| 真空斷路器在中國應用的經驗 |
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【摘 要】 首先介紹了我國改革開放以來真空開關的發展概況，總結了我國真空開關在發展過程中取得的成就及經驗。闡述了我國中等電壓等級的真空斷路器的完善化，完成了開斷能力50kA和63kA的真空斷路器的研制工作，并正在開發更大開斷能力的真空斷路器，如額定電壓24kV、額定電流12500A、開斷能力125～240kA保護大容量發電機組的真空斷路器，還報道了我國已研制成功110kV、戶外雙斷口真空斷路器和進一步開發220kV的戶外真空斷路器和其他產品。
文章最后報道了中國電力科學研究院,在1997～1998年運行中的真空開關所發生事故的分析報告和在運行中各類真空開關的實踐經驗總結，以便向我國制造部門提出更高的制造要求和改進真空開關的制造水平。
1 一般概述
早在1978年，我國不少工礦企業對真空開關已有所了解，并希望能早日應用到這些企業中去，而當時國內制造真空開關的工廠也在尋找有關真空開關的應用單位。中型鋼鐵企業在連續軋鋼生產過程中，一直選擇不到比較合適的高壓接觸器來承擔連續不斷軋鋼操作運行下的要求，而已在運行中的電磁式高壓接觸器均來自原蘇聯和東歐國家，這批在連續軋鋼生產運行中的設備一直很不穩定，加上這些設備已運轉期滿，亦需要更換補充新設備，但再要進口購買這些設備在經濟上有一定困難。選擇了國產的高壓少油斷路器來替代，雖然高壓少油斷路器的價格低廉，但在生產過程中需不斷地替換和檢修高壓少油斷路器,來保證維持生產，這樣勞動強度較高，所以在我國最先投入使用國產真空開關的就是這批中型鋼鐵企業。由于當時選用國產真空接觸器還沒有保護線路短路故障的大容量限流熔斷器，僅選用了真空斷路器來替代真空接觸器。不久西安交通大學研制出了這種大容量限流熔斷器，才有力地解決了真空接觸器與大容量限流熔斷器配套的問題。這批首次應用于鋼鐵企業中的真空斷路器或真空接觸器，在實際運行中非常平穩，獲得了用戶們的好評和滿意。因為真空開關在實際運行中,幾乎不需要像高壓少油斷路器那樣需經常維護檢修，大大降低了勞動生產率。此外，在長期頻繁操作過程中沒有像其他開關那樣，在運轉過程中會產生強烈的燥聲，因而大大減輕了工人們的疲勞感受。同時發揮了真空開關還具有重量輕、結構簡單、使用壽命長等優點。
隨著我國改革開放的不斷深化，國內石油、化工、電子和礦山等企業也陸續使用了各種真空開關。由于這些企業的動力都要求真空開關來配套，除部分企業直接從國外引進真空開關外，大多數企業采用了國產的真空開關，這樣大大促進了我國真空開關的生產。但實際使用真空開關的主要用戶是電力工業部門，而當時電力工業部門對真空開關的優點還不十分了解，同時國內生產的真空開關的質量亦不夠穩定，例如，截流過電壓偏高,真空滅弧室還有個別漏氣的現象。當時只在少數電力用戶開始應用和試用。關于上述一些問題，經過國內制造廠、科研單位和高等院校共同努力的結果，大約到1990年已基本上得到了解決，同時對真空開關的制造技術和產品質量也有顯著提高，使電力工業部門認識到真空開關確實是一種比較優越的中壓開關設備之一。
1.1 真空滅弧室的事故分析
據西安高壓電器研究所1999年的調查表明,國產真空滅弧室的質量已趨于正常狀態，事故率已逐年下降。根據事故分析報告，真空滅弧室造成漏氣的大概有下列幾個方面。
1.1.1 真空滅弧室的本體漏氣
真空滅弧室的漏氣在全世界均有存在，但位數極少。分析國內存在問題的原因有原料的質量，也有制造工藝和設計的因素，還有使用不當等。
(a)原材料的質量無氧銅棒的縱向氣線、可伐和不銹鋼板裂縫均可造成慢性漏氣。這種情況在生產過程中均發現過，但由此造成的漏氣，工廠已能在原材料進廠時嚴格檢查和產品出廠前檢驗中發現，尚未發現流到運行現場。
陶瓷外殼質量一致性差，金屬化分散性大，陶瓷－ 金屬封接強度不穩定,都是造成陶瓷真空滅弧室漏氣的主要原因。這種漏氣與真空滅弧室生產批次有關，大量的漏氣故障往往發生在個別批次中。實際使用中曾發現個別批次的真空滅弧室漏氣情況遠較其他批次高，經分析檢驗均是由這種原因引起的。
(b)制造工藝和設計的因素
陶瓷金屬化工藝不穩定，與陶瓷外殼材料質量不穩定，共同構成了批次的高漏氣比率。使用中曾發現因設計結構不合理，導致封接應力大而產生氣密性的漏氣。
(c)使用不當
在沿海地區及海上平臺使用的真空滅弧室，由于鹽霧的侵蝕，造成不銹鋼波紋管和蓋板及封接面腐蝕，導致的漏氣情況也有發生。金屬波紋管是薄壁零件，鹽霧及凝露點狀腐蝕，是導致波紋管漏氣的主要原因。
用戶使用及儲放環境不符合要求，也曾有導致真空滅弧室漏氣的情況。
1.1.2 波紋管的質量
我國極大多數波紋管是采用0.15mm厚的不銹鋼油壓成形的，在三、四年前，因不銹鋼原材料厚度的不均勻性，直接影響了制成的波紋管使用壽命。
近幾年來不銹鋼的質量和厚度均勻性都有很大的提高，同時油壓設備的不斷改進，使波紋管的制造技術有很大的改善，操作壽命已達到20000次以上，目前正向著更高的操作壽命努力，已能控制操作壽命在30000～40000次左右，
1.1.3 排氣工藝技術
我國對開斷電流在40kA左右的真空滅弧室的排氣工藝已基本掌握，但對制造較大開斷電流的真空滅弧室的排氣工藝尚未完全掌握，如80kA以上開斷電流的真空滅弧室尚待進一步研究。
1.2 改進真空斷路器制造技術的實踐經驗
回顧90年代我國真空斷路器的科研、生產和使用方面的實踐經驗，開發了縱向磁場結構電極的真空滅弧室，開展了真空滅弧室小型化等研究工作，例如西安高壓電器研究所研制出ZN28系列的真空斷路器。這一代新型真空斷路器的技術經濟指標，遠遠優于我國早期采用橫向磁場電極結構真空滅弧室組裝成的ZN3-10型和ZN5-10型等老一代的真空斷路器。新一代真空斷路器的研制成功，取得了巨大的經濟和社會效益，大大縮小了我國真空斷路器產品與國際先進水平之間的差距。我國許多工廠在此基礎上也試制了不少新型結構的真空斷路器，說明我國已具有自行開發各種不同類型的真空開關的能力。目前我國采用縱向磁場電極結構的真空開關生產量，已經超過了6萬臺/年的數量，占我國中等電壓生產和使用總量的60％以上，生產真空開關的工廠已達200多家。
西安高壓電器研究所曾對771廠生產的真空滅弧室，于1996年進行過42臺次的短路電流電壽命的開斷試驗，來分析其開斷成功率有多少。試驗結果有4次發生開斷失敗，其中2次在導電桿接地開斷失敗，2次在試驗方式4時開斷失敗，這樣771廠生產的真空滅弧室開斷試驗成功率為95％以上(不包括導電桿接地開斷失敗)。后來查出其制造上的原因后，再經過同樣的短路電流開斷電壽命試驗，沒有發生過開
斷失敗的記錄，即開斷成功率為100％。
西安高壓電器研究所還在1994～1996年，對所有10kV縱向磁場電極結構的國產真空斷路器，對初次試制真空斷路器的開關制造廠，在進行開斷型式試驗時作過開斷成功率的統計，大約在85％～90％。
真空滅弧室的小型化，我國有關研究所和高等院校曾作了不少工作，研究的方向是采用各種縱向磁場結構的真空滅弧室和尋求新的觸頭材料。由于縱向磁場結構的電極開斷能力強，在額定的短路開斷電流相同，設計裕度和工藝水平相同的條件下，縱向磁場結構的電極比橫向磁場結構的電極小得多，采用縱向磁場結構電極的真空滅弧室可以做得小些。這就是真空滅弧室采用縱向磁場結構電極后，使真空滅弧室小型化的原因。
小型化真空滅弧室的直徑縮小，原材料節約和工藝費用降低。因而真空滅弧室的生產成本大幅度下降和真空斷路器可以做得更緊湊。此外，隨著真空滅弧室外殼尺寸的縮小，外殼上的真空密封焊縫的長度縮短，真空滅弧室漏氣的可能性減小，真空滅弧室的可靠性提高，小型化真空滅弧室的其他性能也遠遠優于橫向磁場真空滅弧室。小型化真空滅弧室的開發和推廣，是我國真空斷路器進入一個新的發展階段的重要標志。
試驗表明，我國ZMD11-10/1250-20、ZMD-14-10/1250-20小型化真空滅弧室的開斷能力的裕度是相當大的。它們的額定開斷能力是20kA，曾作過多次開斷試驗，不但能輕松開斷25kA，還能開斷3.15kA短路電流。
1.3 其他方面的改進工作操動機構在真空斷路器中機械結構最為復雜，是精度要求最高的部分，不少真空斷路器生產廠很難滿足操動機構的加工要求。把操動機構獨立出來可以在生產條件比較好的工廠集中生產，保證其可靠性。將操動機構的輸出軸與斷路器主軸合而為一，在設計上是不困難的，這樣做對機架的精度要求將大大提高，一般真空開關生產廠很難達到這種精度。將操動機構與真空開關主體二者分開，使大多數真空開關廠都能生產真空開關，并保證了真空斷路器的可靠性。
分裝式真空斷路器是專為我國GG1A等固定開關柜設計的。分裝式真空斷路器自誕生以來，至今已有近20年歷史，其間經歷了設計、試驗、小規模試用、大面積推廣等典型的新產品發展過程。分裝式真空斷路器經過數以百次計的型式試驗的考核，又經過了十多年各種運行條件的考驗。事實證明，符合國情，經濟實用，試驗成功率很高，性能滿足使用要求，運行安全可靠。
幾年來對高電壓等級的真空斷路器作了研究和開發工作。現已研制成功110kV雙斷口的戶外真空斷路器和繼續研制220kV的真空斷路器。此外，還在研制保護發電機組用的額定電壓24kV、額定電流12500A和開斷容量125～240kA的真空斷路器，高電壓等級的永磁操動機構，四相高壓真空斷路器和超高壓轉換并聯電抗器用的真空負荷開關等。
2 我國真空斷路器的現狀與國際先進水平的差距
我國從60年代末開始真空斷路器的實用化研究，經過近三年的努力，現在技術上已趨成熟，應用已相當普遍。隨著真空斷路器技術上的進步和性能的提高，使用部門對真空斷路器的要求也越來越高。因此設計、制造、研究和高校等部門已在不斷總結經驗，不斷改進、完善產品，不斷推出新產品，更好地滿足用戶的要求。
改革開放以來，大量國外先進真空斷路器進入我國開關市場，我們必須盡快完善和改進國產真空斷路器，并應盡快拿出與國外先進產品媲美的真空斷路器來提高競爭力。
為了改進和完善老產品和發展新一代真空斷路器，我們必須對現有的真空斷路器的不足之處，用戶的要求以及與國外先進的真空斷路器的差距作出充分的估計，以便確定我國真空斷路器今后發展的方向。
2.1 我國真空斷路器的參數和性能
對于真空斷路器最重要的是其性能和參數應滿足使用要求，并具有一定的裕度，性能穩定和工作可靠，由于真空斷路器是一種保護設備，其性能的穩定性和可靠性尤為重要。作為一個好的真空斷路器，還必須使用方便，參數范圍廣，系列性強，外形美觀和價格合理。
我國80年代以來，研制了一批12kV的真空斷路器，與70年代研制的產品相比,各方面都有顯著的提高。就額定參數而言，我國真空斷路器的額定短路開斷電流已達到63kA，額定電流最高可達到4000A，對于額定電流小于、等于3150A的產品，部分產品允許在1.1倍額定電流下長期運行。機械壽命一般為10000～20000次，正在開展將機械壽命提高到30000～40000次的水平。開斷短路電流前的工頻耐壓可達48kV，沖擊耐壓可達84kV，斷流容量試驗后的工頻耐壓一般為42kV，沖擊耐壓一般為75kV，允許儲存期20年。已有真空斷路器形成完整的、參數范圍很寬的產品系列。
上述真空斷路器的額定參數已能滿足配電的要求，也能滿足大部分冶金、化工部門的要求。對于一些特殊場所，如發電廠廠用電系統，某些冶金和化工企業，還需要開斷能力更大，額定電流更高的真空斷路器，這些斷路器正在開發和發展中。 |
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