谈真空断路器性能分析摘要：断路器是关系到电网稳定运行和用电可靠性的前提保障, 它的性能关 系到电网的每一刻运行。本文对真空断路器的特点和分、合闸弹跳等各方面对真 空断路器机械特性进行了有意义的探讨。 关键词：真空断路器；绝缘特性;分、合闸性能分析 引言： 从目前的使用状况来看, 抽查中暴露的主要问题表现之一就是产品机械特 缺陷，如触头行程、平均分、合闸速度实测值超出产品技术条件的规定范围。显然, 为了提高其产品的质量, 对断路器机械特性的主要技术参数进行有意 义的探讨是必要的。 1.线 真空的绝缘特性 真空具有很强的绝缘特性, 在真空断路器中, 气体非常稀薄, 气体分子的自 由行程相对较大, 发生相互碰撞的几率很小, 因此, 碰撞游离不是真空间隙击穿 的主要原因, 而在高强电场作用下由电极分析出的金属质点才是引起绝缘破坏 的主要因素。真空间隙中的绝缘强度不仅与间隙的大小、电场的均匀程度有关, 而且受电极材料的性质及表面状况的影响较大。真空间隙在较小的距离间隙( 3mm)情况下, 有比空气与 SF6 气体高的绝缘特性, 这就是真空断路器的触头 开距一般不大的原因。电极材料对击穿电压的影响主要表现在材料的机械强度 抗拉强度)和金属材料的熔点上。抗拉强度和熔点越高, 电极在真空下的绝缘 强度越高。实验表明, 真空度越高, 气体间隙的击穿电压越高, 所以, 要保证真空 灭弧室的绝缘强度。 1.2 真空中电弧的形成与熄灭 真空电弧和我们以前学习的气体电弧放电现象有很大的差别, 气体的游离 现象是产生电弧的主要因素, 真空电弧放电是在触头电极蒸发出来的金属蒸汽 中形成的。同时, 开断电流的大小不同, 电弧表现的特点也不同, 所以,我们一般 把它分为小电流真空电弧和大电流线 小电流真空电弧 触头在真空中开断时, 产生的电流和能量集聚在阴极斑点, 从阴极斑点上大 量的蒸发金属蒸汽, 其中的金属原子和带电质点的密度都很高, 电弧就在其中燃 烧。同时, 弧柱内的金属蒸汽和带电质点不断的向外扩散, 电极也不断的蒸发新 的质点来补充。在电流过零时, 电弧的能量减小, 电极的温度下降, 蒸发作用减 弧柱内的质点密度降低,最后, 在过零时阴极斑消失, 电弧熄灭。有时, 蒸发 作用不能维持弧柱的扩散速度, 电弧将突然熄灭, 发生截流现象。 1.2.2 大电流真空电弧 在触头断开大的电流时, 电弧的能量增大, 阳极也严重发热, 形成很强的集 聚型弧柱。同时, 电动力的作用也更加明显了, 因此, 对于大电流真空电弧, 过了极限开断电流,就会造成开断失败。此时, 触头发热严重, 电流过零以后仍 然蒸发, 介质恢复困难, 不能断开电流。 2.分、合闸弹跳 2.1 断路器分、合闸功能实现的基本原理 永磁操动机构真空断路器在分合闸终端位置时,都由永磁体提供的磁能来实 现稳定保持,断路器接到分合闸指令时,由电容器组或者直流电源向分合闸激磁线 圈提供电流产生电磁力,当电磁力逐渐增大到足以克服永磁体所提供的保持力及 系统摩擦阻力时,断路器的动触头开始运动并达到一定的速度值,从而成功实现分 合闸功能。因此,电源给激磁线圈的供电时间、所提供操作功的大小及永磁体提 供保持力大小是影响触头碰撞速度大小的主要因素,进而影响到断路器分合闸的 弹跳性能。 2.2 动触头弹跳性能分析 2.2.1 合闸弹跳产生的原因 合闸弹跳是指断路器的动触头碰撞静触头后被其反作用力推开,然后再接触 再被推开,如此反复的现象叫做合闸弹跳。带载工作的断路器由于触头弹跳的反 复动作将产生很高的过电压,从而影响整个电力系统的供电稳定性。同时也将产 生电流很大的电弧引起高温烧损触头,甚至熔焊,这一现象在投入容性负载及断开 关合的情况下更加严重。由于真空电弧是高温等离子体,其温度值通常可达几 千。在此高温下,由于触头分离瞬间触头接触电阻的急剧增大容易产生局部严 重的熔焊现象。熔化的金属粘连着动静触头,形成了所谓的“液态金属桥”,随着动 触头的分离动作将使触头表面凹凸不平。这给限制型电弧的产生提供了有利条件, 在电弧电流非常大的情况下,限制型电弧将转变成扩散性电弧;从而使关合动作失 败。在永磁操动机构真空断路器的操作过程中,由于操动机构动作原理的特殊性, 因为弹跳还可能使断路器处于“死区”状态,即断路器处于半开半合的状态。由于 在永磁操动机构真空断路器中有时还配有分闸弹簧,如果合闸时在弹跳严重的情 况下,使动铁心很容易进入永磁保持力的“死区”最终使断路器的分合闸操作难以 实现。合闸弹跳的衡量标准为合闸弹跳时间t 的大小是否小于相关标准所规定之 值。它是指动触头刚接触、到稳定接触静触头的时间段。从理论上讲,t 值越小越 好。目前国家电力部门对各种类型断路器的分合闸弹跳时间都有相应的时间规 2.2.2分闸弹跳产生的原因 分闸弹跳是指断路器在接到分闸指令时,动触头在操动机构提供的动力作用 下离开静触头后又被机构反力使其回到合闸状态,然后再拉开再合上,如此反复的 现象叫做分闸弹跳。对触头所造成损伤的原理及危害程度与合闸弹跳相似。在永 磁操动机构作用下真空断路器的分合闸性能的实现总伴随着分闸弹簧的作用。在 永磁操动机构真空断路器由于分合闸的动力来源比其它机构要复杂的多;而且永 磁体所提供的保持力在分合闸过程中所起作用是变化的(在双稳态永磁操动机构 中当动铁心的位置处于中心对称点两侧时,永磁体所提供的保持力在一侧起动力 作用,在相反的另一侧就起反力作用,在单稳态永磁机构中情况有所不同,永磁体 只为断路器合闸状态提供保持力,分闸状态的保持力由在合闸过程中为分闸弹簧 所储能量来提供),所以,弹跳性能的分析相对其它类型操动机构断路器的分析更 具有难度。 2.3 燃弧时间 通过对燃弧时间的分析, 可获得真空断路器性能必要的判据。燃弧时间的长 不但体现真空灭弧室的性能,而且也体现了操作机构动作的合理性和稳定 性。燃弧时间与真空断路器开断能力关系密切, 它能预示开断能否达到极限。长 燃弧时间对灭弧室考验意味着比短燃弧时间的作用有更大的热和机械效应。因此 燃弧时间应尽可能的短, 但应以建立电弧熄灭的条件为度。一般来讲, 燃弧时间 10ms以内为优, 10～15 ms 为主, 大于 15ms 为差。首开相燃弧时间以不小 3ms为最佳, 最大不超过 8ms,后开相应在电流第一次过零时熄灭。首开相的 分布应以均匀分布为佳。对同一台断路器来讲,在其整个电寿命试验过程中, 历次 开断短路电流时燃弧时间的分布在正常情况下呈现类似“浴盆”曲线, 即开始时 中间若干次燃弧时间较短且稳定,末了燃弧时间又变长的规 律。是此规律的真空断路器则说明真空灭弧室性能稳定, 断路器机械特性参数也 比较稳定。反之, 分散性很大、燃弧时间呈长短无序分布, 则反映出整个断路器 性能的不稳定或尚有缺陷。 3.结语： 通过以上的叙述, 我们对真空断路器的性能及应用都有了一定的了解和认 判断真空断路器性能的优劣,除了要看它的型式和试验结果外, 还要看其机 械可靠性。选用那些值得信赖的设备, 使真空断路器能在系统内全面推广和应 用。总之, 经过实践证明, 真空断路器其性能完全能满足安全生产及运行的要求。 参考文献： [1]王晓虹;牛丽芳;;论真空断路器及弹簧操作机构的机械特性[J];华章;2011 年04 [2]李婉婷;张春梅;;浅析真空断路器及弹簧操作机构的机械特性[J];科技风;2009 年19
