或縮短絕緣操作桿3 或機構與主軸的連桿。

分合閘機構調整

1、搖臂 27 與半軸25 的扣接量為1.5~2.5mm,可以通過(guò)調整螺釘24 來(lái)實(shí)現。

2、傳動(dòng)軸套 30 轉動(dòng)最大角時(shí)，搖臂27 與半軸間要有1.5~2mm的間隙，以保證傳動(dòng)軸套回落到合閘位置時(shí)，搖臂27 能自動(dòng)扣接到半軸 25 上，可以通過(guò)螺釘31 的調節來(lái)實(shí)現。

3、輔助開(kāi)關(guān) 2的轉換應準確可靠，可以通過(guò)調整輔助開(kāi)關(guān)2的拐臂3位置及位桿4 的長(cháng)短來(lái)實(shí)現。

4、在儲能過(guò)程中，當棘爪到達最后一個(gè)齒的最高點(diǎn)時(shí)，應能保證儲能軸套 32 上的拐臂使行程開(kāi)關(guān)的觸點(diǎn)可靠切換，切斷電機電源，可以通過(guò)調整行程開(kāi)關(guān)5 的上下前后位置來(lái)實(shí)現。

5、調整分閘合閘彈簧的預拉長(cháng)度，保證斷路器的可靠分合，且分合閘速度達到規定值。

五、斷路器的控制回路

在我國的農網(wǎng) 35KV標準化變電站中，采用了控制母線(xiàn)和合閘母線(xiàn)分開(kāi)的原則。

在短路器的輔助常閉接點(diǎn)與合閘線(xiàn)圈之間，把斷路器儲能行程開(kāi)關(guān)的一對常開(kāi)接點(diǎn)串聯(lián)進(jìn)控制回路。這樣，在斷路器未儲能的情況下，將不能進(jìn)行合閘操作。防止了在斷路器未儲能的情況下合閘，合閘回路保持，燒毀合閘線(xiàn)圈。

同時(shí)，在接線(xiàn)的過(guò)程中，要注意儲能行程開(kāi)關(guān)接點(diǎn)中合閘母線(xiàn)與控制母線(xiàn)的極性要一致，防止出現在開(kāi)關(guān)蓄能時(shí)，合閘回路的電弧擊穿行程開(kāi)關(guān)，造成控制保險的熔斷或控制空氣開(kāi)關(guān)的掉閘。

這一點(diǎn)在綜合自動(dòng)化變電站上要特別注意。

六、運行維護與檢修試驗

真空斷路器的燃弧時(shí)間短，絕緣強度高，電氣壽命也較高，觸頭的開(kāi)距與行程小，操作的能量小，因此，機械壽命也較高。在日常的運行中，維護工作量很小，主要檢查機構的運動(dòng)部件磨損情況，緊固件有無(wú)松動(dòng)，清除絕緣表面的灰塵，在活動(dòng)部位注入一些潤滑脂等。

在春檢預防性試驗中，對開(kāi)關(guān)的直流電阻測試要與歷史數據進(jìn)行比較，發(fā)現問(wèn)題及時(shí)處理更換，對斷口的工頻耐壓試驗，是檢驗真空泡是否漏氣的有效方法。（戶(hù)內真空斷路器可以借鑒斷開(kāi)負荷時(shí)，真空泡內閃光的顏色來(lái)初步判斷真空泡的真空度，顏色暗紅時(shí)表明真空度降低，顏色淡藍時(shí)，表明真空度良好）保護定植校驗時(shí)，對斷路器做低電壓掉合閘試驗，檢驗開(kāi)關(guān)在母線(xiàn)故障狀態(tài)時(shí)，電壓降低時(shí)動(dòng)作是否可靠。

一、專(zhuān)用真空斷路器

 面臨極其不同的開(kāi)斷任務(wù)，新的專(zhuān)用斷路器應運而生。如果用于發(fā)電機保護斷路器的特大容量真空斷路器（短路開(kāi)斷電流高達63～80kA及以上），標準型真空斷路器（短路開(kāi)斷電流25～50kA），經(jīng)濟型真空斷路器（16～25kA），頻繁型真空斷路器（如操作次數5～6萬(wàn)次），超頻繁型真空斷路器（如操作次數 10～15萬(wàn)次）。如西門(mén)子公司的3AH系列斷路器就按使用場(chǎng)合劃分為5種型號，其中3AH1和3AH3型為標準型，操作10000次，3AHZ型為頻繁型，操作6萬(wàn)次，3AH4為超頻繁型，操作12萬(wàn)次，3AH5型為經(jīng)濟型，價(jià)格便宜。

二、低過(guò)電壓型真空斷路器

眾所周知，真空斷路器因截流會(huì )引起截流過(guò)電壓，特別在開(kāi)斷小的感性負截如電動(dòng)機時(shí)，一般情況下，為限制過(guò)電壓而給真空斷路器配過(guò)電壓吸收裝置如SicRC 路，ZnO避雷器等，這使斷路器結構龐大且復雜化，而且有的限制過(guò)電壓不理想。

 日本幾家公司另辟路徑，開(kāi)發(fā)出低過(guò)電壓真空斷路器。它不用加過(guò)電壓吸收裝置而用新開(kāi)發(fā)出的觸頭材料，將過(guò)電壓限制至常規值的十分之一。低過(guò)電壓觸頭材料東芝為AgWC日立為Co－Ag－Se，三菱為Cu－Cr－Bi－α，富士為CuCr＋高蒸氣材料。這些公司一般做到7.2kV下20kA，只有東芝公司做到7.2kV下40kA。

三、多功能真空斷路

眾所周知真空斷路器迄今為二I位（即合一分）完成關(guān)合和開(kāi)斷任務(wù)?，F在出現了多功能真空斷路器，賦予了多個(gè)功能，如合—分—隔離—接地等。西門(mén)子公司、 Alstom公司、日立公司均有這樣的產(chǎn)品。西門(mén)子公司最新推出NXACT型模塊式真空斷路器具有多功能：集關(guān)合、開(kāi)斷、隔離、接地及聯(lián)鎖于一體。Alstom公司配VISAX開(kāi)關(guān)柜的真空斷路器為三I位（合—分—隔離）。日立公司與東京電力公司合作研發(fā)的24kV真空斷路器為四I位（合—分—隔離—接地）。

為使產(chǎn)品多功能化，從現有產(chǎn)品看，有兩種做法：一是真空斷路器相柱在開(kāi)斷后移動(dòng)或旋轉，形成隔離和接地；另一是真空滅弧室內觸頭旋轉完成隔離和接地。西門(mén)子公司NXAct型產(chǎn)品為開(kāi)斷后相柱移動(dòng)完成隔離和接地，而Alstom公司為開(kāi)斷后相柱旋轉完成隔離任務(wù)，日立公司通過(guò)滅弧室內觸頭旋轉完成隔離和接地任務(wù)。

四、同步斷路器

同步斷路器又叫選相真空斷路器或受控真空斷路器。其基本原理是使真空斷路器在電壓或電流最有利時(shí)刻關(guān)合或開(kāi)斷。

與普通真空斷路器相比，同步斷路器具有如下優(yōu)勢：1.降低了電網(wǎng)瞬態(tài)過(guò)電壓負荷；2.改善了電網(wǎng)供電質(zhì)量；3.提高了斷路器電壽命及性能；4.簡(jiǎn)化了電網(wǎng)設計，從而降低了整個(gè)系統費用。

 ABB公司利用數字電子器件和磁力操動(dòng)機構已開(kāi)發(fā)出了同步真空斷路器，這是一個(gè)良好的開(kāi)端。

五、智能型真空斷路器

真空斷路器智能化是建立在現代傳感技術(shù)和數字化控制技術(shù)之上。國外制造公司都使自己的產(chǎn)品具有智能，這是配電自動(dòng)化的需要，也是斷路器本身控制保護的需要。如Alstom公司的DCX型可編程序數字控制裝置，ABB公司的REF542型控制和保護裝置，西門(mén)子公司第二代數字保護裝置等。

由以上可知，真空斷路器發(fā)展很快，究其原因，固然很多，但有兩條是基本的：一是真空滅弧室技術(shù)的進(jìn)步；二是操動(dòng)機構技術(shù)的進(jìn)步。真空滅弧室是真空斷路器的心臟。真空滅弧室的進(jìn)步表現在如觸頭材料從CuBi轉變成CuCr，提高了開(kāi)斷能力，并降低了截流值，同時(shí)磁場(chǎng)從橫磁場(chǎng)轉向縱磁場(chǎng)，提高了開(kāi)斷能力，減少了觸頭的燒損。在工藝上，一次排封工藝的采用，大大提高了滅弧室性能及可靠性。

操動(dòng)機構被稱(chēng)之為真空斷路器的神經(jīng)中樞。原先用電磁機構，后出現了彈簧機構，最新又出現了永磁機構。彈簧機構結構復雜，零件數多（多達200個(gè)），加工精度要求高，且彈簧機構的出力特性與真空斷路器的負載特性不相匹配，要在凸輪輪廓曲線(xiàn)和連桿結構上進(jìn)行合理設計。永磁機構的機械結構特別簡(jiǎn)單，零部件比任何其他機構都要少，運動(dòng)部件可以減少至一個(gè)，因而機械可靠性特別高，而且永磁機構的出力特性能與真空斷路器的負載特性很好的匹配。永磁機構用永磁鎖扣，電容器（或直流屏供電）儲能，用電子控制。永磁機構特別適用于頻繁操作，如可達6萬(wàn)～15萬(wàn)次。

在世界上，特瑞能電氣公司（TAVRIDA ELECTRIC AG簡(jiǎn)稱(chēng)TEL公司）于1974年首創(chuàng )配永磁機構的真空斷路器模型，1989年配永磁機構的免維護真空斷路器投放市場(chǎng)，1993年配永磁機構的真空斷路器在荷蘭KEMA試驗站通過(guò)了型式試驗。1994年配永磁機構的ISM型真空斷路器獲得俄羅斯專(zhuān)利（專(zhuān)利號N.020631）自此以后，ABB、 Josly、Cooper、Whipp＆Bourn等公司均開(kāi)發(fā)出自己的配永磁機構的真空斷路器。如ABB公司1997年開(kāi)發(fā)成功配永磁機構的VM1型真空斷路器。配永磁機構的真空斷路器不僅用于戶(hù)內斷路器，也用于戶(hù)外斷路器和重合器，如TEL公司的OSM型重合器和Whipp＆Bourne公司的GVR 型戶(hù)外重合器。

上個(gè)世紀90年代后期，配永磁機構的真空斷路器傳入我國，我國許多公司開(kāi)發(fā)出永磁機構，而且有的試驗到10萬(wàn)次，配永磁機構的真空斷路器如VSM和VSIA 型、ZN23－40.5型、ZN65型、ZWD－12型、ZND－40.5型等產(chǎn)品。

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