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第三代真空斷路器---“綠色”真空斷路器的研制
世上任何事物發(fā)展都具有階段性,通常稱之為代.真空開關(guān)發(fā)展到今天經(jīng)歷了兩代,第一代是上世紀(jì)70年代至80年代中期,是探索啟蒙階段.第二代為80年代至今,是引進(jìn)國外技術(shù)消化模仿階段.此時(shí)我國真空開關(guān)技術(shù)有了長足的進(jìn)步,接近了國際先進(jìn)水平,在國內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用.然而,在這二十多年里盡管國內(nèi)外真空開關(guān)型號繁多,結(jié)構(gòu)五花八門,但基本性能卻沒有太大的差異.據(jù)試驗(yàn)站對開斷大電流成功率的統(tǒng)計(jì),多年來一直徘徊在85-88%之間.操作感性負(fù)載還離不開保護(hù)裝置.切電容電流重?fù)舸┈F(xiàn)象和第一代相比并沒有明顯的好轉(zhuǎn).因此,研制第三代真空斷路器應(yīng)該在這幾方面著手,于是“開斷大電流的穩(wěn)定性和開斷小電流的安全性”理所當(dāng)然成為下一代真空開關(guān)發(fā)展的里程碑.
一.開斷大電流的穩(wěn)定性
目前我們開斷大電流出問題有三種情況:a,完全開不斷.b,后開相開不斷及中燃弧開不斷.c,異相接地開斷重燃.
出現(xiàn)以上問題的根本原因是我們在設(shè)計(jì)中沒有為不同電流相位滅弧創(chuàng)造適當(dāng)?shù)臏缁…h(huán)境.首開相滅弧即有有利條件也有不利條件.有利條件是它開斷的電流正處在下降階段,因此它開斷的實(shí)際電流要比額定值小得多.不利條件是此時(shí)觸頭剛分離,窄小的空間金屬蒸氣呈高氣壓,而高氣壓的金屬蒸氣電弧具有大氣電弧的一切特性(非線性的伏安特性,電弧集聚),觸頭燒損嚴(yán)重,因此,首開相最佳滅弧環(huán)境就是加快剛分速度,擴(kuò)大金屬蒸氣存在的空間和擴(kuò)散通道,使電弧迅速由高氣壓轉(zhuǎn)變?yōu)榈蜌鈮海〝U(kuò)散型）,為電流過零熄滅創(chuàng)造條件. 后開相滅弧環(huán)境和首開相不同.它要求有較小的滅弧開距,使不等式λ>T。(λ為粒子碰撞自由程,T。為滅弧開距)更容易成立.并遠(yuǎn)離分閘到底機(jī)械震動區(qū).因而此刻分閘速度要慢.在做單相異相接地開斷試驗(yàn)中,開斷電流相位是隨機(jī)的,燃弧時(shí)間在3-13ms之間,為躲避震區(qū)要求開關(guān)分閘到底時(shí)間不小于20ms.因而分閘運(yùn)動最后階段要更慢.這樣一條分閘運(yùn)動特性是第三代真空開關(guān)必需具備的.
二. 開斷感性小電流.
開斷感性小電流的危害性在于截流的產(chǎn)生,出現(xiàn)截流的原因大氣電弧(高氣壓電弧)和小電流真空電弧(低氣壓電弧)的機(jī)理是不一樣的.前者是電弧非線性伏安特性造成的,后者是電流自身蒸發(fā)的金屬蒸汽密度小到不能維持陰極電離區(qū),電流自然就會在過零前熄滅而形成截流.要減小截流值就必須在觸頭材料中添加低熔點(diǎn)金屬,但這就會影響開斷大電流的能力.解決此矛盾的最好辦法就是大幅度減小滅弧開距.試驗(yàn)證明,首開相的截流值平均為1.8A,后開相為8.1A,相差4.5倍.巧合的是目前真空開關(guān)首開相的滅弧開距平均在1.5-2.5mm之間,后開相的滅弧開距約在8-10mm左右(正好處在油緩沖器的末端),幾乎也是4.5倍.這充分表明小開距空間金屬蒸汽密度大,維持小電流能力強(qiáng),而大開距空間金屬蒸汽密度小,維持小電流能力差,截流值自然增大.可見一條合理的分閘運(yùn)動特性,在分閘中程(2-6mm)分閘速度減慢對開斷大,小電流都很有益處.
三. 開斷電容電流.
切電容電流最棘手的問題就是重?fù)舸┈F(xiàn)象,它嚴(yán)重威脅電容器的安全.重?fù)舸┈F(xiàn)象不是哪家公司產(chǎn)品,哪種型號的缺陷,而是一種技術(shù)時(shí)代的特征.因此要解決這道世界性的難題,真空開關(guān)在設(shè)計(jì)上沒有大的突破是不可能的.
要解決重?fù)舸﹩栴}首先必須搞清楚其發(fā)生機(jī)理.行業(yè)中普遍存在“清潔度,毛刺論”和“反彈論”.持前一種觀點(diǎn)的人認(rèn)為要用電流老煉來消除它.而后者要求限制開關(guān)分閘反彈幅度.但這“兩論”都存在經(jīng)不起推敲之處.既然觸頭清潔不好,又有毛刺,為何開斷別的負(fù)載重燃現(xiàn)象就很少呢!既然管子有這么多毛病,絕緣耐壓關(guān)怎么通得過?在實(shí)際生產(chǎn)中,不論管子進(jìn)廠檢驗(yàn)還是整機(jī)檢驗(yàn)都很順利,說明管子現(xiàn)代生產(chǎn)工藝是不存在問題的.電流老煉論認(rèn)為毛刺是先天存在,用電流老煉除去就萬事大吉.這顯然有?？陀^事實(shí).況且單管老煉基本不起作用.“反彈論”也有明顯的缺陷,大量切電容試驗(yàn)表明,在整個(gè)時(shí)間坐標(biāo)上幾乎都有重燃發(fā)生記錄,即便反彈了開距的60%也不可能擊穿,否則首開相就開不斷.看來我們還沒有觸及到發(fā)生重燃的要害之處.
在真空開關(guān)特定條件下,真空間隙被擊穿主要因素應(yīng)該是場致發(fā)射.它的發(fā)生是由于觸頭平面存在“微突點(diǎn)”(俗稱毛刺),電場便在此集中,理論和試驗(yàn)都證明,此處的場強(qiáng)將是斷口平均場強(qiáng)的10-100倍(摘自教科書).而斷口擊穿的發(fā)生及經(jīng)歷時(shí)間又和微突點(diǎn)材料比熱,熱容量,曲率半徑及電場強(qiáng)度有關(guān).由幾毫秒到幾百毫秒不等.問題是好好的觸頭怎么會形成微突點(diǎn),是先天就有還是后天形成的呢?我們認(rèn)為是后天形成的,是開斷和關(guān)合負(fù)載后處理不當(dāng)形成的.只要存在電弧,觸頭就會有局部熔化,在外力(合分閘機(jī)械震動)的作用下,就有可能形成微突點(diǎn),要消除真空開關(guān)重?fù)舸┑奈锢硪蛩?必須在克服內(nèi)外因素上下功夫.
四. 如何實(shí)現(xiàn)“開斷大電流的穩(wěn)定性”
要完成上述任務(wù)就必須有一條科學(xué)合理的分閘運(yùn)動特性,因?yàn)槭澜缟弦磺袛嗦菲鞫际峭ㄟ^特有的機(jī)械運(yùn)動來獲得其電氣性能的.簡而言之真空開關(guān)的分閘運(yùn)動應(yīng)該是:快-慢-更慢.但現(xiàn)有的真空開關(guān)根本做不到這一點(diǎn).首先第一步“快”就做不到,即便加大分閘彈簧勉強(qiáng)做到較快,第二步“慢”如何實(shí)現(xiàn)?油緩沖器能做到第三步“更慢”嗎?（有的開關(guān)甚至于連緩沖器都取消了）真要做到這些,真空開關(guān)設(shè)計(jì)必須動大手術(shù).
我們這一代真空開關(guān)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上到底存在什么缺陷需要動大“手術(shù)”呢？其實(shí)是明擺著的,只是大家習(xí)以為常罷了.那就是動靜觸頭接觸方式.其它斷路器動靜觸頭接觸都是插入式,唯獨(dú)真空開關(guān)是平板接觸.這種接觸方式帶來三大弊病:1.動觸頭是靜止起步V。=0.很難完成第一步“快”的使命.2.因?yàn)槭瞧桨褰佑|,就必需有彈簧來保持接觸壓力,分閘時(shí)就得先釋放“超行程”,這樣就會使分閘運(yùn)動復(fù)雜化.牛頓定律告訴我們:物體的運(yùn)動狀態(tài)不能突變.因此,運(yùn)動的絕緣桿和尚處于靜止的動導(dǎo)電桿在一起穩(wěn)態(tài)運(yùn)動前就會有一“過渡過程”. 在測試儀器上可清晰的看到動導(dǎo)電桿初分階段有一小間隙(約0.5mm)短時(shí)(1-3ms)停頓.小間隙的金屬蒸汽呈高氣壓,增加了觸頭額外的電弧燒損.3.在分閘的初始階段,觸頭壓縮簧壓力不斷減小,動靜觸頭間接觸點(diǎn)也隨之減少,電流密度增加使觸頭局部熔化而形成電弧,這種熱起弧方式有別于其它斷路器電起弧方式,觸頭除了電弧燒損外還有熱燒損.
要實(shí)現(xiàn)科學(xué)的分閘模式,就必須克服上述的三大弊病,為此,我們采取兩項(xiàng)措施:1.V。>0.將滅弧室結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)“雙動”,即原靜端也能動.觸頭壓力彈簧移至上端.合閘時(shí)下導(dǎo)電桿推動上導(dǎo)電桿上移n毫米(超行程).分閘后,觸頭壓力簧推動上下觸頭系統(tǒng)往下運(yùn)動(請注意:此時(shí)觸頭壓力對于動導(dǎo)電桿是外力而不是原結(jié)構(gòu)的內(nèi)力),當(dāng)超行程釋放完畢,上導(dǎo)電桿嘎然止住.此前雙方獲運(yùn)動速度為V,接著下導(dǎo)電桿以V的速度離開上觸頭獲得V。>0目的.沒有了“過渡過程”，消除了小間隙短時(shí)停頓,真空開關(guān)不論開斷大小電流都會表現(xiàn)出優(yōu)良的電氣性能. 2。采用“先推后拉”分閘模式.分閘力由拉改為推是真空開關(guān)技術(shù)的一大創(chuàng)舉.它有效的減輕或消除了觸頭的熱燒損.雙動方案初始分閘力有兩個(gè),一個(gè)是上推,另一個(gè)是主軸分閘彈簧的下拉,如果兩個(gè)力同時(shí)作用,即又推又拉,觸頭壓力仍會逐漸減小,熱燒損不可避免.采取先推后拉方式,在釋放超程時(shí),主軸簧并不參與,當(dāng)走完超程后主軸分閘簧才拉動下系統(tǒng)完成分閘程序.由于下觸頭系統(tǒng)(包括絕緣桿)有相當(dāng)質(zhì)量,觸頭間會保持一定壓力,再由于下觸頭系統(tǒng)是被推出去的,觸頭間壓力必定是突然消失,這樣起弧過程就會由熱過程變?yōu)閭鹘y(tǒng)斷路器電擊過程.
采取了上述兩項(xiàng)措施,真空斷路器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完全擺脫了傳統(tǒng)模式,科學(xué)的分閘運(yùn)動特性才得以兌現(xiàn).V。>0就確保了第一步“快”的實(shí)現(xiàn).成功邁出了第一步，第二步“慢”和第三步“更慢”就迎刃而解了.由于主軸分閘簧只是將下觸頭拉到底并抵消滅弧室的自閉力,因而力值可設(shè)計(jì)小些,再配上適當(dāng)?shù)木彌_裝置便大功告成.
五. 切電容電流如何實(shí)現(xiàn)無重燃（開斷小電流的安全性）
動完大“手術(shù)”的新型真空開關(guān)確保了開斷大電流的穩(wěn)定性,也大幅度降低了截流值,但對于切電容電流的安全性任務(wù)只完成了一小半.V。>0和“先推后拉”兩項(xiàng)措施只是在分閘時(shí)減弱或消除切電容電流對觸頭的電弧燒損和熱燒損,但大量試驗(yàn)證明關(guān)合電容器組也是重燃的主要因素.我們在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn),帶電合閘,無電分閘真空開關(guān)斷口絕緣耐壓將大幅下降,這是因?yàn)閹щ姾祥l觸頭一旦局部熔焊,分閘拉出來的毛刺沒有電弧清除的緣故.其實(shí)關(guān)合故障電流也可能熔焊,但它開斷電流大,毛刺被電弧清除掉.而電容電流卻很小,清除毛刺能力差.因此一旦熔焊,發(fā)生重燃的概率就很高.關(guān)合電容使觸頭熔焊的罪魁禍?zhǔn)拙褪撬哳l的涌流.由于滅弧室結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),觸頭在接觸瞬間很難做到絕對平行,因此存在“初始接觸點(diǎn)”,高頻的涌流就會快速在這小區(qū)域通過,電流密度很大,熔焊就有可能發(fā)生.可見在組裝真空開關(guān)時(shí)確保安裝精度是何等重要(在試驗(yàn)中來回更換管子總能通過就是這個(gè)道理).電流老煉的作用就是不斷的用電弧燒蝕使初始接觸點(diǎn)越來越多,避免了熔焊,重燃發(fā)生的機(jī)率就會變小.但這只有在整機(jī)上進(jìn)行才有效.如果把管子拆下來重裝也許前功盡棄.這就是單管老煉不如整機(jī)老煉的原因.要使觸頭在關(guān)合涌流時(shí)不熔焊必須在觸頭接觸形狀上想辦法.球面或錐面凹凸型接觸方式就是其中之一.由于組裝很難保證上下導(dǎo)電桿的同軸度,合閘初始接觸點(diǎn)必定是球(錐)體的側(cè)面,涌流使其熔化(也許來不及焊),隨著合閘動作繼續(xù)進(jìn)行,觸頭面自動找正,對熔焊點(diǎn)有切斷磨平功能,此刻接觸面已足夠大,再也不會發(fā)生熔焊了.沒有了熔焊點(diǎn),分閘就不會拉出毛刺.消除了分,合電容器組(其它負(fù)載也是如此)產(chǎn)生重?fù)舸┑奈锢硪蛩?。到此，我們正確地判斷了真空開關(guān)產(chǎn)生重燃的物理因素,采取了有效措施消除它,研制成功無重燃真空斷路器,實(shí)現(xiàn)了開發(fā)不產(chǎn)生損壞設(shè)備過電壓“綠色”真空斷路器的夢想,使真空開關(guān)完成了它更新?lián)Q代的歷史重任.