真空断路器的发展现状

admin

电器工业近20年来，真空断路器有了很大的发展，这得益于真空断路器技术的进步。真空断路器技术的进步表现在大容量化、低过电压化、智能化和小型化。而这一进步又是由于真空技术、灭弧室技术的发展及采用新工艺、新材料及新操动技术的结果。
据发明者介绍，这种技术除了可以作为传统电机技术的替代技术以外，还将为直流电机拓展更为广阔的发展和应用空间。如开发大容量直流电机代替高压直流输电网供电的交流同步发电机和换流站设备，不仅可以节省大量换流站的建设费用，还可大幅度降低变电损耗。
1.大容量化
真空断路器的容量已有很大的提高，完全能满足电力发展的需要。目前，真空断路器的额定电流已达4000A，额定短路开断电流已高达12kV下63～70kA。东芝公司在实验室试制200kA。
真空断路器迈向大容量化，首先是由于触头结构的改进。触头结构的改进经历了平板触头——横磁场触头——纵磁场触头。平板触头的开断电流在8kA以下，横磁场触头将开断电流提高到40kA，而纵磁场触头又将开断电流大大提高，达到目前的63～80kA。纵磁场触头有两种结构型式；一种是用装在灭弧室外围的线圈产生纵磁场，另一种是触头本身的特殊结构产生纵磁常纵磁场时，电弧呈扩散形态分成许多细弧，均匀分布在整个触头表面。有利于提高开断电流和延长触头寿命。
触头材料的不断改进提高了开断性能，触头材料目前主要有两大体系：CuBi和CuCr。与CuBi相比，CuCr材料具有短路电流开断能力强、介质强度高、耐烧蚀、截流低等优点。触头材料直接影响截流水平，如CuBi材料的截流水平一般为10～12A，而CuCr材料将截流水平降至3～5A。
触头材料还在不断发展，在CuBi和CuCr之后又出现了更好的CuTa等材料。
2.开发低过电压触头材料，降低截流水平如所周知，真空断路器属“硬”开断特性。开断小电流时容易截流，引起过电压。这个问题曾是人们使用真空断路器最关心的问题。CuCr触头材料的使用，大大减少了截流值，如西门子公司命名用CuCr触头材料，做到试验截流值3A，产品保证不超过5A。但有些开断情况需要进一步减少截流值，以避免危险的过电压，如用真空断路器开断发生堵转或正在启动的电动机时，一般的解决办法是加装过电压吸收装置，如SiC、RC回路、ZnO避雷器等，最新的做法是开发低过电压触头材料，即不加任何过电压吸收装置而在触头材料上想办法，使之能降低过电压。
日本几家公司先后都开发低过电压触头材料，日立公司研制出一种以银为主的Co-Ag-Se触头材料，东芝公司研制出AgWC触头材料，富士公司在CuCr触头材料里添加高蒸气材料，三菱公司采用CuCr-Bi-α多元触头材料解决截流问题。
这些触头材料能有效地解决截流问题，可将截流值降低至1/10。但截流与大电流有矛盾。因此低过电压真空断路器一般做到7.2kV20kA水平。
3.采用先进的一次封排工艺，提高产量和质量一次封排工艺是制造真空灭弧室的先进工艺。20世纪80年代初，英、美等国已将一次封排工艺用于真空灭弧室的大批量生产。英国GEC公司和美国西屋公司最早采用一次封排工艺。现在东芝公司、西门子公司、ABBCalorEmag等公司也已采用一次封排工艺。
一次封排工艺相比常规工艺大大简化了工艺流程，不仅效率高，而且质量好，特别适合大批量生产。
总之，一次封排工艺将焊接、除气、封装、排气等工艺步骤在真空炉中一次完成，大大简化了制造工艺，提高了产品的可靠性、稳定性和一致性。国内宝光集团现已具备年产5万只一次封排真空灭弧室能力。
4.缩小灭弧室管径，减少零件数和提高可靠性缩小灭弧室管径，减少零件数，就能降低造价，因为材料费占灭弧室造价的40～50%。
由于纵磁场触头和CuCr触头材料的使用，大大减少了灭弧室管径。真空灭弧室尺寸的减小是真空技术、真空工艺、真空灭弧室设计发展的主要结果。而真空灭弧室管径的缩小，结果使真空断路器的整体尺寸大大减小，从而使真空断路器趋于小型化。
5.二次技术现代化
真空断路器的二次技术从传统技术转向现代技术。现代二次技术采用了机电一体化技术。机电一体化技术是建立在微电子技术、信息传感技术、计算机控制技术、伺服驱动技术及精密机械技术等高度发展之上的综合技术。
机电一体化用在开关设备上，把计算机加入机械系统，使开关系统有了“大脑”，再加入“传感器”采集信息，用光纤传导信息，使开关系统有了“知觉”，大脑根据知觉作出判断与决定，使系统有了“智能”。因此现代二次技术使之开关设备智能化。
开关设备的智能化，可通过连续检测，确切了解运行状况，作趋势分析，识别存在的故障，从而采取必要的措施，防患于未然，改以往的“定期检修”为“状态检修”，从而提高设备的利用率和节省检修费用。
在断路器二次现代化方面各大公司都作出了努力，欧洲几家公司卓有成效。1996年AEGT&D公司在汉诺威博览会上展出了DPI型真空断路器。装在侧面操动机构内有集成保护装置，其中包括一只微处理器和一只低能量脱扣器。ABBCalorEmag公司最新开发出REC580型保护与控制装置，它属于模块式结构。与传统装置相比，这种现代控制和保护装置扩大了功能，并降低费用约25%。西门子公司于1985年开发出第一个以微处理器为中心的数字保护装置，1990年开发出第二代产品。
真空断路器之所以为众多厂家青睐，除产量大、覆盖面广之外，首要原因是由于真空技术、真空工艺、灭弧室制造技术的不断进步，使真空断路器具有优异的电性能和机械性能，能满足不同用户的不同要求。另一个重要原因，是它对环境友好，在人们普遍注重环保的今天，这点尤为重要。
在真空断路器中，不产生分解物，因为在这里开断时只产生金属蒸汽。真空灭弧室绝对密封钎焊，不会与环境相互影响。污秽、灰尘及潮气均不能进入灭弧室，这就避免了任何的氧化。灭弧室的所有材料均以洁净的状态保持在整个寿命期间。
真空灭弧室对外部作用具有良好的保护性。其壳体主要由氧化铝陶瓷制作。由于它经受了高温预处理，不受温度变化的影响。