真空开关设计的“是”与“非”

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　　真空开关发展到今天，在中压领域已占绝对优势，各项技术参数已基本满足市场需要。众多厂商开始研究生产永磁机构、固封灭弧室，然而从今天真空开关存在的诸多问题来看，永磁和固封技术也大有推敲的余地。

　　目前真空开关尽管开断能力不断提高，50kA、63kA已不少见，但从国内大电流试验站试验记录和现场运行情况来看，笔者不禁要问：真空开关开断大电流的稳定性问题解决了吗？开断小电流（容性和感性负载）的安全性解决了吗？为什么某些大城市电力局要禁用35kV真空开关呢？这种不稳定性、不安全性是什么原因引发的，制造厂商是否要负某些设计责任？答案是肯定的，下面谈谈现有真空开关设计中存在的种种问题。

　　90年代中期国内出现一种真空开关，在大电流试验中累累发生灭弧室外壳断裂事故，在现场运行中也时有发生（2004年现场就有6台此类开关发生管子外壳开裂事故），问题就出在它的绝缘子分布不对称。上绝缘子是水平布置下绝缘子是垂直安装，而灭弧室又固定在下出线上，一旦大电流发生，伴随巨大的水平电动力相间弹性变形，使上、下出线位移在方向和幅度上都有很大差异，致使灭弧室磁外壳受剪切力而破裂，因而绝缘子对称分布是一切断路器必须遵循的原则。

　　目前国内出现一股仿VD4风，触头压缩簧都采用碟簧，并密封在绝缘筒内，称之为少维修和免维修，这确有商榷的余地。碟簧有一特点，即刚度特别大，因而触头簧预压力低于额定压力下限，在做合分试验时，就会有触头粘接的危险。同时超行程稍有变小，触头压力将大幅下降，这对抗焊性能差的铜铬合金是很危险的。形象一点讲：夏天组装的开关到冬天触头压力就会减小100多牛顿。因而采用碟簧的真空开关应定期检测和调整超行程。哪能谈得上少维修和免维修。

　　真空开关动导电杆导电至出线端大多采用软联接方式，但某型号真空开关却采用类似SF6开关的滚动接触模式。问题在于机械寿命试验后导电接触面镀银层还存在否。如在SF6气体中不存在氧化问题，温升标准可不降低。但真空开关导电接触面暴露在大气中，没有了镀银层，温升标准应按裸铜接触。从65℃降到35℃。机械寿命试验后温升恐难通过。

　　真空开关做开断试验国内一般至少做30次，50次，多者100次。用户标书中也以此为投标条件，这大概是国情所致吧！在国外一些大公司推出一种新产品前在自己试验室中已做过成百上千次试验。失败，改进，再失败，再改进，直至成功。因而他们正规的型式试验只做为数很少的几次。但在我国的开关厂没有这个条件。因而其新产品做型式试验带有研究性试验成份。开断定30次，50次纯属考核它的开断稳定性。如果失败不找原因，不改进，再试验，即使成功也谈不上稳定性。笔者曾处理过多起现场开断失败事故，很难找到客观原因，这在很大程度上与稳定性问题有关。

　　开断大电流稳定性很重要的因素取决于它的初分速度，目前用半程平均速度来定义有很大的不确定性。但它们的开断性能差别很大。形象的说：如果都开断31.5kA。A成功率为80%；B为99%；C为99%。再以99%的成功率来限制开断能力，则C为31.5kA，B为25kA，A为20kA。可见同一种管子，半程平均速度都一样，不同结构整机性能差别很大。当我们弄清楚开断动态过程及电弧微观世界运动过程，便可认识到首开相成功开距范围约为2mm，所以初分速度应在2mm来确定。金属蒸气很快就衰减为低气压，电弧也就从高气压电弧（集聚型）转变成低气压电弧（扩散型）。为首开相开断成功创造条件。B和A开关走2mm用时过长电弧的转变就不一定实现，开断就会遇到麻烦。请注意，以上论述只是为了首开相开断，后开相对分闸运动的要求又不同了。

　　不管分闸速度用6mm还是2mm来定义，后程运动任其自然是真空开关设计的一大误区。一台性能合格的真空开关，不但要有开断大电流的稳定性，还要有开断小电流的安全性（不产生危害设备的过电压）。要做到这点，光有好的触头材料和结构是不够的，必须通过一条理想的分闸运动曲线来实现控制分闸运动的全过程。形象的讲就是：“快，慢，更慢”因为既然是开断交流电，必然会有首开相和后开相，而它们对分闸运动特性的要求是不同的。我们必需营造不同的环境来满足它们各自不同的需要。为了首开相顺利开断（最短的燃弧时间），初分速度应尽可能的快。为了后开相顺利开断（不滑相，不重燃，更不能失败），就应当将分闸到底引起的机械震动区远离后开相灭弧区。试比较两条分闸运动曲线：实线为目前真空开关分闸运动曲线，虚线为全程控制的分闸运动曲线。

　　a）实线初分速度VO=0；虚线VO=tgβ。为首开相开断成功创造了良好条件，开断大电流的稳定性好。

　　b）实线分闸到底产生机械震动区大致处于8～12ms时间段。据统计80%的后开相时间都在此时间段，强烈的震动有可能引发弧根液态金属的飞溅和触头表面的不平整，轻者重击穿，重者开断失败。在开小电流时（实线）后开相行程过大导致金属蒸气密度小而不能维持电弧生存，造成电流非零点熄灭（截流），在感性负载中引发过电压而损坏设备；在切容性负载时，触头表面不平整及触头空间金属微粒悬浮物引发重击穿过电压危及电容器的安全。反观虚线，后开相熄弧时，动触头正处于近似匀速状态，并争取到10多ms凝固时间。平整的触头表面和洁净的触头空间，即对开断大电流稳定性有利，也有利于开小电流的安全性。开小电流后开相灭弧空间小，金属蒸气密度大，维持小电流电弧能力强，截流值降低，确保了感性负荷的安全。同样，消除了重击穿因素后，也能确保切电容器的安全。  

　　真空开关在本质上是电器产品，因而一切机械特性必须服从电气性能的需要，近来许多文章在介绍永磁机构真空开关时，用大量篇幅大书磁路计算，而这种磁力源的机械

　　械运动是否符合电弧熄灭要求条件只字不提。事实上电磁的分闸力对加大初分速度不利，而取消分闸缓冲器的分闸过程，破坏了后开相的灭弧环境。这种机械特性对开断大电流的稳定性及小电流的安全性都是不利的。据经常参加开断型式试验人员的反映证实了这点。