现行真空开关电器分类与特性分析

1.分类

根据技术参数、结构特征以及用途、使用场所的不同，现行的真空开关电器可分为许多类别，主要有以下几种：

（1）按安装使用场所分类。有户内、户外型，在户外型中又有落地安装和柱上开关两大类。

（2）按开断电流的能力分类。有真空断路器、真空负荷开关与真空接触器。真空断路器具有开断安装点线路的短路电流的能力，现行最小容量的柱上真空断路器一般额定短路开断电流均可达到20kA；真空负荷开关和真空接触器只用于开断负荷电流，一般的额定值为630A，也有的可达800A或1250A，它们开断短路电流的能力很小，仅约在1000～2000A，因此在应用时需选配熔断器作后备保护，开断短路电流。真空接触器的特点是可频繁合、分操作。因此真空负荷开关和真空接触器应用的常见形式是它们与限流熔断器的组合。

（3）按用途分类。有配电真空断路器、发电机真空断路器。前者的结构类型、规格最多，额定短路开断电流最高达到63kA，额定电流最大达3150A；后者则是正在发展的安装在12～24kV发电机出口的保护控制开关，尚有许多关键技术课题在研究中，目前最高的额定短路开断电流是80kA。

（4）按电压等级分类。有低压真空断路器、中压真空断路器和高压真空断路器。其中，中压真空断路器用于配电网，即前述的配电级真空断路器，它们在数量和品种方面都占绝大多数，其额定电压为7.2～40.5kV。低压真空断路器和高压真空断路器则是由中压产品拓展的断路器，低压真空断路器主要是具有电弧封闭的特点，有利于防爆、防火，因而一般用于660V及以下的煤矿、化工和多粉尘易燃、易爆的场所。

（5）按操动机构与极柱相对位置分类。有分体结构和一体化结构。分体结构常见于户外落地式真空断路器和中压气体绝缘开关装置（GIS）以及固体绝缘开关装置（SIS）的真空断路器，它们的操动机构与极柱是分开的。还有在老、旧少油开关柜的改造中，也采用这一方式。一体化结构源自国外设计，其结构紧凑，占据空间小，主要见于中压户内型真空断路器。

（6）按极柱绝缘结构分类。有空气绝缘和极柱封闭绝缘两种结构。空气绝缘结构是指通常灭弧室裸露在外和相间有隔板的结构；极柱封闭绝缘结构包括将灭弧室封闭于环氧绝缘筒内和将灭弧室及上、下触头座用APG技术真空浇注在环氧树脂绝缘体中即通常称为“固封”的两种方式，后者现已被多家制造厂采用，因为这种结构的极柱相间尺寸小，有利于断路器的小型化，而且断路器底部是地电位，可直接、方便地安装在联锁与驱动机构组合的底盘车上，便于大量推广。

（7）按操动机构分类。有电动操动机构、弹簧操动机构和永磁操动机构。在老、旧开关柜改造中，常使用原来为少油断路器配套的电动操动机构和弹簧操动机构，或在其基础上稍加改进的操动机构，以较好地配合真空极柱的负载特性，这些操动机构体积和所需输入能量均很大。常见一体化结构的真空断路器主要以弹簧储能的小型操动机构为主，所需输入能量很小。永磁操动机构是一种新概念的电磁动力机构，具有部件摩擦力极小、机械寿命超长等优点，合、分闸能量由一套复杂的电子线路控制储能电容器放电来提供。

（8）按被控制电源的种类分类。有三相真空断路器和单相真空断路器两类，三相结构的是一般常见的电力系统用真空断路器；单相结构的真空断路器则用于电气化铁道线路中。

2.特性

概括而言，真空断路器优异的特性主要有：

图2-1　几种介质的绝缘强度恢复曲线

（1）真空介质绝缘强度高，并且从图2-1中示出的一组曲线中还可观察到，在电弧电流过零后的瞬间，其初始绝缘强度和恢复速度远比其他介质的快，所以灭弧室仅需很小的触头间距，即断路器在开距很小时便可具有其他介质灭弧室同样的开断能力和断口耐压强度。从操动机构的四连杆结构特性和设计实践得知，开距减小几毫米可使断路器合闸操作时的阻力至少减小几百牛顿，所以需要的操动机构出力减小，因而真空断路器的体积比同等额定参数的少油断路器、六氟化硫断路器的都小；另外，机件磨损较轻，因而真空断路器机械寿命长。(www.xing528.com)

（2）与少油断路器和六氟化硫断路器相比，每个极柱的零部件数量显著少，因而结构简单得多。例如，少油断路器有绝缘油及油封元件，数量不少的灭弧栅以及动、静触头，弧触头等；六氟化硫断路器灭弧系统除了主动、静触头和弧触头之外，还有喷口、活塞、磁吹线圈其他辅助零件，另外，它的密封结构也很复杂。零件数量越多，意味着存在故障隐患的可能性越大。而真空灭弧室内只有固定的静触头、屏蔽罩和仅有两个可动部件——动触头和波纹管，这意味着真空断路器的可靠程度大为提高。

图2-2　中压断路器开断电流时电弧能量的对比

（3）磁控触头的应用大大降低了弧压降，与少油断路器和六氟化硫断路器相比，真空断路器的弧压降最低。弧压降低表明燃弧时弧柱呈低电阻，因而热量损耗小，这意味着在灭弧过程中电弧能量小、对触头的烧蚀轻，触头能够多次开断大电流，因此断路器的电寿命长。几种断路器开断相同短路电流时的电弧能量曲线如图2-2所示。分析这些曲线得知，对应同样开断40kA电流，少油断路器和六氟化硫断路器电弧消耗最大的能量约为800kW·s和300kW·s；而真空断路器仅50kW·s。一般的情况是：少油断路器在开断额定短路电流3～4次后就必须大修并更换已变黑、炭化的绝缘油；六氟化硫断路器电寿命虽也较长，但大修时很难妥善处理灭弧室内的剧毒气体和低氟化物，会对环境造成污染并威胁操作人员的健康。真空断路器灭弧和绝缘不使用有温室效应的SF6气体，开断后不产生有毒的低氟化物，更没有火灾和爆炸之隐患，有利于环境保护并确保设备和运行人员的安全。

（4）真空断路器无油、无SF6气体，能比少油断路器和六氟化硫断路器在更低或更高温度的环境中可靠运行。

（5）由于在设计、加工工艺、零件的材质以及制造管理水平等方面的差异，不同制造厂生产的真空断路器在质量上客观地存在着一定的差距。因而从质量角度区分，真空断路器又可分为技术先进型和普通型两大类。

技术先进型真空断路器主要体现在其机电寿命长、免维护（但定时润滑和清除表面灰尘仍是必要的）和运行的高度可靠性。从结构上分析，这类产品概括有以下几个特点：

1）磁控触头采用Cr、Cu比为50%∶50%的铜铬合金，开断电流大、次数多。例如，3AH3型12kV真空断路器可开断40kA短路电流50次，1250～3150A的额定电流30000次；VD4型40.5kV真空断路器可开断31.5kA短路电流50次，1250～2500A的额定电流30000次。同时，冶炼技术先进，合金的产气量低。

2）灭弧室外壳由高强度Al2O3陶瓷制造，耐冲击力强，机械强度高，结构细致密封可靠，具有极低的漏气率和超高的真空度（以负压表示）10-10bar甚至达10-11bar。从图1-13曲线可观察到，出厂时超高真空度和极低的漏气率，非常有利于真空灭弧室长期稳定工作和可靠熄弧。

波纹管选用疲劳强度极高的优质不锈钢合金制造，在拉伸、压缩2万～3万次操作中无裂纹和破损，这对真空灭弧室的超高真空度和可靠的动密封以及长机械寿命是其至关重要的保证。

3）优质的铜铬合金触头使真空断路器的截流水平低，在开断低值感性电流时不产生危害的截流过电压；在开断电容器组操作时，不发生重燃或重燃概率极低，达到了IEC 62271—100—2012《高压开关设备和控制设备　第100部分：交流断路器》和GB 1984—2008《高压交流断路器》规定的C2级断路器标准，尤适宜安全地投切大容量电容器组。

4）操动机构中各种传动、啮合功能的零件选用高性能优质钢材制造，比一般材料更加耐磨，能长期保持较高的配合精度；储能弹簧和所有的弹性元件以及控制挚子、半轴和扣板等控制元件的复位弹簧，均用优质弹簧钢加工且经严格的工艺热处理，疲劳强度高，能承受至少数万次动作无永久变形、折弯或断裂现象。

5）传动部件和分闸缓冲器均采用长效和低温特性良好的特种润滑油（脂），在低温环境下，操作真空断路器无卡涩、拒动、失灵或合分闸不到位等不良现象出现。

6）触头的额定开距比普通真空灭弧室的小，例如，Siemens公司不断研发，使灭弧室更加小型化，它的VS系列12kV真空灭弧室额定开距现为8mm，而以前的额定开距则为11mm，Eaton公司12kV WVAC型真空断路器额定开距为8.5mm，这使触头合分、闸操作所需动能减少了许多，因而有利于降低机构的出力、减轻零件的磨损，从而延长了机械寿命。