真空断路器的可靠性研究分析

雷元林+彭向阳

摘 要：真空断路器是供配电系统中一种重要的开关设备，其可靠性直接关系到供电质量及电力系统的安全运行。但在实际应用中，由于不能直接监视真空断路器的真空度，真空断路器易出现反弹、过电压过高及断弧后放电等问题，影响真空断路器的可靠性。据此，针对真空断路器的可靠性，文章首先介绍真空断路器的结构，然后再进一步探讨如何保证真空断路器的可靠性。

关键词：真空断路器；可靠性；开断性电流

引言

真空断路器是一种以真空为绝缘介质来分断短路电流的开关设备，其在供配电系统起保护与控制的双重作用，目前在中压开关领域占核心地位。鉴于真空断路器与供电质量直接相关，要求设法保证真空断路器的可靠性。其中，“可靠性”指的是真空断路器运行稳定、耐环境变化能力强及使用寿命长。据此，本文结合实践经验，浅析真空断路器及其可靠性。

1 真空断路器的结构

图1所示为VC1型真空断路器的结构图。

结合图1，真空断路器主要由真空灭弧室、操动机构、机械传动结构、绝缘拉杆、驱动器、断路器本体、导体及绝缘部件等组成。其中，真空灭弧室是在分断时承受触头端部的电压、熄灭大电流引起的电弧及分合正常电流；绝缘拉杆是在断路器闭合时向其触头提供压力，其内设碟形弹簧；驱动器的作用是检测信号及实现断路器的分、合闸。在实际应用中，真空断路器的可靠运行要求每一部分间保持良好的协作关系，任一部分故障都会影响到真空断路器的可靠性。目前，常用的真空断路器形式包括卧式、直动式两种。其中，直动式真空断路器将永磁机构与真空灭弧室的驱动杆设在同一直线上，并在中间设传动杆实现连接；卧式真空断路器分设操动机构和真空灭弧室，并在中间设拐臂、传动轴及连接固定件实现连接。与直动式相比，卧式真空断路器中连接杆与触头的垂直距离更短，因此在调节连接结构的同轴度上更方便。

2 真空断路器的可靠性

真空断路器在使用时易发生反弹、过电压过高及断弧后放电等问题，因此为了保证真空断路器的可靠性，采取下列措施：

2.1 开断低值感性电流

真空断路器的真空介质具有优异的熄弧性和超高的绝缘强度，但在开断低值感性电流时，却会产生过电压问题。在L与C的回路中，i0对应的能量反复以电能0.5Cu2和磁能0.5Li02交替转变，其中，L-导体与负载电感的总和，C-分布电容，期间产生的最大电压幅值Umax=i0，其中在不考虑损耗产生的截留过电压时，Umax=i0。据此，减小i0是降低Umax的唯一手段，则要求通过增加金属蒸汽压来增多弧腔内的导电离子和粒子。从技术的角度来看，优选触头材料是关键，而目前最佳的选择是Cr含量25-50%的Cr-Cu合金。研究表明，对于由这一类材料制作的真空断路器，其触头的截留值是3-5A，而其过电压的倍数≤2.5-3.0p·u（标幺值），因此不会危害中性点绝缘运行系统的设备，同时也无需另设过电压保护装置。

2.2 选用组合式避雷器

真空断路器开断机械性堵转或加速运行的电动机时，感性负荷电流的波动范围是几百安到上千安，而截断电流产生的过电压达49kV/1.61μs。在中性点不接地系统中，电动机还应考虑下列要点：一是在避雷器动作后，其无法快速向大地释放能量；二是在首开相不重燃及其余2相未分断时，开断负载电感储能仅能经过由对地分布电容与其余2相负载电感组成的回路实现高频电流放电，其中相间过电压是相地过电压的1.5倍。为了减轻相间过电压可能对电动机的危害，理论认为组合式避雷器是最佳的选择，同时还需留有串联间隙，以防在相电压作用下，泄漏电流过大而烧毁氧化锌电阻片。

避雷器包括4个组成单元，且每一单元都设有氧化锌电阻片和相同的火花间隙。在回路中，一旦出现由截留等所致的过电压，便会击穿火花间隙及放电电流从避雷器的组成单元经过，过电压能量快速消失。对于过电压幅值，强制要求其按Z分配。据此，在相间或相地支路中，电动机绕组的并联阻抗等于2Z，则可得相间过电压与相地过电压相等。观察发现，6.3kV电动机的组合避雷器出现爆炸事故的频率较高。

2.3 开断电容器组

通常而言，真空断路器应具有与开断低值小电感负载相似的特征，以保证开断电容器组无重燃。对此，要求优化灭弧室真空度、机械特性、磁场设计及触头合金等方面的参数。为了与一般断路器区别开，GB1984-2000和IEC62271-100用C1和C2来标识这一类断路器，其中C1是低重击穿概率；C2是极低重击穿概率。试验检测发现，现有的真空断路器完全满足C1与C2的要求，且无需另设过电压保护装置来防止在电流为630-680A时开断电容器组重燃。目前，普遍认为避雷器可抑制开断容性负荷所致的过电压，显然这一观点具有片面性。例如，在10kV系统的Y型接法中，倘若断路器在开断容性电流后首次重燃且高频电流过零熄灭，则电容器电压会在残存电荷的作用下升至额定电压的3倍，而其过电压能量可用下列方程式描述：

W=1/2C×[3×10/]2

式中，C是单相电容器组的容量。依据GB11032-2000可知，并联补偿电容器选用避雷器时，其2ms方波的耐受电流、残压分别是400A和21.0kV，且每一次释放过电压耗费16.8kJ的能量。令W=16.8，则得C=56μF。但GB1984-2000和IEC62271-100规定，方波电流流过避雷器的次数是18次，且每2次试验的冷却时间是50-60s，外加电容器电压的平方与过电压能量呈正相关，则当再次重燃时，避雷器根本无法承受过电压的能量。据此，避雷器仅能释放小电容器首次重燃产生的能量，以减轻第2次重燃对断路器造成的危害。

3 结束语

在中压开关领域，真空断路器的应用非常普遍，但鉴于其可靠性会影响到供电质量，则应通过优选制材、优化设计及严控产品质量来保证真空断路器的可靠运行。具体如下：一是改进制作触头的合金材料，以消除截留过电压对断路器的危害；二是优选避雷器，以释放截留过电压产生的能量，但对于质量较低的真空断路器，不得忽视截留陡度对其产生的不良影响。总之，社会经济的发展要求提高供电质量，而真空断路器的可靠运行是提高供电质量的重要手段，因此重视对真空断路器可靠性的研究具有现实意义。

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