高压真空断路器的设计毕业论文


    

    毕 业 设 计

    题 目: 高压真空断路器设计




    系: 电气信息工程系
    专业: 电气工程 班级: 学号:
    学生姓名:
    导师姓名:
    完成日期: 20XX年X月


    诚 信 声 明

    声明:
    1呈交毕业设计(文)老师指导进行研究工作取研究成果
    2查证文中特加标注致谢方外毕业设计(文)中包含已公开发表研究成果包含获教育机构学位材料
    3承诺提交毕业设计(文)中容均真实信



    作者签名: 日期:20XX 年 X 月 X日











    目 录
    高压真空断路器 1
    HIGHVOLTAGE VACUUM CIRCUIT BREAKER 2
    第1章 绪 3
    11 真空断路器现状发展 3
    111开发低电压触头材料降低截流水 4
    112容量化 5
    113采先进次封排工艺提高产量质量 5
    114缩灭弧室径减少零件数提高性缩灭弧室径 5
    115少维护方发展 6
    12 真空断路器应运行特点 6
    121概述 6
    122 真空断路器结构特点 9
    13真空断路器发展趋势 10
    第2章设计基务求 13
    21技术参数 13
    22 基务求 13
    第3章设计程 14
    31 真空灭弧理研究 14
    311真空电弧特性 14
    312扩散型集聚型真空电弧特性 16
    313交流真空电弧熄灭原理 18
    32真空灭弧室设计计算 18
    321屏蔽罩 19
    322 波纹 20
    323 导电系统 21
    324 排气 21
    33 触头设计 22
    34动热稳定验算温升验算 24
    341温升验算 24
    342动热稳定性验算 25
    35绝缘结构分析 26
    351额定绝缘水绝缘强度 26
    352额定电压高电压 29
    36操动机构选关计算 29
    361操动机构求 29
    362操动机构较选 30
    结束语 38
    参考文献 39

    目 录
    摘 1
    ABSTRACT 2
    第1章 绪 3
    11 真空断路器现状发展 3
    111开发低电压触头材料降低截流水 4
    112容量化 5
    113采先进次封排工艺提高产量质量 5
    114缩灭弧室径 6
    115少维护方发展 6
    12 真空断路器应运行特点 7
    121概述 7
    122 真空断路器结构特点 10
    13真空断路器发展趋势 11
    第2章设计基务求 14
    21技术参数 14
    22 基务求 14
    第3章设计程 15
    31 真空灭弧理研究 15
    311真空电弧特性 15
    312扩散型集聚型真空电弧特性 18
    313交流真空电弧熄灭原理 19
    32真空灭弧室设计计算 20
    321屏蔽罩 21
    322 波纹 22
    323 导电系统 22
    324 排气 23
    33 触头设计 23
    34动热稳定验算温升验算 26
    341温升验算 26
    342动热稳定性验算 27
    35绝缘结构分析 27
    351额定绝缘水绝缘强度 27
    352额定电压高电压 30
    36操动机构选关计算 30
    361操动机构求 31
    362操动机构较选 31
    结束语 40
    致 谢 41
    参考文献 42
    附 录 43





    高压真空断路器



    高压真空断路器

    高压真空断路器
    摘:年着世界国环境保护越越重视SF6气体排放便受限制电器领域SF6断路器发展必受限制时
    真空断路器中压领域占导位真空断路器断高电容量方发必然趋势绝缘介质压真空断路器取代高压SF6断路器种
    国首次设计SF6气体作灭弧室外嚷提出绝缘硅脂代kV1600户外高压真空断路器样机应环保传统SF6气体油作真空灭弧室外绝缘介质
    真空断路器成功研制环保型真空开关中跨高压领域关键步高压真空断路器发展着重意义文首次ADAMS虚拟样机技术成功应高压真空断路器产品开发破传统断路器产品设计方法建立715kV真空断路器虚拟样机模型物理样机制造前计算机虚拟样机模型进行仿真分析改进It化关键参数提供引导效缩短开发时间节约开发成
    着真空断路器电压等级升高操作功增产品开发程中会遇新问题1997年联合国日京召开联合国气候变化框架公约京议定书SF6气体列入种严重温室效应气体规定2030年禁SF6断路器关应SF6气体设备年世界国均致力研究代SF6气体电气设备包括SF6断路器真空断路器污染持续发展杰出代表国真空断路器水国外真空断路器差距国际市场国市场竞争中处劣势国电气生存发展必须严肃真空断路器研究
    文设计容定技术参数ZN型真空断路器参设计台真空断路器进行关验算
    [关键词]高压真空断路器




    Highvoltage Vacuum Circuit Breaker
    Abstract:Recently people pay more atention to human living environment in theworld and SF6 is limited to be used and be let out so the development of SF6circuit breaker is restricted On the contrary middle voltage vacuum circuit breaker (VCB) has bzen highly developed and VCB with high voltage and largecapacity has become considerably interested in the world so it is predictablethat VCB would certainly be instead of SF6 one in future In this paper it is thefirst time to develop a new HVCB without SF6 in our country which ratedvoltage 725kV rated current 1600A It is important to develop the VCBsuccessfully in the high voltage field in ChinaThe virtual prototype technologyADAMS is applied firstly to developHVCB product which is diferent from traditional designing method With thehelp of the ADMAS software the virtual prototype model of the VCB is builtthen is simulated and analyzed by choosing diferent breaking and closingcondition before the real VCB is manufactured It is convenient to modify andoptimize the VCB's key parameters by means of ADAMS so it saves the periodand cost of the VCB' development validlyA lot of new problems would come up during the development of highvoltage VCB The impact phenomenon between VCB's mechanistic parts isfound while VCB is breaking This paper analyzes the reasons of impactphenomenon and put forward a measure on how to reduce efect of the impactphenomenon Based on ADAMS's simulating this paper gives out all theinformation on VCB's moving character and bring forward innovatively thatVCR's breaking could be divided into four successive phasesThe high voltage insulation is one of key problems in this paper Theelectrical fields of vacuum interrupters and insulative links have been calculatedwith the help of ANSYS software of which VCB's insulative character wasdesigned on the basis At last some experiments have been done to verify thecalculation


    高压真空断路器
    [Keywords ] Highvoltage Vacuum Circuit Breaker
    Virtual Prototype Technology Moving Character Insulative Character









    高压真空断路器
    第1章 绪
    11 真空断路器现状发展
    根真空断路器国外发展趋势国技术现状国国民济发展
    需国发展高压真空断路器必
    首先环保角度考虑高压真空断路器取代高压SF6断路器高
    压断路器发展种方SF6气体20世纪40年代起研究SF6气体具特异热化学性电负性绝缘性灭弧性特广泛作高压开关设备绝缘灭弧介质1959年推出第台实SF6断路器目前已成断路器品种SF6断路器结构简单技术济指标先进等原SF6断路器已高压超高压领域(725kV电压等级)占份额制成量SF6气体绝缘开关设备(GIS)SF6气体量断增加SF6气体世界活泼著名气体气中寿命长约3200年球温室效应气体目前GWP值(Global Warming Potential全球温暖化势位称全球升温潜值)描述气体球温室效应起作强弱二氧化碳(C02)GWP值1SF6气体GWP值23900目前高值显然SF6气体严重温室效应气体然目前SF6气体量CO排放量相占例种气体温室效应作CO占百分(约60 )SF6气体球温室效应潜危害
    全球环境保护出发1997年联合国日京会议提出决定草案联合国气候变化框架公约京议定书(简称京议定书181)该议定书附件A中列出六种温室效应气体二氧化碳( C02 )甲烷(CH4 )氧化亚氮(N02)氢氟碳化物(HFCS)全氟化碳(PFCS )六氟化硫(SF6)列出温室气体相关部门类相应产业中源工业制造工业六氟化硫生产消费等均指名列京议定书规定2008年2012年第排放量限制削减承诺期附件B中列出关缔约方排放量限制削减承诺(1990年基准年SF6等3种气体1995年基准年)国政府明确表态中国决心国际社会起努力保护环境已2002年8月30日正式联合国递交京议定书批准书目前SF6气体应高电压电力设备中作绝缘灭弧介质京议定书SF6气体限制应引起足够重视早十年前电器工作者开始关SF6气体代品研究尚未找满意代品广泛开展混合气体应研究现已明确结SF6断路器说采混合气体没处着


    高压真空断路器
    SF6气体量占例减少开断性(灭弧力)相应
    降绝缘性方面采混合气体定处现开始采N2SF6混合气体甚N占80时尚较绝缘性样绝缘介质中量减少SF6气体量环保求应进步发展SF6断路器应该绿色环保型断路器代目前法取代超高压断路器采SF6断路器外应逐步减少SF6断路器产量时积极发展高压真空断路器取代SF6断路器D1次国需求情况济效益发展高压真空断路器着现实意义目前国电力系统中高压断路器运行情况少油断路器设计达开断容量求电网短路容量断增长少油断路
    器已满足电网需[9] SF6断路器然满足求符合环保求然高压真空断路器次投资价格稍贵点全面环境保护济效益角度考虑取真空断路器常需维护检修(根日运行验电气化铁道电弧电炉真空灭弧室确保额定电流操作100万次需维护检修〔10]短路开断次数远远少油SF6断路器具寿命长爆炸危险等等优点
    文节国情况中已提国制造真空灭弧室真空断路器
    真空电弧理研究方面取成绩基础发展高压真空断路器合理行
    20世纪20年代提出真空开断电流概念60年代突破
    制造出真正意义真空断路器投入便蓬勃发展现成断路器品种目前应405kV电压等级更高电压等级真空断路器未正式投入应真空断路器环境污染符合环保求产品日十年前制成84kV168kV单断口真空灭弧室84kV等级实际产品外技术济等方面原更高电压等级真空断路器没实际产品应
    年真空断路器发展益真空断路器技术进步真空断路器技术进步表现容量化低电压化智化型化进步真空技术灭弧室技术发展采新工艺新材料新操动技术结果
    111开发低电压触头材料降低截流水
    众周知真空断路器属硬开断特性开断电流时容易截流引起电压问题真空断路器关心问题CuCr触头材料减少截流值西门子公司命名CuCr触头材料做试验截流值3A产品保证超5A开断情况需进步减少截流值避免危险电压真空断路器开断发生堵转正启动电动机时般解决办法加装电压吸收装置SiCRC


    高压真空断路器
    回路ZnO避雷器等新做法开发低电压触头材料加电压吸收装置触头材料想办法降低电压
      日家公司先开发低电压触头材料日立公司研制出种银CoAgSe触头材料东芝公司研制出AgWC触头材料富士公司CuCr触头材料里添加高蒸气材料三菱公司采CuCrBiα元触头材料解决截流问题
      触头材料效解决截流问题截流值降低110截流电流矛盾低电压真空断路器般做72kV 20kA水
    112容量化
    真空断路器容量已提高完全满足电力发展需目前真空断路器额定电流已达4000A额定短路开断电流已高达12kV63~70kA东芝公司实验室试制200kA
    真空断路器迈容量化首先触头结构改进触头结构改进历板触头——横磁场触头——磁场触头板触头开断电流8kA横磁场触头开断电流提高40kA磁场触头开断电流提高达目前63~80kA磁场触头两种结构型式种装灭弧室外围线圈产生磁场种触头身特殊结构产生磁常磁场时电弧呈扩散形态分成许细弧均匀分布整触头表面利提高开断电流延长触头寿命
    触头材料断改进提高开断性触头材料目前两体系:CuBiCuCrCuBi相CuCr材料具短路电流开断力强介质强度高耐烧蚀截流低等优点触头材料直接影响截流水CuBi材料截流水般10~12ACuCr材料截流水降3~5A
    触头材料断发展CuBiCuCr出现更CuTa等材料
    113采先进次封排工艺提高产量质量
    次封排工艺制造真空灭弧室先进工艺20世纪80年代初英美等国已次封排工艺真空灭弧室批量生产英国GEC公司美国西屋公司早采次封排工艺现东芝公司西门子公司ABB Calor Emag等公司已采次封排工艺
    次封排工艺相常规工艺简化工艺流程仅效率高质量特适合批量生产
    总次封排工艺焊接气封装排气等工艺步骤真空炉中次完成简化制造工艺提高产品性稳定性致性国宝光集团现已具备年产


    高压真空断路器
    5万次封排真空灭弧室力
    114缩灭弧室径
    减少零件数降低造价材料费占灭弧室造价40~50 磁场触头CuCr触头材料减少灭弧室径
      真空灭弧室尺寸减真空技术真空工艺真空灭弧室设计发展结果真空灭弧室径缩结果真空断路器整体尺寸减真空断路器趋型化
    115少维护方发展
    操动机构断优化改进材料改进工艺减少调节环节等达提高寿命目
      真空断路器众厂家青睐产量覆盖面广外首原真空技术真空工艺灭弧室制造技术断进步真空断路器具优异电性机械性满足户求重原环境友普遍注重环保天点尤重
      真空断路器中产生分解物里开断时产生金属蒸汽真空灭弧室绝密封钎焊会环境相互影响污秽灰尘潮气均进入灭弧室避免氧化灭弧室材料均洁净状态保持整寿命期间
      真空灭弧室外部作具良保护性壳体氧化铝陶瓷制作受高温预处理受温度变化影响
    真空断路器国已广泛应特中等电压领域里真空断路器已占明显优 势国市场ZN—28系列真空断路器领先技术高性已成生产单位产量 系列全真空断路器缺少容量品种中等电压真空断路器应范围受 定限制必开发10kV系列真空断路器容量规格进步完善化目前已 完成额定电流4000A额定开断电流50kA真空断路器继续研究试制更额定电流 更额定开断电流10kV电压等级真空断路器
      适应容量发电机组保护断路器国正开发额定电压24kV额定电流12500A 额定开断电流125~240kA真空断路器
      外国完成户外额定电压110kV额定电流1250A额定开断电流315kA基础 继续开发额定电流更额定开断电流更110kV户外真空断路器外时开发220kV 电压等级户外真空断路器


    高压真空断路器

    12 真空断路器应运行特点
    121概述
    种电力开关设备进行综合较发现 真空开关电力系统中途广着电力工业飞速发展输变配电技术水越越高电安全性等求越越苛刻求断路器适应场合求电需时适应长时间运行频繁切合操作循环切断电流求
    2002年12kV电压等级断路器中真空断路器占9227市场份额年9016增加211SF6断路器占727年913降186少油油断路器仅分占032014市场份额均年199120降变化走势前年情况相类似数表明真空断路器中国市场已完全占绝导位推断市场份额会继续增长中国中压开关完全走进油化时代
    真空断路器作12 kV断路器导产品继续着型化高性少维护方发展断路器结构设计方面更产品采体操动机构体化设计方案断路器体极柱方面目前部分极柱均装配式着真空技术嵌入技术发展ABB率先免维护真空灭弧室直接浇铸环氧树脂中形成独立断路器极柱种型式断路器真空灭弧室导件外界环境完全隔离避免外力外界环境灭弧室导电件影响增强外绝缘强度浇铸式极柱减少手工装配工作量限度减少极柱装配程中出现误差断路器安全性进步提高真正实现极柱免维护操动机构方面ABB率先推出永磁操动机构部分客户持观态度永磁弹簧操动佳?更适合种应场合?等等值继续探讨话题
    着国民济发展民物质文化生活水断提高电力需求愈愈促电力事业迅速发展电网断扩户供电质量供电性求越越高电力法公布贯彻执行更求电力供电部门提供安全济高质量电力
    90年代前国配电网薄弱10kV配电网部分采放射形供电性差配电设备较陈旧遥控配电网运行状态监测设备少信息传输通道缺乏信息搜集量少导致事处理动化程度低处理时间长事恢复供电慢区发生电网事导致重户停电某认素外电气设备水低电网结构薄弱性低原动化程度低理善重原长期配电网建设未应重视建设资金短缺设备技术性落(国发电配电投资例


    高压真空断路器
    1:012落先进国家1:06——07投资例)造成配电网投资欠帐太薄弱程度超输电网
    90年代国电力工业发展迅速鉴国外验电力公司竞相加配电网投资力度目标实现配电网动化确保提供户电质量满足求目前着计算机通信技术国广泛应电力系统控制保护技术发生重变化传统模拟式信号测量传输发展数字式遥测光纤传输现通计算机方便进行监测通讯数存储实现电力设备操作运行保护智话微电子微处理技术开关设备相结合充分发挥微电子微处理技术量信息存储适时判断快速反映等特点开关设备适时根电网参数变化动作次设备保护更加完善减少维护工作量利实现遥信遥测遥控遥调技术国配电动化迅速发展提供良条件
    国城市建设规模济发展配电网提出较高求配网动化发展呈现趋势:
    (1)配电次设备选择应符合前配电网形势求具高度性优越技术性尤配电网开关求燃烧高油化目前中压开关领域真空开关SF6开关405kV级真空开关SF6开关分秋色12kV级真空开关占绝优势开关设备操动机构部结构适应户外运行条件做检修周期长设备运行样减轻运行员劳动强度维护费
    (2)二次保护控制设备应具高性强抗干扰力电磁兼容性适合户外高温瓷温等较严酷运行环境
    适应电力系统述求电器设备直着容量智化组合化型化方发展外次设备高性然电器设备重根问题追求目标断路器作电力系统终端设备起着保护作性智化水电力系统稳定动化程度产生深远影响作中高压电器重设备断路器性直受户生产制造企业关注目前中高压断路器触点机械式开关灭弧室体操动机构性成高性关键提高性公司研发制造单位力量产结构材料生产工艺等方面保证性提高
    配电供电系统中断路器量面广操作频繁性免维护求更高性研究开发直断进行着


    高压真空断路器
    作中压开关流产真空断路器提高性达免维护途径应具基功运行条件综合考虑方面:
    1高开断性开断力断路器重性灭弧室开断性方面做量研究工作真空断路器改进真空灭弧室触头结构板触头横磁场触头磁场触头电弧触头表面聚集呈扩散形态触头整表面均匀受热防止局部热样触头表面烧损更提高开断电流触头寿命研究开发新材料采CuCr触头材料改进触头制造工艺进步提高灭弧室性采先进次封排工艺气彻底灭弧室寿命长提高灭弧室性稳定性致性年断研究开发目前真空灭弧室开端容量开断力断提高
    2高机械性结构断路器分操动机构开关体俩部分数十年断路器发展历史表明操动机构断路器发展着极影响断路器动态性采操动技术关系传动操动机构零部件数量传动关系复杂长期研究改进年运行验表明操动机构电气控制辅助回路障率占断路器障重国际国统计数字断路器障中机械障占数国际电网会议组织国际调查表明机械障高达总障703包括辅助电器控制回路894成断路器性关键问题断路器高电压容量高性发展天满足电力系统高性求致力提高传统操动机构性质量性时必突破传统意义机构动作原理研制发展新断路器操动机构
    性高低零部件数量少直接关系减少零部件数量明显提高断路器性改进提高传统操动机构性质量研制新型操动机构提高性理首先应简化机构结构减少零部件数目
    3高绝缘性断路器绝缘性考虑工作电压长期运行种素产生电压情况电气设备型化求绝缘结构设计首先满足绝缘性求前提采优化电场结构利高性绝缘材料等达绝缘高型化目
    4高环境耐受力断路器周围环境种条件作应工作条件海拔高度环境温度空气湿度污秽等影响高海拔条件气压力低空气稀薄耐压水降低散热差允许通电流应该减温度低会种润滑油薪度增加影响开关电器分合闸速度温度高造成导电部分热等国家标准相应规定外考虑湿度污秽影响湿度容易引起金属零件锈蚀造成开关拒动


    高压真空断路器
    绝缘件表面凝露受潮绝缘性降海区重工业集中区空气中污秽严重容易导致绝缘表面污闪事外振动等影响素断路器根环境户求够满足环境方面求
    5智化高_次控制部分满足配网动化求开关电器智化发展断路器二次系统越越采电子设备元件电子控制系统电磁兼容性受极关注保证二次控制部分性控制单元设计应完整正确应电子元器件进行优化选择筛选制作工艺精良应采取效抗干扰措施调试应严格细致等电磁兼容性方面应国家标准求通项试验

    122 真空断路器结构特点
    真空断路器指断路器触头置真空灭弧室触头开断闭合均高真空度环境中进行真空断路器结构实真空灭弧室结构
    ①触头:
    触头结构影响断路器开断力重素真空灭弧室触头般采接式接式触头易产生触头弹跳现象需提高触头初压力减少触头弹跳(弹跳时间允许超2ms)克服短路电流电动斥力触头必须具足够终压力常触头材料铜铋合金铜铬合金铜铋铝合金等触头表面(跑弧面)采纯铜铬铜
    触头形式园盘式磁吹式两种触头开距10kV般10~16mm35kV般24~40mm
    ②屏蔽罩:
    屏蔽罩包围触头周围金属圆筒作吸收燃弧程中放出金属蒸汽金属液滴防止返回触头间隙引起重燃防止沉积绝缘外壳表面引起外壳绝缘强度降低
    真空灭弧室屏蔽罩通常动静触头绝缘防止真空电弧触头表面转移屏蔽罩防止电弧屏蔽罩表面燃烧导致开断失败屏蔽罩绝缘固定时屏蔽罩均压作改善真空灭弧室绝缘特性
    ③波纹:
    波纹真空灭弧室重部件利波纹伸缩性真空灭弧室外部机械方法部触头运动破坏外壳气密性波纹真空灭弧室中唯需幅度运动机械变形元件容易疲劳损坏真空灭弧室中常壁厚


    高压真空断路器
    012~014mm液压成型机械滚压成型波纹般材质铬-镍-钛锈钢
    真空灭弧室中波纹外部真空部气波纹外存气压气压差压差作产生动触头压紧静触头力称作触头闭力
    ④绝缘外壳:
    真空灭弧室绝缘外壳常材料玻璃高氧化铝陶瓷玻璃外壳强度低陶瓷外壳加工精度较低价格低玻璃外壳真空灭弧室适开断电流较断路器陶瓷外壳真空断路器
    真空灭弧室真空度:
    真空灭弧室真空度低时真空灭弧室绝缘性开断力严重恶化真空度高时真空灭弧室特性基真空度变化变化确保真空灭弧室工作求真空灭弧室真空度高65×101Pa般真空度13×102~13×105Pa间
    真空灭弧室具足够真空度运行中保持真空度变求真空灭弧室外壳漏气部零件产气保持高真空度少真空灭弧室装吸气剂吸收真空灭弧室储存运行期间部零件释放出气体
    检验真空灭弧室真空度般采工频耐压试验法提高检验准确度采专仪器磁控真空计测量
    13真空断路器发展趋势
    真空断路器正高压容量方发展通电器公司1980年生产出186kV开断电流40kA双断口真空断路器明电舍公司1980年开始生产123kV开断电流315kA单断口真空断路器东芝公司根国外市场需1987年日首次研制出145kV开断电流315kA单断口真空断路器168kV双断口真空断路器已开始取代时代等级少油断路器
    首先触头结构改进真空断路器技术发展积极素日首先发明磁场触头开始线圈型出现种结构形式西门子公司开发杯状磁场触头线圈型磁场触头杯状磁场触头
    横磁场触头相磁场触头直径相条件具开断力开断电流相时磁场触头电腐蚀速度横磁场触头电寿命横磁场触头长时开断短路电流触头表面较整光滑触头间隙耐压强度高


    高压真空断路器
    东芝公司采磁场触头开发出开断力100kA真空断路器实验室中已成功开断200kA西门子公司已63kA真空断路器商品化三台63kA真空断路器联作发电机保护断路器额定短路开断电流63kA额定电流12kA
    真空断路器发展明显趋容量高电压低电压型化触头材料保证种发展重素通常求触头材料开断容量耐压强度高截流水低电磨损率抗熔性等没种材料时满足求公司采铜铬合金做触头材料铜铬蒸气压力差极电弧作区域会发生材料成分明显变化铜铬电弧作熔化基具整形状滑熔化区慢慢变硬会出现凸出部分陷口裂纹发生畸变触头表面整触头间隙足够短触头材料容积趋(量触头蒸气材料沉积触头重新利)熔化整表面快硬化保证开断电流电气强度迅速增铬含量增加防止触头熔焊西屋公司西门子公司采铜铬合金做触头材料西门子公司烧结浸渍法电弧熔炼法制造触头材料西屋公司混粉法铜铬合金触头加磁场提高真空断路器开断容量铜铬触头材料性目前处领先位东芝公司早已采性优异铜铬触头材料磁场触头电弧开断电流时集聚型转变扩散型提高真空断路器开断力
    次触头材料方面外国继续寻找开新材料应该指出目前国外开发触头材料中没种时满足求(开断容量耐压强度高截流水低电磨损率抗熔性等)万性触头材料材料半加入某种成分某种参数改善参数变坏例加进铋减少截流熔焊程度时会降低电气强度会明显降低开断力加进量铁铬会增加耐电气腐蚀性提高开断电流电气强度时增均电阻继额定电流通时真空灭弧室温升提高
    者真空灭弧室真空断路器心脏真空断路器性程度取决真空灭弧室性真空灭弧室制造技术关重
    真空灭弧室外壳采玻璃材料制造造价较低目前国外般采陶瓷外壳数高铝陶瓷承受1600高温熔点2030耐压强度高金属封接材料采陶瓷热膨胀系数十分接FeNiCo合金陶瓷焊接面MoMn化学结合法形成陶瓷金属化层熔化温度779AgCu28作焊接材料真空中进行钎焊惰性气体中进行焊接德国AEG公司制造程中采钎焊工艺钎前种特殊金属镀层应高纯氧化铝陶瓷种镀层


    高压真空断路器
    1500℃氢气中烧结热处理
    真空灭弧室触头材料制造技术密切相关现铜铬合金触头材料真空灭弧室采触头材料
    真空灭弧室屏蔽罩般采中封式结构改善电场分布提高绝缘强度
    波纹制造技术灭弧室机械寿命重世界公司断改进波纹制造工艺提高寿命西门子公司批波纹抽定数量进行寿命试验试验合格投入生产线检查波纹壁厚壁厚均匀波纹波纹般选锈钢材料日前成型波纹焊接波纹成型波纹真空断路器中焊接波纹伸缩行程寿命长体积造价高真空接触器中英国波纹试验研究表明增加波纹波纹数效延长波纹寿命波纹设计应满足波纹操作行程率波纹伸缩长度率03~04西门子公司真空断路器灭弧技术中采等离子技术减少触头表面烧损磨损样真空灭弧发生障均时间25年
    真空灭弧室进行高压老练触头表面微粒机理利场致发射作蒸发触头表面细丝针状物般老练电压30~100V电流百安

















    高压真空断路器
    第2章设计基务求
    课题设计容定技术参数ZN型真空断路器参设计台真空断路器进行关验算
    21技术参数
    额定电压:10kv 额定电流:630A 额定频率:50Hz 合闸电压:220V 外形尺寸:800*850*590 安装尺寸:700*800

    22 基务求

    1) 真空灭弧理研究
    2) 真空灭弧设计计算
    3) 触头设计
    4) 动热稳定验算温升验算
    5) 绝缘结构分析
    6) 操动机构选关计算
    7) 真空断路器总装配图设计零部件图设计
    8) 编写设计说明书













    高压真空断路器
    第3章设计程
    31 真空灭弧理研究
    着真空技术材料工艺等日趋完善真空断路器迅速发展成功应电力系统
    真空中开断电流优点:
    分断时需外加气体液体灭弧介持真空燃放出火焰气体火灾爆炸危险
    触头电气寿命长
    较开断力开断区障时需联电容器电阻
    真空中介质强度高触头开距操作功
    311真空电弧特性
    1真空中电弧电压伏安特性
    扩散型真空电弧电弧电压低般40V波形直流电压叠加数千数兆赫交变分量电弧电流超1kA时交变分量幅值达56V扩散型电弧电压均值取决阴极材料材料沸点导热系数积越电弧电压越低材料沸点越低较低温度产生足够金属蒸汽导热系数热量散失少阴极表面温度高两者积输入较量产生足够金属蒸汽电弧电压低
    前述高气压电弧伏安特性负特性真空电弧特性正特性着电流增加电弧电压升铜电极真空电弧伏安特性三区域:电流时电弧电压变阴极压降时等离子区压降电流变化165kA时电弧电压20V左右稳升40V等离子锥重叠弧区蒸汽密度逐渐增粒子间碰撞率增等离子区电压降逐渐增电流超65kA时电压突然升高电弧电压达100V阳极压降出现造成电压变化变稳定果电弧受外界磁场作阳极压降形成久电极会严重熔化真空电弧电压重新降低
    2磁场真空电弧影响
    横磁场(垂直弧柱轴线磁场)吹拂电弧真空电弧电极表面运动高气压电弧磁场中受力运动方载流导体情况相然真空电弧情况非完全扩散型真空电弧横磁场中受力运动方载流导体(电流方真空电弧相)受力方相反出现谓反运动现象集聚型真空电弧磁场中受力运动方高气压电弧载流导体相横磁场作真空电弧弯曲电弧电压增


    高压真空断路器
    磁场(弧柱轴线行磁场)约束电弧定范围起降低真空电弧电压作某磁场作电弧电压值极提高扩散型电弧转变集聚型电弧电流(简称集聚电流)值例足够触头磁场电流高达200kA真空电弧保持扩散型
    3真空电弧熄灭介质强度恢复程
    工频电流电弧电弧电流接然零点时金属蒸汽足电源电压够高会突然熄灭熄灭真空间隙终承受高电压熄弧前十伏电弧电压承受100kV电压(12mm真空间隙)需渡程渡程真空燃弧间隙介质强度恢复程简称恢复程恢复程中真空间隙承受外加电压力时间变化规律该真空间隙介质强度恢复特性熄弧真空间隙恢复电压作击穿引起电弧重燃引起重燃原:
    燃弧燃弧电极放出量气体
    (2)阴极表面吸附微绝缘物金属微粒等维持着较强场致发射作重新形成阴极斑点
    (3)恢复电压电场强度超500kVcm产生场致击穿
    (4)电流零间隙残余粒子碰撞继续维持较高游离密度
    恢复程初期(1)(2)重燃原恢复程期原(3)(4)
    电弧电流零电弧熄灭真空间隙存定量残余离子电子中性粒子需定时间扩散出真空间隙着残余离子电子中性粒子断扩散间隙开始建立承受电压力承受电压取决残余物扩散情况时间隙介质度时间变化规律燃烧真空间隙固介质恢复特性
    介质强度恢复特性触头材料性质关原子量材料加速介质恢复温度原子量原子较速度情况间隙终达介质强度初始恢复达介持强度种现象称高现象
    燃弧时间介质恢复程影响电流燃弧时间越长需恢复时间越长电极热传导作果电流较燃弧时间定值时增加燃弧时间恢复时间明显影响外逆反熄灭真空间隙承受正极性负极性电压(相电弧电压极性)力


    高压真空断路器
    磁场灭弧室具较快恢复速度磁场灭弧室中磁场电弧约束电极需蒸发出金属蒸汽维持电弧燃烧样电弧熄灭时间隙蒸汽密度较低
    总减少熄弧时间隙金属蒸汽密度增蒸汽衰减速度缩短真空间隙恢复时间
    4真空中绝缘强度击穿
    真空间隙电击穿两方面素:场发射微粒撞击间隙场致发射作较间隙中微粒撞击性较
    102Pa(104torr)高真空中空间中气体分子数量非常少例常温1013kPa(latm)空气中立方厘米2683×1019气体分子133×102Pa真空中立方厘米34×1012气体分子会碰撞造成真空间隙击穿分子数量绝缘击穿关时绝缘击穿程中起重作电极程金属蒸汽关引起真空击穿原已提出列三种假说:
    (1)场致发射 高电场强度集中阴极表面微突起尖端部分引起电子发射该部分金属熔化蒸发发展成电弧
    (2)团粒作 附着电极表面微金属屑等(统称团粒)受电场作极加速通真空间隙达极团粒电极碰撞团粒熔化蒸发金属蒸汽电子游离导致绝缘击穿
    (3)电极二次发射 间隙中正离子光子等撞击阴极引起二次电子发射加强场致发射引起绝缘击穿
    三种引起真空击穿原孤立相互关联时发生作许研究者认:真空间隙(电极间距离)时击穿场致发射引起真空间隙较时团粒作成击穿穿电压根电极材料表面状态显著差通常电极材料熔点机械强度越高绝缘击穿电压越高电极表面突起部分时耐压强度显著降低消种电极表面突起需进行放电处理(老炼处理)外电极表面附着气体机物时较底电压发生绝缘击穿必须注意电极表面非常清洁
    真空间隙击穿时间极短般数十百纳秒(ns)真空击穿初始阶段电流间隙分布电容贮提供电源功率足够时击穿发展成真空电弧电力系统中电源功率真空触头间击穿通常转变成真空电弧
    312扩散型集聚型真空电弧特性
    1集聚型电弧


    高压真空断路器
    电流增超某数值(例燃烧铜电极104A)时电弧外形突然发生变化阴极斑点四周扩散聚集较面积直径达12cm出现阳极斑点种真空电弧称集聚型真空电弧电流真空电弧
    真空电弧电流增时电弧电压增高正离子受电场阻滞作增强正离子没达阳极前速度降零电场作返回阴极样阳极前正空间电荷急剧减出现负空间电荷形成阳极压降阳极前电子受阳极压降加速轰击阴极阳极蒸发金属蒸汽游离阳极区产生金属蒸汽柱电压降低放电着低放电电压通道发展原放电停止
    2扩散型真空电弧
    触头分开时电流低界值(通常10A)会发生扩散型电弧扩散型真空电弧完全独立分支电弧联组成分支电弧负电极阴极斑点斑点阳极扩散等离子体弧柱组成独立电弧电流数十数百A值电极材料关
    电场电磁干扰时单独阴极斑点阴极表面继续断作规运动运动速度电流增电弧电压增高升阴极斑点面积电流密度温度高仅提供强电子流时蒸发出量金属蒸汽维持真空电弧燃烧真空间隙气体压力低阴极斑点蒸发出量金属蒸汽斑点外形成高轴径压力梯度金属蒸汽游离质点外扩散形成阴极斑点阳极逐渐扩散锥形中亮弧柱
    阴极斑点阴极表面停电极中心边缘运动分支弧柱达电极边缘时弯曲时电弧电压足维持分支弧柱阴极斑点熄灭电弧电流转移新产生阴极斑点种真空电弧阴极斑点断四周扩散称扩散型真空电弧时金属表面两相邻阴极斑点会互相排斥许分裂阴极斑点互相排斥扩散阴极全部效表面阴极斑点运动速度变化范围零10ms左右特殊情况达50ms斑点运动超触头边缘时斑点电弧熄灭斑点电流转移继续存着斑点产生新分裂斑点斑点触头边缘外边移动次熄灭
    扩散型真空电弧等离子区电压降通常蒸汽压力高(例电流100A时离阴极1cm处蒸汽压力约033Pz)粒子间基发生碰撞正离子初始动克服电场阻滞达阳极样等离子体中电子正离子阴极跑阳极
    扩散型真空电弧中弧柱区域锥状阳极接收电子正离子没阳极斑点阳极表面电流密度温度较低交流真空电弧熄灭利阴极斑点高速扩散阴极斑点阴极表面点说加热时间短阴极会出现面积熔化区域整阴极均温度材料熔点


    高压真空断路器
    扩散型真空电弧金属蒸汽游离粒子弧柱外真空区域扩散阴极斑点断供金属蒸汽维持电弧燃烧某电流值时弧柱扩散速度快阴极斑点附蒸汽压力温度剧降斑点发射蒸发维持弧柱扩散电弧骤然熄灭正真空中强烈扩散作电流真空电弧稳定般技术长时间便动熄灭扩散型真空电弧寿命呈概率分布均寿命通常电流增加增加
    313交流真空电弧熄灭原理
    扩散型交流真空电弧电流零电极会产生新阴极斑点间隙介质强度恢复十分迅速时触头间距已足够会发生重燃现象般电流零终熄灭
    集聚型交流真空电弧电流零时造成熄灭利时机电弧熄灭弧柱区游离质点四周真空区域迅速扩散阴极阳极表面面积较定深度熔区熔区冷需毫秒级时间段时间电极熔区弧隙提供量金属蒸汽恢复电压升程中充满金属蒸汽弧隙避免发生击穿电弧重燃集聚型交流真空电弧难熄灭开断电流真空电弧开断较交流短路电流时须采必措施:
    (1)集聚电流值提高开断电流范围始终保持扩散型电弧电弧容易熄灭通常利磁场触头达
    (2)加强横磁吹集聚型交流真空电弧工频半周末尾重新转变扩散型电弧电流零会引起重燃熄灭横磁吹作集聚型真空电弧迅速运动阴极斑点断移冷电极停留原熔区半周电流减时集聚型电弧维持新触头表面转变成扩散型电弧
    开断较交流电流时(尤十安)真空电弧电弧电流然零点前突然熄灭电流熄弧时某电流值(称截流电流)截断强迫突降零截流现象会引起电压成真空开关必须考虑问题截流现象产生正电流时真空电弧稳定性造成
    均截流民流值受素影响中:
    触头材料:材料饱合蒸汽压力越高均截流值越低
    开断电流:着开断电流增截流电流增开断电流增加某数值截流电流增加缓慢开断电流足够时截流发生


    高压真空断路器
    32真空灭弧室设计计算
    真空灭弧室真空开关心脏缺少部件真空间隙绝缘强度高开断介质恢复速度快灭弧室触头开距利金属波纹操动机构相联操作

    (1)机械强度——抗拉强度抗压强度高软化温度高
    (2)密封性——材料致密漏气材料良封接性线膨胀系数须相配伐合金气密性求:灭弧室初始真空度高104 Pa 时贮存20年低
    (66X102104)÷(20X365)≈902X106 Pa
    (3)足够面绝缘强度外壳常材料:玻璃高氧化铝陶瓷面爬电绝缘力相关玻壳90年代初误解认必瓷壳代理国外工业发达国家生产瓷壳知道出性指标数考虑生产成致国外劳动力工费贵国国情相反电气性两者没什区机械性玻璃熔点抗击强度确瓷材高


    高压真空断路器
    10kv35kv灭弧室说已足够玻壳优点玻体透明便观察腔二密封工艺较简单易掌握密封面数量较少三价格便宜次设计选玻璃外壳
    321屏蔽罩
    屏蔽罩动静触头外围层保护罩金属制成作三方面:
    (1)防止金属蒸汽飞溅液滴污染外壳壁吸附电弧生成物保持绝缘力屏蔽罩材料求电弧生成物较亲力
    (2)改善灭弧部电场分布提高开断程中动态绝缘水
    (3) 吸收散发电弧量冷凝电弧降低离子密度助介质强度快速升实验测定真空电弧量70左右耗散屏蔽罩需采导热性良材料次选氧铜
    固定方式采绝缘瓷挂固定式工艺较简单成较底
    估计出较合适屏蔽罩直径考虑屏蔽罩温升式计算设分断电流熄灭电弧程中70量屏蔽罩吸收
    :W07Vit (1)
    屏蔽罩吸收量量密度间关系:
    W[πDmind] ∆Wmaxt (2)
    面两式确定屏蔽罩直径:
    Dmin107VI(πd)∆Wmax07462010331412101338103
    61(cm)
    中V——电弧电压I——分断电流d——触头开距∆Wmax ——允许吸收量密度注:次设计选触头磁场杯状触头直径50mm开距12mm查真空开关(王季梅编)图5—13(79页)V46v 查表5—2(74页)∆Wmax338kwcm2查JB 38551996519 额定参数配合表选I20103A 额定电流630A时
    保证触头屏蔽罩间足够耐压强度两者定间隙 10KV真空灭弧装置般式求
    Dmin2 D+2(15~2)cm 50+2(15~2)8~9(cm)
    式中D开距屏蔽罩直径公式选高压电器(尚振球 郭闻元 编 )式95
    计算结果次设计D 90mm



    高压真空断路器
    322 波纹
    波纹作动触杆运动范围维持腔气密性
    真空灭弧室波纹目前已越越非导磁锈钢制成具操作寿命长制造程中受热处理影响失弹性易氧化耐腐蚀 性强等优点真空灭弧室液压成形薄片焊接波纹处采液压成形液压成形波纹图3(a)示1012mm厚状锈钢次液压成壁厚01015mm波纹然加工修正热处理等手续获定弹性标准尺寸波纹液压成形优点价格较便宜真空灭弧室真空寿命程度取决波纹疲劳寿命波纹侧壁轴伸缩允许量决定灭弧室获触头开距
    单位:mm
    导套
    径d
    外径 D
    波距t
    波厚
    壁厚
    D1
    d1
    L1
    30
    45
    35
    22
    016
    38
    30
    8
    分合闸程中希动导电杆着真空灭弧室轴线运动允许左右摇动常常动导电杆加导套防止电流流波纹导套石墨尼龙等低摩擦系数绝缘材料制造
    323 导电系统
    真空灭弧室导电系统动静导电杆组成端分动静触头连结端伸出灭弧室动导电杆伸出灭弧室部分方面操动机构相连方面外电路相连时静导电杆设置排气排气保护帽真空灭弧室触头位真空中电流通导电杆触头产生热量流散热伸外边导电杆散热满足温升求真空灭弧室导电杆电流密度般低通常取115Amm2导电杆采空心结构壁厚计算:


    f——频率(Hz)——相磁导率 ——真空磁导率——电导率
    次设计选材料氧铜查电工材料手册
    324 排气
    排气真空灭弧室制造程中排真空灭弧室部气体抽气通道端真空灭弧室部相通端真空泵相通常


    高压真空断路器
    5—10mm壁厚05mm氧铜制成焊真空灭弧室静导电杆末段静触头端盖板排气程结束时专门钝口夹钳铜排气挤断挤断处完全密合透气
    必须指出封口密合处薄弱允许碰撞允许常摩擦否容易破坏真空灭弧室漏气保护密合处免受机械损伤成品真空灭弧室排气套排气保护帽
    33 触头设计

    真空灭弧室开断力提高程度取决触头结构真空触头具三种典型结构形式:板触头横磁场触头磁场触头中板触头横磁场触头次结构重改进横磁场磁场次重改进
    板触头
    初真空灭弧室采简单板触头增开断电流增触头截面触头直径较时极限开断电流直径成线性关系触头直径50mm继续加直径极限开断电流少增加电流超10kA时真空电弧聚集停滞局部区着电弧温度升产生严重熔焊点失开断电流力板触头般开断电流8000A
    横磁场触头
    防止触头局部熔焊利电弧特殊路径流触头产生横磁场驱动电弧触头表面运动种横磁场触头常见两种:杯状横磁场触头螺旋横磁场触头
    杯状触头形状似圆形厚壁杯子杯壁开系列斜槽动静触头斜槽方相反斜槽实际构成许触指端面接触触头分离产生电弧时电流倾余触头流通产生横磁场驱真空电弧杯壁端面运动杯状触头开断电流时许触指时形成电弧环形分布圆壁端面电弧电流集聚型电弧进步集聚种电弧形态称半集聚型真空电弧电弧电压螺旋触头低电磨损


    高压真空断路器
    杯壁端面必须抗熔焊材料制成杯体般采铬铜高温焊接烘烤良弹性相触头直径杯状触头开断力螺旋触头电气寿命较长
    杯状触头英国真空灭弧室公司发明首先投入商业应西门子公司AEG公司基础作某改进
    中接式螺旋槽触头工作原理螺旋触头触头圆盘中部突起圆环圆盘开条螺旋槽圆环外周直延伸触头外缘触头闭合位置时圆环部分接触触头分离时圆环产生电弧电流线圆盘处拐弯弧柱部分产生弧柱垂直横磁场果电流足够真空电弧发生集聚话磁场会电弧离开接触圆环触头外缘运动电弧推开螺旋槽触头表面(称跑弧面)旦电弧转移跑弧面触头电流受螺旋槽限制规定路径流通垂直触头表面弧柱受作力F径分量F1电弧触头外缘运动切分量F2电弧熄灭2螺旋触头提高开断力开断40kA电流
    磁场触头
    磁场触头正极性真空弧柱轴施加磁场熄弧更强烈触头真空灭弧客观存开断电流试验室中已达200kA开断更电流磁场触头两种结构形式:装灭弧室外围线圈产生磁场触头身结构产生磁场 真空灭弧室迈容量巨进步
    带磁场触头真空灭弧室开断容量体积造价低世界公司竞相研制种灭弧室西门子公司原先采横磁场结构做电压10kV开断电流50kA年采磁场开断电流提高70kA东芝公司24 kA25kA两种灭弧室做较1984年磁场结构相1975年横磁场结构体积减原25德国AEG公司新开发磁场结构相横磁场结构灭弧室体积减原13

    电弧形态


    高压真空断路器
    磁场触头正极性真空弧柱轴施加磁场熄弧更强烈触头真空灭弧客观存开断电流试验室中已达200kA开断更电流磁场触头两种结构形式:装灭弧室外围线圈产生磁场触头身结构产生磁场 真空灭弧室迈容量巨进步

    真空灭弧室触头中电流瞬时值10 kA时电弧扩散型电流更时电弧聚集扩散型电弧触头表面分成许细弧触头表面均匀受热防止局部热样触头表面烧损更利提高开断电流触头寿命聚集型扩散型磁场横磁场触头结构电弧形态时必须防止触头局部热采横磁场触头该触头产生磁力驱动电弧燃弧环旋转样 电弧触头烧损分布整燃弧环磁场触头更电流时电弧聚集呈扩散形态磁场出现真空灭弧室技术重改革
    目前止尚种触头材料时满足常常互相矛盾求然途真空断路器触头材料方面求样严格已种特性触头材料适选择满足方面求 真空断路器触头材料真空灭弧室开断特性影响断路器触头材料铜铋合金开始铜铋银合金铜碲硒合金发展铜铬铁合金研制出铜铬锝合金铜钽合金铜铬合金目前广泛综合性优异触头材料次设计选铜铬合金作触头材料采磁场结构

    触头直径磨损率
    真空开关触头直径分断电流关系触头直径越分断力越高接触头直径14次幂关系Rich提出理认击穿电流分断期间触头间具高金属质点密度引起说分断力分断金属质点密度衰减速度恢复电压增长速度间关系决定
    次设计触头直径约40mm假定燃弧时间半工频周波条件估算出分断N次极限电流触头磨损重量:
    WNIG
    出两触头总磨损厚度:





    高压真空断路器

    式中 D—触头直径(cm) —触头材料重 N—开断次数
    G——磨损率 —工频角频率
    选磁场触头G约30—50
    触头开距决定真空开关额定电压决定条件分断性质耐压求真空断路器取12mm超行程作:1)保证触头磨损保持定接触压力接触2)分闸时动触头获定原始加速度拉断触头烧焊点3)合闸时减轻动触头静触头击力次设计选取超行程3mm

    34动热稳定验算温升验算
    341温升验算
    电器工作时电流通导体导体中产生量损耗电器中金属材料绝缘材料温度超定范围机械强度绝缘强度会明显降电器工作温度高寿命便会降低甚损坏
    电器稳升验算保证工作性发热计算电器设计中缺少部分
    温升验算检验通额定电流时温升否稳定规定限度国标GB763出允许温度
    触头材料性表查出选材料熔化温度计算触头电压值般触头接触电阻约70цΏ

    电器理基础中出触头高温升数值计算公式



    式中 Uj—触头间接触电压降 —触头材料热导率—触头材料电阻率
    面计算出触头温升满足求


    高压真空断路器
    342动热稳定性验算
    动稳定性指电器承受短路电流电动力作致破坏产生永久变形力通常击电流表示查高压电器动稳定电流额定短路关合电流等额定开断电流25倍定额定电流查参数配合表选取额定开断电流125kA动稳定电流251253125kA
    电器理基础中出
    避免接点通短路电流时发生熔焊出现接触部分高温度应低触头材料熔化温度触头效接触面面接触均匀分布 :
    061I2061(3125103)210760N<500N
    满足求
    许电器必须受短路电流考验定时间电器承受短路电流引热作致损伤电器
    短路电流通导体时发热两显著特点:通电时间短二导体允许温度高时热稳定电流等额定开断电流16kA电器理基础:
    短时载流导体温度升高公式:
    (a)
    A——导体横截面I——热稳定电流t——热稳定时间取2s
    (b) ——电阻率——热容——重
    (b)式代入(a):


    满足温升求



    35绝缘结构分析
    351额定绝缘水绝缘强度

    国规定220kV电压等级系统额定电压115倍高电压330kV


    高压真空断路器
    电压等级额定电压11倍作高工作电压考核高压开头设备额定电压高电压条件性参数1min工频耐受电压见表3—1
    高压开关设备绝缘水绝缘强度考核需考核工频耐受电压外需考核雷电击耐受电压操作击耐受电压断路器额定绝缘水GB11022—1999高压开关设备控制设备标准技术求采表3—1表3—2准值
    表3—1 额定电压范围36252kV额定绝缘水
    额定电压(效值)
    UrkV
    额定短时工频耐受电压(效值)
    UdkV
    额定雷电击耐受电压(峰值)
    UpkV

    通值
    隔离断口
    通值
    隔离断口
    (1)
    (2)
    (3)
    (4)
    (5)
    36
    10
    18
    12
    20
    20
    23
    40
    46
    72
    20
    23
    25
    28
    40
    46
    60
    70
    12
    2842[1]
    3248[1]
    60
    70
    75
    85
    24
    50
    60
    95
    110
    125
    145
    405
    8595[1]
    110
    185
    215
    725
    140
    160
    160
    176
    325
    350
    375
    385
    126
    185
    210
    450
    520
    230
    265
    550
    630
    252
    360
    415
    850
    950
    395
    460
    950
    1050
    460
    530
    1050
    1200
    [1]设备绝缘干燥状态耐受电压
    表3—2 额定电压范围363kV额定绝缘水


    高压真空断路器
    额定电压
    (效值)
    UrkV
    额定短时工频耐受电压
    (效值)
    UdkV
    额定操作击耐受电压
    (峰值)
    UskV
    额定雷电击耐受电压
    (峰值)
    UpkV


    时间
    开关断口隔离断口
    相开关断口
    相间
    隔离断口
    相时间
    开关断口隔离断口
    (1)
    (2)
    (3)
    (4)
    (5)
    (6)
    (7)
    (8)
    363
    460
    510
    520
    580
    850
    1300
    850(+295)
    1050
    1059(+205)
    950
    1425
    1175
    1175(—+205)
    550
    630
    680
    800
    1050
    1680
    1050(+450)
    1425
    1425(+315)
    1175
    1760
    1550
    1550(+315)
    800
    830
    1150
    1300
    2210
    1100(+650)
    1800
    1800(+455)
    1425
    2420
    2100
    2100(+455)
    外壳真空灭弧室密封容器仅容纳支持真空灭弧室种零件动静触头断开位置时起绝缘作整外壳通常绝缘材料金属组成外壳求首先气密性材料均允许漏孔存次定机械强度绝缘体真空气中必须良绝缘性
    绝缘筒现广泛采硬质玻璃高氧化铝瓷等机绝缘材料采微晶玻璃作绝缘外壳透气吸水机械强度高绝缘性软化温度高外壳端盖常锈钢氧铜伐等金属制成
    外尚种外壳结构形成金属材料制成外部圆筒机绝缘材料制成绝缘端盖金属圆筒起屏蔽罩作
    金属波纹普遍作动触头运动真空密封波纹端固定连灭弧室端面端运动连动触头导杆真空灭弧室中常波纹旋压式焊接式两种形式常材料锈钢磷青铜铍青铜等锈钢性


    高压真空断路器
    波纹侧壁轴伸缩允许伸缩量决定灭弧室获触头开距通常波纹疲劳寿命决定真空灭弧室机械寿命现代真空断路器机械寿命般万次真空接触器机械寿命百万次甚200万次
    触头周围设置屏蔽罩挡住电弧生成物路防止绝缘外壳电弧生成物污染引起绝缘强度降低绝缘破坏电弧生成物屏蔽罩表面会凝结容易返回电弧间隙利熄弧弧隙介质强度迅速恢复屏蔽罩起灭弧室部电压均匀分布作屏蔽罩存会影响动静触头间电场分布波纹外面屏蔽罩保护波纹免遭电弧生成物烧损
    开断程中电弧量部分消耗屏蔽罩屏蔽罩温度相高温度越高会表面冷凝电弧生成物力越差应量采导热性材料制造屏蔽罩常材料氧铜锈钢镍镍钴铁合金等铜常定范围金属屏蔽厚度增加提高灭弧室开断力通常超2mm
    屏蔽罩结构般分两种:种屏蔽罩外壳承担两端间绝缘种外屏蔽罩屏蔽罩成真空壳体部分两端陶瓷(玻壳)承担绝缘种灭弧室外壳中间部分金属灭弧室轴变长屏蔽罩固定方式分两类固定电位式悬浮电位式固定电位式屏蔽罩固定动触头(静触头)种方式优点结构简单开断电流时电弧转移静触头屏蔽罩间导致屏蔽罩损坏悬浮电位式屏蔽罩四种固定方式:中间封接式绝缘支柱式外屏蔽罩式绝缘端盖式
    真空灭弧室设计中屏蔽罩结构形状表面状态绝缘性影响甚
    额定电压KV
    3
    6
    10
    20
    35
    63
    110
    220
    330
    500
    高电压KV
    35
    69
    115
    23
    405
    69[1]
    126
    252
    363
    550
    352额定电压高电压
    额定电压指断路器标称电压规定正常性条件够连续运行电压电力系统中断路器应考虑系统高电压断路器应规定电路电压高工作电压保持绝缘规定条件进行关合开断高压断路器额定电压系统高工作电压表3—3
    表3—3


    高压真空断路器
    现电力系统中实际高电压725kV
    36操动机构选关计算
    操动机构高压断路器重组成部分带触点开关电器通触头分合动作达开断关合电路目必须定机械操动系统完成断路器操动机构储单元控制单元力传递单元组成

    361操动机构求
    1合闸
    断路器关合工作电流时关合较容易障情况断路器关合电路中出现高达万安培电流时断路器导电回路受电动力达千牛顿断路器导电回路布置触头结构电动力方常常阻碍断路器关合操动机构必须足克服短路电动力阻碍具关合短路障力
    保持合闸
    操动机构中必须保持合闸部分机构保证合闸命令操作力消失断路器保持合闸位置
    2分闸
    操动机构分闸操作应满足断路器分闸时间分闸速度求
    求 高压断路器操动机构求脱扣防弹跳复位连锁等保证85—110合闸操作电压正常合闸65—120分闸电压正常分闸30额定操作电压分闸
    手动电动
    真空开关操动机构弹簧操动机构电磁操动机构直线电机操动机构永磁机构直线电机操动机构专户外

    362操动机构较选
    1弹簧操动机构
    弹簧操动机构种弹簧作储元件机构式操动机构弹簧储助电动机通减速装置完成锁扣系统保持储状态开断时锁扣助磁力脱扣弹簧释放量机械传递单元驱触头运动
    弹簧操动机构组成原理框图8示


    高压真空断路器
    弹簧操动机构般工作原理:
    电动机通减速装置储机构动作合闸弹簧储存机械储存完毕通合闸闭锁装置弹簧保持储状态然切断电动机电源接收合闸信号时解脱合闸闭锁装置释放合闸弹簧储存量部分量中部分通传动机构断路器动触头动作进行合闸操作部分通传动机构分闸弹簧储分闸状态作准备方面合闸弹簧释放量触头合闸动作完成电动机立接通电源动作通储机构合闸弹簧重新储便次合闸动作做准备接收分闸信号时解脱脱扣装置释放分闸弹簧储存量触头进行分闸动作
    图 8
    图8示电气控制部分种操作机构储机构传动机构控制机构(脱扣机构缓器)三部分组成


    高压真空断路器
    图9弹簧操动机构结构示意图图9a分闸位置分合闸弹簧均未储储时首先储电机驱动棘爪轴13两棘爪14交运动推动棘轮11时针转动着棘轮转动合闸弹簧7压缩棘轮转动180°合闸弹簧压缩压缩量A销分闸保持挚子6锁定完成合闸储百叶窗图9b示位置合闸操作时合闸电磁铁5掏心撞击合闸触发器4分闸保持挚子A销脱扣棘轮合闸弹簧作通轴15带动棘轮10时针转动凸轮通滚轮16拐臂12逆时针转动通传动系统带动触头合闸时压缩分闸弹簧合闸位时分闸储时完成拐臂B销合闸保持挚子1锁定完成合闸操作般情况合闸操作完成储电机会立起动次进行合闸储次合闸重合闸作准备次储位置图9d示

    弹簧操动机构动作时间受天气变化电压变化影响保证合闸性性工作较稳定合闸速度较快采功率交流直流电动机弹簧储电源求高较适应前国际动化操作求外动作时间工作行程较短运行维护较简单存问题:输出力特性断路器负载特性配合较差零件数量加工求高着操作功增重量显著增加弹簧机械寿命降低


    高压真空断路器
    弹簧操动机构交直流操作操作电流般仅15—3A便采直流操作时需直流蓄电装置容量手动储合闸分闸具电流脱扣功国外般中压等级断路器弹簧操动机构
    国初期真空断路器弹簧操动机构长CT7CT8产品投入运行起障较维修便体积较够理想频繁操作真空断路器说求弹簧操动机构寿命高工作十分
    国目前采两种新型弹簧机构种CT17型种CT19型前者直推进式输出者转动式两种产品巧玲珑体积重量电磁机构CT17机构重量仅CD17机构23家工厂进行产品型式试验产品安装时调整运行机械寿命长特CT19次研究性试验中达2—3万次真空断路器理想配操动机构
    弹簧机构缺点出力特性基贮弹簧释降特性匹配真空断路器反力特性改善点设计中采四连杆机构凸轮机构进行特性变换加入重块零件利惯性改善特性
    带种弹簧操动机构真空断路器般真空灭弧室放机构前面采前布置方式
    正弹簧操动机构优点正逐步取代电磁操动机构成真空断路器流操动机构弹簧操动机构结构复杂性易达免维护求
    2电磁操动机构
    电磁操动机构电磁铁出力特性容易满足真空断路器合闸反力特性求发展初期配电磁操动机构外电磁机构具构造简单方便造价低廉等优点
    常电磁操动机构CD10CD17CD19等CD10初少油断路器CD17专真空断路器设计操动机构直推式
    油断路器SF6断路器差真空断路器触头行程合闸程中触头接触前需驱动力旦触头闭合需驱动力压缩触头弹簧获足够触头压力真空断路器反力特性触头接触瞬间幅度正突变12kV真空断路器合闸终时触头反力常常超1t真空断路器求均合闸速度高06~08ms合闸速度太高容易引起触头合闸弹跳希分闸时求操动机构运动系统附加运动惯量提高分闸初始加速度(刚分速度)


    高压真空断路器
    传统电磁操动机构出力特性真空断路器反力特性匹配
    合闸程中着动铁心运动空气隙减吸力增动静铁心吸合时产生吸力分闸时静铁心参予分闸运动操动机构基增加运动系统运动惯量便提高刚分速度
    传统电磁机构缺点操作电流方便运动系统运动惯量增加便提高刚分速度弹簧操动机构交流电源进行交流操作
    3永磁机构
    传统断路器操动机构相永磁机构采种全新工作原理结构工作时运动部件需机械脱锁扣装置障源少具较高性
    4永磁机构工作原理:
    1实质:利永磁体实现合闸保持分闸保持(时永磁体作合闸保持作分闸保持)种形式电磁操动机构结构形式永磁机构工作原理体相似
    2永磁机构合闸采电磁操动
    3分类
    (1)机构分闸操作时永磁机构分电磁操动(双稳态)弹簧操动单稳态)两种形式
    (2)线圈数目分双线圈式单线圈式
    (3)外形 结构分方形结构圆形结构A-A剖开剖面简图图10示


    高压真空断路器
    图中出永磁机构七部件组成:l静铁心:机构提供磁路通道方形机构般采硅钢片叠形结构圆形机构采电工纯铁低碳钢2动铁心:整机构中运动部件般采低碳钢材料34 永久磁体:机构提供保持时需动力56:分闸线圈合闸线圈7驱动杆:机构断路器传动机构间联接纽带
    断路器处合闸分闸位置时线圈中电流通永久磁铁利动静铁心提供低磁阻抗通道动铁心保持极限位置需机械联锁动作信号时合闸分闸线圈电流产生磁动势动静铁心中线圈产生磁场永磁体产生磁场叠加合成动铁心连固定面驱动杆合成磁场力作规定时间规定速度驱动开关体完成开合务
    两位式双稳态机构:动铁心行程终止两位置需消耗量保持传统电磁机构动铁心通弹簧作保持行程端行程端机械锁扣电磁量进行保持
    永磁机构通电磁铁永久磁铁特殊结合实现传统断路器操动机构全部功:永久磁铁代传统脱锁扣机构实现极限位置保持功分合闸线圈提供操作时需量
    4双线圈双稳态单线圈单稳态永磁机构工作程工作原理
    ()双稳态永磁机构工作程工作原理:原理图11示
    1)零件:
    静铁心1中部镶着永磁体45两永磁体名磁极中心永磁体方方分安装着分闸线圈6合闸线圈3动铁心2位永磁体静铁心磁极间动铁心驱动杆9穿静铁心驱动杆直接驱动断路器作合分闸运动
    2)理动铁心静铁心中三衡状态:
    动铁心位静铁心方动铁心端静铁心磁极接触(图11位置合闸状态)
    二动铁心位静铁心方动铁心端静铁心磁极7接触(图11c位置分闸状态)合闭状态永磁体通部磁路磁阻通部磁路磁阻空气隙永磁体磁通绝部分通部磁路动铁心牢固吸静铁心磁极8分闸状态(见图11c)合闸状态相反永磁体通部磁路磁阻磁通集中部磁路动铁心吸磁极7
    三动铁心位静铁心中部永磁体通部部空气隙磁阻完全相等静铁心端端受静铁心吸力完全相等动铁心处衡状态


    高压真空断路器
    种稳定衡气隙微变化会破坏种衡渡第种第二种衡动铁心实际存两种衡状态分闸状态合闸状态正双线圈永磁机构称作双稳态永磁机构双线圈永磁机构处合闸位置时永磁体产生磁力线分布图中曲线Ⅰ示分闸时分闸线圈中通直流电流该电流产牛磁力线方永磁体静铁心L端磁力线方相反图11b中曲线Ⅱ分闸线圈中电流产生磁场动铁心受吸力减电流增定值时动铁心受吸力动铁心机械负荷(作动铁心触头压力方永磁体吸力相反)时动铁心运动旦动铁心运动动铁心端静铁心磁极间出现空气间隙端磁阻增端磁阻减静铁心磁极动铁心吸力减磁极动铁心吸力增动铁心合力增动铁心加速运动程直持续动铁心端静铁心磁极接触 图11c示完成分闸动作止时动铁心重新永磁体吸合处稳定状态切断分闸线圈电流动铁心会恢复合闸状态
    合闸程分闸程正相反:合闸线圈中通电图11d示线圈电流部间隙中产生反磁场动铁心受总吸力减吸力动铁心机械负荷时动铁心运动达合闸位置图11c示动铁心重新永磁体吸合切断合闸线圈电流动铁心然保持合闸位置合闸程结束


    高压真空断路器

    (二)稳态永磁机构工作程工作原理
    单线圈永磁机构双线圈永磁机构结构磁路非常相似动作相分闸操作时需弹簧操动
    操动机构处合闸位置:线圈中电流通永久磁铁作动铁心保持端分闸时操作线圈中通正电流该电流动铁心端产生永磁体磁场相反方磁场动铁心受磁吸力减动铁心受合力弹簧拉力时动铁心运动实现永磁机构分闸
    操动机构处分闸位置:操作线圈中通合闸操作方相反电流电流静铁心部产生永磁体磁场方相磁场动铁心部产生永磁体磁场方相反磁场动铁心受磁吸力减操作电流增定值时电磁合力端吸力弹簧反力动铁心便运动实现开闸分闸弹簧储

    5永磁机构特点技术先进性
    1特点:
    (1)结构简单零部件数量少没机械锁扣运动部件通常永磁机构特点优点单线圈双线圈永磁机构机械结构极简单操动机构(弹簧操动机构电磁操动机构)结构简单零部件弹簧操动机构40左右
    (2)机械寿命长性高永磁机构突出优点结构简单运动部件通常永磁机构机械寿命特长容易达十万次更高没容易出现障机械锁扣高速运动部件永磁机构发生机械障率零机械性非常高远远高电磁操动机构弹簧操动机构
    (3)永磁机构机械传动十分简单分合闸线圈励磁电流产生磁场直接驱动动铁心动铁心直接推动真空断路器轴作合分闸运动种简单直接传动方式永磁机构分合闸时间较短稳定合分闸时间分散性控制士1ms开发研制步开关
    (4)钕铁硼永磁体产生极强磁场永磁机构产生吸合力需触头压力真空断路器非常重
    (5)永磁机构保持弹簧操动机构功率交流电源操作优点没结构复杂缺点传统电磁操动机构合闸操作需220V100A甚更直流电流通常需功率蓄电池作操作电源投资维护工作量维护费高点影响电磁操动机构原永磁机构采储电容电池作操作电源功率交流电源进行操作程度克服电磁操动机构严重缺点进步发挥电磁操动机构结构简单优点


    高压真空断路器
    (6)永磁机构中通常感应式接开关作分合闸状态检测感应式接开关种触点开关动作接触磨损尤弹跳精确确定动作时刻运行受外界环境条件影响接开关具高寿命高性
    (7)储电容器作操作电源储电容功率交流电源整流电容充电门极关断(GTO)晶闸控制合分闸线圈放电电容储存电应足进行OCO操作交流电源停电相长时间(例24h)进行分闸操作时电池作操作电源
    (8)适应配电动化求永磁机构常配现代化电子控制装置电子控制系统仅完成合分闸控制完成某继电保护功通信功遥控线检测等等电控制精确发出分合闸信号步开关创造条件电子控制需触发信号功率非常配电流传感器电压传感器等新技术装备
    (9)永磁机构然种电磁操动机构传统电磁操动机构样:蓄电池组作操作电源机械式接触器进行控制等某场合样更济方便
    永磁机构着绝部分真空断路器迫切需功非常适 真空断路器应前景非常广阔
    综叙永磁机构价格太贵10kv没必采发展前景乐观次设计选操动机构CT19型完全满足设计求













    高压真空断路器




    参考文献

    [1] 王季梅 真空开关理应 机械工业出版社
    [2] 王季梅 真空灭弧室设计制造应 机械工业出版社
    [3] 张节榕 高压电器原理应 清华学出版社
    [4] 杜丽华 高压开关设备国外产品水
    [5] 范 舜 真空断路器操作机构设计优化
    [6] 高压开关行业通讯
    [7] 严 樟 高电压绝缘 清华学出版社
    [8] 贺湘琰 电器原理产品 湘潭机电高等专科学校
    [9] 王海帆 叶德隆高低压电器设计手册 机械工业出版社
    [10] 华中电力理局高压断路器技术问答 中国电力出版社
    [11] 李建基 高压开关设备实技术
    [12] 刘永 电气绝缘结构设计原理 西安交通学
    [13] 尚振球 高压电器 西安交通学
    [14] ARMSTRONGTV(1972)’The future of vacuum interrupters in distribution switchgear’IEE Confpubl83












    高压真空断路器




    附 录
    真空断路器总装配图设计零部件图设计(见附录)
    1﹥波纹
    2﹥触头
    3﹥灭弧室
    4﹥总装配图
    文档香网(httpswwwxiangdangnet)户传



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    文档贡献者

    z***u

    贡献于2019-03-14

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