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固封用真空灭弧室及其固封极柱研究开发陕西宝光真空电器股份有限公司 高级工程师赵建信摘要真空灭弧室是真空开关的核心器件，正逐步向超高压、小型化、长寿命、高可靠、 专用型方向发展。实现真空断路器小型化、高可靠的这种需求，就是要在保证所有元、配 件可靠性的同时，实现其小型化，真空灭弧室也不例外。固封真空断路器正是顺应了市场 发展的趋势。本文对固封用真空灭弧室及其固封极柱国内外发展技术、研究开发、试验及 研发生产中存在的问题、进一步解决的措施，发展前景等进行了阐述。【关键词apg工艺、固封、真空灭弧室、固封极柱、研究开发一、概述固封极柱就是通过apg工艺，采用环氧树脂作为绝缘介质，利用环氧树脂将断路器的 一次导电部分(真空灭弧室与上下出线端等载流元件)全部密封成一体，使真空灭弧室的 绝缘状态完全不受外界环境的影响，提高了耐环境性。环氧树脂既是一次部分的主绝缘， 又是它的机械支撑，其电场分布优于各种形状的绝缘隔板结构。apg技术即环氧树脂自动压力凝胶成型技术(the automatic pressure gelation)。 是在环氧树脂真空浇铸工艺的基础上发展起来的，是压力凝胶工艺(pg)技术的一种形式。 pg技术是瑞士ciba-geigy公司于1967年开发的。七十年代初，又对pg技术进一步加以 完整，形成了自动压力凝胶工艺(apg)。apg技术适用于液态环氧树脂、不饱和聚脂树脂、 聚氨脂和有机硅树脂等。但高压绝缘件生产中，大量应用液压态环氧树脂。近年来采用apg 技术生产有机硅产品也逐渐增加。apg技术主要应用于生产中高压环氧绝缘制品。其特点为可将环氧树脂制品的生产周 期，从传统真空浇注所需的十几个小时缩短到十几分钟，并较好地控制放热效应，有利于 补偿因固化反应而引起的收缩，且具有极好的尺寸稳定性和很高的机械强度等突出优点。 尤其是应用于真空断路器用固封极柱；复杂、薄璧、多方位抽芯的绝缘产品更具优势。当 前国内外高压开关正向免维护、复合化、小型化、长寿命、高性能发展。采用apg技术生 产高压绝缘制品更显示出突出的技术优势和广阔的发展前景。二、为什么要开发研究真空灭弧室固封极柱产品? 主要从小型化、高可靠性和长寿命考虑。 1、市场及技术发展的需求据2006高压开关行业年鉴统计资料显示，在中压领域，特别在12kv断路器产品 中真空断路器已占979，405 kv断路器产品中真空断路器已占7795。我国继美国、 德国和日本之后，已进入真空断路器大国行列。随着中压真空断路器技术的日臻完善，真 空断路器向小型化、智能化、免维护、高电压、低电压、特殊专用化(如：冶金炼钢用长249寿命低过电压专用断路器、电气化铁道用车载开关及铁道分相开关、高原型真空断路器、 矿用防爆开关等)、多功能化等方向发展。其中小型化高可靠性产品研发是产品发展长久的 话题，实现真空断路器小型化的这种需求，就是要在保证所有元、配件可靠性的同时，实 现其小型化，真空灭弧室也不例外。由于对开关设备小型化的要求越来越强烈，八、九十 年代开发的全工矿大体积产品已不适应于地贵如油的城市、地铁、现代农业等领域。必须 采用有外绝缘保护的小型化、高可靠开关设备。固封真空断路器正是顺应了市场发展的趋 势。真空断路器之所以如此辉煌，这与真空断路器技术的不断进步分不开。固封极柱技术， 就是真空断路器技术巨大进步的体现。真空断路器的相柱绝缘经历了空气绝缘一复合绝缘一 固封绝缘。这就形成了绝缘方面的三代真空断路器。在第一代空气绝缘中，带电部分完全 裸露在空气中，它的绝缘水平随着空气中的湿度、灰尘以及运输过程的磕碰而变化，并易 受小动物等异物的影响。在第二代复合绝缘中，将真空灭弧室保护在环氧树脂套筒内。但 这种套筒没有完全把高压带电部分包起来，里面还会受灰尘、潮湿、昆虫等影响。第三代 绝缘即固封式极柱，它通过apg工艺，利用环氧树脂将真空灭弧室以及上下出线端全部包 封，使真空灭弧室、上下出线和连接件等成为真空断路器的一个整体部件。这样，不仅缩 小了真空灭弧室尺寸，而且彻底解决了带电体部分不受外界环境(环境、湿度、海拔高度 等)的影响，提高了耐气候性，此时环氧树脂不仅作为一次部分的主绝缘，而又是它的机 械支撑，其电场分布和应力分布优于各种形状的绝缘隔板结构。2、产品发展的需要 当小型化真空灭弧室在空气中的外绝缘不能满足其标准规定的参数值时，真空灭弧室固封是在真空断路器成本增加不大情况下保证外绝缘的有效途径之一。在开关设备几十年 的发展构成中绝缘性能提高了好几倍，而开关设备的安装面积缩小了50左右。使用小型 化、免维护设备可以减少维修频次，延长检修周期以及减少开关设备的占地面积。从而大 大减轻运行人员的劳动强度和运行维修费用。经过多年研究，固体绝缘无疑是小型化、提 高耐环境性的解决方案之一。国外一些知名公司，12kv、24kv真空灭弧室采用同一种外形的真空灭弧室(内部不同)， 只是使用条件不同而已，同一种外形的真空灭弧室在空气中使用时为12kv；在有外绝缘保 护情况下真空灭弧室的外绝缘电压等级提高至24 kv。真空灭弧室外绝缘保护一般采取置 于绝缘气体环境中、绝缘液体环境中或绝缘固体环境中(固封)。真空灭弧室固封不但可以 实现真空灭弧室的小型化、而且实现了真空断路器的小型化。3、市场竞争的产物abb公司推出的固封真空断路器vmi，旨在为了替代绝缘套筒式的vsi，推进真空断路 器技术进步。目前，国内市场的zn28-12、vsi-12产品形成了量大、面广的大众化产品格局，这些 产品市场竞争非常之激烈，其利润已低到惊人之程度。固封真空断路器产品是实现产品向高端发展的产物，也是一些真空断路器制造商实行250差异化竞争的一张王牌。三、国内外技术及开发情况1、国际市场及开发情况1997年，由abb在英国和美国的工程师联合开发了一种新型vml型真空断路器，采 用了仅有66个零件(7个活动零件)组成的磁力驱动机构代替有数百个零件组成的传统机 构。其分合闸位置均靠永久磁铁保持。这种免维护的真空断路器机构在其10万次的操作寿 命中不需维修，是传统真空断路器寿命的好多倍。为了满足vml断路器的长寿命、高可靠 性的要求，abb为其研发了一种结构特殊小型化、长寿命的新一代真空灭弧室，并首次创 新地将真空灭弧室及上下出线连接件用环氧树脂完全浇注起来，使整个断路器极柱成为一 个整体部件。固封极柱采用环氧树脂作为绝缘介质，真空灭弧室与上下出线端等载流元件 被环氧树脂全部密封，从而达到最佳耐受和防止外界的影响；同时，真空断路器配用的开 关柜体积大为减少。环氧树脂浇注式固封极柱问世后，即被尝试取代传统的组装式极柱，安装在弹簧操 作机构vd4真空断路器上。由于在绝缘性能、可靠性、寿命等许多方面都有极为优良的表 现，固封式极柱在商业上迅速取得了巨大的成功。据abb公司宣传资料，2003年abb固封 式极柱产量已经达到了6万只以上，2004年abb固封式极柱产量可达到近10万只。abb公司在研究固封极柱的发展中起到了带头作用。国内外其它公司研究开发的新产 品各有特色，代表了世界真空灭弧室及开关设备发展的潮流。2、国内市场及开发情况 继vml之后，国内一些研究机构、公司也相继推出具有类似功能、类似结构的产品。、镇江龙源电器研究所组织研发的zw37405 为了学习国际先进技术，1999年由国家电力工业部电网运行处和安全生产处牵头，委托龙源联合体镇江龙源电器研究所组织国内知名企业组成联合研nd,组，联合研制国内 405kv固封式户外柱上开关。1999年lo月在大连召开专题会议，陕西宝光股份公司是唯 一被选定为制造该类型真空灭弧室的单位，同年12月立项了td24-405160025(原td 口5-4051250-16)型真空灭弧室。厦门新兴源电器有限公司负责固封相柱，但当时受到 设计水平、原材料、注射成型技术(apg工艺)等条件的限制，特别是环氧树脂直接与真 空灭弧室瓷壳接触，固封开裂，局部放电测试不过关，固封技术一直没有得到较快的发展。 导致国内一直未能形成批量生产能力。近年来，在国外公司成熟的固封极柱真空断路器产 品逐步推向市场的形势下，福州星源电器有限公司借鉴先进经验技术包环氧树脂与瓷壳之 间的过渡层，厦门新兴源电器有限公司将包封好过渡层的真空灭弧室利用apg技术作成固 封相柱，浙江华仪转让镇江龙源电器研究所整机技术于2001年9月一2002年6月在沈阳 “机械工业高压电器产品质量检测中心(沈阳)”试验站通过了型试试验，通过挂网运行现 已批量生产销售。、西安森源开关技术研究所研制的vsm-12 2002年，西安森源开关技术研究所在学习国际先进经验的基础上，借鉴国外固封式真251空断路器经验，牵头组织成立apg协作组，对固封极柱进行技术攻关，设计和制造出完全 可以安装在vsl上的固封极柱产品，由陕西宝光股份公司等单位研制固封用真空灭弧室， 固封成的固封极柱产品2003年配zn口一121250-315(vslx)(vsm)型户内高压真空断 路器在沈阳“机械工业高压电器产品质量检测中心(沈阳)”试验站通过了型试试验。、西安高压电器研究所研制的zw口-12t630-20 西安高压电器研究所联合研制12kv630a-20ka户外柱上真空断路器，陕西宝光负责研制用于固封的真空灭弧室，试制的td口312630-20a固封灭弧室装配在平顶山爱迪生电器 有限公司整机在西高所完成了试验，通过挂网运行现已批量生产销售。、厦门科吉电气有限公司研制的zn口-12t1250315 厦门科吉电气有限公司、上海科吉公司、厦门上川公司联合深圳市耐吉电器有限公司等几家整机厂试制的固封式真空断路器采用陕西宝光tdl4121250315e(原td451afb) 系列真空灭弧室，固封的成品率很高，已批量推广使用。、厦门华电开关有限公司与西安高压电器研究所联合研制的kyn9612(z)配zn9612 型(vep)固封式真空断路器配陕西宝光研制的td3412(原td480a)系列真空灭弧室完成 了试验。现已将产品拓宽为1250a315ka、3150a40ka、3150a50ka并完成试验。此系 列市场前景看好。现已研究开发了405kv固封真空断路器。户内405kv真空断路器更适 合固封，不但可以缩小体积，更有利于提高耐压水平。、厦门耐得工贸有限公司合作成立了“常州恩贝德公司”，专门从事固封极拄产品。 国内有许多单位在研究开发真空断路器用固封极柱产品。3、固封断路器及固封用真空灭弧室生产销售量国内主要生产量大的极柱厂家：2006年陕西宝光股份公司生产销售固封极柱用真空灭 弧2万多只，固封极柱2000多只；厦门华电生产固封极柱zn9612(vep)断路器6041台、 zn96405(vep)断路器109台；北海银河生产固封极柱veg断路器775台；常州森源生 产固封极柱断路器(3as)449台；上海华银生产固封vp-12极柱1200只；厦门地区极柱 包封厂合计提供其他断路器厂固封极柱约6000只以上；宁波耐吉生产固封极柱vn312断 路器749台，vni一405断路器127台；玉环县华通电器生产固封极柱1780件；亚洲电力 vdm612断路器875台等。因此，估测全国2006年固封极柱合计约4-一5万只。06年比05 年极柱用量约增长2万只，07年极柱增长量应不低于2万只。05年2万只；06年4-5万 只；07年极柱使用量应不低于7万只。四、固封用真空灭弧室及极柱的技术1、国内固封极柱安装尺寸主要分类目前，国内固封极柱断路器主要分为vep和vsm两大系列。其中，vep的生产商主要 为：厦门华电、北海银河等；vsm的生产商主要为：西安森源、常州森源等。vep与vsm断 路器在固封极柱安装尺寸的差异主要表现在小电流出线间尺寸的不同(额定电流2000a)。 其中： vep断路器出线间尺寸为205蛐b；vsm断路器出线间尺寸为275mm；2522、接触电阻及散热：国内固封极柱及其灭弧室经过近六、七年的研究发展，在解决降 低接触电阻以及散热问题上已取得关键进步。3、质量控制情况：目前市场进行固封极柱包封的生产厂较多，对产品要求的理解以及 质量控制水平参差不齐。一些质量信誉较高的生产厂，他们在生产过程中进行了电阻检测、 工频、冲击、局放、x光(检气泡)、高低温、交变湿热试验等多项性能检测；并对环氧树 脂原材料进行了玻璃化温度、抗弯、抗拉性能检测。这些检测手段对产品质量的可靠保证 提供了控制依据。4、陕西宝光股份公司技术发展和可提供的产品：陕西宝光股份公司经过多年研究开发， 研发试制的固封用真空灭弧室、灭弧室软包(外包硅橡胶套)产品、固封极柱产品提供国 内外用户，经过型式试验验证，完全可以满足市场和用户需要。现可向市场提供：12kv、 17kv、24kv、275kv、36kv、405kv固封用系列真空灭弧室产品，12kv、405kv系列真空 灭弧室固封极柱产品。五、目前固封用真空灭弧室及其固封极柱要进一步解决的问题1、固封用真空灭弧室技术基础工作的研究：研究解决满足固封用真空灭弧室的外形，散热、圆角过渡、 瓷壳釉层，导向套的耐热温度和变形，公差与配合，导电夹连接方式，真空灭弧室的高可 靠性，长机械寿命等。加强生产工艺过程控制，提高产品质量的一致性。重点是进行产品装配、焊接工艺 控制，保证灭弧室接触电阻、整管及管芯的平面度和平整度的一致性。外观观赏度需要提高。并满足固封要求。2固封极柱建立健全固封极柱产品检测检验技术规范，包括包装运输、安装使用说明、运行规 范等。由于固封热的掀起，许多不具备固封的厂家盲目上马，因此固封极柱产品质量