真空断路器发展史

关于真空断路器发展史1真空断路器的发展简史

2真空灭弧室

3操动机构的发展

4绝缘结构的发展

5展望发展

6西门子著名的3AH真空断路器

7新闻（最新产品）第2页,共35页，2024年2月25日，星期天

真空断路器是指触头在真空中关合、开断的断路器。它以其具备良好的灭弧特性,适宜频繁操作,电气寿命长、运行可靠性高、不检修周期长的优势,在当今我国电力工业城乡电网改造、化工、冶金、-铁道电气化以及矿山等行业得到了广泛的应用。产品从过去的ZN1-ZN5几个品种到现在数十个型号、品种,额定电流达到4000A,开断电流达到5OKA,甚至有63kA,电压达到35kV等级。

第3页,共35页，2024年2月25日，星期天1、真空断路器的发展简史：

1893年，美国的里顿豪斯提出了结构简单的真空灭弧室，并获得了设计专利。

1920年瑞典佛加公司第一次制成了真空开关。

1926年美国索伦森等公布的研究成果也显示了在真空中分断电流的可能性，但因分断能力小，又受到真空技术和真空材料发展水平的限制，尚不能投入实际使用。

50年代美国才制成第一批适用于切断电容器组等特殊要求的真空开关,分断电流尚停在4千安的水平。

第4页,共35页，2024年2月25日，星期天真空开关的发展促进了真空断路器的产生

1961年，美国通用电气公司开始生产15千伏、分断电流为12.5千安的真空断路器。

1966年试制成15千伏、26千安和31.5千安的真空断路器，从而使真空断路器进入了高电压、大容量的电力系统。

20世纪70年代后,日本东芝电气公司研制成功了具有纵向磁场触头的真空灭弧室,使额定开断电流又进一步提高到5OKA以上。

80年代中期，真空断路器的分断能力已达100千安。

中国从1958年开始研制真空开关，1960年西安交通大学和西安开关整流器厂共同研制成第一批6.7千伏、分断能力为600安的真空开关;随后又制成10千伏、分断能力为1.5千安的三相真空开关。

1969年华光电子管厂和西安高压电器研究所制成了10千伏、2千安单相快速真空开关。70年代以后，中国已能独立研制和生产各种规格的真空开关。

目前真空断路器己广泛用于1OKV、35kV配电系统中,额定开断电流己能做到5OKA-100KAo有些国家还生产了72kV/84kV级的真空灭弧室,但数量不多。

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2、真空灭弧室

真空灭弧室是真空断路器的关键部件,它是采用玻璃或陶瓷作支撑及密封,内部有动、静触头和屏蔽罩,室内有负压,真空度为133×10或133×lOJPa,保证其开断时的灭弧性能和绝缘水平。

真空断路器在真空灭弧室内开断电流并进行灭弧,而真空断路器本身没有定性、定量监测真空度特性的装置,所以真空度降低故障为隐性故障,同时,真空度降低将严重影响真空断路器开断过电流的能力,并导致断路器的使用寿命急剧下降严重时会引起开关爆炸。

第6页,共35页，2024年2月25日，星期天真空灭弧室存在的主要问题真空度降低。真空度降低的主要原因有以下几点。

(1)真空断路器是一个比较娇嫩的元件,电子管厂出厂后,经过多次运输颠簸、安装震动、意外碰撞等,都有可能产生玻璃或陶瓷封接的渗漏。

(2)真空灭弧室材质或制作工艺存在间题,多次操作后出现漏点。

(3)分体式真空断路器,如使用电磁式操作机构,在操作时,由于操作连杆的距离比较大,直接影响开关的同期、弹跳、超行程等特性加快真空度降低。

真空灭弧室真空度降低的处理方法:

经常观察真空灭弧室定期使用真空开关真空度测试仪对真空灭弧室进行真空度的测量,确保真空灭弧室的真空度在规定范围内;当真空度降低时,必须更换真空灭弧室,并做好行程、同期、弹跳等特性试验。

第7页,共35页，2024年2月25日，星期天近年来,我国真空断路器的生产发展也很快。目前国内真空灭弧室的技术与国外产品不相上下,有采用纵向、横向的磁场技术、采用中央引燃触头技术的真空灭弧室,Cu-Cr合金材料制成触头已成功地开断5OKA、63kAo中国的真空灭弧室已达到较高的水平,真空断路器完全可以选用国产的真空灭弧室。

第8页,共35页，2024年2月25日，星期天3、操动机构的发展

随着新材料的应用和新型结构的触头不断研制成功，真空断路器凭借真空灭弧室无与伦比的开断特性，其电气寿命和机械寿命大大增加，逐渐替代了老式的油开关，被广泛应用于6~10.5ｋＶ的中压电力系统中作为控制和分配电能的开关。

真空断路器的主要功能归根到底是体现在触头的分、合动作上，而触头的分、合动作主要是通过“操动机构”来实现的，因此真空断路器操动机构的性能和质量优劣，将对真空断路器的工作性能和可靠性起到至关重要的作用。第9页,共35页，2024年2月25日，星期天真空断路器操动机构的发展历程

（１）电磁操动机构。

最早应用在真空断路器上的操动机构是通过电磁力去实现分、合闸的，故也称为电磁操动机构。

优点：

１．结构相对简单，零件数量少，制造成本低；

２．开距小（８～２５ｍｍ），较好地迎合了真空灭弧室的要

求。

缺点：

１．合闸线圈功率大，配套的电源设备价格昂贵；

２．操作时冲击力大，操作时间长；

３．合闸接触力小，易引起触头跳动，从而产生连续、呈衰减趋势的电火花；

４．结构笨重，不利于小型化及配网自动化。

由于电磁操动机构存在上述较多缺陷，故而逐步被市场所淘汰，取而代之的是后续研制的弹簧操动机构第10页,共35页，2024年2月25日，星期天（２）弹簧操动机构。

弹簧操动机构是利用交、直流两用电动机对弹簧进行预储能，利用弹簧的弹性势能去进行分、合闸操作的。

优点

１．对电源要求低，冲击力较小；

２．可获得较高的合闸速度，能实现快速自动重合闸。

缺点

１．因完全依靠机械传动，故传动机构复杂，零件数量多，故障率较高；

２．零件加工精度要求高，制造工艺复杂，制造成本较高。

由于弹簧操动机构产品的可靠性不易保证，限制了真空断路器向电气寿命长、免维护等要求更高的方向发展。鉴于以上两种操动机构的不足，近年来，一种将永久磁铁应用于操动机构中的新型的

“永磁操动机构”越来越受到电力行业的关注。第11页,共35页，2024年2月25日，星期天（３）永磁操动机构

永磁操动机构主要由永久磁铁和分、合闸控制线圈等部件组成，是用永磁体去实现真空断路器合闸保持和分闸保持的一种新型的电磁操动机构。当合闸控制线圈通电时，线圈所产生的磁拉力会使动铁心向下运动，然后由永久磁铁将动铁心保持在合闸位置；当分闸线圈通电时，动铁心向反方向运动，同样由永久磁铁将它保持在分闸位置。由于该机构在控制线圈不通电流时动铁心有两个稳定工作状态合闸或闸）故也称为双稳态永磁操动机构。

第12页,共35页，2024年2月25日，星期天永磁操动机构的优点

１）通过双线圈分别控制分、合闸操作。即合闸线圈只控制合闸操作，分闸线圈只控制分闸操作，提高了机构的可靠性。

２）采用了全新的磁路设计，增大了分、合闸的保持力，减小了分、合闸时对线圈电流的要求，降低了能耗。

３）机构的下部基座设计有联动轴，可保证分合闸操作时三相同期性，控制了首开相燃弧时间（１ｍｓ内）。

４）机构的机械寿命可高达１０万次，与传统的电磁机构和弹簧机构相比，机械寿命至少提高３倍以上。

５）机构是通过动铁心与主轴传动拐臂相连直接驱动动触头的，简化了传动链，无需机械脱、锁扣装置，减少了故障源。

第13页,共35页，2024年2月25日，星期天4、绝缘结构的发展

据有关的历史资料对全国电力系统高压断路器运行中的事故类型统计分析拒分事故占22.67%;拒合事故占6.48%;开断关合事故占9.07%;绝缘事故占35.47%;误动事故占7.02%;截流事故占7.95%;外力及其他事故占11.439毛,其中以绝缘事故和拒分事故最为突出,约占全部事故的60%。所以绝缘结构也是真空断路器的一大要点根据相柱绝缘经历的变化发展,可基本上划分为三代:空气绝缘方式、复合绝缘方式、固封极柱绝缘方式。第14页,共35页，2024年2月25日，星期天（1）空气绝缘方式

产品的相间绝缘、对地绝缘和灭弧室外绝缘均为空气介质。这样断路器的真空灭弧室多采用悬挂支撑方式,并且要遵循严格的安装调试工艺。典型产品国内有江苏长江股份公司的ZN68-12,国外有西门子公司的3AFJAG及3AH等系列产品。

干净清洁的空气是良好的绝缘介质,使用历史最悠久。考虑到环境的影响对单纯以空气作为绝缘介质的断路器及开关柜的空气绝缘净距和爬电比距作出了规定,在相应试验基础上,对12kV开关设备要求各相导体相间和对地净距达到125mm,对于瓷质和有机材料绝缘件的爬电比距分别要求18mm/kV、2Omm/kVD但有时还免不了发生绝缘事故,在绝缘净距和爬电比距满足上述规定外最好对裸露母线增加硅橡胶套,以进一步提高绝缘水平。

为了保证空气绝缘净距和爬电比距致使该类型产品的小型化比较困难。

第15页,共35页，2024年2月25日，星期天（2）复合绝缘方式

产品的绝缘结构采用固体绝缘和空气绝缘相结合的方法,一方面提高了绝缘性能,另一方面可以减少设备的尺寸。采用绝缘套筒式结构,真空灭弧室通过螺栓固定在环氧树脂绝缘套筒内然后与机构组装成断路器。这种断路器技术日趋成熟,具有代表性的产品如国产ZN63A、ZN63B型和ABB公司技术产品VD4型断路器。

这些措施提高了相间和对地的绝缘,可以避免外部机械力对灭弧室的冲撞,断路器尺寸也能减小,但是环境气候条件对灭弧室外绝缘的影响还不可避免,对极柱的装配还是有比较高的工艺要求。

第16页,共35页，2024年2月25日，星期天（3)固封极柱绝缘方式

固封极柱又称为浇注式极柱结构,这是中压真空断路器绝缘结构的重大变革。固封式真空断路器的研究工作始于上个世纪末,德国ABBCalorEIIlang公司为发展免维护真空断路器而开发在国内,2003年7月西安高压电器研究所与厦门华电开关有限公司联合开发的ZN96(VEP)-12/1250-315型固封式真空断路器率先通过国家级鉴定,之后该产品发展很快,高参数产品不断推出产品正在完成系列化,它已经成为近年来发展最快的一类高压电器产品。

它的主要特点是将真空灭弧室及导电端子等零件用环氧树脂通过APG工艺(环氧树脂自动压力凝胶工艺)包封成极柱,然后与机构组装成断路器。

固封式真空断路器的结构在机构部分根据选用不同的机构可能差异比较大些,但极柱的外形、结构差异不大,但其功能都是一样的,它的优点主要有:

第17页,共35页，2024年2月25日，星期天(1)提高了产品的绝缘水平及抗污能力。

(2)小型化,减小了断路器及其配用的开关柜体积。

(3)防止了真空灭弧室易受外界撞击的危险。

(4)增强了主回路的外爬距,提高了灭弧室耐受电压水平。

(5)灭弧室的免维护,为断路器免维护创造了条件。

固封式真空断路器的电气性能除了决定真空灭弧室外,极柱的结构设计也至关重要。极柱结构除考虑绝缘外,还应考虑强度及散热问题。大电流情况下,甚至要与真空灭弧室一并考虑。从性能、成本上综合考虑,真空灭弧室亦单独设计成一个系列较为合理。

第18页,共35页，2024年2月25日，星期天5展望发展

从国内外真空断路器新产品品种的产生上及展览会上,德国汉诺威博览会为世界上最大的工业展览会,素有新产品橱窗之美,可以看出真空断路器的发展趋向于专用化、小型化、智能化、低过电压几大方向。

第19页,共35页，2024年2月25日，星期天(1)专业化

如用于发电机保护断路器的特大容量真空断路器(短路开断电流高达3~8OKA及以上),标准型真空断路器(短路开断电流25~5OKA),经济型真空断路器(16KA~25KA),频繁型真空断路(如操作次数54万次),超频繁型真空断路器(如操作次数1615万次)。

(2)小型化，高可靠性

为了提高可靠性、降低成本一直努力减少零件数、缩小管径。

第20页,共35页，2024年2月25日，星期天(3)智能化

真空断路器在保留断路器原有的各种功能外,必须具有对电路的异常状况进行检测与判定以及具有一定的指令功能等也就是把计算机加入机械系统,使开关系统有了“大脑”,再加“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”,这是配电自动化的需要,也是断路器本身控制保护的需要。如Alstorn公司的DCX型可编程序数字控制装置,ABB公司的REF542型控制和保护装置,西门子公司第二代数字保护装置等。

我国为了使断路器赶上国际先进水平，决定把开发智能化断路器列为“八五”重点开发项目.

目前国内有的厂正在着手开发4000A、5000A的智能型断路器

第21页,共35页，2024年2月25日，星期天(4)低过电压

真空断路器开断小电流容易发生截流,引起过电压。过电压是人们使用真空断路器最关心的问题。一般解决方法有两种:第一种是加装过电压吸收装置(RC回路、ZnO避雷器),但它作为真空断路器的附加装置,不仅使真空断路器结构复杂化,而且增加成本;另一种方法也是今后要致力研究的课题,采用低电压触头材料。研究采用低电压触头材料日本几家公司走在前列。富士康公司开发了CuCr添加高蒸气材料、三菱公司开发了CuCrBiα多元触头材料,东芝公司开发了新型的AgWC触头材料开断短路电流达40KA。第22页,共35页，2024年2月25日，星期天6、西门子著名的3AH真空断路器第23页,共35页，2024年2月25日，星期天第24页,共35页，2024年2月25日，星期天第25页,共35页，2024年2月25日，星期天第26页,共35页，2024年2月25日，星期天最显著的优点：

稳定的绝缘性能—在真空环境下，没有分解物，由于严格地封闭，外界环境对其无影响。

恒定的触头接触电阻—由于真空下无氧气，能保持触头表面的清洁。因此，在设备的整个寿命周期内，触头接触电阻一直维持在较小水平。

开端次数高—额定电流开断最高达30000次，短路电流开断次数可高达100次第27页,共35页，2024年2月25日，星期天7、新闻（最新产品）第28页,共35页，2024年2月25日，星期天1、福州天宇电气开关元件事业部研制的新产品ZW□-12/T630-20型户外柱上真空断路器，日前在沈阳机械工业高压电器设备质量检测中心一次性顺利通过国家规定的所有型式试验项目，满足国家标准和企业标准规定的所有试验项目要求。

12kV户外柱上真空断路器的开发成功，增加了福州天宇电气公司新的产品种类，也为城市及农村电网建设提供了新的可选产品。

第29页,共35页，2024年2月25日，星期天2、泰永科技股份有限公司又推出了一款全新的塑料看似体积小巧的MB50系列断路器，分断能力高、飞弧短，还具备隔离功能。当线路出现过载故障时，断路器会发出报警信号，并且不会跳闸，保障了供电的连续性。更让人惊喜的是，MB50虽然只是一款普通断路器，却具有智能化功能——断路器热脱扣的动作阀值与磁脱扣动作阀值可以根据需要现场调整设置，能够很好实现上下级之间的选择性保护，这是普通塑料外壳式断路器所无法企及的第30页,共35页，2024年2月25日，星期天

3、国产新式363型罐式六氟化硫断路器采用单断口、无电容结构，整体布置紧凑、简洁；额定电流5000A、额定短时耐受电流63kA、机械寿命5000次，性能稳定可靠、使用寿命长、综合技术经济指标高；其液压操动机构采用进口控制阀，液压管路全部内置，结构新颖、紧凑、无