2-5真空断路器技术的进步
jnwangyili
jnwangyili Lv.2
2005年03月18日 12:22:22
来自于断路器
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近20年来,真空断路器有了很大的发展,这得益于真空断路器技术的进步。真空断路器技术的进步表现在大容量化、低过电压化、智能化和小型化。而这一进步又是由于真空技术、灭弧室技术的发展及采用新工艺、新材料及新操动技术的结果。 1、大容量化 真空断路器的容量已有很大的提高,完全能满足电力发展的需要。目前,真空断路器的额定电流已达4000A,额定短路开断电流已高达12kV下63~70kA。东芝公司在实验室试制200kA。

近20年来,真空断路器有了很大的发展,这得益于真空断路器技术的进步。真空断路器技术的进步表现在大容量化、低过电压化、智能化和小型化。而这一进步又是由于真空技术、灭弧室技术的发展及采用新工艺、新材料及新操动技术的结果。
1、大容量化
真空断路器的容量已有很大的提高,完全能满足电力发展的需要。目前,真空断路器的额定电流已达4000A,额定短路开断电流已高达12kV下63~70kA。东芝公司在实验室试制200kA。
真空断路器迈向大容量化,首先是由于触头结构的改进。触头结构的改进经历了平板触头--横磁场触头--纵磁场触头。平板触头的开断电流在8kA以下,横磁场触头将开断电流提高到40kA,而纵磁场触头又将开断电流大大提高,达到目前的63~80kA。东芝公司开创使用纵磁场触头,目前各大制造公司为提高开断电流也改横磁场触头为纵磁场触头。如西门子公司原先采用横磁场触头,改用纵磁场触头后将开断电流提高至70kA。ABB Calor Emag公司新开发出双极和四极纵磁场触头,将开断电流提高到63kA及以上。AEG公司也最新开发出纵磁场触头与横磁场触头相比,灭弧室体积减至1/3。
纵磁场触头有两种结构型式;一种是用装在灭弧室外围的线圈产生纵磁场,另一种是触头本身的特殊结构产生纵磁场。纵磁场时,电弧呈扩散形态分成许多细弧,均匀分布在整个触头表面。有利于提高开断电流和延长触头寿命。
触头材料的不断改进提高了开断性能,触头材料目前主要有两大体系:CuBi和CuCr。与CuBi相比,CuCr材料具有短路电流开断能力强、介质强度高、耐烧蚀、截流低等优点。目前世界上一些著名公司均采用CuCr触头材料,西门子公司一直采用CuCr触头材料,日本东芝公司原先采用CuBi触头材料,近年来也改用CuCr触头材料,将真空灭弧室推向高电压大容量。我国最初的触头材料也为CuBi材料,而现在均为CuCr触头材料。
触头材料直接影响截流水平,如CuBi材料的截流水平一般为10~12A,而CuCr材料将截流水平降至3~5A。
触头材料的熔炼也在不断改进之中,熔炼方法有混粉法、浸渍法以及最新出现的电弧熔炼法。
触头材料还在不断发展,在CuBi和CuCr之后又出现了更好的CuTa等材料。
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jnwangyili
2005年03月18日 12:23:09
2楼
2、开发低过电压触头材料,降低截流水平
如所周知,真空断路器属"硬"开断特性。开断小电流时容易截流,引起过电压。这个问题曾是人们使用真空断路器最关心的问题。CuCr触头材料的使用,大大减少了截流值,如西门子公司命名用CuCr触头材料,做到试验截流值3A,产品保证不超过5A。但有些开断情况需要进一步减少截流值,以避免危险的过电压,如用真空断路器开断发生堵转或正在启动的电动机时,一般的解决办法是加装过电压吸收装置,如SiC、RC回路、ZnO避雷器等,最新的做法是开发低过电压触头材料,即不加任何过电压吸收装置而在触头材料上想办法,使之能降低过电压。
日本几家公司先后都开发低过电压触头材料,日立公司研制出一种以银为主的Co-Ag-Se触头材料,东芝公司研制出AgWC触头材料,富士公司在CuCr触头材料里添加高蒸气材料,三菱公司采用CuCr-Bi-α多元触头材料解决截流问题。
这些触头材料能有效地解决截流问题,可将截流值降低至1/10。但截流与大电流有矛盾。因此低过电压真空断路器一般做到7.2kV 20kA水平。东芝公司最近在这方面有突破,研制出7.2kV 40kA低过电压真空断路器,将原来的容量20kA提高到40kA。
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jnwangyili
2005年03月18日 12:23:30
3楼
3、采用先进的一次封排工艺,提高产量和质量
一次封排工艺是制造真空灭弧室的先进工艺。20世纪80年代初,英、美等国已将一次封排工艺用于真空灭弧室的大批量生产。英国GEC公司和美国西屋公司最早采用一次封排工艺。现在东芝公司、西门子公司、ABB Calor Emag等公司也已采用一次封排工艺。
一次封排工艺相比常规工艺大大简化了工艺流程,不仅效率高,而且质量好,特别适合大批量生产。常规工艺从零件清洗到排气结束约需6~7天,而一次封排工艺只需2~3天。缩短周期达50%以上。一次封排产品质量稳定,一致性好。真空炉一次可封几十只灭弧室,加之采用微机控制,自动化程度高。而常规工艺采用氩弧焊接,要求操作者的技术水平较高,且易受各方面条件的影响。一次封排除气彻底,真空灭弧室寿命长,有利于提高真空灭弧室的真空度。
总之,一次封排工艺将焊接、除气、封装、排气等工艺步骤在真空炉中一次完成,大大简化了制造工艺,提高了产品的可靠性、稳定性和一致性。国内宝光公司现已具备年产5万只一次封排真空灭弧室能力。
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jnwangyili
2005年03月18日 12:23:51
4楼
4、缩小灭弧室管径,减少零件数和提高可靠性
缩小灭弧室管径,减少零件数,就能降低造价,因为材料费占灭弧室造价的40~50%。
由于纵磁场触头和CuCr触头材料的使用,大大减少了灭弧室管径。举例来说,过去12kV 31.5kA真空灭弧室的管径约200mm,而今天12kV 63kV真空灭弧室的管径却降至约100mm。这就是说,容量提高了一倍,而灭弧室管径却降至1/2。东芝公司曾将24kV 25kA两种灭弧室作了对比。1984年的纵磁场结构同1975横磁场结构比,体积减到25%,价格降至40%。AEG公司的纵磁场结构相比横磁场结构,灭弧室的体积减至1/3。东芝公司从1978年到1986年间,灭弧室尺寸几乎缩小了一半。三菱公司新开发的第五代真空灭弧室,采用CuTa触头材料,使之7.2kV 12.5kV真空灭弧室的管径仅为第一代产品的1/15。西屋公司15kV 12kA产品的灭弧室直径从1967年的170cm减小到1995年的50mm。
真空灭弧室尺寸的减小是真空技术、真空工艺、真空灭弧室设计发展的主要结果。而真空灭弧室管径的缩小,结果使真空断路器的整体尺寸大大减小,从而使真空断路器趋于小型化。
近年来,继弹簧操动机构之后,又出现了永磁操动机构。永磁操动机构用永久磁铁锁扣,用电磁铁操动,用电容器储能且用电子控制。它大大简化了运动链,原先弹簧操动机构有200多个零件,而永磁操动机构的运动件不过6~8只。
永磁机构寿命长,机构操作可达10万次。现用于中小容量的真空断路器,特别适用于频繁操作和同步断路器。
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jnwangyili
2005年03月18日 12:24:09
5楼
5、二次技术现代化真空断路器的二次技术从传统技术转向现代技术。现代二次技术采用了机电一体化技术。机电一体化技术是建立在微电子技术、信息传感技术、计算机控制技术、伺服驱动技术及精密机械技术等高度发展之上的综合技术。
机电一体化用在开关设备上,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",大脑根据知觉作出判断与决定,使系统有了"智能"。因此现代二次技术使之开关设备智能化。
开关设备的智能化,可通过连续检测,确切了解运行状况,作趋势分析,识别存在的故障,从而采取必要的措施,防患于未然,改以往的"定期检修"为"状态检修",从而提高设备的利用率和节省检修费用。
在断路器二次现代化方面各大公司都作出了努力,欧洲几家公司卓有成效。1996年AEG T&D公司在汉诺威博览会上展出了DPI型真空断路器。装在侧面操动机构内有集成保护装置,其中包括一只微处理器和一只低能量脱扣器。ABB Calor Emag公司最新开发出REC580型保护与控制装置,它属于模块式结构。与传统装置相比,这种现代控制和保护装置扩大了功能,并降低费用约25%。西门子公司于1985年开发出第一个以微处理器为中心的数字保护装置,1990年开发出第二代产品。
真空断路器之所以为众多厂家青睐,除产量大、覆盖面广之外,首要原因是由于真空技术、真空工艺、灭弧室制造技术的不断进步,使得真空断路器具有优异的电性能和机械性能,能满足不同用户的不同要求。
另一个重要原因,是它对环境友好,在人们普遍注重环保的今天,这点尤为重要。在真空断路器中,不产生分解物,因为在这里开断时只产生金属蒸汽。真空灭弧室绝对密封钎焊,不会与环境相互影响。污秽、灰尘及潮气均不能进入灭弧室,这就避免了任何的氧化。灭弧室的所有材料均以洁净的状态保持在整个寿命期间。因此,真空灭弧室对外部环境具有良好的保护性。
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