近年来随着世界各国对环境保护越来越重视，SF6气体的使用和排放便受到限制，从而使电器领域内SF6断路器的发展也必将受到限制。同时，真空断路器在中压领域己经占据了主导地位，真空断路器将不断向高电大容量方向发必然的趋势绝缘介质的压线断路器是种国内首次设计了不用SF6气体作灭弧室外嚷提出以绝缘硅脂代替kV/1600户外高压真空断路器样机，顺应环保的要传统的SF6气体或油作为真空灭弧室的外绝缘介质。
毕 业 设 计 题 目： 高压真空断路器的设计 系： 电气与信息工程系 专业： 电气工程 班级： 学号： 学生姓名： 导师姓名： 完成日期： 20XX年X月 诚 信 声 明 本人声明： 1、本人所呈交的毕业设计（论文）是在老师指导下进行的研究工作及取得的研究成果； 2、据查证，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，毕业设计（论文）中不包含其他人已经公开发表过的研究成果，也不包含为获得其他教育机构的学位而使用过的材料； 3、我承诺，本人提交的毕业设计（论文）中的所有内容均真实、可信。 作者签名： 日期：20XX 年 X 月 X日 目 录 高压线 HIGH-VOLTAGE VACUUM CIRCUIT BREAKER 2 第1章 绪论 3 1.1 真空断路器的现状及其发展 3 1.1.1开发低过电压触头材料，降低截流水平 4 1.1.2大容量化 5 1.1.3采用先进的一次封排工艺，提高产量和质量 5 1.1.4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 5 1.1.5向少维护方向发展 6 1.2 真空断路器的应用运行及其特点 6 1.2.1概述 6 1.2.2 线章:设计的基本任务及要求 13 2.1主要技术参数 13 2.2 基本任务及要求 13 第3章:设计过程 14 3.1 线 3.2.3导电系统 21 3.2.4排气管 21 3.3触头设计 22 3.4动、热稳定验算，温升验算 24 3.4.1温升验算 24 3.4.2动、热稳定性验算 25 3.5绝缘结构分析 26 3.5.1额定绝缘水平及绝缘强度 26 3.5.2额定电压及最高电压 29 3.6操动机构选用及有关计算 29 3.6.1对操动机构的要求 29 3.6.2操动机构的比较和选用 30 结束语 38 参考文献 39 目 录 摘要 1 ABSTRACT 2 第1章 绪论 3 1.1 真空断路器的现状及其发展 3 1.1.1开发低过电压触头材料，降低截流水平 4 1.1.2大容量化 5 1.1.3采用先进的一次封排工艺，提高产量和质量 5 1.1.4缩小灭弧室管径 6 1.1.5向少维护方向发展 6 1.2 真空断路器的应用运行及其特点 7 1.2.1概述 7 1.2.2 线章:设计的基本任务及要求 14 2.1主要技术参数 14 2.2 基本任务及要求 14 第3章:设计过程 15 3.1 线 3.2.3导电系统 22 3.2.4排气管 23 3.3触头设计 23 3.4动、热稳定验算，温升验算 26 3.4.1温升验算 26 3.4.2动、热稳定性验算 27 3.5绝缘结构分析 27 3.5.1额定绝缘水平及绝缘强度 27 3.5.2额定电压及最高电压 30 3.6操动机构选用及有关计算 30 3.6.1对操动机构的要求 31 3.6.2操动机构的比较和选用 31 结束语 40 致 谢 41 参考文献 42 附 录 43 高压真空断路器 高压真空断路器 高压真空断路器 摘要：近年来随着世界各国对环境保护越来越重视，SF6气体的使用和排放便受到限制，从而使电器领域内SF6断路器的发展也必将受到限制。同时， 真空断路器在中压领域己经占据了主导地位，真空断路器将不断向高电大容量方向发必然的趋势绝缘介质的压线断路器是种 国内首次设计了不用SF6气体作灭弧室外嚷提出以绝缘硅脂代替kV/1600户外高压真空断路器样机，顺应环保的要传统的SF6气体或油作为真空灭弧室的外绝缘介质。 真空断路器的成功研制将是环保型真空开关由中跨向高压领域的关键一步，对高压真空断路器的发展有着重要意义本文首次将ADAMS虚拟样机技术成功地应用于高压真空断路器产品开发，打破了传统的断路器产品设计方法，建立了715kV真空断路器虚拟样机模型，在物理样机制造之前就在计算机上对虚拟样机模型进行了仿真分析，为改进、It化其关键参数提供了引导，有效地缩短了开发时间和节约开发成本。 随着真空断路器电压等级的升高和它操作功的增大，产品开发过程中将会遇到一些新问题。1997年联合国在日本京都召开了联合国气候变化框架公约。京都议定书把SF6气体列入为一种严重温室效应的气体，规定到2030年后将禁用SF6断路器及有关应用SF6气体的设备。最近几年来世界各国均在致力于研究可替代SF6气体的电气设备，包括SF6断路器。而真空断路器是无污染可持续发展的最杰出代表。我国真空断路器水平和国外真空断路器还有很大的差距，在国际的市场，国内的市场竞争中处于劣势。为了我国电气的生存和发展我们的必须严肃对待真空断路器的研究。 本文主要设计内容是以给定的主要技术参数，以ZN型真空断路器为参照，设计一台真空断路器并进行有关验算。 [关键词]高压真空断路器 High-voltage Vacuum Circuit Breaker Abstract：Recently, people pay more atention to human living environment in theworld, and SF6 is limited to be used and be let out, so the development of SF6circuit breaker is restricted. On the contrary, middle voltage vacuum circuit breaker (VCB) has bzen highly developed, and VCB with high voltage and largecapacity has become considerably interested in the world, so it is predictablethat VCB would certainly be instead of SF6 one in future. In this paper, it is thefirst time to develop a new HVCB without SF6 in our country, which ratedvoltage, 72.5kV rated current, 1600A. It is important to develop the VCBsuccessfully in the high voltage field in China.The virtual prototype technology-ADAMS is applied firstly to developHVCB product, which is diferent from traditional designing method. With thehelp of the ADMAS software, the virtual prototype model of the VCB is built,then is simulated and analyzed by choosing diferent breaking and closingcondition before the real VCB is manufactured. It is convenient to modify andoptimize the VCB＇s key parameters by means of ADAMS, so it saves the periodand cost of the VCB＇., development validly.A lot of new problems would come up during the development of highvoltage VCB. The impact phenomenon between VCB＇s mechanistic parts isfound while VCB is breaking. This paper analyzes the reasons of impactphenomenon, and put forward a measure on how to reduce efect of the impactphenomenon. based on ADAMS＇s simulating, this paper gives out all theinformation on VCB＇s moving character, and bring forward innovatively thatVCR＇s breaking could be divided into four successive phases.The high voltage insulation is one of key problems in this paper. Theelectrical fields of vacuum interrupters and insulative links have been calculatedwith the help of ANSYS software, of which VCB＇s insulative character wasdesigned on the basis. At last, some experiments have been done to verify thecalculation. 高压真空断路器 [Keywords ] High-voltage Vacuum Circuit Breaker; Virtual Prototype Technology; Moving Character; Insulative Character 高压线 真空断路器的现状及其发展 根据真空断路器国外发展的趋势、国内技术现状和我国国民经济发展 的需要，在我国发展高压真空断路器是必要的。 首先，从环保的角度考虑，高压线断路器是高 压断路器发展的一种方向。SF6气体在20世纪40年代起就被研究，由于SF6气体具有特异的热化学性和电负性，因而其绝缘性能和灭弧性能也特别好，被广泛用作高压开关设备的绝缘和灭弧介质，并于1959年推出第一台实用的SF6断路器，目前它已成为断路器的主要品种。由于SF6断路器的结构简单、技术经济指标先进等原因，SF6断路器已经在高压及超高压领域(即72.5kV及以上电压等级)内几乎占据了所有的份额，还制成大量的SF6气体绝缘开关设备(GIS)，因此SF6气体的使用量在不断增加。SF6气体是世界上最不活泼的著名气体之一，在大气中的寿命也最长，约为3200年，因此也是最主要的地球温室效应气体之一。目前以GWP值(Global Warming Potential,全球温暖化势位，或称全球升温潜能值)来描述气体对地球温室效应所起作用的强弱。以二氧化碳(C02)的GWP值为1,则SF6气体的GWP值为23900，是目前看到的最高值，显然SF6气体是最严重的温室效应气体。虽然目前SF6气体的使用量与CO:排放量相比所占的比例很小，各种气体对温室效应的作用仍以CO:所占的百分比最大(约为60 )，但SF6气体对地球温室效应的潜在危害是最大的。 为此，从全球环境保护出发，1997年联合国在日本京都会议上提出了决定草案，即《联合国气候变化框架公约京都议定书》(简称《京都议定书》181)，在该议定书附件A中，列出了六种温室效应气体:二氧化碳( C02 ).甲烷(CH4 ),氧化亚氮(N02).氢氟碳化物(HFCS)、全氟化碳(PFCS ).六氟化硫(SF6);并列出了与这些温室气体相关的部门类别和相应的产业，其中能源工业和制造工业、六氟化硫的生产和消费等均在指名之列。《京都议定书》规定2008年至2012年为第一个排放量限制和削减承诺期，在附件B中列出了有关缔约方的排放量限制或削减承诺(以1990年为基准年，对于SF6等后3种气体则以1995年为基准年)。我国政府也明确表态，中国决心和国际社会一起努力保护我们共同的环境，已于2002年8月30日正式向联合国递交了对《京都议定书》的批准书。目前SF6气体的应用主要在高电压电力设备中作为绝缘和灭弧介质。《京都议定书》对SF6气体的限制使用，应引起我们足够的重视。早在十几年以前，电器工作者就己开始了有关SF6气体替代品的研究，但至今尚未找到满意的替代品。曾广泛开展了混合气体应用的研究，现在也已有了明确的结论，即对于SF6断路器来说，采用混合气体并没有好处，随着 高压线气体使用量所占比例的减少，则开断性能(灭弧能力)也相应下 降。从绝缘性能方面，则采用混合气体有一定好处，现己开始采用N2/SF6混合气体，甚至N:占到80%时尚有较好的绝缘性能，这样在绝缘介质中可大量减少SF6气体的用量。从环保要求，今后不应进一步发展SF6断路器，而应该以其他绿色环保型的断路器来代替，只有目前仍无法取代的超高压断路器仍可采用SF6断路器外，应逐步减少SF6断路器的产量;同时积极发展高压线其次，从国内需求情况和经济效益来看，发展高压真空断路器有着现实的意义。从目前我国电力系统中高压断路器运行的情况来看，少油断路器的设计达不到开断容量的要求，而电网短路容量的不断增长，少油断路 器已不能满足电网的需要[9]. SF6断路器虽然能满足要求，但不能符合环保要求。虽然高压真空断路器一次投资价格稍贵一点，但是全面地从环境保护的经济效益角度考虑是可取的，而且真空断路器平常不需要维护检修(根据日本的运行经验，用于电气化铁道和电弧电炉的真空灭弧室己能确保在额定电流下操作100万次不需维护检修〔10]，短路开断次数远远大于少油和SF6断路器，还具有寿命长，无爆炸危险等等优点。 本文上节在国内情况中已经提到我国在制造真空灭弧室和真空断路器 以及真空电弧理论研究方面都取得了很大的成绩，在此基础上发展高压真空断路器也是合理和可行的。 20世纪20年代提出真空开断电流的概念后，到60年代才得到突破， 制造出真正意义上的真空断路器并投入使用，此后便得到蓬勃发展，现也己成为断路器的主要品种之一，但目前主要应用在40.5kV及以下电压等级，更高电压等级的真空断路器还未正式投入应用。真空断路器对环境污染最小是符合环保要求的产品。日本在十几年前己制成84kV-168kV单断口的线kV等级有实际产品外，于技术和经济等方面的原因，更高电压等级的真空断路器并没有实际产品和应用。 近年来，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。 1.1.1开发低过电压触头材料，降低截流水平 众所周知，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 高压真空断路器 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。因此低过电压线大容量化 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。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常纵磁场时，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。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。 触头材料还在不断发展，在CuBi和CuCr之后又出现了更好的CuTa等材料。 1.1.3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线年代初，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。 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。国内宝光集团现已具备年产 高压线缩小灭弧室管径 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。 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。 1.1.5向少维护方向发展 由于对操动机构的不断优化、改进材料、改进工艺、减少调节环节等都可以达到提高寿命的目的。 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。 真空灭弧室对外部作用具有良好的保护性。其壳体主要由氧化铝陶瓷制作。由于它经受了高温预处理，不受温度变化的影响。 真空断路器在我国已经得到广泛应用。特别是在中等电压领域里，真空断路器已占有明显优 势。国内市场，ZN—28系列真空断路器以其领先的技术与高可靠性，已成为生产单位产量最 大和系列最全的真空断路器。但还缺少大容量品种，对中等电压真空断路器的应用范围将受 到一定限制，因此很有必要开发10kV系列真空断路器的大容量规格以进一步完善化。目前已 完成额定电流4000A、额定开断电流50kA的真空断路器。今后将继续研究试制更大额定电流 和更大额定开断电流的10kV电压等级的真空断路器。 为了适应大容量发电机组保护用的断路器，我国正在开发额定电压24kV、额定电流12500A和 额定开断电流125～240kA的真空断路器。 此外，我国在完成户外额定电压110kV、额定电流1250A和额定开断电流31.5kA的基础上 ，将继续开发额定电流更大、额定开断电流更大的110kV户外线kV 电压等级的户外真空断路器。 高压线 真空断路器的应用运行及其特点 1.2.1概述 将各种电力开关设备进行综合比较后发现, 真空开关是电力系统中用途最广的，随着电力工业的飞速发展，输、变、配电技术水平越来越高，用电的安全可靠性等要求也越来越苛刻，这就要求断路器适应不同场合、不同要求的用电需要，同时还能适应长时间运行、频繁切合操作循环与切断大电流的要求。 2002年,在12kV电压等级断路器中，线%的市场份额，比上年的90.16%增加了2.11%；SF6断路器占7.27%，比上年的9.13%下降了1.86%，少油和多油断路器仅分别占0.32%和0.14%的市场份额，均比上年的1.99%和1.20%下降。这一变化走势，与前几年的情况相类似。数据表明，真空断路器在中国市场上已完全占据绝对主导地位。据推断，其市场份额还会继续增长。中国的中压开关即将完全走进无油化时代。 线 kV断路器的主导产品，将继续朝着小型化、高可靠性、少维护的方向发展。在断路器的结构设计方面，有更多的产品采用本体与操动机构一体化的设计方案。在断路器本体极柱方面，目前大部分的极柱均为装配式。随着真空技术和嵌入技术的发展，ABB率先将免维护的真空灭弧室直接浇铸在环氧树脂中，形成一个独立的断路器极柱。这种型式的断路器，使真空灭弧室和其他导件与外界环境完全隔离，避免外力和外界环境对灭弧室和其他导电件的影响，增强了外绝缘强度；而且浇铸式极柱大大减少了手工装配工作量，最大限度减少极柱装配过程中可能出现的误差，从而使断路器的安全可靠性得到进一步的提高，真正实现极柱的免维护。操动机构方面，在ABB率先推出永磁操动机构，但大部分客户对此持观望态度。永磁与弹簧操动何以为佳？各自更适合于何种应用场合？如此等等，仍是一个值得继续探讨的话题。 随着国民经济的发展和人民物质文化生活水平的不断提高，人们对电力需求愈来愈大，促使电力事业迅速发展。电网不断扩大，用户对供电质量和供电可靠性要求越来越高。电力法的公布和贯彻执行，更要求电力供电部门提供安全、经济、可靠和高质量的电力。 90年代以前，我国的配电网很薄弱，10kV配电网大部分采用放射形供电，可靠性差，配电设备比较陈旧，大多是不可遥控的。配电网运行状态监测设备少，信息传输通道缺乏，因而信息搜集量少，这些导致事故处理自动化程度低，处理时间长，事故后恢复供电慢，一些地区发生电网事故，导致重要用户停电。除了某些认为的因素以外，电气设备水平低、电网结构薄弱、可靠性低，是其主要原因；自动化程度低、管理不善也是重要原因之一。这是因为长期以来配电网的建设未得到应有的重视，建设资金短缺，设备技术性能落后（以往我国发电和配电投资的比例为 高压线，大大落后于先进国家的1：0.6——0.7的投资比例），造成在配电网上投资欠帐太多，其薄弱程度大大超过输电网。 90年代以来，我国电力工业的发展迅速。借鉴国外的经验，各电力公司竞相加大了配电网的投资力度，其主要目标是实现配电网自动化，以确保提供给用户的电能质量满足要求。目前，随着计算机及通信技术在我国的广泛应用，电力系统的控制保护技术也发生了重大变化。传统的模拟式信号测量、传输，发展为数字式遥测、光纤传输。现在，通过计算机可以方便地进行监测、通讯和数据存储，实现了电力设备的操作、运行和保护的智能话。微电子、微处理技术与开关设备相结合，能充分发挥微电子、微处理技术对大量信息存储、适时判断、快速反映等特点，使开关设备能适时根据电网的参数变化动作，使一次设备的保护更加完善可靠，并减少维护工作量，且有利于实现遥信、遥测、遥控、遥调。以上这些技术都为我国配电自动化的迅速发展提供了良好条件。 我国城市建设的规模和经济的发展对配电网提出了较高的要求，配网自动化发展呈现以下趋势： （1）配电一次设备选择应符合当前配电网形势要求，具有高度可靠性和优越的技术性能。尤其是对配电网开关的要求是不燃烧、高可靠和无油化。目前在中压开关领域主要以线kV级，线kV级真空开关占绝对优势。开关设备的操动机构及内部结构适应于户外运行条件，做到不检修周期长，设备运行可靠，这样才能大大减轻运行人员的劳动强度和维护费用。 （2）二次保护和控制设备应具有高可靠性，很强的抗干扰能力和电磁兼容性，适合户外高温和瓷温等较为严酷的运行环境。 为了适应电力系统的上述要求，电器设备除了一直向着大容量、智能化、组合化、小型化的方向发展外，一次设备的高可靠性仍然是电器设备最重要的根本问题和追求目标。断路器作为电力系统终端设备之一，起着保护作用，其可靠性和智能化的水平对电力系统的稳定和自动化程度将产生深远的影响。作为中高压电器最重要的设备之一，断路器的可靠性一直受到用户和生产制造企业的关注。目前，中高压以上断路器都是有触点机械式开关，灭弧室本体和操动机构的可靠性就成为高可靠性的关键。为了提高可靠性，各大公司及研发制造单位都下了很大的力量，从产平结构、材料和生产工艺等各方面来保证可靠性的提高。 在配电和供电系统中，由于断路器的使用量大面广，操作频繁，可靠性和免维护要求更高，因此可靠性的研究开发一直在不断地进行着。 高压真空断路器 作为中压开关的主流产平，真空断路器提高可靠性并达到免维护的途径应从其具有的基本功能和运行条件综合考虑，主要有以下几个方面： 1.高可靠的开断性能。开断能力是断路器最重要的性能之一，因此在灭弧室的开断性能方面做过大量的研究工作。对于真空断路器，经过改进真空灭弧室触头结构，从平板触头到横磁场触头到纵磁场触头，使得电弧在触头表面不再聚集而呈扩散形态，触头整个表面均匀受热，防止了局部过热。这样，触头表面烧损更小，大大提高了开断电流和触头寿命。研究开发新的材料，采用CuCr触头材料，改进触头制造工艺，进一步提高灭弧室性能。采用先进的一次封排工艺，除气彻底，灭弧室寿命长，提高了灭弧室的可靠性，稳定性和一致性。经过多年的不断研究和开发，目前，真空灭弧室的开端容量和开断能力不断提高。 2.高可靠的机械性能。按结构，断路器分为操动机构和开关本体俩部分。数十年的断路器发展历史表明，操动机构对断路器的发展有着极大的影响。断路器的动态性能与所采用的操动技术有很大关系。由于传动操动机构零部件数量多，传动关系复杂，虽经长期的研究改进，多年的运行经验表明，操动机构、电气控制和辅助回路的故障率仍占断路器故障的很大比重。从国际、国内的统计数字来看，断路器的故障中，机械故障占大多数。国际大电网会议组织的国际调查表明，机械故障高达总故障的70.3%，如包括辅助电器和控制回路，则为89.4%，成为断路器可靠性的关键问题。因此，在断路器向高电压、大容量、高可靠性发展的今天，为了满足电力系统对高可靠性的要求，在致力于提高传统操动机构性能、质量和可靠性的同时，也有必要突破传统意义上的机构动作原理，研制和发展新的断路器操动机构。 可靠性的高低和零部件数量的多少有直接关系，减少零部件数量将明显提高断路器的可靠性。因此，论是改进提高传统操动机构的性能和质量，还是研制新型操动机构，提高可靠性的理论依据首先应为简化机构结构，减少零部件数目。 3.高可靠的绝缘性能。断路器的绝缘性能要考虑工作电压下长期运行和由于各种因素产生的过电压情况。由于电气设备小型化的要求，使得绝缘结构的设计在首先满足绝缘性能要求的前提下，采用优化电场结构、利用高性能的绝缘材料等，达到绝缘高可靠和小型化的目的。 4.高可靠的环境耐受能力。断路器在周围环境各种条件作用下都应可靠工作。这些条件主要有海拔高度、环境温度、空气湿度、污秽等的影响。在高海拔条件下，由于大气压力低，空气稀薄，耐压水平降低，散热也差，允许通过的电流应该减小一些。温度过低会使各种润滑油的薪度增加，影响开关电器的分、合闸速度:温度过高，可能造成导电部分过热等。对此国家标准都有相应的规定。另外，还要考虑湿度和污秽的影响。湿度很大，容易引起金属零件锈蚀，造成开关拒动 高压真空断路器 ;绝缘件表面凝露、受潮，绝缘性能下降。沿海地区和重工业集中地区，空气中污秽严重，容易导致绝缘表面的污闪事故。另外，还有振动等影响因素。因此，断路器根据使用环境不同和用户使用要求，要能够满足环境方面的要求。 5.智能化和高可靠的_次控制部分。为了满足配网自动化的要求和开关电器智能化的发展，断路器的二次系统越来越多地采用电子设备和元件，电子控制系统的电磁兼容性能也受到了极大的关注。为了保证二次控制部分的可靠性，控制单元的设计应完整正确，应对电子元器件进行优化选择和筛选，制作工艺精良，应采取有效的抗干扰措施，调试应严格细致等。最后在电磁兼容性能方面应按国家标准要求通过各项试验。 1.2.2 真空断路器结构特点 真空断路器是指断路器的主触头置于真空灭弧室内，触头的开断与闭合均在高真空度的环境中进行。所以真空断路器的结构，实为真空灭弧室的结构。 ①触头： 触头的结构和大小是影响断路器开断能力的重要因素。真空灭弧室的触头，一般采用对接式，但对接式触头易产生触头弹跳现象，因此需要提高触头的初压力，以减少触头的弹跳(其弹跳时间不允许超过2ms)。为了克服短路电流的电动斥力，触头还必须具有足够大的终压力。常用触头材料有铜铋合金、铜铬合金、铜铋铝合金等，而触头表面(跑弧面)则采用纯铜或铬铜。 触头的形式有园盘式和磁吹式两种。触头的开距，10kV一般为10～16mm，35kV一般为24～40mm。 ②屏蔽罩： 屏蔽罩是包围在触头周围的金属圆筒，它的作用是吸收燃弧过程中放出的金属蒸汽和金属液滴，防止其返回触头间隙引起重燃，和防止沉积到绝缘外壳表面引起的外壳绝缘强度降低。 真空灭弧室的屏蔽罩通常是和动、静触头绝缘的，可防止真空电弧由触头表面转移到屏蔽罩上，从而防止因电弧在屏蔽罩表面燃烧导致开断失败。屏蔽罩绝缘固定时，屏蔽罩还有均压作用，可改善真空灭弧室的绝缘特性。 ③波纹管： 波纹管是真空灭弧室重要的部件。利用波纹管的纵向可伸缩性，从真空灭弧室外部用机械方法使内部的触头运动，而又不破坏外壳的气密性。波纹管是真空灭弧室中唯一的需要大幅度运动的机械变形的元件，容易因疲劳损坏。真空灭弧室中常用的是壁厚为 高压线mm的液压成型或机械滚压成型的波纹管。一般使用的材质为铬－镍－钛不锈钢。 在真空灭弧室中，波纹管外部为真空，内部为大气，波纹管的内外存在一个大气压的气压差。在此压差的作用下产生一个将动触头压紧在静触头上的力，称作触头自闭力。 ④绝缘外壳： 真空灭弧室的绝缘外壳常用材料有玻璃或高氧化铝陶瓷。玻璃外壳的强度低于陶瓷外壳，且加工精度较低，但价格低，玻璃外壳真空灭弧室适用于开断电流较小的断路器。陶瓷外壳则可用于所有的真空断路器。 真空灭弧室的真空度： 真空灭弧室真空度过低时，真空灭弧室的绝缘性能及开断能力都将严重恶化。真空度过高时，真空灭弧室的特性基本不随真空度的变化而变化，为了确保真空灭弧室的可靠工作，要求线Pa，一般的线Pa之间。 为了使真空灭弧室具有足够的真空度，且在运行中保持真空度不变，因此，要求真空灭弧室的外壳不漏气和内部零件不产气。为了保持高的真空度，不少真空灭弧室内装有吸气剂以吸收真空灭弧室在储存和运行期间内部零件释放出的气体。 检验真空灭弧室的真空度，一般采用工频耐压试验法，为了提高检验的准确度，还可采用专用仪器即磁控线真空断路器的发展趋势 真空断路器正向高压、大容量方向发展。通用电器公司1980年生产出186kV开断电流为40kA的双断口线kA的单断口真空断路器；东芝公司根据国内外市场的需要，于1987年在日本首次研制出145kV、开断电流为31.5kA的单断口线kV双断口真空断路器已开始取代同时代同等级少油断路器。 首先,触头结构的改进是真空断路器技术发展的最积极因素之一。在日本首先发明了纵磁场触头，开始为线圈型，后来出现了多种结构形式。西门子公司开发的是杯状纵磁场触头，用的最多的是线圈型纵磁场触头和杯状纵磁场触头。 与横磁场触头相比，纵磁场触头在直径相同的条件下，具有大得多的开断能力。在开断电流相同时，纵磁场触头的电腐蚀速度比横磁场触头小得多，因而其电寿命比横磁场触头长得多，同时在开断短路电流后，其触头表面比较平整光滑，所以触头间隙的耐压强度高。 高压真空断路器 东芝公司采用纵磁场触头后，开发出开断能力100kA的真空断路器，实验室中已成功开断了200kA。西门子公司已将63kA真空断路器商品化，还用三台63kA真空断路器并联作为发电机保护断路器，其额定短路开断电流为63kA额定电流为12kA。 真空断路器的发展明显趋向于大容量、高电压、低过电压和小型化，而其触头材料是保证这种发展的一个重要因素。通常要求触头材料要开断容量大、耐压强度高、截流水平低、电磨损率小、抗熔性能好等，但还没有一种材料能同时满足这些要求。一些公司采用铜铬合金做触头材料，铜和铬的蒸气压力差别极小，因此在电弧作用区域不会发生材料成分的明显变化。铜和铬在电弧作用下的熔化基本上具有平整形状，它们的平滑熔化区慢慢变硬而不会由于出现凸出部分、陷口和裂纹而发生畸变。由于触头表面平整，触头间隙才可能足够短，触头材料的容积也可能趋于最小（因为大量触头蒸气材料沉积在另一个触头上并可重新利用）被熔化的平整表面很快地硬化保证了开断电流之后电气强度的迅速增大。铬含量增加可以防止触头熔焊。西屋公司和西门子公司都采用铜铬合金做触头材料。西门子公司用烧结浸渍法和电弧熔炼法制造触头材料。西屋公司用的是混粉法。铜铬合金触头加上纵磁场可大大提高真空断路器的开断容量，铜铬触头材料的性能目前仍处于领先地位。东芝公司也早已采用了性能优异的铜铬触头材料和纵磁场触头，从而使电弧在开断大电流时由集聚型转变为扩散型，大大提高了真空断路器的开断能力。 其次,在触头材料方面，外国在继续寻找和开了新的材料。应该指出的是，目前在国外所开发的触头材料中，还没有一种能同时满足所有要求（开断容量大、耐压强度高、截流水平低、电磨损率小、抗熔性能好等）的万能性触头材料。这些材料多半是加入某种成分，使得某种参数改善，但其它参数却变坏。例如，加进铋可减少截流和熔焊程度，但同时会降低电气强度，还会明显降低开断能力。加进大量的铁和铬，会大大增加耐电气腐蚀性，提高开断电流和电气强度，但同时增大的平均电阻，并继而使得额定电流通过时真空灭弧室的温升提高。 再者,真空灭弧室是真空断路器的心脏，真空断路器的可靠性在很大程度上取决于真空灭弧室的可靠性，因而真空灭弧室的制造技术至关重要。 真空灭弧室的外壳过去多采用玻璃材料制造，造价较低。目前在国外，一般都采用陶瓷外壳，多数是高铝陶瓷。它最大能承受1600的高温，其熔点为2030，耐压强度高。金属封接材料采用与陶瓷热膨胀系数十分接近的FeNiCo合金。陶瓷焊接面是经MoMn化学结合法形成陶瓷金属化层，用熔化温度为779的AgCu28作为焊接材料，在真空中进行钎焊，也可在惰性气体中进行焊接。德国AEG公司在制造过程中采用的钎焊工艺，是在钎以前，把一种特殊的金属镀层应用到高纯氧化铝陶瓷上，这种镀层要在 高压线℃以上的氢气中经过烧结热处理。 真空灭弧室的触头材料也与制造技术密切相关，现在铜铬合金触头材料仍为真空灭弧室采用的最好的触头材料。 真空灭弧室的屏蔽罩一般采用中封式结构，它改善了电场分布，提高了绝缘强度。 最后,波纹管的制造技术对灭弧室的机械寿命也很重要。世界各公司都在不断改进波纹管的制造工艺，提高其寿命。西门子公司对每批波纹管抽一定数量进行寿命试验，试验不合格就不能投入生产线，还要检查波纹管的壁厚，壁厚不均匀的波纹管也不能使用。波纹管一般选用不锈钢材料，日前有成型波纹管和焊接波纹管。成型波纹管用于真空断路器中。焊接波纹管伸缩行程在、寿命长、体积大、造价高，多用于真空接触器中。英国对波纹管的试验研究表明，增加波纹管的波纹数并不能有效地延长波纹管的使用寿命。波纹管的设计应满足使波纹管操作行程比率和波纹管的伸缩长度比率为0。3~0。4。西门子公司在真空断路器灭弧技术中采用了等离子技术，以减少触头表面的烧损和磨损，这样使真空灭弧管发生故障的平均时间为25年。 对真空灭弧室进行高压老练，可以除去触头表面的微粒。其机理是利用场致发射作用，蒸发除去触头表面细丝或针状物。一般老练电压为30~100V，电流为几百安。 高压线章:设计的基本任务及要求 本课题主要设计内容是以给定的主要技术参数，以ZN型真空断路器为参照，设计一台真空断路器并进行有关验算。 2.1主要技术参数 额定电压：10kv ;额定电流：630A ;额定频率：50Hz ;合闸电压：220V ；外形尺寸：800*850*590 ；安装尺寸：700*800 ； 2.2 基本任务及要求 1） 线） 动、热稳定验算，温升验算 5） 绝缘结构分析 6） 操动机构选用及有关计算 7） 真空断路器总装配图设计，零部件图设计 8) 编写设计说明书 高压线 真空灭弧理论研究 随着真空技术和材料工艺等的日趋完善，真空断路器也得到迅速发展，并且成功地被应用于电力系统。 在真空中开断电流有很多优点： 分断时不需要外加气体或液体灭弧介持，真空是不可燃的，也不放出火焰或气体，无火灾或爆炸的危险； 触头的电气寿命长； 有较大的开断能力，开断近区故障时不需要并联电容器或电阻 真空中介质强度高，触头开距很小，故操作功小。 3.1.1线.真空中的电弧电压和伏安特性 扩散型真空电弧的电弧电压低，一般在40V以下。其波形是在直流电压上叠加一个数千到数兆赫的交变分量，当电弧电流超过1kA时，交变分量的幅值可达5-6V。扩散型电弧电压的平均值取决于阴极材料，材料的沸点与导热系数的乘积越小，电弧电压就越低。这是因为材料沸点越低，在较低的温度下就能产生足够的金属蒸汽；导热系数小，热量散失得少，阴极表面的温度就高。两者的乘积小，输入较小的能量就能产生足够多的金属蒸汽，因而电弧电压就低。 如前所述，高气压电弧的伏安特性是负特性，但是，真空电弧的特性却是正特性，即随着电流的增加，电弧电压是上升的。铜电极真空电弧的伏安特性。它有三个区域：在小电流时，电弧电压几乎不变，主要是阴极压降，此时等离子区压降不随电流而变化；在1-6.5kA时，电弧电压从20V左右平稳地升到40V，这是因为等离子锥重叠，使弧区蒸汽密度逐渐增大，粒子间碰撞几率增多，等离子区电压降逐渐增大；在电流超过6.5kA时，电压突然升高，电弧电压可达100V以上，这是因阳极压降出现而造成的，而且电压的变化变得很不稳定。如果电弧不受外界磁场的作用，则阳极压降形成后不久，电极就会严重熔化，真空电弧电压可能重新降低。 2.磁场对真空电弧的影响 横向磁场（即垂直于弧柱轴线的磁场）能吹拂电弧，使真空电弧沿电极表面运动。高气压电弧在磁场中受力而运动的方向与载流导体的情况相同。然而真空电弧的情况却并非完全如此。扩散型真空电弧在横向磁场中所受的力和运动方向与载流导体（电流方向与真空电弧相同）的受力方向相反，出现所谓反向运动现象。而集聚型真空电弧在磁场中所受的力和运动方向又与高气压电弧和载流导体相同。横向磁场的作用还能使真空电弧弯曲，从而使电弧电压增大。 高压真空断路器 纵向磁场（与弧柱轴线平行的磁场）能约束电弧，在一定范围内能起降低真空电弧电压的作用。在某一纵向磁场作用下电弧电压可有最小值，它能极大地提高由扩散型电弧转变为集聚型电弧的电流（简称集聚电流）值，例如，在足够大的触头上，纵向磁场可以使电流高达200kA的真空电弧仍保持为扩散型。 3.真空电弧熄灭后的介质强度恢复过程 对于工频电流的电弧，在电弧电流接近自然零点时，由于金属蒸汽不足和电源电压不够高而会突然熄灭。熄灭后的真空间隙最终可以承受很高的电压。从熄弧前的几十伏电弧电压到能承受近100kV的电压（12mm真空间隙）需要一个过渡过程，这一过渡过程即为真空燃弧间隙介质强度恢复过程，简称恢复过程。在恢复过程中，真空间隙能承受外加电压的能力随时间的变化规律即为该真空间隙介质强度的恢复特性。熄弧后真空间隙在恢复电压的作用下有可能被击穿而引起电弧的重燃。引起重燃的原因有： 燃弧和燃弧后电极放出过量的气体； （2）阴极表面吸附微小的绝缘物和金属微粒等维持着较强的场致发射作用而重新形成阴极斑点； （3）恢复电压的电场强度超过500kV/cm以上产生场致击穿； （4）电流过零后间隙有残余粒子碰撞继续维持较高的游离密度。 在恢复过程初期，（1）和（2）为重燃的主要原因，而在恢复过程的后期则主要原因为（3）和（4）。 电弧电流过零电弧熄灭，真空间隙仍存在一定量的残余离子、电子和中性粒子，它们需经过一定的时间才能扩散出真空间隙。随着残余离子、电子和中性粒子不断地扩散，间隙就开始建立承受电压的能力，承受电压的大小主要取决于残余物的扩散情况。此时间隙的介质虽度随时间的变化规律为燃烧后真空间隙的固有介质恢复特性。 介质强度恢复特性与触头材料的性质有关。小原子量的材料可以加速介质恢复，这是因为同一温度下小原子量的原子有较大的速度。有些情况下间隙最终达到的介质强度小于初始恢复达到的介持强度，这种现象被称为“高地”现象。 燃弧时间对介质恢复过程也有影响。在同一电流下，燃弧时间越长则需要的恢复时间也越长。由于电极热传导的作用，如果电流较小且燃弧时间大于一定值时，再增加燃弧时间对恢复时间无明显影响。此外，逆反熄灭后真空间隙承受正极性或负极性电压（相对于电弧电压的极性）的能力是不同的。 高压真空断路器 纵向磁场的灭弧室具有较快的恢复速度。在纵向磁场灭弧室中，由于纵向磁场对电弧的约束使电极不需要蒸发出过多的金属蒸汽来维持电弧的燃烧，这样电弧熄灭时间隙的蒸汽密度就较低。 总之，减少熄弧时间隙的金属蒸汽密度和增大蒸汽的衰减速度可缩短线.真空中的绝缘强度与击穿 真空间隙的电击穿有两方面的因素：一是场发射，一是微粒撞击。对于小间隙场致发射作用较大，大间隙中微粒撞击可能性较多。 在10-2Pa以下（10-4torr以下）的高真空中，由于空间中气体的分子数量非常少，例如在常温下101.3kPa(latm)空气中，每立方厘米内只有2.683×1019个气体分子，而在1.33×10-2Pa线个气体分子，因而不会因碰撞而造成真空间隙击穿，分子数量与绝缘击穿无关。此时，在绝缘击穿过程中起重要作用的是电极过程与金属蒸汽。关于引起真空击穿的原因，已提出了下列三种假说： （1）场致发射 高电场强度集中于阴极表面的微小突起和尖端部分，引起电子发射，使该部分金属熔化蒸发而发展成电弧。 （2）团粒的作用 附着在电极表面上的微小金属屑等（统称为团粒），受到电场作用从一极加速通过真空间隙到达另一极，团粒和电极碰撞，使团粒熔化和蒸发，金属蒸汽被电子游离，导致绝缘击穿。 （3）电极的二次发射 间隙中的正离子和光子等，撞击阴极而引起二次电子发射，或加强了场致发射而引起绝缘击穿。 这三种引起真空击穿的原因并不是孤立的，是相互关联而又同时发生作用的。许多研究者认为：当真空间隙（电极间距离）很小时，击穿主要由场致发射引起；真空间隙较大时，团粒的作用成为击穿的主穿电压，根据电极材料与表面状态的不同而有显著差别。通常，电极材料的熔点或机械强度越高其绝缘击穿电压也越高。在电极表面有突起的部分时，其耐压强度即显著降低，为了消除此种电极表面的突起，需要进行放电处理（老炼处理）。此外，当电极表面附着有气体或有机物时，在较底电压即发生绝缘击穿，因此，必须注意使电极表面非常清洁。 真空间隙击穿所用时间极短，一般在数十至一百多纳秒（ns）内。真空击穿初始阶段的电流由间隙上的分布电容贮能提供，当电源功率足够大时，击穿才能发展成真空电弧。在电力系统中，电源功率很大，所以真空触头间的击穿通常都能转变成线扩散型和集聚型线.集聚型电弧 高压真空断路器 当电流增大超过某一数值（例如自由燃烧的铜电极为104A）时，电弧外形将突然发生变化，阴极斑点不再向四周扩散，而聚集在一个或几个较大面积上，其直径可达1-2cm，并出现阳极斑点，这种真空电弧称为集聚型真空电弧或大电流真空电弧。 在真空电弧电流增大时，电弧电压增高，正离子受到电场的阻滞作用也增强，正离子在没有到达阳极前，速度被降为零并在电场作用下返回阴极。这样，阳极前的正空间电荷急剧减小，而出现负空间电荷，形成为阳极压降。阳极前的电子受阳极压降的加速而轰击阴极，使阳极蒸发并使金属蒸汽游离。阳极区产生的金属蒸汽使经柱电压降低，放电沿着这个低放电电压的通道发展，原来的放电被停止。 2.扩散型真空电弧 当触头分开时，电流低于临界值（通常为10A）就会发生扩散型电弧。扩散型真空电弧是由一些完全独立的分支电弧并联组成的。每个分支电弧是由负电极上一个阴极斑点和一个从斑点向阳极扩散的等离子体弧柱所组成的。每个独立电弧的电流为数十到数百A，其值与电极材料有关。 当既无电场又无电磁干扰时，一个单独的阴极斑点将在阴极表面继续不断地作不规则运动。其运动速度随电流的增大和电弧电压的增高而上升。阴极斑点面积很小，电流密度很大，温度就很高，它不仅要提供强大的电子流，也同时蒸发出大量的金属蒸汽来维持真空电弧的燃烧。真空间隙的气体压力很低，由于阴极斑点蒸发出大量的金属蒸汽，从斑点向外就形成很高的轴向和径向压力梯度，金属蒸汽和游离质点向外扩散，形成从阴极斑点向阳极逐渐扩散的锥形中亮弧柱。 阴极斑点在阴极表面不停地由电极中心向边缘运动。当分支弧柱到达电极边缘时被弯曲，此时电弧电压不足维持这一分支弧柱，这个阴极斑点就被熄灭，电弧电流转移到其它新产生的阴极斑点上。这种真空电弧因阴极斑点不断向四周扩散，而被称为扩散型真空电弧。同时，在金属表面两个相邻阴极斑点会互相排斥，因此，许多分裂的阴极斑点也是互相排斥的，并扩散到阴极的全部有效表面上。阴极斑点运动速度的变化范围自零到10m/s左右，在特殊情况下，可能达到50m/s。在一个斑点运动超过触头的边缘时，这个斑点的电弧就被熄灭，斑点上的电流就转移到还继续存在着的斑点上，使之产生新的分裂斑点，而所有的斑点都向触头边缘的外边移动，并依次熄灭。 扩散型真空电弧的等离子区的电压降通常很小，蒸汽压力也不很高（例如当电流为100A时，离阴极1cm处的蒸汽压力约为0.33Pz），粒子间基本不发生碰撞。所以正离子依靠其初始动能克服电场的阻滞而达到阳极，这样，等离子体中的电子和正离子都由阴极跑向阳极。 扩散型真空电弧中，由于弧柱区域为锥状，阳极接收电子和正离子，没有阳极斑点，阳极表面的电流密度和温度都是较低的，这对交流真空电弧的熄灭很有利。由于阴极斑点的高速扩散，对于阴极斑点在阴极表面上所经过的任一点来说，加热时间很短，阴极不会出现大面积的熔化区域，整个阴极的平均温度也在材料的熔点以下。 高压真空断路器 扩散型真空电弧内的金属蒸汽和游离粒子，都要和弧柱外的真空区域扩散，所以要靠阴极斑点不断地供给金属蒸汽才能维持电弧燃烧。在某一小电流值时，由于弧柱扩散速度过快，阴极斑点附近的蒸汽压力和温度剧降，使斑点的发射和蒸发不能维持弧柱的扩散，则电弧骤然熄灭。正由于真空中的强烈扩散作用，小电流真空电弧是不稳定的，一般只能技术不长的时间便自动熄灭。扩散型真空电弧的寿命呈概率分布，它的平均寿命通常随电流的增加而增加。 3.1.3交流真空电弧的熄灭原理 扩散型交流真空电弧在电流过零后，电极不会再产生新的阴极斑点，间隙的介质强度恢复也十分迅速，因此，若此时触头间距已有足够大，主不会发生重燃现象，一般在电流过零后就可最终熄灭。 集聚型交流真空电弧虽在电流过零时造成熄灭的有利时机，电弧熄灭，弧柱区游离质点向四周真空区域迅速扩散。但是由于阴极和阳极表面都有面积较大、且有一定深度的熔区，这些熔区的冷却需要毫秒级的时间。在这段时间内，电极的熔区仍向弧隙提供大量金属蒸汽，在恢复电压的上升过程中，充满金属蒸汽的弧隙不可避免要发生击穿而使电弧重燃。集聚型交流真空电弧难于熄灭，不能用它来开断电流。所以用真空电弧开断较大的交流短路电流时，须采用必要的措施： （1）使集聚电流值提高，在被开断的电流范围内，始终保持扩散型电弧以使电弧容易熄灭，这通常利用纵向磁场触头来达到 ； （2）加强横向磁吹、使集聚型交流真空电弧在工频半周的末尾重新转变为扩散型电弧，使在电流过零后不会再引起重燃而熄灭。因为横向磁吹作用使集聚型真空电弧迅速运动，阴极斑点不断地被移向冷的电极，不能停留在原来的熔区上。当在后半周电流减小时，集聚型电弧就不能维持，在新的触头表面上转变成扩散型电弧。 在开断较小的交流电流时（尤其在几十安以下），由于真空电弧在电弧电流自然零点以前突然熄灭，可使电流从熄弧时的某一电流值（称截流电流）被截断而强迫突降至零。截流现象会引起过电压，成为真空开关所必须考虑的问题。截流现象的产生，正是由于小电流时真空电弧的不稳定性造成的。 平均截流民流值受很多因素的影响，其中主要有： 触头材料：材料的饱合蒸汽压力越高，平均截流值就越低； 开断电流：随着开断电流的增大，截流电流将增大。但当开断电流增加到某一数值后，截流电流的增加就很缓慢。当开断电流足够大时，截流将不再发生。 高压线真空灭弧室的设计计算 真空灭弧室是真空开关的心脏，因此它是不可缺少的部件之一。由于真空间隙的绝缘强度很高，开断后介质恢复速度很快，因此灭弧室的触头开距很小，利用金属波纹管与操动机构相联而操作. (1)机械强度——抗拉强度和抗压强度高，软化温度高。 (2)密封性——材料致密不漏气；材料有良好的封接性，线膨胀系数须相配，用可伐合金。气密性要求：灭弧室初始线 Pa 时，贮存或使用20年的不低于 (6.6X10-2-10-4)÷(20x365)≈9.02X10-6 Pa。 (3)足够的沿面绝缘强度外壳常用的材料有：玻璃和高氧化铝陶瓷。他们沿面爬电绝缘能力相当，关于玻壳，90年代初曾被误解，认为必将被瓷壳代替，理由是国外工业发达的国家只生产瓷壳。后来知道这不是出于性能指标的因数，而是考虑生产成本所致，国外的劳动力人工费很贵，这与我国的国情相反。从电气性能来看，两者没有什么区别；从机械性能来看，玻璃的熔点及抗冲击的强度的确不如瓷材高，但对于 高压线kv灭弧室来说已足够，而且玻壳有其优点；一是玻体透明便于观察内腔；二是密封工艺较简单，易掌握，且密封面数量较少；三是价格便宜。所以此次设计选用玻璃外壳。 3.2.1屏蔽罩 屏蔽罩是动静触头外围的一层保护罩，用金属制成。其作用主要有三方面： （1）防止金属蒸汽和飞溅的液滴污染外壳的内壁，吸附电弧生成物，保持内绝缘能力。屏蔽罩的材料要求对电弧生成物有较大亲和力。 （2）改善灭弧管内部的电场分布，提高开断过程中动态绝缘水平。 （3） 吸收并散发电弧能量，冷凝电弧降低离子密度，有助于介质强度快速上升。据实验测定，线%左右耗散在屏蔽罩上，故需采用导热性良好的材料,此次选用无氧铜。 它的固定方式采用绝缘瓷挂固定式。工艺较简单，成本较底。 为了估计出比较合适的屏蔽罩直径，若只考虑主屏蔽罩温升，可以用下式计算，设在分断电流熄灭电弧的过程中70%的能量被主屏蔽罩吸收， 则：W=0.7Vit (1) 又得到主屏蔽罩吸收能量与最大能量密度间的关系为： W=[πDmin.d] ∆Wmax.t (2) 由上面两式可以确定主屏蔽罩的直径： Dmin1=0.7VI/(πd)∆Wmax=0.74620103/3.141210-133.8103 = 6.1(cm) 其中V——电弧电压；I——分断电流；d——触头开距；∆Wmax ——允许吸收的最大能量密度。注：本次设计所选触头为纵磁场杯状触头，直径50mm，开距12mm。查《真空开关》(王季梅编)图5—13（79页）得V=46v 查表5—2（74页）得∆Wmax=33.8kw/cm2查JB 3855-1996的5.19 额定参数配合表选I=20103A 额定电流为630A时 又为了保证触头和主屏蔽罩之间有足够大的耐压强度两者要有一定间隙。 对10KV真空灭弧装置一般由下式求的 Dmin2= D+2（1.5~2）cm =5.0+2（1.5~2）=8~9(cm) 式中D为开距主屏蔽罩直径公式选至《高压电器》（尚振球 郭闻元 编 ）式9.5 由以上计算结果，此次设计D = 90mm 。 高压线波纹管 波纹管的作用是在动触杆运动范围维持内腔的气密性。 用于真空灭弧室的波纹管，目前已越来越多的由非导磁不锈钢制成，这主要是由于它具有操作寿命长，在制造过程中不受热处理的影响而失去弹性，不易氧化和耐腐蚀 性强等优点。真空灭弧室用液压成形和薄片焊接波纹管，此处采用液压成形。液压成形波纹管如图3（a）所示，它由1.0-1.2mm厚的管状不锈钢管，经多次液压成为壁厚0.1-0.15mm的波纹管，然后经过加工修正和热处理等手续获得一定弹性和标准尺寸的波纹管。液压成形的另一个优点是价格比较便宜。真空灭弧室的真空寿命很大程度上取决于波纹管的疲劳寿命。波纹管的侧壁可在轴上伸缩，它的允许量也就决定了灭弧室所能获得的触头最大开距。 单位：mm 导向套 内径d 外径 D 波距t 波厚 壁厚 D1 d1 L1 30 45 3.5 2.2 0.16 38 30 8 在分合闸过程中，希望动导电杆沿着真空灭弧室的轴线运动，不允许左右摇动。为此，常常在动导电杆上加一导向套。为了防止电流流过波纹管，导向套由石墨尼龙等低摩擦系数的绝缘材料制造。 3.2.3导电系统 真空灭弧室的导电系统是由动静导电杆组成的，一端分别与动、静触头连结，另一端伸出灭弧室。动导电杆伸出灭弧室的部分一方面与操动机构相连，一方面与外电路相连，同时，静导电杆上往往设置排气管和排气保护帽。真空灭弧室的触头位于真空中，电流通过导电杆和触头产生的热量不可能依靠对流散热。因而，主要靠伸在外边的导电杆散热。为了满足温升要求，真空灭弧室导电杆的电流密度要比一般的低得多，通常取1-1.5A/mm2。导电杆可采用空心的结构。壁厚的计算为： f——频率（Hz）——相对磁导率 ——真空磁导率——电导率 对于此次设计选用的材料为无氧铜，查电工材料手册得。 3.2.4排气管 排气管是在真空灭弧室的制造过程中，排除真空灭弧室内部气体的抽气通道。它的一端与真空灭弧室的内部相通，另一端和真空泵相通，常用 高压线mm的无氧铜管制成。它焊在真空灭弧室的静导电杆末段或静触头端盖板上，在排气过程结束时，用专门的钝口夹钳把铜排气管挤断，挤断处是完全密合的，不透气的。 必须指出的是，封口的密合处是很薄弱的，不允许碰撞，也不允许经常摩擦。否则容易被破坏而使真空灭弧室漏气，为了保护密合处免受机械损伤，在成品真空灭弧室的排气管上套有排气保护帽。 3.3触头设计 真空灭弧室开断能力的提高，在很大程度上取决于触头的结构。真空触头具有三种典型的结构形式：平板触头，横磁场触头，纵磁场触头。其中从平板触头到横磁场触头是一次结构上的重大改进，而从横磁场到纵磁场又是一次重大的改进。 平板触头 最初的真空灭弧室采用简单的平板触头。要增大开断电流，就得增大触头截面。在触头直径较小时，其极限开断电流和直径几乎成线性关系，但当触头直径大于50mm后，继续加大直径，极限开断电流就很少增加了。当电流超过10kA时，真空电弧聚集，并停滞在局部地区，随着电弧温度的上升，产生严重熔焊的点，失去了开断电流的能力。因之，平板触头一般用于开断电流8000A以下. 横磁场触头 为了防止触头局部熔焊，利用电弧沿特殊路径流过触头产生横磁场而驱动电弧在触头表面上运动。这种横磁场触头常见的有两种：一为杯状横磁场触头，另一为螺旋横磁场触头。 杯状触头形状似一个圆形厚壁杯子，杯壁上开有一系列斜槽，且使动静触头的斜槽方向相反。这些斜槽实际上构成许多触指，靠其端面接触。当触头分离产生电弧时，电流经倾余的触头流通，产生横向磁场，驱使真空电弧在杯壁的端面上运动。杯状触头在开断大电流时，在许多触指上同时形成电弧，环形分布在圆壁的端面，每一个电弧都是电流不大的集聚型电弧，且不再进一步集聚。这种电弧形态称为半集聚型真空电弧。它的电弧电压比螺旋触头的要低，电磨损也要小。 高压真空断路器 杯壁的端面必须用抗熔焊材料制成。杯体一般采用铬铜，它在经高温焊接和烘烤后仍有良好的弹性。在相同触头直径下，杯状触头的开断能力比螺旋触头要大一些，而且电气寿命也较长。 杯状触头是英国真空灭弧室公司发明并首先投入商业应用的。后来，西门子公司、AEG公司都在此基础上作了某些改进。 中接式螺旋槽触头工作原理螺旋触头在触头圆盘的中部有一突起的圆环，圆盘上开有几条螺旋槽，从圆环的外周一直延伸到触头的外缘。当触头在闭合位置时，只有圆环部分接触。触头分离时，在圆环上产生电弧，由于电流线在圆盘处有拐弯，在弧柱部分产生与弧柱垂直的横向磁场。如果电流足够大，真空电弧发生集聚的话，那么磁场会使电弧离开接触圆环，向触头的外缘运动，把电弧推向开有螺旋槽的触头表面（称为跑弧面）。一旦电弧转移到跑弧面上，触头上的电流就受到螺旋槽的限制，只能按规定的路径流通，而垂直于触头表面的弧柱就受到了一个作用力F，它的径向分量F1使电弧朝触头外缘运动，而切向分量F2使电弧熄灭2。螺旋触头大大提高了开断能力，可开断40kA电流。 纵磁场触头 纵磁场触头沿正极性真空弧柱的轴向施加一磁场，使之熄弧更为强烈。有此触头的真空灭弧客观存在，其开断电流在试验室中已达200kA，而且仍有可能开断更大的电流。纵磁场触头有两种结构形式：一为有装在灭弧室外围的线圈产生纵磁场，另一为触头本身的结构产生纵磁场， 是真空灭弧室迈向大容量的巨大进步。 由于带纵磁场触头的真空灭弧室开断容量大、体积小、造价低，世界上一些公司竞相研制这种灭弧室。西门子公司原先采用横磁场结构，做到电压10kV、开断电流50kA，近年来采用纵磁场后，开断电流提高到70kA。东芝公司将24 kA、25kA两种灭弧室做了比较，1984年的纵磁场结构相比1975年的横磁场结构，体积减到原来的25%。德国AEG公司最新开发的纵磁场结构，相比横磁场结构，灭弧室的体积减至原来的1/3。 电弧形态 高压真空断路器 纵磁场触头沿正极性真空弧柱的轴向施加一磁场，使之熄弧更为强烈。有此触头的真空灭弧客观存在，其开断电流在试验室中已达200kA，而且仍有可能开断更大的电流。纵磁场触头有两种结构形式：一为有装在灭弧室外围的线圈产生纵磁场，另一为触头本身的结构产生纵磁场， 是真空灭弧室迈向大容量的巨大进步。 在真空灭弧室触头中，当电流瞬时值为10 kA以下时，电弧仍为扩散型。而当电流更大时，电弧聚集。扩散型电弧在触头表面分成许多细弧，触头表面均匀受热，防止了局部过热，这样触头表面烧损更小，有利于提高开断电流和触头寿命。聚集型与扩散型纵磁场和横磁场触头结构和电弧形态。此时必须防止触头局部过热。为此采用横磁场触头，该触头产生的磁力驱动电弧沿燃弧环旋转。这样 电弧对触头的烧损分布在整个燃弧环上。纵磁场触头可用于更大的电流，此时电弧不再聚集而呈扩散形态。因此，纵磁场的出现是真空灭弧室在技术上的重大改革。 到目前为止，尚无一种触头材料能同时满足这些常常是互相矛盾的要求。然而不同用途的真空断路器，对触头材料的各方面要求不是同样严格的。因此对已有多种不同特性的触头材料，只要适当选择，就可以满足各方面的使用要求。 真空断路器的触头材料对真空灭弧室的开断特性影响很大。断路器的触头材料，从铜铋合金开始，经过铜铋银合金、铜碲硒合金，发展到铜铬铁合金，最近又研制出铜铬锝合金和铜钽合金。铜铬合金是目前使用最为广泛且综合性能优异的触头材料。此次设计就选用铜铬合金作为触头材料，采用纵磁场结构。 触头直径及磨损率 由《真空开关》得，触头直径与分断电流有很大的关系，触头直径越大分断能力就越高，并且接近于触头直径的1.4次幂的关系。Rich提出的理论认为击穿是由于电流分断期间，触头间具有过高的金属质点密度所引起的，也就是说，分断能力是由分断后的金属质点密度衰减的速度和恢复电压增长的速度之间的关系决定。 此次设计所用的触头直径大约为40mm。假定在燃弧时间为半个工频周波条件下，可以估算出分断N次极限电流后触头磨损的重量： W=NIG/ 由此可以得出两个触头的总磨损厚度为： 高压真空断路器 式中 D—触头直径（cm） —触头材料比重 N—开断次数 G——磨损率 —工频角频率 因为是选用的纵向磁场触头G大约为30—50。 触头开距决定于真空开关的额定电压，也决定于使用条件下的分断性质和耐压要求。对于线mm。超行程的作用是：1）保证触头在磨损后仍能保持一定的接触压力和可靠的接触；2）在分闸时，使动触头获得一定的原始加速度和拉断触头的烧焊点；3）在合闸时，可以减轻动触头对静触头的冲击力。此次设计选取超行程为3mm。 3.4动、热稳定验算，温升验算 3.4.1温升验算 电器工作时，电流通过导体并在导体中产生能量损耗，电器中使用的金属材料和绝缘材料在温度超过一定的范围以后，其机械强度和绝缘强度会明显下降。电器工作温度过高，其使用寿命便会降低，甚至损坏。 对电器的稳升验算是保证其工作的可靠性。发热计算在电器设计中是不可缺少的一部分。 温升验算是为了检验通过额定电流时，温升是否稳定在规定的限度内。国标GB763给出了最大允许温度。 由触头材料性能表查出选用材料的熔化温度，计算触头电压值。由一般触头的接触电阻大约为70цΏ。 所以， 由《电器理论基础》中得出的触头最高温升的数值计算公式为 式中 Uj—触头间的接触电压降； —触头材料的热导率；—触头材料的电阻率 由上面的计算得出，触头的温升满足要求。 高压线动、热稳定性验算 对于动稳定性指的是电器能承受短路电流电动力的作用而不致破坏或产生永久变形的能力。通常用最大冲击电流表示，查《高压电器》得，动稳定电流就是额定短路关合电流等于额定开断电流的2.5倍。由给定的额定电流查参数配合表，选取额定开断电流为12.5kA。因此，动稳定电流为2.512.5=31.25kA。 由《电器理论基础》中得出。 为了避免接点在通过短路电流时发生熔焊，出现的接触部分的最高温度应低于触头材料的熔化温度。由于触头的有效接触面为面接触均匀分布，得 ： =0.61I2=0.61(31.25103)210-7=60N500N 满足要求。 许多电器都必须经受短路电流的考验，在一定时间内电器承受短路电流引此的热作用而不致损伤电器。 短路电流通过导体时的发热有两个显著的特点：一是通电时间很短；二是导体的允许温度高。同时，热稳定电流就等于额定开断电流为16kA.。由《电器理论基础》得： 短时载流导体的温度升高公式： (a) A——导体横截面；I——热稳定电流；t——热稳定时间，取2s. (b) ——电阻率；——比热容；——比重。 把（b）式代入（a）得： 满足温升要求。 3.5绝缘结构分析 3.5.1额定绝缘水平及绝缘强度 我国规定在220kV及以下电压等级，系统额定电压的1.15倍即为最高电压，330kV 高压真空断路器 及以上电压等级是以额定电压的1.1倍作为最高工作电压的。考核高压开头设备在额定电压和最高电压条件下的性能参数有1min工频耐受电压，见表3—1 高压开关设备绝缘水平及绝缘强度的考核除了需考核工频耐受电压以外，还需考核雷电冲击耐受电压和操作冲击耐受电压。断路器的额定绝缘水平按照GB11022—1999《高压开关设备和控制设备标准的共同技术要求》采用表3—1与表3—2准值。 表3—1 额定电压范围为3.6-252kV的额定绝缘水平 额定电压（有效值） Ur/kV 额定短时工频耐受电压（有效值） Ud/kV 额定雷电冲击耐受电压（峰值） Up/kV 通用值 隔离断口 通用值 隔离断口 （1） （2） （3） （4） （5） 3.6 10 18 12 20 20 23 40 46 7.2 20 23 25 28 40 46 60 70 12 28,42[1] 32,48[1] 60 70 75 85 24 50 60 95 110 125 145 40.5 85,95[1] 110 185 215 72.5 140 160 160 176 325 350 375 385 126 185 210 450 520 230 265 550 630 252 360 415 850 950 395 460 950 1050 460 530 1050 1200 [1]为设备绝缘在干燥状态下之耐受电压。 表3—2 额定电压范围在363kV以上的额定绝缘水平 高压真空断路器 额定电压 （有效值） Ur/kV 额定短时工频耐受电压 （有效值） Ud/kV 额定操作冲击耐受电压 （峰值） Us/kV 额定雷电冲击耐受电压 （峰值） Up/kV 相对地和 时间 开关断口和/或隔离断口 相对地和开关断口 相间 隔离断口 相对地和时间 开关断口和/或隔离断口 （1） （2） （3） （4） （5） （6） （7） （8） 363 460 510 520 580 850 1300 850（+295） 1050 1059（+205） 950 1425 1175 1175（—+205） 550 630 680 800 1050 1680 1050（+450） 1425 1425（+315） 1175 1760 1550 1550（+315） 800 830 1150 1300 2210 1100（+650） 1800 1800（+455） 1425 2420 2100 2100（+455） 外壳是真空灭弧室的密封容器，它不仅要容纳和支持真空灭弧室内的各种零件，而且当动、静触头在断开位置时起绝缘作用。因此，整个外壳通常由绝缘材料和金属组成。对外壳的要求首先是气密性要好，所有材料均不允许有任何漏孔存在，其次是要有一定的机械强度，再是绝缘体在真空和大气中都必须有良好的绝缘性能。 绝缘筒现在广泛采用硬质玻璃和高氧化铝瓷等无机绝缘材料。近来又有采用微晶玻璃作绝缘外壳的，它不透气、不吸水、机械强度高、绝缘性能好、软化温度高。外壳的端盖常用不锈钢、无氧铜、可伐等金属制成。 此外，尚有另一种外壳结构形成，即以金属材料制成外部圆筒，并以无机绝缘材料制成绝缘端盖。金属圆筒又起屏蔽罩的作用。 金属波纹管被普遍用作为动触头运动的真空密封。波纹管的一端固定，连在灭弧室的一个端面上，另一端运动，连至动触头的导杆上。在真空灭弧室中常用的波纹管有旋压式和焊接式两种形式。常用的材料有不锈钢、磷青铜、铍青铜等，以不锈钢性能最好。 高压真空断路器 波纹管的侧壁可在轴上伸缩，它的允许伸缩量也就决定了灭弧室所能获得的触头最大开距。通常，波纹管的疲劳寿命也就决定了真空灭弧室的机械寿命。现代真空断路器的机械寿命一般在几万次以上，真空接触器的机械寿命在百万次甚至200万次。 在触头周围设置屏蔽罩，可以挡住电弧生成物的去路，防止绝缘外壳因电弧生成物所污染而引起绝缘强度降低和绝缘破坏。电弧生成物在屏蔽罩表面会凝结，不容易返回电弧间隙，有利于熄弧后弧隙介质强度的迅速恢复。屏蔽罩还能起到使灭弧室内部电压均匀分布的作用，屏蔽罩的存在会影响动、静触头间的电场分布。在波纹管外面用屏蔽罩保护，可使波纹管免遭电弧生成物的烧损。 在开断过程中，电弧的能量有很大一部分消耗在屏蔽罩上，使屏蔽罩的温度相当高，而温度越高，就会使它表面冷凝电弧生成物的能力越差。因而应尽量采用导热性能好的材料制造屏蔽罩，常用的材料为无氧铜、不锈钢、镍和镍钴铁合金等，铜是最常用的。在一定范围内，金属屏蔽厚度的增加可以提高灭弧室的开断能力，但通常不超过2mm。 屏蔽罩结构一般分为两种：一种为内屏蔽罩，外壳承担两端之间的绝缘；另一种为外屏蔽罩，屏蔽罩成为真空壳体的一个主要部分，两端的陶瓷（或玻壳）承担绝缘。这种灭弧室外壳的中间部分是金属，使得灭弧室轴向变长。主屏蔽罩的固定方式分两大类，即固定电位式和悬浮电位式。固定电位式是将屏蔽罩固定在动触头（或静触头）上，这种方式的优点是结构简单，但在开断大电流时电弧可能转移到静触头与屏蔽罩间，导致屏蔽罩损坏。悬浮电位式屏蔽罩有四种不同的固定方式：中间封接式、绝缘支柱式、外屏蔽罩式和绝缘端盖式。 在真空灭弧室设计中，屏蔽罩的结构形状和表面状态对绝缘性能的影响甚大。 额定电压/KV 3 6 10 20 35 63 110 220 330 500 最高电压/KV 3.5 6.9 11.5 23 40.5 69[1] 126 252 363 550 3.5.2额定电压及最高电压 额定电压是指断路器的标称电压，在规定的正常使用和性能条件下，能够连续运行的电压。但是在电力系统中使用的断路器，还应考虑到系统的最高电压，断路器应能在规定的电路电压下和最高工作电压下保持绝缘，并能按规定的条件进行关合与开断。高压断路器的额定电压是系统的最高工作电压按表3—3。 表3—3 高压真空断路器 现在电力系统中，实际最高电压为72.5kV。 3.6操动机构选用及有关计算 操动机构是高压断路器的重要组成部分。带触点的开关电器，只有通过触头的分、合动作才能达到开断与关合电路的目的，因此必须依靠一定的机械操动系统才能完成。断路器的操动机构由储能单元、控制单元和力传递单元组成。 3.6.1对操动机构的要求 1.合闸 当断路器关合工作电流时，关合是比较容易的。但在故障情况下，如断路器关合电路中出现高达几万安培的电流时，断路器的导电回路受到的电动力可达几千牛顿以上。而断路器导电回路的布置以及触头结构使得电动力的方向又常常是阻碍断路器关合的。因此，操动机构必须足以克服短路电动力的阻碍，就是具有关合短路故障的能力。 保持合闸 操动机构中必须有保持合闸的部分或机构，以保证在合闸命令和操作力消失后断路器仍能保持在合闸位置。 2.分闸 操动机构的分闸操作应满足断路器的分闸时间和分闸速度要求。 其它要求 高压断路器操动机构的其它要求有自由脱扣、防弹跳、复位及连锁等。保证在85%—110%合闸操作电压下能正常合闸；在65%—120%分闸电压下能正常分闸，而在30%额定操作电压下不得分闸。 可以手动或电动 用于真空开关的操动机构有弹簧操动机构、电磁操动机构、直线电机操动机构和永磁机构。但直线电机操动机构专用于户外。 3.6.2操动机构的比较和选用 1.弹簧操动机构 弹簧操动机构是一种以弹簧作为储能元件的机构式操动机构。弹簧储能借助电动机通过减速装置来完成，并经过锁扣系统保持在储能状态。开断时，锁扣借助磁力脱扣，弹簧释放能量，经过机械传递单元驱使触头运动。 弹簧操动机构的组成原理框图8所示。 高压真空断路器 弹簧操动机构的一般工作原理为： 电动机通过减速装置和储能机构的动作，使合闸弹簧储存机械能，储存完毕后通过合闸闭锁装置使弹簧保持在储能状态，然后切断电动机电源。当接收到合闸信号时，将解脱合闸闭锁装置以释放合闸弹簧储存的能量。这部分能量中一部分通过传动机构使断路器的动触头动作，进行合闸操作；另一部分则通过传动机构使分闸弹簧储能，为分闸状态作准备。另一方面，当合闸弹簧释放能量，触头合闸动作完成后，电动机立即接通电源动作，通过储能机构使合闸弹簧重新储能，以便为下一次合闸动作做准备。当接收到分闸信号时，将解脱自由脱扣装置以释放分闸弹簧储存的能量，并使触头进行分闸动作。 图 8 如图8所示，除了电气控制部分，这种操作机构是由储能机构、传动机构和控制机构（脱扣机构和缓冲器）三部分组成的 高压线为弹簧操动机构结构示意图。图9a为分闸位置，分合闸弹簧均未储能，储能时首先由储能电机驱动棘爪轴13，使两棘爪14交替运动，推动棘轮11顺时针转动，随着棘轮转动合闸弹簧7被压缩，当棘轮转动180°后，合闸弹簧被压缩至最大压缩量，A销被分闸保持挚子6锁定，从而完成了合闸储能，到百叶窗图9b所示位置。合闸操作时，合闸电磁铁5的掏心撞击合闸触发器4，使分闸保持挚子与A销脱扣，棘轮在合闸弹簧的作用下，通过主轴15带动棘轮10顺时针转动，凸轮通过滚轮16使拐臂12逆时针转动，通过传动系统带动触头合闸，同时压缩分闸弹簧，当合闸到位时，分闸储能也同时完成，拐臂上的B销被合闸保持挚子1锁定，从而完成合闸操作。一般情况下，合闸操作完成后，储能电机会立即起动，再次进行合闸储能，为下一次合闸或重合闸作准备，再次储能后的位置如图9d所示。 弹簧操动机构动作时间不受天气变化和电压变化的影响，保证了合闸性能的可靠性，工作比较稳定，且合闸速度较快。由于采用小功率的交流或直流电动机为弹簧储能，因此，对电源要求不高，也能较好地适应当前国际上对自动化操作的要求。另外，它的动作时间和工作行程比较短，运行维护也比较简单。其存在的主要问题有：输出力特性与断路器负载特性配合较差；零件数量多，加工要求高；随着操作功的增大，重量显著增加，弹簧的机械寿命大大降低。 高压真空断路器 弹簧操动机构可交、直流操作，操作电流小，一般仅为1.5—3A，即便采用直流操作时所需的直流蓄电装置容量也小。它可手动储能合闸、分闸，并且具有过电流脱扣功能。国外一般中压等级的断路器大多用弹簧操动机构。 国内初期使用真空断路器的弹簧操动机构长用CT7、CT8，由于这些产品投入运行起来，故障较多，维修不便，体积较大，因而不够理想。对于使用于频繁操作的真空断路器来说，不但要求弹簧操动机构寿命高，而且工作要十分可靠。 我国目前采用两种新型的弹簧机构，一种是CT17型，另一种是CT19型。前者为直推进式输出，后者为转动式。这两种产品都小巧玲珑，体积、重量比电磁机构都小的多，如CT17机构的重量仅为CD17机构的2/3。从多家工厂进行产品型式试验来看，产品在安装时几乎不用调整，运行可靠，机械寿命长，特别是CT19，在多次研究性试验中都达到2—3万次，是真空断路器的理想配用操动机构。 由于弹簧机构的缺点是其出力特性基本上就是贮能弹簧释能的下降特性，它不能匹配真空断路器的反力特性。为了改善这一点，设计中采用四连杆机构和凸轮机构来进行特性变换，有的还加入重块零件利用惯性来改善特性。 带这种弹簧操动机构的真空断路器一般把真空灭弧室放在机构的前面，采用前后布置的方式。 正是弹簧操动机构的这些优点，它正逐步取代电磁操动机构成为真空断路器的主流操动机构。但弹簧操动机构结构复杂，可靠性不易达到免维护的要求。 2.电磁操动机构 由于电磁操动机构电磁铁的出力特性容易满足真空断路器合闸反力特性的要求，所以在发展初期主要是配用电磁操动机构。此外电磁机构具有构造简单、使用方便、造价低廉等优点。 常用的电磁操动机构有CD10、CD17、CD19等。CD10最初是用与少油断路器的。CD17是专为真空断路器设计的操动机构，为直推式。 与油断路器、SF6断路器有很大差别。真空断路器的触头行程很小，合闸过程中在触头接触前只需要很小的驱动力，一旦触头闭合，就需要很大的驱动力来压缩触头弹簧，以获得足够的触头压力。因此真空断路器的反力特性在触头接触瞬间有一个大幅度的正向突变。12kV真空断路器合闸终了时的触头反力常常超过1t，而真空断路器所要求的平均合闸速度并不高，为0.6～0.8m/s。合闸速度太高容易引起触头合闸弹跳，是不希望的。分闸时要求操动机构不给运动系统附加过多的运动惯量，以提高分闸初始加速度（刚分速度）。 高压真空断路器 传统的电磁操动机构的出力特性与真空断路器的反力特性能很好匹配。 在合闸过程中，随着动铁心的运动，空气隙减小，吸力增大，动静铁心吸合时可产生很大的吸力。在分闸时静铁心不参予分闸运动，操动机构基本上不增加运动系统的运动惯量，便于提高刚分速度。 传统的电磁机构的最大缺点是操作电流大，使用不方便。使运动系统的运动惯量增加得不多，便于提高刚分速度。弹簧操动机构可以用小交流电源进行交流操作。 3.永磁机构 和传统的断路器操动机构相比，永磁机构采用了一种全新的工作原理和结构。工作时主要运动部件只有一个，无需机械脱、锁扣装置，故障源少，具有较高的可靠性 4.永磁机构的工作原理： 1、实质：利用永磁体实现合闸保持和分闸保持（有时只用永磁体作合闸保持而不作分闸保持）的一种形式的电磁操动机构。不同结构形式的永磁机构的工作原理大体相似 2、永磁机构的合闸都采用电磁操动。 3、分类 （1）按照机构在分闸操作时的不同，永磁机构可以分为电磁操动（即双稳态）和弹簧操动即单稳态）两种形式。 （2）从线圈数目上分为双线）从外形 结构分为方形结构和圆形结构。沿A－A剖开得到剖面简图，如图10所示。 高压真空断路器 从图中可以看出，永磁机构共由七个主要部件组成：l为静铁心：机构提供磁路通道，对于方形机构一般采用硅钢片叠形结构，圆形机构则采用电工纯铁或低碳钢；2为动铁心：是整个机构中最主要的运动部件，一般采用低碳钢材料；3、4 为永久磁体：为机构提供保持时所需要的动力；5、6：为分闸线为驱动杆：是机构与断路器传动机构之间的联接纽带。 当断路器处于合闸或分闸位置时线圈中无电流通过，永久磁铁利用动静铁心提供的低磁阻抗通道将动铁心保持在上、下极限位置，不需要任何机械联锁。当有动作信号时，合闸或分闸线圈的电流产生磁动势，动、静铁心中由线圈产生的磁场与永磁体产生的磁场叠加合成，动铁心连同固定在上面的驱动杆，在合成磁场力作用下，在规定时间内以规定速度驱动开关本体完成开合任务。 两位式双稳态机构：由于动铁心在行程终止的两个位置不需要消耗任何能量即可保持。传统的电磁机构，动铁心是通过弹簧的作用被保持在行程的一端，而在行程的另一端，靠机械锁扣或电磁能量进行保持。 永磁机构是通过将电磁铁与永久磁铁特殊结合来实现传统断路器操动机构的全部功能：由永久磁铁代替传统的脱锁扣机构来实现极限位置的保持功能，由分合闸线圈来提供操作时所需要的能量。 4、双线圈双稳态和单线圈单稳态永磁机构的工作过程和工作原理。 （一）双稳态永磁机构工作过程和工作原理：原理如图11所示。 1）、零件： 静铁心1的中部镶着永磁体4和5，两个永磁体的同名磁极朝向中心。永磁体的上方和下方分别安装着分闸线位于永磁体和静铁心上下磁极之间。动铁心上的驱动杆9穿过静铁心。此驱动杆可直接用来驱动断路器作合分闸运动。 2）、理论上动铁心在静铁心中有三个平衡状态： 其一为动铁心位于静铁心的最上方，动铁心的下端与静铁心的下磁极接触（图11的位置为合闸状态）。 其二为动铁心位于静铁心的最下方，动铁心的下端与静铁心的下磁极7接触（图11c的位置为分闸状态）。在合闭状态，永磁体通过下部磁路的磁阻很小而通过下部磁路的磁阻因空气隙很大而很大。永磁体的磁通绝大部分通过上部磁路，将动铁心牢固地吸在静铁心的上磁极8上。在分闸状态（见图11c），与合闸状态相反，永磁体通过下部磁路的磁阻很小，磁通集中在下部磁路，动铁心被吸在下磁极7上。 其三是动铁心位于静铁心的中部，永磁体通过上部和下部空气隙的磁阻完全相等，静铁心的上端和下端受静铁心的吸力完全相等，动铁心处于平衡状态。 高压真空断路器 但这是一种不稳定平衡，只要上下气隙有微小变化就会破坏这种平衡，过渡到第一种或第二种平衡。所以动铁心实际上只存在两种平衡状态，即分闸状态和合闸状态。正因为如此，双线圈永磁机构又称作双稳态永磁机构。当双线圈永磁机构处于合闸位置时，永磁体产生的磁力线的分布如图中曲线Ⅰ所示。要使其分闸时，只要在分闸线圈中通以直流电流，该电流产牛的磁力线方向与永磁体在静铁心L端的磁力线b中的曲线Ⅱ。分闸线圈中的电流所产生的磁场使动铁心所受的吸力减小，当此电流增大到一定值时，动铁心所受的吸力之和小于动铁心上的机械负荷（如作用在动铁心上的触头压力，其方向与永磁体的吸力相反），这时动铁心就将向下运动。一旦动铁心向下运动，动铁心上端与静铁心上磁极之间就出现了空气间隙，上端的磁阻增大，下端的磁阻减小。静铁心主磁极对动铁心的吸力减小，下磁极对动铁心的吸力增大。动铁心上向下的合力增大，这使动铁心加速向下运动。这一过程一直持续到动铁心下端与静铁心的下磁极接触. 如图11c所示，完成分闸动作为止。这时，动铁心重新被永磁体吸合，处于稳定状态，即使切断分闸线圈的电流，动铁心也不会恢复到合闸状态了。 合闸过程和分闸过程正好相反：在合闸线d所示，线圈电流在下部间隙中产生反向磁场，动铁心上受到的总吸力减小，当吸力小于动铁心上的机械负荷时动铁心向上运动，最后达到合闸位置，如图11c所示，动铁心重新为永磁体吸合。切断合闸线圈电流后动铁心仍然保持在合闸位置，合闸过程结束。 高压真空断路器 （二）平稳态永磁机构工作过程和工作原理 单线圈永磁机构与双线圈永磁机构的结构和磁路都非常相似，动作也很相近，但是在分闸操作时需要用弹簧操动。 操动机构处于合闸位置：线圈中无电流通过，由于永久磁铁的作用，动铁心保持在上端。分闸时，在操作线圈中通以正向电流，该电流在动铁心上端产生与永磁体磁场相反方向的磁场，使动铁心受到的磁吸力减小，当动铁心受到的向上的合力小于弹簧的拉力时，动铁心向下运动，实现永磁机构的分闸。 操动机构处于分闸位置：在操作线圈中通与合闸操作方向相反的电流。这一电流在静铁心上部产生与永磁体磁场方向相同的磁场，在动铁心下部产生与永磁体磁场方向相反的磁场，使动铁心所受磁吸力减小，当操作电流增大到一定值时，向上的电磁合力大于下端吸力与弹簧反力，动铁心便向上运动，实现开闸，并给分闸弹簧储能。 5.永磁机构的特点和技术先进性 1、特点： （1）结构简单，零部件数量少，没有机械锁扣，运动部件通常只有一个，这是所有永磁机构的共同特点，也是共同的优点。单线圈和双线圈永磁机构的机械结构都极简单，比任何操动机构（弹簧操动机构和电磁操动机构）的结构都要简单得多，零部件只有弹簧操动机构的40%左右。 （2）机械寿命长、可靠性高是永磁机构最为突出的优点。由于结构简单，运动部件通常只有一个，这使永磁机构的机械寿命特别长，容易达到十万次或更高。由于没有容易出现故障的机械锁扣和其它高速运动部件，所以永磁机构发生机械故障的几率几乎为零，也即它的机械可靠性非常高，远远高于电磁操动机构和弹簧操动机构。 （3）永磁机构的机械传动十分简单，分合闸线圈励磁电流产生的磁场直接驱动动铁心，动铁心直接推动真空断路器的主轴作合分闸运动。这种简单、直接的传动方式使得永磁机构的分合闸时间都比较短而且稳定，合分闸时间的分散性可以控制在士1ms之内。因而可以开发研制同步开关。 （4）钕铁硼永磁体可产生极强的磁场，因而永磁机构可产生很大的吸合力。这对于需要很大触头压力的真空断路器是非常重要的。 （5）永磁机构保持了弹簧操动机构可用小功率交流电源操作的优点，又没有其结构复杂的缺点。传统的电磁操动机构合闸操作需要220V、100A甚至更大的直流电流，因而通常需要大功率的蓄电池作为操作电源，投资大，维护工作量大，维护费用高。这一点是影响电磁操动机构使用的主要原因。永磁机构采用储能电容或电池作为操作电源或用小功率交流电源即可进行操作，在很大程度上克服了电磁操动机构的这一严重缺点，进一步发挥了电磁操动机构结构简单的优点。 高压线）在永磁机构中，通常使用感应式接近开关作为分合闸状态检测。感应式接近开关是一种无触点开关，它的动作无接触、无磨损、尤弹跳，可精确地确定动作时刻，运行不受外界环境条件的影响。接近开关具有很高的寿命和很高的可靠性。 （7）使用储能电容器作为操作电源。储能电容用一个小功率的交流电源经整流后给电容充电。用门极关断（GTO）晶闸管控制其对合分闸线圈的放电。电容储存的电能应足以进行O-CO操作，并在交流电源停电后相当长时间（例如24h）内仍能进行分闸操作。有时也用电池作为操作电源。 （8）为适应配电自动化的要求，永磁机构常配用现代化的电子控制装置。电子控制系统不仅可完成合、分闸控制，而且还能完成某些继电保护功能、通信功能、遥控、在线检测等等。电于控制还可以精确发出分合闸信号，为同步开关创造条件。电子控制需要的触发信号的功率非常小，因而可配用电流传感器、电压传感器等新的技术装备。 （9）永磁机构仍然是一种电磁操动机构，所以也可以像传统的电磁操动机构那样使用：以蓄电池组作为操作电源，用机械式接触器进行控制等。在某些场合这样使用更为经济、方便。 由于永磁机构有着绝大部分真空断路器所迫切需要的功能，非常适用于 真空断路器，它的应用前景是非常广阔的。 综上所叙，由于永磁机构价格太贵，在10kv没有必要采用，但是其发展前景是很乐观的。此次设计所选用的操动机构为CT19型，完全满足设计要求。 高压真空断路器 参考文献 [1] 王季梅 《真空开关理论及其应用》 机械工业出版社 [2] 王季梅 《真空灭弧室设计制造及其应用》 机械工业出版社 [3] 张节榕 《高压电器原理与应用》 清华大学出版社 [4] 杜丽华 《高压开关设备国内外产品水平》 [5] 范 舜 《真空断路器操作机构的设计与优化》 [6] 《高压开关行业通讯》 [7] 严 樟 《高电压绝缘》 清华大学出版社 [8] 贺湘琰 《电器原理与产品》 湘潭机电高等专科学校 [9] 王海帆 叶德隆《高低压电器设计手册》 机械工业出版社 [10] 华中电力管理局《高压断路器技术问答》 中国电力出版社 [11] 李建基 《高压开关设备实用技术》 [12] 刘其永 《电气绝缘结构设计原理》 西安交通大学 [13] 尚振球 《高压电器》 西安交通大学 [14] ARMSTRONG,T.V.(1972):’The future of vacuum interrupters in distribution switchgear’.IEE Conf.publ,83 高压真空断路器 附 录 真空断路器总装配图设计，零部件图设计（见附录） 1﹥波纹管 2﹥触头 3﹥灭弧室 4﹥总装配图 本文档由香当网(用户上传
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