从特点趋势探讨真空开关与柜型的设计思路

摘要：本文根据真空开关的发展趋势和特点，结合实际探讨了开发超特高压真空开关与中压双层柜型设计和真空开关弹跳/分合不同期/合闸功偏大对机构结构设计的一些思路，供大家参考。 　　 关键词：真空开关、真空断路器、双层开关柜、操作传动机构 　　 　　1．目前国际真空开关的发展趋势 　　 　　真空开关包括断路器、负荷开关和接触器。真空开关有优越的绝缘灭弧性能/寿命长/免维护/体积小，受到用户的喜爱，其发展劲头也是势不可挡。真空开关2004年已占我国中压开关市场的99%，世界市场也超过65%，2000年汉诺威世界工业博览会参展的中压开关产品均为清一色的真空断路器。国外大公司都已完成了从SF6到真空开关的产品转型。随着1997年联合国气候变化框架公约《京都议定书》的签定，SF6气体绝缘开关将受到环境保护的限制。[1] 　　 　　气体密封绝缘的致命弱点是要全天候的动态密封，用户要检漏补气维护麻烦，制造材料工艺要求又高，环保限制又来雪上加霜，看来气体绝缘也和油绝缘一样快走到尽头。机电行家都知道，最难做的产品是开关，特别是户外动态密封开关！气体绝缘开关虽然制造成本低，但维护成本高于真空开关。 　　 　　伴随着145kV/40kA单断口和800kV/40kA串联14断口高压真空断路器的诞生成熟和不断完善廉价，可以预言：真空开关以其优越的性能不仅能占领高压领域，还将进军超高压和特高压开关的行列，大有将来一统天下的趋势！应当把重点转移到真空开关上来。 　　 　　真空开关/柜结构的发展有几个方面值得注意：高压串联真空断口的出现已经指引了进军超/特高压的途径，解决了耐压和传动的问题，即断口串联和操作传动并联。看来就剩联合集中投资的意题了。 　　 　　中压真空开关采用了固体封闭绝缘，1998年又诞生了4工位真空灭弧室，使体积更加小型化，带来开关柜的小型化，可以降低产品制造/材料/存放/搬运/安装/电室建筑的空间/面积和成本，也给柜型设计带来广阔的空间。 　　 　　目前12kV真空开关柜倾向于中置柜型，其空间仍有富余。在更加小型化的将来，发展双层回路组合柜型是一大优势，可以减少售价和一半空间。固体封闭绝缘给柜内短路故障的减少带来了福音，也给柜型的空间组合，是否保留泄压通道提供了方便。当然双层柜要想设计的好，能兼顾各种方案和进出线也是不容易的。现有的双层柜从方案系统结构灵活方便适用来讲并非很理想，体积也偏大。开关柜最难和最精彩的就是全套方案组合型的系统设计。真空开关与柜应该在小型化方面做更多的文章。 　　 2.真空开关的一些特点 　　 　　真空开关对设计影响最大的特点就是免维护/体积小/开距小，有截流过压/弹跳/重燃/分合不同期/合闸功偏大造成合闸速度低[2]等。弹跳和合闸功偏大问题最多，应该都是结构设计的问题。例如：南方某日资厂成批的真空开关出现弹跳超限影响交货，ZN28类型结构的开关容易发生弹跳，国外ABB/西门子/东芝/三菱等公司的真空开关都有弹跳。 　　 　　合闸功偏大造成合闸速度低的问题，主要是由真空灭弧室自闭力和分闸防重燃的油缓冲弹簧力与所配操作机构的复位力引起。真空开关的特点不像油/气开关在分闸位置能放松分闸弹簧，而是要由分闸弹簧来克服灭弧室自闭力和油缓冲弹簧力与操作机构的复位力，才能将动触头拉到分闸位置。这就提高了分闸弹簧的起点拉力，水涨船高，分闸弹簧在合闸位置的拉力也提高了。即增加了合闸功，也降低了合闸速度，最终导致操作机构大型化[2]。例如：南方某厂引进日本真空断路器国产化后，分合速度均不能同时达到要求的上限值，成剪刀差。ZN28类型的开关都要加大操作机构功率。此类问题普遍存在，分闸弹簧设计的好能接近上限值，都难做到游刃有余。 　　 　　3．真空开关与柜的设计思路探讨 　　 　　要发挥真空开关的长处，解决短处，有以下设计思路： 　　 　　应当争取先机加快投入高压和超/特高压真空开关的研制开发。 　　 　　中压真空开关的小型化有利于发展双层柜，模块化。可有单母线型/单母线分段型/双母线型等结构以适应不同用户，方便双电源母线双回路布置切换接线，变原来双排柜布置为单排柜上下层布置。也使中压自动转换开关单元能够实现（或用单层单车双断路器式，也可以单车双断口串联连锁操作式）。双层柜的门可以做成下翻斜拉托板式，门内有导轨，用来承放拉出的手车，可以省去专用支承车。还可以借用关门的杠杆力作用推进手车。手车结构体积的改良有决于灭弧室的袖珍化。还要解决封闭绝缘的散热问题。要想设计的实用完美是要花一番功夫的，这是一块未尽可塑的天地，极任设计师尽情发挥游龙飞天。 　　 　　分合不同期超限的问题，除了调整不当以外，主轴过长也有影响，小型化后会迎刃而解。 　　 　　弹跳超限的问题，主要有操作机构过冲引起和开关死区设计不合理。笔者曾经在ZN28开关和操作机构上做过改进，弹跳消失为零。 　　 　　针对真空开关合闸功偏大的问题，笔者找到一种解决办法：可以采用传动省力机构，类似晶体三极管放大器，暂叫它“机械三极管放大机构”。必要时可用二级“三极管放大机构”，能大幅度减小操作功！对真空开关的机械特性和特点来讲是最合适不过了。目前国外开关还未见采用，在开关的很多地方只要条件合适都可以应用。SF6气体开关采用的是自能式省力机构，但只限于中小容量的开关。 　　 　　我国真空开关/柜的发展和其他产品一样，离不开国人用户以民族大义的支持，否则国企资金难以积累投入开发，民族工业何以立林。 　　 　　以上浅见为引玉之砖，供大家参考借鉴指正。 　　 　　参考文献 　　 　　[1]《高压开关行业通讯》［J］2006-3期 　　 　　[2]谈真空开关与操动机构的配合问题.王强.《电气开关》［J］2003-4期