真空断路器用于发电机出口保护之我见.doc

真空断路器用于发电机出口保护之我见
北京北开电气股份有限公司 耿绪利

摘要：工作于发电机出口保护用的断路器，无论是一侧的发电机，还是另一侧的大型升压变压器，都可能造成非常严酷的短路开断条件，因此发电机回路保护用中压断路器会遇到极其严酷的短路开断条件。通常，大容量发电机断路器体积很大，这种类型的发电机断路器常使用压缩空气或SF6压气式灭弧技术。近年来，由于真空断路器技术的不断发展，使其应用领域不断扩展。
随着时间的推移，真空灭弧室（VIS）的短路开断能力有了显著提高，相应地使真空断路器也有了很大发展。真空灭弧室刚出现时，主要适用于只有较小短路电流要求的配电回路。由于对真空电弧特性和触头材料的不断研究，电真空工艺技术进步了，使我国以具备开发出能够在非常严酷的故障条件下开断大短路电流的灭弧室。现在，最新一代的VIS能够满足发电机回路保护所要求的多种非常严酷的条件。这不仅包含具有大电流、高直流分量和长时间常数等特点的短路电流要求，也包含具有很快瞬态恢复电压（TRV）上升率（RRRVs）和很高峰值的TRV要求。使用纵向磁场设计原理的新一代VIS产品适合应用于发电机回路保护，参数可达12KV-6300A-80KA。
我国首台自主研发、拥有自主知识产权的ZN105型大容量真空断路器试验已成功地表明，这种类型的VCB符合IEEE标准C37。013关于对发电机断路器的规定，此标准规定了断路器需要满足的发电机回路严酷条件的能力。产品的试验及挂网实践证明：真空断路器用于发电机出口的保护不仅是可行的，而且在技术、经济以及运行等方面是非常适宜的。
关键词：真空灭弧室；发电机断路器

1 前言
随着我国国民经济的快速发展，国民经济各个行业对电力系统等能源建设的要求也在日益提高，截至到2004年底我国现有发电机组的装机容量已达4.32亿KW，发电量达到2.16万亿KW.h以上，位居世界第二位。在电力的产生、输送、分配与实际电力负荷的应用等环节中，作为对电力系统中各处用电设备及整个电力系统实施控制与保护的高压断路器无疑是一个十分重要的电器设备。它的性能优劣、可靠性的高低都直接关系到整个电力系统和众多用电设备的安全与运行，关系到国民经济各个行业的方方面面。因此就整个电力系统而言，无不对断路器的性能及可靠性提出了很高的要求与期盼。在整个电力系统中，根据被保护设备所处的运行条件与环境的不同，在系统出现短路故障时断路器所承担的开断任务差异也是十分大的。为此国际电工委员会将保护断路器区分为发电机出口保护用和一般输配电保护用两大类（国际标准分别是：IEEE Std C37。013-1997； IEC62271-100：2001），我国也根据国际标准的要求，分别制订了两种产品型试试验所依据的国家标准，它们分别是：GB/T14824—发电机断路器通用技术条件和GB1984-2003高压交流断路器两个标准。两个标准的试验内容与对产品的考核程度区别甚大。
2 发电机回路特点及我国设备现状
发电机断路器位于发电机和连接其余电力系统的大功率升压变压器之间，这就造成了回路开断条件尤其严酷。无论发电机还是变压器都只有很低的电阻和很高的电感/电阻比率（L/R），相反，架空线和地下电缆的L/R比率却很低。发电机回路的L/R比率比典型配电回路的高几倍，L/R比率的单位用时间来表示，它决定了故障电流直流分量的衰减率。直流分量的衰减率非常重要，它决定了断路器触头刚分点及其燃弧期间直到完全开断时的电流强度。此外，发电机断路器还必须能开合系统失步条件下的回路。使得在此处工作的断路器，除了满足一般开断性能要求外，还需要克服系统暂态过程中非常高的直流分量、高的电动冲击系数、非常陡的暂态恢复电压等极其严酷的开断条件。正因为如此，在我国，当发电机出口处的系统短路容量超过63KA时,所需的保护用断路器均需要进口,且进口的断路器其灭弧介质多为变压器油、压缩空气以及SF6气体等。由于受到这些介质的静态绝缘特性和动态绝缘恢复特性限制，使得由这些灭弧介质所制造出的断路器不仅体积庞大、重量重（平均每台3吨以上）、机电寿命不高、维护维修困难，而且价格十分昂贵，以额定电压12KV、额定电流6300A、额定短路开端电流80kA为例，如此参数的发电机出口保护用断路器每台进口价格均在150万元以上，我国每年为此均需要花费大量的外汇用来购买国外大公司的产品来满足我国中小容量发电机组出口保护的系统要求。
3 适合发电机回路保护的真空灭弧室（VIS）
纵向磁场（AMF）真空灭弧室特别适合于发电机回路保护的应用，这以为大量开断试验所证实，其典型特征为大故障电流和长燃弧时间。纵向磁场（AMF）真空灭弧室由花瓣状触头构成。当电流流过花瓣状触头之间时，电流产生一个与灭弧室轴向平行的磁场，而该磁场平行于电弧，因此命名为“纵向磁场真空灭弧室”。纵向磁场与电弧电流相互作用产生的力，约束电弧使其不能积聚，使电弧能量均匀的分布在触头表面，减少了触头烧损。此外，真空介质的动态绝缘恢复强度也优于变压器油、SF6气体等介质，其介质的动态绝缘恢复强度时间为ns级，完全能够满足断口暂态恢复电压对介质绝缘恢复强度的要求，这也为试验所证实。
4 我们自己研制发电机断路器的条件与过程
面对我国电力系统的急迫需求,北京北开电气股份公司决定凭借自己五十多年的经验积累，以自己的工程技术人员为主,在消化吸收引进德国西门子公司产品技术的基础上(注:北开于1983年在国家两部委(电力\机械)直接组织下参加了引进德国西门子公司真空断路器技术的工作组,并负责整机的国产化研制工作,同时参与引进工作组的其它行业骨干厂所有:桂林电器研究所负责真空灭弧室触头材料的研制、国营4401厂负责真空灭弧室的研制,当时引进产品的技术参数为:额定电压12KV、额定电流3150A及以下、额定短路开断电流40KA及以下。在经过七年的国产化工作后，终于在1990年8月28日全部零件由我国自己生产并组装的真空断路器通过型式试验并经过两部鉴定；此后我们又完全依靠国内自己的力量，于1995年完成了额定电流3150A、额定短路开断电流50KA；1998年完成了额定电流4000A、额定短路开断电流63KA的真空断路器产品，成为我国同行业之最，有真空王国的美誉，为电力行业提供了大量优质产品，以上产品还被评为北京市名牌产品。在此过程中，我们积累了丰富的研制经验，也锻造出一支优秀的工程技术人员队伍)、广泛开展社会上的产、学、研合作,于2000年1月成立了项目攻关组,列为当年我公司产品开发的一号工程，本人作为项目攻关组组长，作为项目第一责任人，参加了产品市场调研、产品技术与经济可行性分析、产品立项、结构方案及关主件的设计、试验方案的制定以及型式试验的全过程。在经过历时四年、两次型式试验开断失败的经历后，不断总结失败的经验教训、针对型式试验中遇到的新问题，提出自己的改进设计方案，最后通过攻关组的不懈努力、在广泛开展产、学、研合作的基础上，终于开发研制出我国具有自主知识产权的ZN105型发电机出口保护用真空断路器。
ZN105型发电机出口保护用真空断路器不仅能够满足国产中小型发电机组出口保护的要求，而且由于采用了真空介质用于灭弧，使得产品的机电寿命高、体积小、重量轻、操作简单、且产品价格只相当于国外进口设备的二分之一。在2004年12月27日通过的国家两部委产品鉴定会上，专家的鉴定结论是：产品结构合理，技术参数水平高，产品填补国内空白，处于国际领先水平。（鉴定报告全文见附后，所得结论除经过专家的评审外，还经过了中国科学院文献情报中心的科技检索，此外本产品在今年7月13日参加了在北京科技大学科技中心召开的北京市科技进步一等奖的评审，本人作为会议要求的第一答辩人回答了专家的提问。同时在今年6月，此产品获得了由中华人民共和国科学技术部和中华人民共和国商务部等四部委联合颁发的国家重点新产品证书）
5 发电机断路器的关键技术
作为发电机出口保护用断路器其关键技术主要是解决以下三个问题：
5．1：如何使断路器在大的额定电流，在不增加任何辅助散热设备的条件下（既不采用强制通风、水冷等散热方式），满足设备正常运行时的温升要求。
5．2如何使断路器在发电机出口这种严酷开断条件下，确保满足GB/T14824的要求。
5．3：如何解决在大的分、合闸操作功作用下，断路器触头系统的合闸弹跳与分闸反弹问题。

5．1：如何使断路器在大的额定电流，在不增加任何辅助散热设备的条件下（既不采用强制通风、水冷等散热方式），满足设备正常运行时的温升要求。

鉴于电弧开断过程的复杂性，尤其是大电流的开断受到强磁场、强电场、温度场以及电力系统参数震荡暂态过程的影响，使得到目前为止，国内外尚不能对电弧开断过程建立起精确的数学模型.高压断路器的设计有些部分还不得不依凭以往的设计经验，整机的性能指标最终还得依靠大功率试验站的开断考核。同时，由于真空条件的限制，使得真空断路器的温升散热成了非常薄弱的环节。我们攻关组在承担了项目攻关任务后，根据多年积累下来的设计经验，首先对整机产品能够用计算机仿真设计的部件进行了计算机辅助设计，例如，利用有限元的方法对整机的温度场分布进行了仿真计算，对主回路系统中的热节点用ANSYS软件进行了逐点温度场与磁场的偶合分析与计算，最终确定了断路器上下出线的最佳散热面积和外加热管技术的温升解决方案。不但节省了时间，还避免了以往开大型模具的盲目性，通过计算机仿真恰到好处的解决了温升散热、电场分布以及机械受力三者的关系。下面既是温度场仿真计算示例（见下面图页）。
5．2如何使断路器在发电机出口这种严酷开断条件下，确保满足GB/T14824的要求。
对于发电机保护要求的，系统暂态过程中的高直流分量、高的恢复电压上升陡度（TRV值）、非常大的短路开断电流,我们首先采取的方案是：利用真空介质非常优异的静态绝缘特性和动态绝缘恢复特性，根据我们以往成熟的纵向磁场约束电弧理论、加上杯状触头结构、用真空熔铸自耗成型的特殊工艺加工制造出适于真空开断的触头材料-CuCr50（触头含气量可以降到300ppm以下）、又采纳了清华大学、西安交通大学等学者的建议，将灭弧室触头作成1/4匝线圈形式，在国营777厂的大力配合下，加工制造出我国第一只大容量真空灭弧室。并于2002年10月在西安高压试验站进行了首次开断试验。试验第一次开断就不成功，触头熔焊无法打开。我们将触头熔焊的灭弧室解剖分析，针对试验中出现的问题，提出了改善触头材料组分（由CuCr50改为CuCr35以提高材料的抗熔焊性）、增大触头超行程以增加触头的助分力等项措施，样机经过改进后，于2003年初又进行了第二次试验，这次触头熔焊的问题解决了，又出现了灭弧室屏蔽罩烧穿导致开断失败的问题。我们又再一次将断路器拉回厂，进行解体分析，发现触头出现偏烧现象，这是什么原因引起的？经过仔细分析，我认为是大电流条件下相间电流自生磁场在作怪，随后提出了在灭弧室屏蔽罩外侧，增加铁磁屏蔽桶的设计方案（此项内容申报了专利）。通过此项改进，使开断试验顺利通过。
5．3：如何解决在大的分、合闸操作功作用下，断路器触头系统的合闸弹跳与分闸反弹问题。
为了解决在大的分、合闸操作功作用下，触头系统的合闸弹跳与分闸反弹问题，我们又为此专门设计了双油缓冲、双分闸簧的特殊机构（见下面图示），为了减少摩擦损耗，提高传动效率，我们在以往机构成熟的基础上，又采用了新的固体薄膜保护技术，一举解决了机械试验中出现的所有问题，终于在2003年底通过了全部发电机出口要求的型式试验。以下便是此项产品的一些具体内容。
该断路器于2004年1月在西安高压电器质量监督检验中心顺利通过了全部的型式试验，北开成为国内首家完成这一产品研制与试验的单位。该产品技术性能国内领先，并填补了我国12kV/6300A/80kA参数等级断路器的空白。
作为发电机断路器与普通配电断路器相比，技术参数的要求主要区别在以下几个方面：
▲绝缘水平高：
发电机断路器断口间的雷电冲击耐受电压为85kV，1min工频耐受电压达到50kV.而普通配电断路器的雷电冲击耐受电压为75kV，1min工频耐受电压为42kV。
▲关合容量大：
当断路器的短路开断电流为80kA时，要求其短路关合电流为其短路开断电流的2.8倍，即80×2.8＝224kA。而普通配电断路器的关合电流为2.5倍的开断电流，两者相差较多。
▲预期瞬态恢复电压的上升率（TRV）陡度大：
根据标准要求，发电机断路器的预期瞬态恢复电压的上升率必须达到1.8kV／μs以上，而普通配电断路器的值为0.35 kV／μs。
▲开断的直流分量高：
本产品额定开断短路电流的直流分量达到80％；失步非对称开断直流分量达到58％，国标要求额定短路开断时的直流分量≥60％；失步非对称开断电流的直流分量为50％～60％。 而普通配电断路器的直流分量通常不会超过30%。
ZN105-12/T6300-80发电机真空断路器主要技术参数
●额定电压12kV
●额定电流6300A
●额定短路开断电流80kA
●额定短路关合电流224kA
●满容量开断次数5次
●非对称开断直流分量最高79%，平均74%
●额定短路持续时间3s
● 失步开断非对称直流分量>50%
●触头开距11±1 mm
●触头行程8±1 mm
●合闸速度0.8～1.3ｍ/s
●分闸速度0.9～1.6m/s
●合闸时间40～65ms
●分闸时间35～65ms
●三相触头合分闸同期性≤5ms
●触头合闸弹跳时间≤5ms
●回路电阻≤15μΩ
ZN105-12/T6300-80发电机真空断路器整体结构

ZN105-12/T6300-80型真空断路器在整体结构上以稳定可靠为重点。很好地继承了ZN65A-12/T4000-63真空断路器布局合理、杆系传动效率高及零部件通用性强等优点。

ZN105-12/T6300-80发电机真空断路器设计过程

ZN105-12/T6300-80型断路器设计上的难点在于：大额定电流和高短路容量开断两者的同时实现；前者是产品的一次导电回路在6300A额定电流长期工作状态下的发热问题；后者则是满容量开断及关合时短路电动力对产品结构强度的考验。

由于额定电流大，因此该断路器首先要解决的是温升问题。运用有限元分析软件进行模拟仿真最终确定其上出线散热面积为0.7m2，下出线散热面积为0.95m2。根据此项数据设计出的大型模具，所压制出的上下出线，一次顺利的通过了6300A温升试验。
ZN105-12/T6300-80型真空断路器开断电流为：
80kA，额定峰值耐受电流达到224 kA。电动力对结构的影响很大。

由于关合和开断电流大，要求机构有足够大的输出功。为了满足断路器的要求，采用了双分闸簧，双油缓冲的结构，在大合闸簧保证关合可靠的情况下，通过双分闸簧来增加分闸力，较好的实现了合、分闸功的匹配，双油缓冲结构有效的吸收分闸后的冲击力。高达9000~10000N的触头压力，满足了真空灭弧室对触头压力的要求。同时，对重要传动环节进行加强，加装了滚动轴承，以保证传动效率。

6 ZN105-12/T6300-80型发电机出口保护用真空断路器结论：
ZN105-12/T6300-80型发电机出口保护用真空断路器的试制成功，是北开电气的产品设计由过去的经验设计向科学计算设计转变的开始，实践证明真空断路器用于发电机回路的保护是适宜的。产品的技术与经济的性价比是高的。

ZN105-12/T6300-80发电机真空断路器试验内容如下:

一.绝缘试验：
工频耐压试验:相间为42kV；断口为50kV
冲击耐压试验:相间为75kV；断口为85kV
辅助回路耐压试验: 2kV
二.机械试验
机械特性试验:金属短接时间为0.1s；三极同期性合闸为0.6ms；分闸为0.5ms。
机械寿命试验:分为2个循环累计进行了4000次。
三.温升试验:
试验电流6300A ；试验极数3极
四.主回路电阻测量:≤15μΩ
五.噪声试验:实测不大于101分贝
六.额定短路开断电流及额定短路关合电流试验:
方式1：按30%的额定短路开断电流对称开断，开断电流为25.9kA 。直流分量不大于20%。
方式2：按100%的额定短路开断电流对称开断，开断电流为81.8 kA 。直流分量不大于20%。
方式3：按100%的额定短路开断电流非对称开断，开断电流为80.3kA。直流分量达79%。
方式4：关合试验，关合电流为224kA。
方式5：额定失步对称开断电流试验，开断电流为43.8kA。直流分量不大于20%

方式6：额定失步非对称开断试验，开断电流为43.5kA。大半波开断直流分量为50%，小半波开断直流分量为58%。
方式7：额定负荷开断电流试验，直流分量不大于20%，额定开断累计次数50次。
七.额定短时耐受电流和额定峰值耐受电流试验:
其额定短时耐受电流为80kA
额定短时耐受电流持续时间为3s
额定峰值耐受电流为224kA

以上内容既是自己在研制和开发ZN105-12/T6300-80型发电机出口保护用真空断路器，在市场调研、可行性分析、产品立项、产品设计、产品型式试验等方面所作的工作，说的不对之处，请各位专家指正。

北京北开电气股份有限公司
耿绪利 二○○五年八月

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