| 真空斷路器在中國應用的經驗 |
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國外先進的真空斷路器的參數與我國產品基本相同：最大額定短路開斷電流一般為63kA,有些公司也生產更大額定短路開斷電流的產品，如日本有額定短路開斷電流為100kA的產品，這些真空斷路器只用于一些特殊的場所。國外真空斷路器的額定電流一般最高為3150A，個別產品額定電流為4000A。國外先進的真空斷路器的機械壽命比較長，像西門子公司的3AF、3AH系列真空斷路器的機械壽命為30000次，且在壽命期間不需要維修，我國的真空斷路器還達不到這樣的水平。
在開斷能力和在關合能力等方面，我國真空斷路器的性能是高的，也是穩定的。近年來西安高壓電器研究所進行了大量真空斷路器的開斷試驗，試品包括國內各生產廠的和各主要國外真空斷路器生產公司的產品，從大量試驗的統計看，國產真空斷路器的開斷能力試驗和額定短路開斷電流開斷次數(電壽命)、試驗的一次成功率比進口真空斷路器還要高。
真空斷路器的觸頭是不能維修和更換的，要求真空斷路器有足夠高的電壽命是必要的。真空斷路器的電壽命也一直受到使用部門的密切關注。我國一般真空斷路器的技術條件規定：額定短路開斷電流31.5kA及31.5kA以下真空斷路器的電壽命為50次，40kA真空斷路器為30次，50kA為20次。有些產品在技術條件中規定75次甚至100次電壽命。我國真空斷路器技術條件規定的電壽命，是型式試驗中實際進行的滿容量開斷次數。當代我國真空斷路器的預期電壽命，要比技術條件規定的高，早期真空斷路器(如ZN3-1，ZN5-10)的電壽命為30次，經30次開斷后，觸頭燒損厚度接近甚至大于允許觸頭燒損厚度3mm。可以認為這些真空斷路器的預期電壽命為30次左右。新一代真空斷路器普遍使用縱向磁場電極和銅鉻觸頭材料，用縱向磁場電極替代橫向磁場電極，成倍地降低了短路開斷電流下的電弧電壓(電弧能量)，而且使電弧在觸頭表面分布得比較均勻，用銅鉻觸頭材料替代銅基觸頭材料則降低單位電弧能量所造
成的觸頭燒損量。兩者相結合，使真空斷路器的電壽命有了突破性的提高。采用縱向磁場電極和銅鉻觸頭材料的真空斷路器，電壽命試驗所造成的觸頭燒損厚度一般小于1mm，遠遠小于允許觸頭燒損厚度3mm，可以推斷，其預期電壽命要比技術條件規定值高得多。現在有些工廠為了證明自己的產品先進，在型式試驗中進行75次，甚至100次額定短路開斷電流開斷試驗。其實，這種試驗只是證明其具有原來已經有的能力而已，并不意味著它的性能一定比其他產品的電壽命長。
在當前的技術水平下，只要適當犧牲一些經濟性，提高真空斷路器短路開斷電流的電壽命是不因難的。簡單地加大觸頭直徑(相應放大真空滅弧室直徑)就可以有效地提高電壽命。真空斷路器的這種電壽命究竟應取多長才能充分滿足使用要求?對于這一問題需要進行認真的研究。初步的結論認為短路開斷電流的電壽命并不一定是越高越好，電壽命和其他性能指標一樣，一旦它超出了使用的需要，超出的部分便成了多余的功能，為此而付出的人力、物力都是一種浪費。上面已指出，我國早期真空斷路器的實際電壽命只有30次左右，它們投入運行最長的已超過20年，在電力系統至今還沒有發現有真空斷路器因短路開斷電流的電壽命終了而退出運行的，也沒有發現因短路開斷電流的電壽命過短而造成事故的，可見這些真空斷路器已能基本滿足電力系統對短路開斷電流的電壽命的要求了。六氟化硫斷路器也是一種免維修的斷路器，中壓六氟化硫斷路器在型式試驗時最多只進行20次滿容量開斷試驗，它們在電力系統中運行得也是令人滿意的。新一代真空斷路器的電壽命更長、更可靠，它們的這種電壽命實際上已遠超過了使用要求。在此條件下片面追求更長的電壽命是毫無實用價值的。
西門子公司的3AH系列31.5kA真空斷路器的電壽命為50次；ABB公司的真空斷器為了在中國銷售，經過努力通過了50次滿容量開斷試驗；全俄電工研究院的16kA、20kA真空斷路器的電壽命為50次，40kA和50kA真空斷路器分別為25次和20次；日本三菱公司的真空斷路器在型式試驗中只進行8次滿容量開斷。由此可見，我國真空斷路器的電壽命一點不比國外最先進的水平低。
真空斷路器有許多機械參數，如合、分閘速度，觸頭行程，觸頭合閘彈跳時間，觸頭分閘反彈幅值等等。這些參數是用以保證真空斷路器達到其性能而設定的，只要它們能保證其主要性能就不必苛求。
綜上所述可以看出，從型式試驗反映的國產真空斷路器的性能是好的，不比國外先進產品差。只有機械壽命還比較低，需要進一步做工作。
2.2 真空斷路器的總體結構
70年代我國獨立研制的ZN3-10型和ZN5-10型真空斷路器采用落地式總體布置。ZN3-10型真空斷路器，每個真空滅弧室用幾根絕緣桿固定在位于斷路器下部的機架上，操動機構置于機架內(如圖1所示)。ZN5-10型真空斷路器的真空滅弧室的固定方式略有改進，每個真空滅弧室用兩個新月形的絕緣板固定在斷路器最下部的機架上，操動機構同樣布置在機架內(如圖2所示)。
這種結構形式帶來了一系列的問題。用絕緣桿或新月形絕緣板支撐，使真空斷路器的整體剛度不佳。用在手車柜中使用時，由于剛度不佳，真空斷路器無法承受手車推進和拉出時所產生的機械沖擊。為了提高剛度，斷路器上部必須用絕緣子固定到手車架上。這不僅使手車的結構復雜，還可能使真空滅弧室和絕緣桿受較大的應力作用。當短路電流通過時，相間受巨大的電動力作用，絕緣桿支撐結構承受相間電動力的能力是很有限的。在電動力作用下，絕緣桿容易彎曲變形，從而使真空滅弧室的外殼受力。額定短路開斷電流不太大(如20kA或31.5kA)時，剛度差的矛盾還不會很突出，當額定短路開斷電流為40kA或50kA時，這一矛盾就會非常突出。這就制約了ZN3-10型和ZN5-10型真空斷路器，發展成包括大額定短路開斷電流品種的完整的系列化產品。
由于操動機構置于真空斷路器的最下部的機架內，這使ZN3-10型和ZN5-10型的斷路器的裝配、調試、檢測和維護很不方便。在真空斷路器運行中，對操動機構的檢查、維護和調整是很難避免的。當這類真空斷路器用于手車柜中時，只有將真空斷路器從手車上卸下來后，才能對操動機構進行檢查、調整和維護。當它們在固定柜中使用時，必須將其從柜子中拆下來才能進行檢查，這對用戶是非常不方便的。
我國早期真空斷路器(包括ZN3-10型和ZN5-10型)只配備電磁操動機構，沒有配置彈簧操動機構，在ZN3-10型和ZN5-10型這樣的落地式布置的真空斷路器中，安裝彈簧機構也比較因難，使這類真空斷路器，不能滿足那些沒有直流電源的用戶的要求。
因此，使用不方便是這類真空斷路器比較大的缺點，而且難以從根本上加以克服，在這里值得一提的是，仍然有個別新研制的真空斷路器，采用與ZN3-10非常相似的結構形式。雖然由于使用了性能先進的真空滅弧室和采取了一些技術措施，使某些性能有了提高，但由于結構上的局限性，使它們在系列性和使用方便性方面，不僅遠遠落后于國外先進斷路器，而且落后于我國當代真空斷路器的先進水平。
80年代至90年代初研制的真空斷路器，基本放棄了落地式布置方式，多數采用與國外真空斷路器相似的懸掛式或綜合式總體布置方式。真空滅弧室由機械強度很高的絕緣子支撐，真空斷路器的整體剛度很高，其中綜合式布置的真空斷路器的整體剛度更高，這種結構形式，已成功地用于額定短路開斷電流高達50kA的真空斷路器。這些真空斷路器的操動機構，都布置在真空斷路器后部的框架中，卸下后部蓋板就可對操動機構進行維護、檢查和調整。1998年以后，我國真空斷路器很少采用絕緣框架或整體絕緣筒，作為真空滅弧室支撐和對地絕緣。
70～80年代，我國還沒有適合于真空斷路器使用的長壽命彈簧操動機構。1992年以后發展了幾種長壽命彈簧操動機構，它們的輸出特性與真空斷路器的反力特性能有較好的匹配，輸出功能滿足大容量真空斷路器的要求，機械壽命已達到30000次。
多數真空斷路器用的操動機構(包括電磁機構和彈簧機構)是集中布置的，即機構被設計成獨立的元件，自成一體，這樣做便于操動機構的集中生產，有利于保證產品質量。
我國的新一代真空斷路器多數已克服了早期產品參數范圍不廣，不成系列和使用不便的缺點，目前生產的真空斷路器具有參數范圍廣、系列性強和使用方便的優點，基本上滿足了用戶的要求。在這些方面我國的真空斷路器與國外產品已不存在差距。
由于我國的真空斷路器沿面爬電距離和空氣間隙都設計得比較大，更適合于我國的使用環境條件，國產真空斷路器的價格比進口產品低得多，國產真空斷路器更適合于中國市場。
2.3 提高可靠性和改善外觀質量
我國用戶喜歡選用國外進口真空斷路器的主要原因：一是普遍認為進口產品的可靠性高，二是國外產品精致和美觀。我國真空斷路器確實存在這二個問題，特別是機械可靠性不夠高，機械壽命還不夠長和外觀不夠美觀和精致。
可靠性對真空斷路器來說
是特別重要的，機械壽命則直接關系著使用壽命，兩者的提高具有巨大的實用價值，我國真空斷路器可靠性不夠高的主要原因有以下幾方面。
首先，我們對產品的可靠性重視不夠。以前我們一直著重解決開斷能力、電壽命、開斷后的絕緣水平等問題。現在這些問題在10kV級真空斷路器中已基本解決。在此條件下，已經把工作的重點轉移到提高可靠性和機械壽命上來，但時至今日，還有少數人依然對提高電壽命不遺余力，甚至把電壽命的長短作為衡量真空斷路器優劣的依據。這對于引導生產廠提高產品的可靠性和機械壽命是非常不利的。
有些設計觀念也是造成可靠性不夠高的原因，我們的設計往往強調產品能用一般加工工藝手段制造出來，這就不得不遷就落后的加工工藝，零部件的設計精度低，依靠調整解決精度低的矛盾，因而調整環節多，結構復雜，這不可能不降低可靠性。
設計中偏重于提高產品的性能指標，對可靠性不夠重視，甚至個別產品為了提高一些不太重要的性能指標而犧牲可靠性，例如有的真空斷路器為了追求觸頭合閘無彈跳，在真空滅弧室的靜端設置合閘緩沖彈簧，合閘緩沖可以減小合閘彈跳是沒有問題的，但為了保證明顯的緩沖效果，動、靜觸頭接觸后，靜觸頭必須跟隨動觸頭運動一個緩沖距離，這導致與靜觸頭連成一體的整個真空滅弧室絕緣外殼的合閘振動，這很容易造成真空滅弧室外殼損傷。真空滅弧室的靜端不是剛性固定的，因而真空滅弧室外殼在電動力的作用下可能作橫向擺動，這同樣容易引起外殼損傷。開斷電流越大，這種危險也越大。這些作用無疑將降低真空斷路器的機械可靠性。經驗表明，將合閘彈跳時間控制在某一范圍(如2ms)內，合閘彈跳是無害的。國外先進的真空斷路器也并不是沒有觸頭合閘彈跳，西門子公司的3AF，3AH系列真空斷路器通過提高加工精度使合閘彈跳時間控制在1ms之內，東芝公司的真空斷路器的允許合閘彈跳時間為10ms，實際產品的合閘彈跳時間可控制在4ms之內。犧牲產品的可靠性換取合閘無彈跳的作法不可取。
再如，有的真空斷路器試圖用提高分閘速度來提高電壽命，從理論上說，提高分閘速度可以縮短最短燃弧時間，減小每次開斷所產生的電弧能量，從而提高電壽命。另一方面，提高分閘速度會帶來一系列副作用，分閘速度提高將大大提高運動部件和支持件的機械負荷，縮短波紋管的壽命，從而降低機械壽命和機械可靠性，提高分閘速度等效于增大燃弧期間的電弧長度，不利于提高開斷能力。在電壽命已足夠長，而機械壽命和可靠性尚需進一步提高的條件下，靠提高分閘速度來提高電壽命是得不償失的，在當前機械壽命和可靠性是真空斷路器的薄弱環節的情況下，即使略微增長一點燃弧時間，取較低的分閘速度，以提高可靠性和機械壽命則更為合理。
有人把型式試驗中偶而發生的開斷失敗歸罪于真空滅弧室的小型化，這是一種誤解。真空滅弧室的直徑不斷縮小是技術進步的結果，而不是靠降低開斷能力的裕度得到的。當前小型化真空滅弧室的開斷能力穩定性、絕緣水平、電壽命等性能都比我國早期大直徑直空滅弧室有顯著提高， 生產成本則大大降低。真空滅弧室的小型化還有利于提高真空滅弧室的機械可靠性。漏氣是導致真空滅弧室失效的重要原因之一，在相同的工藝條件下，發生漏氣的概率與焊縫長度、玻璃－可伐(或陶瓷－可伐)封接長度成正比。 隨著真空滅弧室直徑的縮小，焊縫長度和封接長度縮短，漏氣可能減少，真空滅弧室的可靠性提高。 |
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