固封极柱式真空灭弧室在高压真空断路器中的应用研究

丁 鹤

（铜陵有色设计研究院 机电加工工程室，安徽 铜陵 244000）

0 概述

“真空断路器”因其灭弧介质和灭弧后触头间隙的绝缘介质都是高真空而得名；其具有体积小、重量轻、适用于频繁操作、灭弧不用检修的优点，在配电网中应用较为普及。真空断路器是3～10kV，50Hz三相交流电力系统中的户内配电装置，可供工矿企业、发电厂、变电站中作为电器设备的保护和控制之用，特别适用于要求无油化、少检修及频繁操作的使用场所，真空断路器可配置在中置柜、双层柜、固定柜中作为控制和保护高压电气设备用。

1 高压真空断路器的组成部件

真空断路器主要包含三大部分：真空灭弧室、电磁、永磁或弹簧操动机构、支架及其他部件，相关介绍如下：

1.1 真空灭弧室

按照开关型式不同有外屏蔽罩式陶瓷真空灭弧室、中间封接杯状纵磁场小型化真空灭弧室、内封接式玻璃泡灭弧室，其基本结构如下：

1.1.1 气密绝缘系统(外壳)

由陶瓷、玻璃或微晶玻璃制成的气密绝缘筒、动端盖板、定端盖板、不锈钢波纹管组成的气密绝缘系统是一个真空密闭容器。为了保证气密性，除了在封接式要有严格的操作工艺，还要求材料本身透气性和内部放气量小。

1.1.2 导电系统

由定导电杆、定跑弧面、定触头、动触头、动跑弧面、动导电杆构成。触头结构大致有三种：圆柱形触头、带有螺旋槽跑弧面的横向磁场触头、纵向磁场触头。目前采用纵磁场技术，此种灭弧室具有强而稳定的电弧开断能力。

1.1.3 屏蔽系统

屏蔽罩是真空灭弧室中不可缺少的元件，并且有围绕触头的主屏蔽罩、波纹管屏蔽罩和均压用屏蔽罩等多种。主屏蔽罩的作用是：（1）防止燃弧过程中电弧生成物喷溅到绝缘外壳的内壁，从而降低外壳的绝缘强度。（2）改善灭弧室内部电场分布的均匀性，有利于降低局部场强，促进真空灭弧室小型化。（3）冷凝电弧生成物，吸收一部分电弧能量，有助于弧后间隙介质强度的恢复。

1.2 操作机构

按照断路器型式不同，采用的操作机构不同。常用的操作机构有弹簧操作机构、CD10电磁操作机构、CD17电磁操作机构、CT19弹簧储能操作机构、CT8弹簧储能操作机构。

1.3 其它部件

基座、绝缘支撑件、绝缘子等。

2 我国高压真空断路器的现状及相关缺陷

高压真空断路器在我国供电系统中的应用始于1978年，其重量轻，结构简单，使用寿命长等优点很快被电力部门运行、检修和技术人员认可。早期国内生产的高压真空断路器质量不够稳定，操作过程中载流过电压偏高，个别真空灭弧室还存在有漏气现象。在工业环境恶劣的使用场合下（如空气的湿度、灰尘、气体的密度等），都会对陶瓷真空灭弧室的电气性能和绝缘产生破坏,甚至灭弧室因绝缘损坏而产生爆炸现象,极大地影响了供配电安全。直至1992年天津真空开关应用推广会议时，我国真空断路器的制造技术已经进入了国际同行业同类型产品的前列，成为我国高压真空断路器应用，制造技术新的历史转折点。

3 解决方案

根据高压真空断路器相关性能要求，结合目前高压断路器在实际使用中的运行维护经验，采用固封式高压真空断路器可大大提高设备绝缘性能，其结构简单，动作可靠，相关介绍如下：

3.1 简介

固封式高压真空断路器在具有高压断路器常规器件的基础上其主导电回路采用固体绝缘方式的固封极柱形式，采用特殊的嵌入技术，将具有超低电阻值的真空灭弧室和导电零部件浇注在环氧树脂中来实现主导电回路的固体绝缘。目前市场上常见的配套操动机构有弹簧操动机构和永磁操动机构等。

3.2 真空灭弧室工作原理

真空灭弧室是利用高真空工作绝缘灭弧介质，靠密封在真空中的一对触头来实现电力电路的通断功能的一种电真空器件。当其断开一定数值的电流时，动、静触头在分离的瞬间，电流收缩到触头刚分离的一点上，出现电极间电阻剧烈增大和温度迅速提高，同时形成极高的电场强度，导致极强烈的发射和间隙击穿，产生真空电弧，当工频电流接近零时，同时随着触头开距的增大，真空电弧的等离子体很快向四周扩散，电弧电流过零后，触头间隙的介质迅速由导电体变为绝缘体，于是电流被分断。由于触头的特殊构造，燃弧期间触头间隙会产生适当的纵向磁场，这个磁场可使电弧均匀分布在触头表面，维持低的电弧电压，从而使真空灭弧室具有较高弧后介质强度恢复速度、小的电弧能量和小的腐蚀速率，这样就提高了真空灭弧室开断电流的能力和使用寿命。

3.3 相关技术特点

3.3.1 双APG压力浇注工艺

运用硅胶缓冲层的APG工艺和极柱环氧树脂的APG工艺，两项工艺参数是采用优选法经过大量的试验和性能测试后来确定的，它确保了固封极柱产品质量的先进性和稳定性。该绝缘制品按GB7354要求，在1.1Ur(Ur:额定电压)试验电压测试：局部放电量≤5Pc。

3.3.2 可靠的固封极柱

与传统组装式极柱相比，固封极柱的零部件、导体搭接面、连接用紧固件的数量都大大减少，从而简化了主回路的装配环节，降低了回路电阻，提高了主导电回路连接的可靠性。真空灭弧室被嵌入环氧树脂固体材料后，极柱的外界环境对真空灭弧室的影响被降到最低，其外绝缘能力可以免受灰尘、潮气、小动物、凝雾和污秽的影响，完全满足GB/DL标准规定的二级污秽地区爬距要求，从而提高主导电回路的绝缘性能。特有的坚固结构可以为真空灭弧室提供更加充分的保护，使其在装配和运输过程中免受意外机械冲撞。采用环氧树脂作为绝缘介质，相间距和极间距都可以缩小，减少了真空断路器及其配用开关柜的体积。由于整个极柱被浇注成整体部件，真空灭弧室得到了充分保护，真空灭弧室的免维护为断路器的免维护提供了条件。固封极柱式断路器可在一定程度上替代SF6气体作为外绝缘的需要，因而更加环保。

3.3.3 性能优异的真空灭弧室

其分断短路电流时形成的纵向磁场强，热熔性好，因而分断短路电流能力强，重燃率低，可靠性高，能满足首次100%额度短路电流的开断要求，独特的动静触头结构强度高，分合闸过程中不会变形，短路分段性能稳定，且无引弧槽，外形完美，浑然一体，耐电压水平高。此外相关回路电阻小，具有高可靠的容性负载及感性负载开断能力及高可靠的异相接地故障电流开断能力，在正常工作条件下具有极低的X射线辐射量，可满足环境保护要求。

3.3.4 操动机构

新型弹簧储能操动机构平面布置在机箱中，机构储能及合、分闸单元分别采用一个功能模块，凸轮经以及四杆和摇杆机构传动使动触头运动，合闸保持采用扣板、半轴锁扣；储能电机经齿轮减速箱输出，通过齿轮传动、传动轮滑块离合，挚子保持。该操动机构结构简单，动作可靠，不同规格产品的零部件通用性强。

新型永磁操动机构体积更小，操动功耗更低、更节能，运行故障率极低，免维护。此外由于永磁操动机构的运动特性与新型真空灭弧室的熄弧特性高度吻合，使其断路器的使用寿命大幅度增加，其具有机械手动分闸装置，其分闸速度与电动分闸速度相同，可在控制电源发生故障的情况下带负荷分闸，独特的永磁机构电子控制器大大提高了高压断路器实际供电的稳定性。

4 总结

目前国家能源局、国网及南网公司已对固封极柱生产厂家提出了要求，要求固封极柱产品必须按相关标准型式进行试验，希望设计固封极柱专用真空灭弧室，完善固封极柱用真空灭弧室的工艺生产线，完善固封极柱环氧包覆结构及工艺，解决好包封界面的问题，加强质量控制等。采用新型固封极柱式高压真空断路器相较传统高压真空断路器大大提高了配电装置在实际使用尤其在灰尘污秽严重及潮湿的恶劣工业环境下供电的稳定性，另外它还具有完善的机械和电气联锁装置，同时具有极高的操作可靠性与使用寿命，配合适当的高压开关柜可完成安全的配电功能，确保操作者和设备的安全，如今在工业企业及电力部门的配电装置中正在广泛推广使用。

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