浅谈真空断路器中的旋钮设计 详解真空断路器结构特点

　　本文主要是关于真空断路器的相关介绍，并详尽描述了真空断路器的旋钮设计及其结构特点。

　　真空断路器中的旋钮设计

　　真空断路器储能回路要设计旋钮因为操作开关需要很大的力，直接操作比较困难。因此通过旋钮储能电机或者手动储能来压缩储能弹簧。旋钮开关分闸或者合闸时通过弹簧释放能量来帮助操作。

　　有了储能旋钮，需要合闸的时候你就储能再合闸！不需要合闸的时候就不储能！对弹簧好！

　　

　　“真空断路器”因其灭弧介质和灭弧后触头间隙的绝缘介质都是高真空而得名；其具有体积小、重量轻、适用于频繁操作、灭弧不用检修的优点，在配电网中应用较为普及。 真空断路器是3～10kV，50Hz三相交流系统中的户内配电装置，可供工矿企业、发电厂、变电站中作为电器设备的保护和控制之用，特别适用于要求无油化、少检修及频繁操作的使用场所，断路器可配置在中置柜、双层柜、固定柜中作为控制和保护高压电气设备用。

　　真空断路器的结构

　　真空断路器主要包含三大部分：真空灭弧室、电磁或弹簧操动机构、支架及其他部件。

　　真空灭弧室按照开关型式不同有外屏蔽罩式陶瓷真空灭弧室、中间封接杯状纵磁场小型化真空灭弧室、内封接式玻璃泡灭弧室，其基本结构如下：①气密绝缘系统（外壳）由陶瓷、玻璃或微晶玻璃制成的气密绝缘筒、动端盖板、定端盖板、不锈钢波纹管组成的气密绝缘系统是一个真空密闭容器。为了保证气密性，除了在封接式要有严格的操作工艺，还要求材料本身透气性和内部放气量小。②导电系统由定导电杆、定跑弧面、定触头、动触头、动跑弧面、动导电杆构成。触头结构大致有三种：圆柱形触头、带有螺旋槽跑弧面的横向磁场触头、纵向磁场触头。目前采用纵磁场技术，此种灭弧室具有强而稳定的电弧开断能力。③屏蔽系统屏蔽罩是真空灭弧室中不可缺少的元件，并且有围绕触头的主屏蔽罩、波纹管屏蔽罩和均压用屏蔽罩等多种。主屏蔽罩的作用是：a防止燃弧过程中电弧生成物喷溅到绝缘外壳的内壁，从而降低外壳的绝缘强度。b改善灭弧室内部电场分布的均匀性，有利于降低局部场强，促进真空灭弧室小型化。c冷凝电弧生成物，吸收一部分电弧能量，有助于弧后间隙介质强度的恢复。

　　操作机构按照断路器型式不同，采用的操作机构不同。常用的操作机构有弹簧操作机构、CD10电磁操作机构、CD17电磁操作机构、CT19弹簧储能操作机构、CT8弹簧储能操作机构。

　　其它部件基座、绝缘支撑件、绝缘子等

　　真空断路器的结构特点

　　①触头开距小，10KV真空断路器的触头开距只有10mm左右，操作机构的操作功就小，机械部分行程小，其机械寿命就长。②燃弧时间短，且与开关电流大小无关，一般只有半周波。③熄弧后触头间隙介质恢复速度快，对开断近区故障性能较好。④由于疏通在开断电流时磨损量较小，所以触头的电气寿命长，满容量开断达30-50次，额定电流开断达5000次以上，噪音小适于频繁操作。⑤体积小、重量轻。⑥适用于开断容性负荷电流。由于其优点很多，所以广泛应用于变电站中，目前型号主要有：ZN12-10型、ZN28A-10型、ZN65A-12型、ZN12A-12型、VS1型、ZN30型等。 具体介绍真空断路器技术标准真空断路器在我国近十年来得到了蓬勃的发展。产品从过去的ZN1～ZN5几个品种发展到数十多个型号、品种，额定电流达到5000A，开断电流达到50kA的较好水平，并已发展到电压达35kV等级。80年代以前，真空断路器处于发展的起步阶段，技术上在不断摸索，还不能制定技术标准，直到1985年后才制定相关的产品标准。国内主要依据标准：JP3855-96《3.6～40.5kV交流高压真空断路器通用技术条件》DL403-91《10～35kV户内高压断路器订货技术条件》这里需要说明：IEC标准中并无与我国JB3855相对应的专用标准，只是套用《IEC56交流高压断路器》。因此，我国真空断路器的标准至少在下列几个方面高于或严于IEC标准：（1） 绝缘水平： 试验电压 IEC 中国1min工频耐压（kV） 28 42（极间、极对地）48（断口间）1.2/50冲击耐压（kV） 75 75（极间、极对地）84（断口间）（2）电寿命试验结束后真空灭弧室断口的耐压水平：IEC56中无规定。我国JB3855一96规定为：完成电寿命次数试验后的真空断路器，其断口间绝缘能力应不低于初始绝缘水平的80%，即工频1min33.6kV和冲击60kV。（3）触头合闸弹跳时间：IEC无规定，而我国规定要求不大于2ms。（4）温升试验的试验电流：IEC标准中，试验电流就等于产品的额定电流。我国DL403-91中规定试验电流为产品额定电流的110%。2.真空断路器的主要技术参数 真空断路器的参数，大致可划分为选用参数和运行参数两个方面。前者供用户设计选型时使用；后者则是断路器本身的机械特性或运动特性，为运行、调整的技术指标。下表是选用参数的列项说明，并以三种真空断路器数据为例。表中所列各项参数，均须按JB3855和DL403标准的要求，在产品的型式试验中逐项加以验证，最终数据以型式试验报告为准。

　　真空断路器的合闸弹跳

　　真空断路器采用真空灭弧室，真空灭弧室中动触头和静触头采用平面对接方式接触。为保证动触头和静触头良好的接触，必须保证足够的触头压力；在真空断路器合闸过程中，动触头具有合理的合闸速度（一般控制在0.4～0.8 m/s），合闸瞬间动触头和静触头发生弹性碰撞，触头压力又将动触头保持在合闸位置，出现动触头反复的跳动过程，即弹跳现象产生。在合闸时动静触头刚接触直至动静触头稳定接触瞬间为止的时间间隔即为弹跳。弹跳时间为n ms。

　　合闸弹跳对真空断路器影响目前业内关于合闸弹跳对真空断路器的影响存在两种看法。

　　1、弹跳无害论

　　型式试验中真空灭弧室触头熔焊分不开时就把原因归结到合闸弹跳上是不合理的。分析中做单分试验和动热稳定时也出现熔焊，那又如何解释呢？认为只要有足够大的触头压力完全可以避免动静触头的熔焊，与合闸弹跳并没关系。合闸弹跳时间n ms不等于触头回弹了n ms，合闸弹跳时间越长，触头熔焊越严重的观点并不一定成立。合闸弹跳时间是在空载时测得，而在负载时也会有预击穿发生，伴随着产生和合闸方向相反的电动力，这相当于一个缓冲器。此时有可能没有弹跳。认为真空断路器开断失败、重击穿和触头熔焊等和合闸弹跳毫无关系，甚至主张将这一指标从技术条件中删除。

　　2、弹跳有害论

　　真空断路器合闸弹跳过程中，动触头在触头压力的作用下回弹距离小，电弧不会熄灭，容易导致灭弧室的动、静触头电弧烧损。弹跳时间过长的主要危害在于加速了真空灭弧室触头的电磨损，从而导致灭弧室电寿命缩短。在关合峰值电流时，真空断路器发生合闸弹跳现象，真空灭弧室内电弧能量会迅速积累，容易产生动静触头发热熔焊现象，特别是关合容性电流时合闸涌流较大，如果弹跳时间过长就会使得真空灭弧室触头发生熔焊，严重影响真空断路器的电寿命。

　　合闸弹跳产生的原因及抑制合闸弹跳的方法

　　真空断路器在合闸操作时，为了保证足够的触头压力合闸机构具有较大的动能，这一能量在动静触头碰撞后主要被分成了三部分：合闸碰撞损失、传动机构的触头压缩弹簧的部分储能和触头弹跳时的动能。从理论上讲，产生弹跳的主要原因是在动静触头合闸碰撞时，合闸冲击不能因材料变形以及操动机构上触头压缩弹簧的部分储能全部吸收掉，剩余的能量使得动触头发生了反弹而产生的。剩余的能量也就是触头弹跳时的动能，直到该能量全部消耗完毕为止，弹跳才消失。

　　真空断路器动触头合闸弹跳分散性很大，影响因素也很多。主要原因有以下几点：真空灭弧室、真空断路器合闸速度、触头压力、传动机构动端的质量、机构的传动间隙和真空断路器安装装配质量、机构稳定性等。

　　1、真空灭弧室对弹跳的影响

　　真空灭弧室动触头机械强度、质量、动和静触头平面度对弹跳的影响合闸的碰撞损失，也就是合闸碰撞过程中动静触头产生变形而吸收的能量。这包括动、静触头的材料弹性变形和塑性变形。动、静触头的机械强度越高，其变形能力越差，碰撞损失越小，吸收合闸能量的能力也就越小，弹跳就会越大。因此，在保证灭弧室机械性能要求的前提下，适当的降低电极的机械强度，也可以很好地降低弹跳。

　　合闸时的动能与动触头、动端的质量和合闸速度成正比，动触头、动端的质量越大其产生的惯性冲击越大；动端的质量过大又会引起断路器合闸弹跳时间加长，在确保真空断路器合闸可靠的前提下，应尽量减小动端质量避免合闸弹跳加剧。动、静触头平面度越差，弹跳越大。动、静触头平面度差，碰撞时的接触面积就小，碰撞损失也就小，弹跳也就会相应加大。真空灭弧室是外购元件，其特性是外购厂成型的无法改变，但应选择性能和口碑良好的真空灭弧室生产厂家。

　　2、真空断路器合闸速度对弹跳的影响

　　合闸时，合闸速度越大所产生的合闸冲击也越大，动、静触头发生碰撞的反弹幅值越大，会出现触头反复的合、分过程，反弹幅值越大，弹跳时间就越长。所以，要合理设计并控制合闸速度。不能过高追求高合闸速度，导致合闸弹跳过大。

　　3、传动机构的推杆与真空灭弧室同心度配合对弹跳的影响

　　传动机构的推杆与真空灭弧室同心度几何公差越大，弹跳越大。当传动机构的轴心与真空灭弧室不同轴时，灭弧室被强迫适应机构，造成动导电杆发生倾斜，更严重时静端盖板也会因受弯曲力而变形，使得动静触头闭合时两触头间产生夹角，碰撞时的接触面积减小，碰撞损失也就小，从而使得弹跳增大。同时动导电杆倾斜，在合闸过程中导电杆与导向套运动不畅，也会使弹跳时间加长。

　　4 、触头压力对弹跳的影响

　　弹跳与触头初压力成反比。为了保证关合过程中动、静触头可靠接触，需要增加动、静触头间的接触压力，触头接触压力分为触头初压力和触头终压力。触头终压力的大小主要取决于触头弹簧的超程和刚度；触头初压力的大小则取决于触头弹簧的刚度和触头弹簧的预压缩量。足够的触头初压力使触头在闭合碰撞时得到缓冲， 将碰撞的动能转为弹性势能，抑制触头的弹跳时间。在适应合闸机构的合闸功情况下尽可能提高触头初压力。

　　5、机构的传动间隙对弹跳的影响

　　机构的传动间隙越大所造成的弹跳也越大的，对机构传动间隙进行控制，通常控制在0.03～0.05 mm内，减小空程间隙；机构传动间隙越大，带来合闸弹跳的可能性就越大，同时机构的可靠性降低。

　　6、真空断路器安装装配质量对弹跳的影响

　　开关安装装配质量是造成弹跳过大重要因素。提高真空断路器的装配工艺质量。装配合理，真空灭弧室不受到额外的力。调整导向装置的位置，使真空灭弧室动触头的运动轨迹与弧室的轴心在一条直线上，真空灭弧室动触头活动自如，无卡涩现象，确保真空断路器的各支撑部件的强度及相关紧固件不松动等。

　　7、机构稳定性对弹跳的影响

　　真空灭弧室的动、静导电杆材料是由无氧铜，起导通电流的作用，真空灭弧室触头材料大量使用的是铜铬合金。无氧铜材料导电性能优良但刚性较差，超程在前200次合闸过程中会变小导致触头压力变小。为确保机械特性稳定，真空断路器在出厂检测前进行300次的合分操作，使其动、静导电杆冷作硬化达到机械磨合的效果，这样就能确保出厂后的真空断路器特性稳定，超程稳定并不会再发生大的变化，通过机械磨合试验后触头材料平面度提高，这些都能降低合闸弹跳。

　　结语

　　如果弹跳时间控制在5 ms以下，对电寿命的影响是很小的。但是GB 50150 -2006《电气装置安装工程电气设备交接试验标准》中第12.0.5条测量合闸过程中触头接触后的弹跳时间，应符合下列规定：合闸过程中触头接触后的弹跳时间，40.5 kV以下断路器不应大于2 ms；40.5 kV及以上断路器不应大于3 ms。虽然不是强制性标准，但真空断路器制造厂在交接或验收时是否会受到验收人员的质问或在招投标中受到排斥？有些制造厂家为了体现其高参数甚至技术要求合闸弹跳小于1 ms。为了避免在供货验收或招投标时引起不必要的麻烦，依靠目前成熟技术和制造工艺通过调整真空断路器的合闸弹跳完全能达到GB 50150-2006《电气装置安装工程电气设备交接试验标准》的要求。

　关于真空断路器的介绍就到这了，希望通过本文能让你对真空断路器有更深的认识。

相关阅读推荐：真空断路器工作原理及作用 相关阅读推荐：真空断路器常见故障分析和处理办法