真空開關(guān)設(shè)計(jì)的“是”與“非”

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　　真空開關(guān)發(fā)展到今天，在中壓領(lǐng)域已占絕對優(yōu)勢，各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)已基本滿足市場需要。眾多廠商開始研究生產(chǎn)永磁機(jī)構(gòu)、固封滅弧室，然而從今天真空開關(guān)存在的諸多問題來看，永磁和固封技術(shù)也大有推敲的余地。

　　目前真空開關(guān)盡管開斷能力不斷提高，50kA、63kA已不少見，但從國內(nèi)大電流試驗(yàn)站試驗(yàn)記錄和現(xiàn)場運(yùn)行情況來看，筆者不禁要問：真空開關(guān)開斷大電流的穩(wěn)定性問題解決了嗎？開斷小電流（容性和感性負(fù)載）的安全性解決了嗎？為什么某些大城市電力局要禁用35kV真空開關(guān)呢？這種不穩(wěn)定性、不安全性是什么原因引發(fā)的，制造廠商是否要負(fù)某些設(shè)計(jì)責(zé)任？答案是肯定的，下面談?wù)劕F(xiàn)有真空開關(guān)設(shè)計(jì)中存在的種種問題。

　　90年代中期國內(nèi)出現(xiàn)一種真空開關(guān)，在大電流試驗(yàn)中累累發(fā)生滅弧室外殼斷裂事故，在現(xiàn)場運(yùn)行中也時(shí)有發(fā)生（2004年現(xiàn)場就有6臺此類開關(guān)發(fā)生管子外殼開裂事故），問題就出在它的絕緣子分布不對稱。上絕緣子是水平布置下絕緣子是垂直安裝，而滅弧室又固定在下出線上，一旦大電流發(fā)生，伴隨巨大的水平電動(dòng)力相間彈性變形，使上、下出線位移在方向和幅度上都有很大差異，致使滅弧室磁外殼受剪切力而破裂，因而絕緣子對稱分布是一切斷路器必須遵循的原則。

　　目前國內(nèi)出現(xiàn)一股仿VD4風(fēng)，觸頭壓縮簧都采用碟簧，并密封在絕緣筒內(nèi)，稱之為少維修和免維修，這確有商榷的余地。碟簧有一特點(diǎn)，即剛度特別大，因而觸頭簧預(yù)壓力低于額定壓力下限，在做合分試驗(yàn)時(shí)，就會(huì)有觸頭粘接的危險(xiǎn)。同時(shí)超行程稍有變小，觸頭壓力將大幅下降，這對抗焊性能差的銅鉻合金是很危險(xiǎn)的。形象一點(diǎn)講：夏天組裝的開關(guān)到冬天觸頭壓力就會(huì)減小100多牛頓。因而采用碟簧的真空開關(guān)應(yīng)定期檢測和調(diào)整超行程。哪能談得上少維修和免維修。

　　真空開關(guān)動(dòng)導(dǎo)電桿導(dǎo)電至出線端大多采用軟聯(lián)接方式，但某型號真空開關(guān)卻采用類似SF6開關(guān)的滾動(dòng)接觸模式。問題在于機(jī)械壽命試驗(yàn)后導(dǎo)電接觸面鍍銀層還存在否。如在SF6氣體中不存在氧化問題，溫升標(biāo)準(zhǔn)可不降低。但真空開關(guān)導(dǎo)電接觸面暴露在大氣中，沒有了鍍銀層，溫升標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)按裸銅接觸。從65℃降到35℃。機(jī)械壽命試驗(yàn)后溫升恐難通過。

　　真空開關(guān)做開斷試驗(yàn)國內(nèi)一般至少做30次，50次，多者100次。用戶標(biāo)書中也以此為投標(biāo)條件，這大概是國情所致吧！在國外一些大公司推出一種新產(chǎn)品前在自己試驗(yàn)室中已做過成百上千次試驗(yàn)。失敗，改進(jìn)，再失敗，再改進(jìn)，直至成功。因而他們正規(guī)的型式試驗(yàn)只做為數(shù)很少的幾次。但在我國的開關(guān)廠沒有這個(gè)條件。因而其新產(chǎn)品做型式試驗(yàn)帶有研究性試驗(yàn)成份。開斷定30次，50次純屬考核它的開斷穩(wěn)定性。如果失敗不找原因，不改進(jìn)，再試驗(yàn)，即使成功也談不上穩(wěn)定性。筆者曾處理過多起現(xiàn)場開斷失敗事故，很難找到客觀原因，這在很大程度上與穩(wěn)定性問題有關(guān)。

　　開斷大電流穩(wěn)定性很重要的因素取決于它的初分速度，目前用半程平均速度來定義有很大的不確定性。但它們的開斷性能差別很大。形象的說：如果都開斷31.5kA。A成功率為80%；B為99%；C為99%。再以99%的成功率來限制開斷能力，則C為31.5kA，B為25kA，A為20kA。可見同一種管子，半程平均速度都一樣，不同結(jié)構(gòu)整機(jī)性能差別很大。當(dāng)我們弄清楚開斷動(dòng)態(tài)過程及電弧微觀世界運(yùn)動(dòng)過程，便可認(rèn)識到首開相成功開距范圍約為2mm，所以初分速度應(yīng)在2mm來確定。金屬蒸氣很快就衰減為低氣壓，電弧也就從高氣壓電?。坌停┺D(zhuǎn)變成低氣壓電?。〝U(kuò)散型）。為首開相開斷成功創(chuàng)造條件。B和A開關(guān)走2mm用時(shí)過長電弧的轉(zhuǎn)變就不一定實(shí)現(xiàn)，開斷就會(huì)遇到麻煩。請注意，以上論述只是為了首開相開斷，后開相對分閘運(yùn)動(dòng)的要求又不同了。

　　不管分閘速度用6mm還是2mm來定義，后程運(yùn)動(dòng)任其自然是真空開關(guān)設(shè)計(jì)的一大誤區(qū)。一臺性能合格的真空開關(guān)，不但要有開斷大電流的穩(wěn)定性，還要有開斷小電流的安全性（不產(chǎn)生危害設(shè)備的過電壓）。要做到這點(diǎn)，光有好的觸頭材料和結(jié)構(gòu)是不夠的，必須通過一條理想的分閘運(yùn)動(dòng)曲線來實(shí)現(xiàn)控制分閘運(yùn)動(dòng)的全過程。形象的講就是：“快，慢，更慢”因?yàn)榧热皇情_斷交流電，必然會(huì)有首開相和后開相，而它們對分閘運(yùn)動(dòng)特性的要求是不同的。我們必需營造不同的環(huán)境來滿足它們各自不同的需要。為了首開相順利開斷（最短的燃弧時(shí)間），初分速度應(yīng)盡可能的快。為了后開相順利開斷（不滑相，不重燃，更不能失?。?，就應(yīng)當(dāng)將分閘到底引起的機(jī)械震動(dòng)區(qū)遠(yuǎn)離后開相滅弧區(qū)。試比較兩條分閘運(yùn)動(dòng)曲線：實(shí)線為目前真空開關(guān)分閘運(yùn)動(dòng)曲線，虛線為全程控制的分閘運(yùn)動(dòng)曲線。

　　a）實(shí)線初分速度VO=0；虛線VO=tgβ。為首開相開斷成功創(chuàng)造了良好條件，開斷大電流的穩(wěn)定性好。

　　b）實(shí)線分閘到底產(chǎn)生機(jī)械震動(dòng)區(qū)大致處于8～12ms時(shí)間段。據(jù)統(tǒng)計(jì)80%的后開相時(shí)間都在此時(shí)間段，強(qiáng)烈的震動(dòng)有可能引發(fā)弧根液態(tài)金屬的飛濺和觸頭表面的不平整，輕者重?fù)舸?，重者開斷失敗。在開小電流時(shí)（實(shí)線）后開相行程過大導(dǎo)致金屬蒸氣密度小而不能維持電弧生存，造成電流非零點(diǎn)熄滅（截流），在感性負(fù)載中引發(fā)過電壓而損壞設(shè)備；在切容性負(fù)載時(shí)，觸頭表面不平整及觸頭空間金屬微粒懸浮物引發(fā)重?fù)舸┻^電壓危及電容器的安全。反觀虛線，后開相熄弧時(shí)，動(dòng)觸頭正處于近似勻速狀態(tài)，并爭取到10多ms凝固時(shí)間。平整的觸頭表面和潔凈的觸頭空間，即對開斷大電流穩(wěn)定性有利，也有利于開小電流的安全性。開小電流后開相滅弧空間小，金屬蒸氣密度大，維持小電流電弧能力強(qiáng)，截流值降低，確保了感性負(fù)荷的安全。同樣，消除了重?fù)舸┮蛩睾?，也能確保切電容器的安全。  

　　真空開關(guān)在本質(zhì)上是電器產(chǎn)品，因而一切機(jī)械特性必須服從電氣性能的需要，近來許多文章在介紹永磁機(jī)構(gòu)真空開關(guān)時(shí)，用大量篇幅大書磁路計(jì)算，而這種磁力源的機(jī)械

　　械運(yùn)動(dòng)是否符合電弧熄滅要求條件只字不提。事實(shí)上電磁的分閘力對加大初分速度不利，而取消分閘緩沖器的分閘過程，破壞了后開相的滅弧環(huán)境。這種機(jī)械特性對開斷大電流的穩(wěn)定性及小電流的安全性都是不利的。據(jù)經(jīng)常參加開斷型式試驗(yàn)人員的反映證實(shí)了這點(diǎn)。