| 真空斷路器在中國應用的經驗 |
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3.1.3 導向與緩沖裝置
(a)導向裝置
真空滅弧室觸頭系統不同軸，勢必造成分斷過程中觸頭間隙磁場的畸變，使觸頭燒蝕加大， 絕緣水平降低。嚴重的情況，會危及到真空斷路器分斷短路電流成功率。為了確保裝配與操 作過程中，觸頭對中良好，通常真空滅弧室都裝有導向裝置(如圖5,導向1)。考慮到膨脹系 數，斷路器操作過程的非直線運動等問題，這個導向裝置與動導電桿一般留有足夠間隙。多年實踐證明，這個導向裝置的存在，并不能保證真空滅弧室觸頭系統的良好對中，影響到真 空滅弧室開斷短路電流的穩定性。
二級導向是ZN28系列真空斷路器獨創的導向方式，因其結構簡單易行，導向性能良好，現已為絕大多數真空斷路器制造廠和研究設計人員所接受，并廣泛應用到產品中。
二級導向原理如圖5所示。這種導向方式并不要求導向1和導向2與動端運動部件配合間隙取 得很小，導向2允許在一定范圍內調整，在保證觸頭對中良好的情況下固定。采用這個方案 ，保證了運動部件傳動靈活，使動觸頭保持直線運動，改善了真空滅弧室開斷短路電流的穩定性，也緩解了金屬波紋管運動過程產生的應力，對提高波紋管的疲勞壽命起到了一定輔助作用。
導向精度與L值的選取有關(如圖5)。L值可按產品參數裕度、配合特性要求選取。對于10kV 級產品，選取L≥100mm已足夠滿足要求了。
(b)緩沖裝置的性能研究
真空滅弧室的機械壽命，受控于波紋管的機械壽命。在設定了金屬波紋管和觸頭開距后，真空滅弧室動觸頭運動方式就決定了真空滅弧室的機械壽命。真空斷路器分閘過程的速度急劇 變化，分閘過程和反彈，對波紋管的疲勞壽命極為有害。同時，分閘速度的變化特性，也直接影響到真空斷路器和所配用操動機構的機械壽命。分閘過程，接觸緩沖器瞬間的速度劇變甚至反彈，也可能造成真空斷路器的弧后重擊穿。如何選取緩沖特性，不僅關系到真空斷路 器的機械性能，也影響到產品電性能。
理想的緩沖特性，應該是在運動部件接觸緩沖器瞬間，緩沖器提供較小反力。隨著緩沖距離 的增加，緩沖特性迅速變陡，最大可能地吸收分閘能量，達到限制分閘反彈和分閘行程的目 的。利用液體流阻的變化，可以實現上述設想。
以上所述，是ZN28—10/4000—50真空斷路器的部分主要設計思想。試制與試驗表明，產品性能與設計要求是吻合的。這個產品的研制完成，對發展更高參數的中壓真空斷路器積累了 經驗和試驗數據，對發展大額定電流的戶內真空斷路器也得到了初步結果。這些數據，對發展真空發電機保護斷路器，也是極其寶貴的經驗。
3.2 24kV、12500A和125～240kA真空發電機斷路器的開發
發電機斷路器是直接連接在發電機和升壓變壓器之間，完成操作和保護的電氣設備。發電機斷路器,可用于保護和控制火電、核電和水電(調峰和抽水蓄能)電站的發電機及同步調 相機。根據國際大電網會議CIRGE的調查，目前全世界有50％的核電廠與超過10％的火電廠, 采用了發電機斷路器。在德國和俄羅斯，大容量的核電廠和火電廠,安裝發電機斷路器已成為一種標準。我國也有多家發電廠安裝了發電機斷路器，如沙角C號發電廠、丹江口發電廠和葛洲壩發電站等。另外還有黃岡發電廠、外高橋發電廠及盤山發電廠等已通過審查，將在其發電機出口裝設發電機斷路器。
3.2.1 發電機斷路器的發展現狀
發電機斷路器有少油斷路器、壓縮空氣斷路器、六氟化硫斷路器和真空斷路器四種類型 。少油斷路器的優點是結構簡單，不需要類似壓縮空氣斷路器供氣系統之類的輔助設備。但 是其通流能力和開斷能力向更高參數發展有較大困難，維護較麻煩，且有爆炸、燃燒的危險 ，因而限制了少油斷路器在發電機斷路器領域的發展。少油發電機斷路器的典型產品有原蘇 聯“電器”工廠的MΓ—20型20kV/11200A/87kA斷路器。我國的沈陽高壓開關廠也生產保護 發電機用的SN4—10型和SN4—20型少油斷路器，其參數也分別達到10 kV/12000A/105kA和2 0kV/12000A/87kA。壓縮空氣斷路器,是繼少油發電機斷路器后開發的發電機斷路器，它的開斷能力非常強，很適合于保護發電機組的場合。這種發電機斷路器的典型產品有,ABB公司的DR型36kV/10000～50000A/100～250kA空氣斷路器和法國Alsthom公司的PKG 36kV/17000～40000A/275kA斷路器。沈陽高壓開關廠于1985年從法國Alsthom公司引進PKG2型發電機斷路器 的生產技術并開始生產。隨著100～400MW發電站的增多，大中型發電機斷路器成為主流，此 時發電機斷路器從壓縮空氣式發展到六氟化硫式和真空式。1979年三菱公司推出了第一臺六氟化硫發電機斷路器，為雙壓式。1984年該公司又推出了SFW型13000～25000A/110kA單壓式 六氟化硫發電機斷路器。1985年BBC公司研制出中等容量的HE型24kV/6300～12000A/63～120 kA旋弧式六氟化硫發電機斷路器。1993年GEC－Alsthom公司又推出了自能吹弧式FKG型六氟 化硫發電機斷路器，開斷電流為120kA。我國也能生產六氟化硫發電機斷路器產品，沈陽高 壓開關廠于1994年研制成功了LN—24型六氟化硫發電機斷路器，參數為24kV/8000～12500A/ 80～100kA。由于六氟化硫氣體具有優良的絕緣和滅弧性能，因此六氟化硫發電機斷路器結 構更緊湊，故障率更低。真空發電機斷路器出現于1991年，由西門子公司推出，其典型產品 為8BK41型7.2～17.5kV/4000～12000A/40～80kA真空發電機斷路器。我國目前已能大批量生產保護中小型發電機的真空斷路器，額定短路開斷電流為63kA及以上的真空發電機斷路器產品目前還是空白，成為當今必須開發的目標之一。
發電機斷路器與一般的輸配電高壓斷路器相比，它們在電網中所處的位置不同，保護對 象也不一樣，因此在許多方面要滿足特殊的要求。這些要求大致可分為三個方面：第一是額 定值方面的要求，第二是開斷性能方面的要求，第三是固有恢復電壓方面的要求。從額定值 方面來看，發電機斷路器需要具備很大的額定短路電流開斷能力及關合能力，需要具備很大 的額定電流承受能力等。這些額定值遠遠大于同級別的輸配電斷路器。從開斷性能看，對發 電機斷路器有開斷非對稱短路電流的要求，其直流分量衰減時間達133ms。另外還要求具有 關合額定
短路關合電流(其峰值為額定短路開斷電流交流分量有效值的2.74倍)及開斷失步電 流等能力，這都是對斷路器提出的“苛刻”要求。從固有瞬態恢復電壓方面看，因為發電機 斷路器的瞬態恢復電壓，由發電機和升壓變壓器參數決定，而不是由系統決定，所以其瞬態 恢復電壓上升率(RRRV)，取決于發電機和變壓器的容量等級，等級越高，RRRV值越大，其數 量級為kV/μs。這是一個對斷路器要求很高的指標。由此可見，發電機斷路器在許多方面與 一般的斷路器不同，要滿足較高的要求，因此發電機斷路器不僅要滿足現有的開關制造標準 ，還要有其專用的標準。1993年IEEE專門頒布了用于發電機斷路器的制造標準IEEE C37.013 (1993)，我國也制定了發電機斷路器的通用技術標準GB/T14824—93，并于1994年10月1日起實施。
從用戶的角度對發電機斷路器有兩點要求：一是要求性能優良，二是要求價格低。性能優良，飼針對發電機斷路器所保護對象的重要性而言的。由于其所保護的發電機組是電力系 統的心臟，因此要求發電機斷路器，一定要達到相應的技術指標，同時一定要操作可靠，故 障率低。在這方面，六氟化硫 斷路器和真空斷路器都是很好的選擇。如ABB公司生產的DR型壓縮空氣斷路器的故障率，已 減低到0.5％，操作故障率為20×10－6，這一指標比一般的高壓斷路器低20倍左右，而該公司的六氟化硫斷路器產品故障率極低，小于0.3％，而且結構更緊湊。在發電機斷路器領域 ，真空斷路器在開斷性能和操作可靠性方面，可與六氟化硫斷路器相當。從價格方面看，價 格因素是制約發電機斷路器發展的關鍵因素之一，如果發電機斷路器價格能降下來，勢必對 電力工業的發展會起到積極的促進作用。在許多電站的工程預算中，由于發電機斷路器的價 格較高，一次性投資較大，因此就沒有被采納。從這個角度來講，真空斷路器可能比六氟化 硫斷路器具有一定的優勢。因為六氟化硫斷路器在生產時對制造工藝要求很高，加工成本很 大，因此其價格很難降下來。發電機斷路器所處的電壓等級屬中壓等級，在這個等級真空斷 路器占據優勢地位，由于真空滅弧室由專業廠家生產，價格較低，同時操動機構的生產技術 也非常成熟，生產成本亦低，因此真空發電機斷路器在價格上比六氟化硫斷路器有優勢。因此在發電機斷路器領域，六氟化硫斷路器和真空斷路器將成為主流，而從價格上看真空斷路 器可能會更有一些優勢。
3.2.2 新型真空發電機斷路器的研制
由前面所述，真空發電機斷路器的發展將有很大潛力，因此研制出我國自主知識版權的 大容量真空發電機斷路器很有意義。現在西安交通大學和東北電力科學研究院，正在聯合開 發一種新型的真空發電機斷路器。由于發電機斷路器，需要具有承受很大的額定電流能力及 開斷很大的短路電流的能力，而單個的真空滅弧室，很難同時滿足這樣的要求。為了解決這 個問題，世界上唯一生產大容量真空發電機斷路器的西門子公司，采用了這樣一種解決辦法 ，以8BK41型真空發電機斷路器為例，它是將一臺參數較低的8BK40型真空斷路器的三相并聯 起來，組成8BK41型斷路器的一相，將這樣的三相合成一個總體，共同承擔大的額定電流和 開斷大的短路電流。為了達到三相同步運行，采用同步控制裝置和快速脫扣器來完成。這種方法對工藝要求很高，而且成本也較高，另外實現同步較復雜。現在正在研制的新型真空發 電機斷路器的思路，是將承載大的額定電流的任務與開斷大的短路電流的任務用兩個并聯單 元，即真空隔離器和真空滅弧室配合完成。這種方案對工藝要求較低，而且較易實現產品系 列化，其工作原理如圖6所示。在圖6中，正常工作時真空隔離器VD與真空滅弧室VI均閉合， 此時額定電流大部分由VD通過。當發生故障時，VD先分開，當電流全部轉到VI后，將VI打開，開斷故障電流。下面依次對真空隔離器、真空滅弧室和操動機構的研究進展作一簡要介紹 。
真空隔離器首次在真空開關領域內使用了插入式梅花觸頭結構，以用于承載大的額定電 流。該結構的示意圖如圖7所示。
圖7所示為合閘時的情況， 在圖中有一圓柱形動觸頭，在動觸頭的周圍有6個弧形的靜 觸頭將動觸頭包住。電流通過動觸頭后，由圓柱側面流向靜觸頭，再由靜觸頭流出。在靜觸 頭的后面可由波紋管施加徑向力F，以達到所需的接觸壓力，減小接觸電阻，滿足承載大的 額定電流的要求。由于真空具有良好的絕緣特性，因此真空隔離器可以做得體積很小，這樣將大大減小整機的體積。 |
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