真空開關設計的“是”與“非”

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　　真空開關發(fā)展到今天，在中壓領域已占絕對優(yōu)勢，各項技術參數已基本滿足市場需要。眾多廠商開始研究生產永磁機構、固封滅弧室，然而從今天真空開關存在的諸多問題來看，永磁和固封技術也大有推敲的余地。

　　目前真空開關盡管開斷能力不斷提高，50kA、63kA已不少見，但從國內大電流試驗站試驗記錄和現(xiàn)場運行情況來看，筆者不禁要問：真空開關開斷大電流的穩(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，制造廠商是否要負某些設計責任？答案是肯定的，下面談談現(xiàn)有真空開關設計中存在的種種問題。

　　90年代中期國內出現(xiàn)一種真空開關，在大電流試驗中累累發(fā)生滅弧室外殼斷裂事故，在現(xiàn)場運行中也時有發(fā)生（2004年現(xiàn)場就有6臺此類開關發(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。

　　目前國內出現(xiàn)一股仿VD4風，觸頭壓縮簧都采用碟簧，并密封在絕緣筒內，稱之為少維修和免維修，這確有商榷的余地。碟簧有一特點，即剛度特別大，因而觸頭簧預壓力低于額定壓力下限，在做合分試驗時，就會有觸頭粘接的危險。同時超行程稍有變小，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的。形象一點講：夏天組裝的開關到冬天觸頭壓力就會減小100多牛頓。因而采用碟簧的真空開關應定期檢測和調整超行程。哪能談得上少維修和免維修。

　　真空開關動導電桿導電至出線端大多采用軟聯(lián)接方式，但某型號真空開關卻采用類似SF6開關的滾動接觸模式。問題在于機械壽命試驗后導電接觸面鍍銀層還存在否。如在SF6氣體中不存在氧化問題，溫升標準可不降低。但真空開關導電接觸面暴露在大氣中，沒有了鍍銀層，溫升標準應按裸銅接觸。從65℃降到35℃。機械壽命試驗后溫升恐難通過。

　　真空開關做開斷試驗國內一般至少做30次，50次，多者100次。用戶標書中也以此為投標條件，這大概是國情所致吧！在國外一些大公司推出一種新產品前在自己試驗室中已做過成百上千次試驗。失敗，改進，再失敗，再改進，直至成功。因而他們正規(guī)的型式試驗只做為數很少的幾次。但在我國的開關廠沒有這個條件。因而其新產品做型式試驗帶有研究性試驗成份。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，再試驗，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。

　　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?？梢娡环N管子，半程平均速度都一樣，不同結構整機性能差別很大。當我們弄清楚開斷動態(tài)過程及電弧微觀世界運動過程，便可認識到首開相成功開距范圍約為2mm，所以初分速度應在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變成低氣壓電弧（擴散型）。為首開相開斷成功創(chuàng)造條件。B和A開關走2mm用時過長電弧的轉變就不一定實現(xiàn)，開斷就會遇到麻煩。請注意，以上論述只是為了首開相開斷，后開相對分閘運動的要求又不同了。

　　不管分閘速度用6mm還是2mm來定義，后程運動任其自然是真空開關設計的一大誤區(qū)。一臺性能合格的真空開關，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（不產生危害設備的過電壓）。要做到這點，光有好的觸頭材料和結構是不夠的，必須通過一條理想的分閘運動曲線來實現(xiàn)控制分閘運動的全過程。形象的講就是：“快，慢，更慢”因為既然是開斷交流電，必然會有首開相和后開相，而它們對分閘運動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（最短的燃弧時間），初分速度應盡可能的快。為了后開相順利開斷（不滑相，不重燃，更不能失?。?，就應當將分閘到底引起的機械震動區(qū)遠離后開相滅弧區(qū)。試比較兩條分閘運動曲線：實線為目前真空開關分閘運動曲線，虛線為全程控制的分閘運動曲線。

　　a）實線初分速度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）實線分閘到底產生機械震動區(qū)大致處于8～12ms時間段。據統(tǒng)計80%的后開相時間都在此時間段，強烈的震動有可能引發(fā)弧根液態(tài)金屬的飛濺和觸頭表面的不平整，輕者重擊穿，重者開斷失敗。在開小電流時（實線）后開相行程過大導致金屬蒸氣密度小而不能維持電弧生存，造成電流非零點熄滅（截流），在感性負載中引發(fā)過電壓而損壞設備；在切容性負載時，觸頭表面不平整及觸頭空間金屬微粒懸浮物引發(fā)重擊穿過電壓危及電容器的安全。反觀虛線，后開相熄弧時，動觸頭正處于近似勻速狀態(tài)，并爭取到10多ms凝固時間。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，截流值降低，確保了感性負荷的安全。同樣，消除了重擊穿因素后，也能確保切電容器的安全。  

　　真空開關在本質上是電器產品，因而一切機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構真空開關時，用大量篇幅大書磁路計算，而這種磁力源的機械

　　械運動是否符合電弧熄滅要求條件只字不提。事實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。據經常參加開斷型式試驗人員的反映證實了這點。