高压真空断路器散热优化策略

利用真空作为灭弧介质的设想是在20世纪20年代由米里肯和索雷森提出的。

（一）真空断路器的优缺点

（1）优点

1）触头在关合状态接触电阻小，因为金属表面没有表面膜。

2）电弧电压低，因而电弧能量小，因为主要只出现阴极电位降。

3）触头开距小，电弧电流过零后断口介质绝缘强度恢复快。

4）电极的材料烧损少。

（2）缺点 真空间隙的耐电强度随着电极距离的增加而降低。真空开关的相间距离不能任意缩小，否则，由于电磁相互影响，会降低断口的介质恢复强度的能力。

在真空中，因为没有气体薄膜对熔粘的削弱作用，出现熔粘可能特别严重。在高真空中，甚至很小的触头振动就会产生使触头熔粘的理想条件。因此，在真空中没有可能在所有条件下都能防止触头出现熔粘。

（二）两种现象

1.断路器中的机械现象

断路器的可分触头既不可能高度准确地对中，也不可能使表面做到高度平滑，因此，通常需要在触头表面上作出一些圆弧以减少对不对中的敏感性，并可能提供一个可加控制的接触部位。

2.高压真空断路器的温升

高压真空断路器的回路电阻是影响温升的主要热源，而灭弧室的回路电阻通常要占高压真空断路器回路电阻的5%以上。触头间隙接触电阻是真空灭弧室回路电阻的主要组成部分，因为触头系统密封于真空灭弧室内，而产生的热量只能通过动、静导电杆向外散热。

真空灭弧室静端直接与静支架相连，动端则通过导电夹、软连接与动支架相连。虽然动端向上运动有利于动端散热，但是因为动端连接环节较多，导热路径较长，所以高压真空断路器温升的最高点集中于动导电杆与电夹搭接部位。在实际应用中，有效地利用静端有利于散热的元件，迫使触头间隙热量比较多地从静端导出，分流动端的热量，是解决高压真空断路器温升偏高的有效措施。

（三）ZN12-10型真空断路器

ZN12-10系列高空真空断路器为额定电压10kV、三相交流、50Hz的户内高压开关设备，是引进德国西门子公司的技术。

1.主要结构特点

主要由真空灭弧室、弹簧操作机构和绝缘支撑件组成，具有结构简单、开断能力强和寿命长等特点。

2.ZN12-10型真空断路器主要技术参数及机械特性参数

根据不同的额定短路开断电流和额定电流派生有10多种品种。额定短路开断电流为31.5kA，所对应的额定电流等级有1250A、1600A、2500A等品种；额定短路开断电流为40kA所对应的额定电流等级有1600A、2500A、3150A等品种；额定短路开断电流为50kA所对应的额定电流等级有1600A、2000A、3150A等。断路器的机械寿命和额定电流开断次数均为10000次。额定短路电流开断次数：31.5kA产品为50次，40kA产品为30次，50kA产品为12次。

下面所介绍的技术及机械特性参数是以额定短路电流为31.5kA，额定电流为1250A为标准的。

采用专用的真空断路器参数测试仪或其他等效的测试仪器和适合的动触头位移传感器测试下列断路器参数。

1）触头开距：（11±1）mm，是指分闸位置时断路器一极动、静触头间的总间隙，也称为触头行程。应分别测量三相各自的触头开距。

2）接触行程：（8±2）mm，也称作超行程，是指动、静触头接触后产生闭合力的动触头部件继续运动的距离。触头弹簧设计有一定的预压力，其预压行程和终压行程之差为触头的超行程。应分别测三相各自的超行程。

3）三相分闸同期性≤2ms，是指断路器分闸时，最早分开的那个相的触头和最晚分开的那个相的触头分开时间的时间差值。

4）分闸时间≤0.065s，是指断路器接到分闸信号瞬间到所有相触头都分离瞬间之间的时间间隙。这一值应分别在断路器的额定分闸电压、最低分闸电压、最高分闸电压下分别测量。

5）合闸时间≤0.075s，是指断路器接到合闸信号瞬间到所有相触头都接触的瞬间之间的时间间隔。

6）合闸触头弹跳时间≤2ms，是指断路器合闸时触头闭合以后到动静触头之间再次出现弹开现象的时间间隔。应分别测量三相各自的触头弹跳时间。触头弹跳是不可避免的，用物理现象表述就是：在断路器合闸终止时，一个物体要做加速运动（静触头），另一个物体做减速运动（动触头），两物体（动、静触头）运动方向相反，造成合上又分开又合上的现象。

7）平均分闸速度1.0～1.4m/s，是指断路器分闸时，从触头分开开始到触头达到6mm之间的平均速度。计算时通常是用6mm除以这一段距离触头运动所用的时间。

8）平均合闸速度：0.6～1.1m/s，是指断路器合闸时，从触头开始运动到触头完全闭合这一段触头行程之间的所有的时间。计算时通常是用触头开距除以这一段距离。

9）每相回路电阻≤45μΩ，用回路直流电阻测试仪分别测量断路器的三相主回路各自的回路电阻值。

测量应采用电压降法，即通过该相上下出线端在主回路中通以100A直流电流，测量该相断路器上下出线端之间的电压降。换算得出该相回路的电阻值。测量时注意不应使回路通电时间太长，否则会影响测量值的正确性。

要特别提示的是：使用电桥法测量的回路电阻值通常是不准确的。

3.真空灭弧室（图2-21）

灭弧室按材料分玻璃壳和陶瓷壳两种。两种灭弧室具有相同的触头材料和纵磁场触头结构。屏蔽罩分为内屏蔽和外屏蔽。

瓷绝缘、外屏蔽真空灭弧室是由一个金属圆筒屏蔽罩和两只瓷管封在一起作为外壳，上、下两只瓷管分别封在上、下法兰盘上，动、静触头3分别焊在动、静导电杆8、2上。静导电杆焊在上法兰盘1上，动导电杆上焊一波纹管5，波纹管的另一端焊在下法兰盘6上，由此而形成一个密封的腔体。该腔体经过抽真空，灭弧室的真空度一般在10^-6Pa以上。当合、分闸操作时，动导电杆上、下运动，波纹管被压缩或拉伸，使真空灭弧室内的真空度得到保持。

图2-21 真空灭弧室

1—上法兰盘 2—静导电杆 3—触头 4—屏蔽罩 5—波纹管 6—下法兰盘 7—导向套 8—动导电杆

1）波纹管：波纹管直接影响真空灭弧室的寿命。可伸缩的不锈钢材料，它使得动触头可以在完全密封的真空灭弧室内运动。它的密封性能和寿命是决定真空灭弧室机械寿命的主要因素之一。

2）屏蔽罩：分内屏蔽与外屏蔽，使用不锈钢与铜两种材质。增加屏蔽罩的厚度可提高额定短路开断电流容量，但一般情况下屏蔽罩的厚度不超过2mm。

3）触头：采用铜铋合金材料（CuBi）。在铜中加入少量的铋，大约0.92%（质量分数）左右，在固态下，铋实际上不溶于铜。当触头相互接近时，由于预击穿或触头的跳动通常会产生电弧。当弧头最后保持接触时，熔化液坑的凝结渐渐地从触头内部区域发展到表面。这种凝固界面具有把铋推入熔化区的作用，很像区域提纯过程中杂质的运动过程。当触头接触表面最后凝固时，有一层铋成分较高的表面层与触头本体材料间松弛地连接着，如有“熔焊”也容易拉断。但焊接力点要小于开关机构的分闸力。当动静触头带电分闸时，触头间产生电弧，由于触头上开有螺旋槽（渐开线），电流曲折路径效应形成的杯状纵磁场作用在电弧上，使电弧以70～100m/s的速度在触头表面旋转运动，将电弧约束在磁场内，并均匀分布在触头表面，不集聚，因而电弧电压低，燃弧时间短，触头烧蚀甚微，电弧在电流自然过零时就熄灭了，触头间的介质强度又迅速恢复起来。

触头接触面为线接触或面接触。线接触相对面接触更加容易控制，从而使倾斜面、对中问题得到根本解决。

由于真空灭弧能力强，可引起操作过电压，故真空断路器需安装过电压吸收装置或避雷器，从而增加了真空断路器的复杂性。改变触头的材料可有效防止操作过电压的产生。一般以银（Ag）为主要材料的触头，其截流值控制在3～5A，从而防止产生操作过电压。

4.ZA12-10型断路器弹簧操动机构

（1）机构组成 主要由储能机构、锁定机构（合分闸搭钩）、合闸弹簧、分闸弹簧、开关主传动轴、缓冲器和控制装置组成，如图2-22所示。

储能机构由减速器、储能电动机和储能弹簧组成。储能机构主体是一个外壳为铸铝的减速器，其内部装有两套蜗轮蜗杆；储能轴横穿减速器，与蜗轮蜗杆无机械联系；储能轴上套一轴套，此轴套用键联接在大蜗轮上，轴套上设有轴销，上面装一棘爪；在储能轴的右端装有一凸轮，凸轮上有一缺口，棘爪通过此缺口来带动凸轮转动；在储能轴的左端装有一曲柄，其外端挂有合闸弹簧。

减速器的轴销上装有一个三角形的杠杆，在该杠杆轴销处装有滚针轴承作为合闸滚轮。合闸时，合闸弹簧的能量通过凸轮传递给合闸滚轮，三角形杠杆的另一孔中用轴销与一连杆连接，其另一端与主轴上的拐臂相连，这样就形成了一组四连杆机构，合闸力通过该机构传递给开关主轴，减速器的轴销上还装有一滚针轴承，作为锁住合闸搭钩用。

图2-22 ZA12-1O型断路器弹簧操动机构

1—合闸弹簧 2—手动摇把 3—杠杆 4—电动机 5—连杆 6—油缓冲器 7—橡胶缓冲器 8—主轴 9—减速箱 1O—凸轮 11—分闸弹簧 12—合闸掣子 13—合闸磁铁 14—分闸磁铁 15—辅助开关 16—分闸掣子 17—真空灭弧室 18—万向杆端轴承 19—绝缘拉杆 2O—触头弹簧

在开关主轴的拐臂上还装有分闸弹簧和三个拐臂，其中两个分别作用在合橡皮缓冲器和分闸油缓冲器上，另一个拐臂上装一滚针轴承作为锁住分闸搭钩用。该机构的合、分闸搭钩完全相同，主轴上还设有带动辅助开关的专用拐臂。

弹簧操纵机构的储能有如下两种。

1）电动储能：接通电动机电源，轴套由减速器中的大蜗轮带动使其转动，当轴套上所安装的棘爪进入凸轮缺口时，便带动储能轴转动，从而使挂在储能轴曲柄上的合闸弹簧拉伸而实现储能。储能完毕后，减速器轴销上的合闸滚轮被合闸搭钩锁住，维持储能状态。同时，曲柄上的小连杆带动弯板压下微动开关，电动机电源被切断。在面板孔中显示有机构已储能的机械指示，电动储能的时间应不大于15s。储能后，扣合杠杆上的滚轮对合闸锁扣作用力的大小决定于合闸弹簧与曲柄三点间的角度大小。该角度越大，其合闸锁扣力越大，合闸脱扣电压也就越高。

2）手动储能：先将手摇把插入减速器前方的孔中，顺时针摇动约25圈后，棘爪进入了凸轮缺口带动储能轴转动，再继续加力手摇25圈，合闸储能完毕，在减速器中有一单相轴承，只是顺时针方向转动，逆时针方向不受力，不会出现反打现象，也就是说在手动50圈顺时针方向转动过程中，可以停顿，对人员没有伤害，手动储能结束后应随即卸下手把。

（2）如何合、分闸

1）合闸：接通合闸电磁铁电源或用手按压合闸按钮，合闸搭钩被解脱，储能轴在合闸弹簧力的使用下逆时针转动，这时，凸轮压在三角杠杆上的滚针轴承上，杠杆上的连杆将力传给开关主轴，主轴带动绝缘拉杆，导电杆向上运动。主轴约转60°时被分闸搭钩锁住，开关合闸。在合闸的同时，分闸弹簧储能，绝缘拉杆上安装的触头弹簧，亦被压缩，给触头施加了一个压力，“合闸指示”显示在面板孔中。

2）分闸：接通分闸电磁铁电源或用手按压分闸按钮，分闸搭钩解脱，主轴在分闸弹簧和触头弹簧力的作用下反向旋转，从而带动导电杆向下运动而使断路器分闸，油缓冲器用来吸收分闸终了时的剩余动能，并且可作为分闸定位，“分闸指示”显示在面板孔中。

（四）维修

1.更换灭弧室

首先将断路器分闸，合闸弹簧不储能，与断路器相连的电源都断开，然后按以下顺序进行。

拆去紧定螺钉12和螺栓9（图2-23），将导电夹落至最低点（图2-24）。(www.xing528.com)

图2-23 真空断路器外形

1、2、5、8、9—螺栓 3—上出线 4—管接头 6—绝缘支杆 7—真空灭弧室 10、11—销轴 12—紧定螺钉 13—螺钉旋具

图2-24 真空断路器导电夹（垂直位置图）

拆去销轴11（图2-23）的挡卡，按图所示用螺钉旋具撬动与销轴11相连的拐臂后，拆下销轴11。

拆去销轴10的挡卡和垫圈，抽出销轴10。

松开4个紧定螺栓8。

用24号套筒扳手松开螺栓2；用22号套筒扳手松开螺栓1。

拆下螺栓5，并取下绝缘支杆。

拆去螺栓1、2，取下上出线和真空管上的接头。

取下真空灭弧室。

将导电夹取下装在新灭弧室的动导电杆上，验证动导电杆是否能自由装入导电夹内。如导电夹与导电杆配合紧密，可将导电夹张口撑大至能自由套入导电杆上（图2-25）。

图2-25 真空断路器导电夹（平面位置图）

在安装新灭弧室之前，需将上出线、管接头、灭弧室、导电夹的各导电部分用干净的布加无水酒精擦干净，各轴销涂润滑油。

将导电夹放在下出线上，装上真空灭弧室，并将导电夹套在灭弧室的动导电杆上。

装上管接头和上出线，并将螺栓1、2旋入一定的深度。

装上绝缘支杆，螺栓5不紧死。

转动灭弧室至装上销轴10及垫圈和挡卡，注意导电杆上烧损标记要朝外。

装上螺栓9和螺钉12，把软联接和导电夹装正后将它们紧死。

把各部分的螺栓都紧死。

借助螺钉旋具装上销轴11及挡卡。

检查各部分安装正确后，手动储能并合、分闸几次。

分别用深度尺和游标卡尺测量断路器的行程和超行程（图2-26）。

图2-26 断路器行程（L_行）与超行程（L_超）

1—机构箱 2—绝缘子 3—上出线端 4—真空灭弧室

断路器行程=L_行合-L_行分；

断路器超程=L_超分-L_超合。其中：L_行合为断路器合闸状态的行程；L_行分为断路器分闸状态行程；L_超分为断器分闸状态的超行程；L_超合为断路器合闸状态的超行程。

调节断路器的行程和超行程时，首先松开活节螺栓上的紧定螺母，然后卸下拉杆的活节螺栓端，活节螺栓向内拧，行程增大，超程减小，向外则反之。然后装上拉杆重新测量。反复至数据合格后，将各部分紧牢。

2.更换电动机

合闸弹簧不储能，断路器处于分闸状态，切断与断路器相连的一切电源。

拔去微动开关上的接线，拆下轴3（图2-27）上的挡卡，拆下轴3，然后取下微动开关。

拆去紧定螺栓5及连杆上的挡卡垫圈，将连杆与支架4整体取下。

拆下电动机与减速器相连的两个螺栓，取下电动机。

换上新电动机，注意要使电动机输出轴上的键与减速器正确配合。

按以上相反的顺序将各件装好，螺栓紧定。

手动储能合、分动作几次后，电动储能合、分操作几次，动作正常后电动机更换完毕。

3.更换合闸弹簧

合闸弹簧不储能，断路器处于分闸状态，切断与断路器相连的一切电源。

将紧定螺钉9（图2-27）放松，使减速器的位置下降。

取下合闸弹簧上的挡卡垫圈，取下合闸弹簧。

将新合闸弹簧的配合孔擦干净后涂润滑脂，安上合闸弹簧。

装上垫圈、挡卡。

图2-27 储能电动机及储能机构结构

1—电动机 2—微动开关 3—轴 14、11—支架 5—紧定螺栓 6—合闸簧 7—减速器 8—连杆 9、1O—紧定螺钉 12—辅助开关

检查正确后，手动储能合、分闸操作几次，动作正常后合闸弹簧更换完毕。

4.微动开关与辅助开关的故障排除

微动开关与辅助开关的故障主要是触头的烧损，用户可按断路器的接线图与接线原理图、用现有微动开关与辅助开关的其他完好触头替换。排除辅助开关的故障时，断路器不储能、处于分闸状态，没有和其他电源相连。拆下紧定螺钉10（图2-27）后，取出支架11，将线接在合适的触头上。如没有可用触头，可换新微动开关或辅助开关。

（五）检查

1）检查各接点处螺栓是否紧固，有无其他缺陷，并清扫断路器。

2）检查辅助开关触头有无烧损现象，尤其是在合闸过程中，应密切注意监视各联锁接点动作配合情况。

3）检查可动接触杆的完整性、紧力，检查开口销，各机械部件应用干净的润滑油润滑。使机构动作灵活减少磨损，更换磨损严重的零件。

4）检查真空灭弧室的屏蔽罩是否保持光洁明亮，如发现变暗应检测真空灭弧室的真空度。

5）测量每相主回路接触电阻，应达到规程要求，并与上次结果进行比较。

6）检查行程、超行程，应达到规程要求。

7）断路器内接线端子有无短路、烧坏、引线松脱、过热等现象。

8）断路器每操作1000次（或六个月）应进行一次全面检查。

9）检查直流操作电源回路，电压是否正常，回路保险是否合适完好，各种仪表及信号装置指示是否正常等。

10）各种类型的断路器都应进行远程控制试操作，最低限度应跳闸合闸各三次。