第三节真空断路器

第三节真空断路器第1页，共16页，2023年，2月20日，星期三教学内容本节教学内容一、真空电弧及有关概念二、真空断路器的特点三、真空断路器的过电压及限制措施四、真空灭弧室的基本结构五、真空断路器实例六、新型真空断路器简介七、真空断路器的使用知识首页第2页，共16页，2023年，2月20日，星期三一、真空电弧及有关概念

1．真空绝对压力低于正常大气压的气体稀薄的空间。2．真空度真空的程度，用气体的绝对压力值来表示，绝对压力值越低表示真空度越高。3．真空断路器在真空容器中进行电流开断与关合的断路器。真空间隙气体稀薄，气体分子的自由行程大，发生碰撞游离的机会少，击穿电压高，绝缘强度高。真空度一般要求在1.33×10-3～1.33×10-7Pa之间。4．真空中的电弧真空电弧的形成：在开断电流时，随着触头的分离，触头接触面积迅速减少，其电流密度非常大，温度急剧升高，使接触点的金属熔化并蒸发出大量的金属蒸汽。由于金属蒸汽温度很高，同时又存在很强的电场，导致强电场发射和金属蒸汽的电离，从而发展成真空电弧。真空电弧实质：触头电极蒸发出来的金属蒸汽导电。真空电弧的特性主要取决于：触头材料及其表面状况还与剩余气体的种类、间隙距离和电场的均匀程度有关。真空电弧的熄灭：在真空电弧中生成带电粒子和金属蒸汽具有很高扩散速度的特性，在电弧电流过零，电弧暂时熄灭时，使触头间隙介质强度能很快恢复而实现灭弧的。真空断路器触头间隙绝缘强度的恢复，取决于带电粒子的扩散速度、开断电流的大小以及触头的面积、形状和材料等因素。在燃弧区域施加横向磁场和纵向磁场，驱动电弧高速扩散运动，可以提高介质强度的恢复速度，还能减轻触头的烧损程度，提高使用寿命。第3页，共16页，2023年，2月20日，星期三二、真空断路器的特点优点：1．触头间隙小，整机体积小，操动机构功率小，重量轻。2．操作时噪声小，不会污染。3．开断能力强，开断电流大，熄弧时间短，开断次数多，使用寿命长。4．介质强度恢复迅速快，适合于频繁操作，多次重合闸。5．介质不会老化，不更换，维护工作量小。6．使用安全，能适用于各种不同的场合，特别是危险场所。7．触头部分完全密封，工作可靠，通断性能稳定。8．灭弧室安装调试简单、方便。缺点：1．开断感性负载或容性负载时，容易引起过电压。2．触头采用对接式结构，操动机构使用弹簧，容易产生合闸弹跳与分闸反弹。合闸弹跳会产生较高的过电压，影响电网的稳定运行，还会使触头烧损，甚至熔焊，特别在投入电容器组产生涌流时及短路关合的情况下更加严重。分闸反弹会减小弧后触头间距，导致弧后的重击穿，后果十分严重。3．对密封工艺、制造工艺要求很高，价格较高。第4页，共16页，2023年，2月20日，星期三三、真空断路器的过电压及限制措施

1．过电压产生的原因当真空电弧电流减小时，提供的金属蒸汽不够充分和稳定，难以维持真空电弧的稳定燃烧，真空电弧通常不在电流自然过零时熄灭，而是在过零前的某一电流值突然熄灭。随着电弧的熄灭，电流也突然降至零，这一现象称为截流，该电流称作截断电流。在感性电路中，截流将引起操作过电压。截断电流与电弧电流、负载特性、触头材料及磁场方向等因素有关。2．限制截流过电压的措施在电容器组并联金属氧化物避雷器（MOA）；并联电容器或R－C阻容吸收装置。第5页，共16页，2023年，2月20日，星期三四、真空灭弧室的基本结构

真空断路器主要由真空灭弧室、支架和操动机构三部分组成。真空灭弧室是真空断路器的核心元件，具有开断、导电和绝缘的功能，主要由绝缘外壳、动静触头、屏蔽罩和波纹管组成。真空灭弧室的性能主要取决于触头材料和结构，还与屏蔽罩的结构、灭弧室的材质以及制造工艺有关。1.绝缘外壳：既是真空容器，又是动静触头间的绝缘体。作用：支持动静触头和屏蔽罩等金属部件，与这些部件气密地焊接在一起，以确保灭弧室内的高真空度。绝缘外壳材料：硬质玻璃、氧化铝陶瓷或微晶玻璃。2.触头：既是关合时的通流元件，又是开断时的灭弧元件。触头材料：铜铋合金和铜铬合金。触头的结构形式：采用对接式结构，有三种类型，即平板触头、横向磁场触头和纵向磁场触头，如图所示。这些触头的共同特点是利用磁场力使真空电弧很快地运动，防止在触头上产生需要长时间冷却的受热区域。动画点击第6页，共16页，2023年，2月20日，星期三四、真空灭弧室的基本结构（a）平板触头；（b）杯状触头（横磁场）；（c）螺旋触头（横磁场）；（d）纵磁场触头；（e）纵磁场触头平板触头:如图（a）所示，现已被淘汰，使用较多的是横向磁场触头和纵向磁场触头。横向磁场触头：利用电流流过触头时产生的横向磁场驱使电弧在触头表面运动的触头。主要类型有螺旋触头(用于开断小于40kA的电流，近年来趋于淘汰)如图（c）所示和杯状触头(可以开断40kA以上的电流)如图（b）所示。纵向磁场触头：利用在磁场间隙中呈现的纵向磁场来提高开断能力的触头。适合开断大电流的需要，其开断电流可以达到70kA，在实验室已高达200kA。纵向磁场触头分为线圈型触头和杯状触头，如图（d）、（e）所示。动、静触头分别焊在动、静导电杆上，用波纹管实现密封。动触头位于灭弧室的下部，在机构驱动力的作用下，能在灭弧室内沿轴向移动，完成分、合闸。在与动触头连接的导电杆周围和外壳之间装有导向管。用以保证动触头在上、下方向准确地运动。导向管采用低摩擦力的绝缘材料制作。第7页，共16页，2023年，2月20日，星期三四、真空灭弧室的基本结构3．屏蔽罩屏蔽罩种类：主屏蔽罩、波纹管屏蔽罩和均压屏蔽罩。屏蔽罩的材料：采用铜或钢制成，要求具有较高的热导率和优良的凝结能力。主屏蔽罩：装设在触头的周围，一般固定在绝缘外壳内的中部。波纹管屏蔽罩：包在波纹管的周围，防止金属蒸汽溅落在波纹管上，影响波纹管的工作和降低其使用寿命。均压屏蔽罩：装设在触头附近，用于改善触头间的电场分布。防止燃弧过程中触头间产生的大量金属蒸汽和金属颗粒喷溅到绝缘外壳的内壁，导致外壳的绝缘强度降低或闪络。改善灭弧室内部电场的均匀分布，降低局部电场强度，提高绝缘性能，有利于促进真空灭弧室小型化。吸收部分电弧能量，冷却和凝结电弧生成物，有利于提高电弧熄灭后间隙介质强度的恢复速度，这对于增大灭弧室的开断能力起到很大作用。4．波纹管用于保证动触头在一定行程范围内运动时，不破坏灭弧室的密封状态。材料：通常采用不锈钢。结构：液压成形和膜片焊接两种。波纹管是真空灭弧室中最易损坏的部件，真空断路器触头每分合一次，波纹管便产生一次机械变形，长期频繁和剧烈的变形容易使波纹管因材料疲劳而损坏，其金属的疲劳寿命，决定了真空灭弧室的机械寿命。第8页，共16页，2023年，2月20日，星期三五、真空断路器实例

1.户内型真空断路器户内真空断路器的总体结构可分为：悬臂式和落地式两种基本形式。ZN28－12系列真空断路器采用中间封接式纵磁场真空灭弧室。按照总体结构特点可分为两类：整体式：断路器本体与操动机构一起安装在箱形固定柜和手车柜中，即ZN28－12系列；分体式：断路器本体与操动机构分离安装在固定柜中，即ZN28A－12系列。特别适合于旧柜无油化改造工程。ZN28－12整体式真空断路器总体结构为落地式。1－开距调整垫片；2－触头压力弹簧；3－弹簧座；4－接触行程调整螺栓；5－拐臂；6－导向板；7－导电夹紧固螺栓；8－动支架；9－螺钉；10－真空灭弧室；11－固定螺栓；12－绝缘子；13－绝缘子固定螺栓；14－静支架；15－主轴；16－分闸拉簧；17－输出杆；18－机构；19－面板每个真空灭弧室由一只落地绝缘子和一只悬挂绝缘子固定，真空灭弧室旁有一棒形绝缘子支撑。真空灭弧室上下铝合金支架既是输出接线的基座又兼起散热作用。在灭弧室上支架的上端面，安装有黄铜制作的导向板，使导电杆在分闸过程中对中良好。触头弹簧装设在绝缘拉杆的尾部。操动机构、传动主轴和绝缘转轴等部位均设置滚珠轴承，用于提高效率。ZN28A－12（链接图片）固定开关柜专用分体式真空断路器，总体结构为悬臂式。l－开距调整垫片；2－触头压力弹簧；3－弹簧座；4－接触行程调整螺栓；5－拐臂；6－导向板；7－导电夹紧固螺栓；8－动支架；9－螺钉；10－真空灭弧室；11－真空灭弧室固定螺栓；12－绝缘子；13－绝缘子固定螺栓；14－静支架；15－主轴；16－分闸拉簧主导电回路、真空灭弧室与断路器机架前后布置。真空灭弧室用两只水平布置的悬臂绝缘子固定在机架的前面，主轴、分闸弹簧、缓冲器等部件安装在机架内。主轴通过绝缘拉杆、拐臂与真空灭弧室动导电杆连接，并从机架侧面伸出，与传动系统相连。第9页，共16页，2023年，2月20日，星期三五、真空断路器实例ZN28-10真空断路器第10页，共16页，2023年，2月20日，星期三五、真空断路器实例2.户外型真空断路器户外真空断路器一般采用落地式结构，可分为箱式（仿多油断路器结构）和支柱式（仿少油断路器结构）。ZW32－12型户外支柱式真空断路器断路器由真空灭弧室、上下绝缘罩、箱体、操动机构、隔离开关、电流互感器及驱动部件等组合而成。断路器为直立安装，三相真空灭弧室分别封闭在三组绝缘罩内，绝缘罩（采用聚氨脂密封材料，内部采用新型的发泡灌封材料）固定在箱体上，箱体内安装弹簧操动机构，电流互感器安装在下出线端上，操作杠杆在箱体正面。断路器同时具备电动和手动操作，可配置智能开关控制器，设有三段式过流保护、零序保护、重合闸、低电压、过电压保护等多种功能，支持多种通讯协议，允许选用多种通讯方式构成通讯网，即可对开关进行本地手动或遥控操作，又可通过通讯网实现远方控制。第11页，共16页，2023年，2月20日，星期三五、真空断路器实例ZW32-12真空断路器第12页，共16页，2023年，2月20日，星期三六、新型真空断路器简介

标准型真空断路器特大容量真空断路器低过电压真空断路器频繁操作断路器超频繁型真空断路器经济型真空断路器多功能真空断路器同步真空断路器智能化真空断路器短路开断电流一般为25～50kA，一般用途。短路开断电流达63～80kA及以上，用于发电机保护。用于开断感性负荷，不用加过电压吸收装置，采用新开发触头材料，将过电压限制至常规值的十分之一。操作次数5～6万次，用于投切电容的无重击穿真空断路器。操作次数10～15万次。开断电流16～25kA，用于一般场合。实现三工位（合－分－隔离）或四工位（合－分－隔离－接地）等功能。又叫选相真空断路器或受控真空断路器，在电压或电流最有利时刻关合或开断。可降低电网瞬态过电压负荷，改善电网供电质量，提高断路器电寿命及性能，简化电网设计，降低整个系统费用。把计算机加入机械系统，使开关系统有了“大脑”，再加入“传感器”采集信息，用光纤传导信息，使开关系统有了“知觉”，大脑根据“知觉”做出判断与决定，使系统有了“智能”。第13页，共16页，2023年，2月20日，星期三七、真空断路器的使用知识

1．检查2、检修3．真空度的检测方法4．真空断路器的调整真空断路器通常采用整体安装，在安装前一般不需要进行拆卸和调整。真空断路器安装完毕，应按要求进行工频耐压试验、机械特性的测试和操动机构的动作试验。

验收时检查：断路器安装应固定牢靠，外表清洁完整；电气连接应可靠且接触良好；真空断路器与其操动机构的联动应正常，无卡阻；分、合闸指示正确，辅助开关动作应准确可靠，触点无电弧烧损；灭弧室的真空度应符合产品的技术规定；绝缘部件、瓷件应完整无损；并联电阻、电容值应符合产品的技术规定；油漆应完整、相色标志正确，接地良好。运行后应定期检查：真空断路器的绝缘子、绝缘杆及灭弧室外壳应经常保持清洁；操动机构和其他传动部分应保持有干净的润滑油，动作灵活；对变形、磨损严重的零部件应及时更换；定期检查紧固件，防止松动、断裂和脱落。定期检查真空灭弧室的真空度，有异常现象应立即更换；检查触头的开距及超行程，小于规定值时，必须按要求进行调整；检查真空灭弧室动导电杆在合、分过程中有无阻滞现象，断路器在储能状态时限位是否可靠；检查辅助开关、中间继电器及微动开关的触头接触是否正常，其烧灼部分应整修或调换，辅助开关的触头超行程应保持合格范