12kV户内真空断路器介绍

按其极柱结构的特征区分，12kV户内真空断路器主要有空气绝缘和极柱封闭绝缘两种结构。

空气绝缘极柱的真空断路器由极柱、操动机构、机箱、绝缘拉杆等主要部件组成，在较大尺寸的灭弧室外，还有为加强相间绝缘强度和弥补极柱间距离小不满足有些国家的规定（如我国对带电体之间空气间距有专门规定）而设置的绝缘隔板或整体绝缘框架。因为极柱间的绝缘介质不只是空气，所以严格地说这类真空断路器的极柱属于复合绝缘结构。

空气绝缘极柱的真空断路器主要特点有：

（1）以空气介质为主的绝缘具有自恢复性，没有像固体绝缘那样容易产生很大的局部放电量，所以没有老化之虞。

（2）有助于极柱的散热，特别是对负荷电流大的极柱。因此，在一些设计中，小电流极柱用固封结构，而大电流的极柱采用空气绝缘。

（3）对于大电流的极柱以及在要求相间耐压强度高的地区或国家，必须增设相间隔板，材料为阻燃绝缘板材，如SMC、DMC或阻燃纯环氧板，因而这类真空断路器的体积较大。

我国的真空断路器在自行研发、引进技术和技术扩展的长期过程中已出现了多种产品形式，其中，许多结构是大同小异的。图2-3～图2-5所示为一些典型的空气绝缘极柱真空断路器外形。

图2-3所示国内研制的空气绝缘极柱ZN28型12kV户内真空断路器，它有着多种规格和用途，额定参数为：额定电流630～3150A、最大短路开断电流40kA。图2-3（a）所示为悬挂式结构，属于极柱与操动机构分体式设计，适用于固定柜和老、旧开关柜改造；图2-3（b）所示结构用于固定柜，在安装底盘车后，也适用于可移开式开关柜；图2-3（c）所示手车式结构并自配CD型电动操动机构或CT型弹簧操动机构，专用于可移开式开关柜。

图2-3　ZN28型12kV真空断路器

（a）悬挂式结构；（b）底部为地电位的结构；（c）手车式结构简图
1—手力操作手柄；2—CD型或CT型操动机构；3—手车把手；4—力输出杆；5—拐臂；6—触头弹簧；7—绝缘操作杆（也称绝缘拉杆）；8—变直拐臂；9—软连接导电带；10—上极帽；11—绝缘支杆；12—真空灭弧室（玻壳或陶瓷外壳）；13—下极帽；14—支柱绝缘子；15—手车

几种其他型号的空气绝缘极柱户内真空断路器如图2-4和图2-5所示。

图2-4（a）所示真空断路器为北京开关厂在20世纪90年代初引进Siemens公司3AF型技术生产的产品，国内型号ZN12型。额定电流1250～3150A，额定短路开断电流最大50kA，一体化弹簧（圆柱螺旋拉簧）操动机构；图2-4（b）所示VPR型真空断路器为三菱公司设计，在我国合资设厂生产，其特点是灭弧室直接安装在绝缘框架上，构造简单、零件少，易于维护。技术参数为：额定电流630～3150A，最大额定短路开断电流40kA，一体化弹簧（拉簧）操动机构；图2-4（c）所示为Schneider（施耐德）公司HVX型大电流3150A空气绝缘极柱形式的真空断路器，采用涡卷式弹簧操动机构。

图2-4　几种12kV空气绝缘极柱的户内真空断路器

（a）ZN12型真空断路器；（b）VPR型真空断路器；（c）HVX型真空断路器（3150A）

图2-5（a）所示3AH3型为Siemens公司在1995年对早期产品3AF更新设计的真空断路器，是典型的技术先进型断路器之一，在我国合资设厂生产。与3AF相比，它主要的改进之处是：①40kA及以下改用小型内屏蔽的灭弧室，提高电极的工作效率、减少制造成本并缩小了相间空气间距，只有50kA断路器仍采用外屏蔽灭弧室，以确保大电流的开断能力；②采用短开距，增大分闸速度，提高开断能力，降低了合闸阻力，有利于延长操动机构的寿命；③改进了合闸单元的结构，极大地减少了合闸弹跳，有利于减少合闸时电弧对触头的烧蚀并便于生产调整。12～40.5kV的3AH3断路器采用一种基本结构形式相同的弹簧操动机构，仅有些受力部件随容量的大小不同而改变，因而方便大规模生产管理。操动机构大量采用功能模块，严格控制零件的精度、材料的耐磨性和低温特性，因而可靠性高，可频繁操作，机械寿命长达30000次。额定电流1250～3150A，最大额定短路开断电流50kA。

图2-5（b）所示3AH5型真空断路器，是对早期产品3AG更新设计的经济性、小容量断路器，额定电流1250A、2000A，额定短路开断电流25kA和31.5kA，机械寿命20000次。

两种断路器均采用一体化的弹簧操动机构，储能弹簧为圆柱螺旋弹簧，优点是成本低、加工容易。

图2-6所示为3AH3的电寿命曲线。

图2-5　Siemens公司的3AH型真空断路器

（a）3AH3型12kV真空断路器；（b）3AH5型12kV真空断路器；（c）3AH3型结构简图
1—上极帽；2—导电接长管；3—绝缘支杆；4—VS型真空灭弧室；5—下极帽；6—软连接导电带；7—变直拐臂；8—相间隔板；9—航空插头；10—航空插座；11—支柱绝缘子；12—操动机构箱；13—触头弹簧；14—油缓冲器；15—绝缘操作杆

3AH3型、3AH5型使用VS系列真空灭弧室，其触头合金中Cr、Cu比为50%∶50%。经多年研究，该型灭弧室现在可达到的截流水平比2000年之前更低，图2-7所示为VS系列真空断路器截流水平的概率分布曲线，它呈近似的正态分布，概率最大值为3A，97%累计概率不超过3.5A，对应的最大截流过电压不超过3.0p.u.，它小于中性点绝缘运行系统电气设备绝缘强度的设计值4.0p.u.。

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图2-6　3AH3真空断路器的电寿命曲线

图2-7　VS真空灭弧室的截流水平概率分布曲线

图2-8　ABB Calor Emag公司VD4型12kV真空断路器

（a）早期极柱结构的断路器；（b）固封极柱的断路器；（c）大电流（3150A）极柱的断路器
1—塑料罩；2—上触头座；3—环氧绝缘筒；4—真空灭弧室；5—下触头座；6—软连接导电带；7—触头弹簧；8—绝缘操作杆；9—分闸弹簧；10—操动机构；11—涡卷弹簧；12—输出拐臂

极柱封闭绝缘的真空断路器首先见于ABB Calor Emag公司的VD4型真空断路器，它的主要部件包括极柱、涡卷弹簧操动机构、机箱、绝缘拉杆等。早期的极柱是将真空灭弧室置于环氧筒内，随后约在2000年改为用APG（压力凝胶成型）工艺将整个灭弧室连同上、下极帽一并封固在环氧树脂中，这一改进不但加强了极柱的绝缘强度，还使其结构尺寸更为紧凑，而且免除了早期结构套筒中在运行中出现灭弧室表面类似静电吸尘的现象。与空气绝缘极柱相比，极柱封闭绝缘的结构散热效果较差，为此大电流断路器的极柱采取了增大相间中心距、外露上极帽并在极帽外附加硫化绝缘层以及在极柱侧面增设散热沟槽等技术措施。图2-8所示为VD4型12kV真空断路器的三种结构，VD4设计采用碟簧作为触头弹簧，它置于绝缘拉杆的内部，其特点是不占据空间，有利于断路器的小型化。图2-9所示为固封极柱实物的侧剖面照片。VD4型也是典型的技术先进型真空断路器之一，它采用的涡卷弹簧体积小，储能效率高，质量稳定，可靠性高，免维护；技术参数为：额定电流630～3150A，最大额定短路开断电流50kA，机电寿命30000次。VD4真空断路器的电寿命曲线如图2-10所示。

图2-9　固封极柱的构造（实物外形与剖面）

图2-10　VD4型真空断路器的电寿命曲线

极柱封闭绝缘真空断路器最大的优点还在于它属于落地式，即底部为地电位，可直接安装在有机械联锁和驱动机构的底盘车上，配用可移开式柜体十分方便，易于拓展断路器市场，所以深受开关厂的青睐。为此，国内外许多厂家参照这一设计思路推出了多种极柱封闭绝缘真空断路器。其中最早和设计最佳的是VS-1型，它的极柱结构与VD4相同，最大的特点是操动机构的改进设计极为成功：储能轴两端各装一根拉簧，因而受力均匀，减少了动作时机件之间的摩擦，提高了机构的效率，能维持良好的输出特性并有利于机构动作的可靠性。更有意义的是拉簧容易国产化，成本低，便于国内生产。图2-11所示为VS-1型的极柱外形和它极具特色的操动机构，该型断路器的设计对国内其他厂家的产品发展起了积极的推动作用。随后几年，国内连续推出的多种真空断路器大都是参考或局部仅有少量更改（如仅删除了纵隔板）的结构，如ZN63型等。图2-12所示为国内常见的其他几种固封极柱的真空断路器，它们的极柱基本与VD4型大同小异。

图2-11　VS-1型真空断路器的外形与操动机构

（a）外形；（b）操动机构

图2-12　几种固封极柱的12kV真空断路器

（a）GE公司Power Vac型真空断路器；（b）Eaton公司的W-VACi型真空断路器与它的弹簧操动机构；（c）东芝公司VK型户内真空断路器；（d）Schneider公司EV 12s型真空断路器

自2005年开始，Siemens公司也相继推出了3AH2-EP型、3AE8型和3AE81型固封极柱的真空断路器，它们的外形和操动机构如图2-13所示。其中3AH2-EP型和3AE81型两型断路器的操动机构基本相同，仅在脱扣装置上有些差异。

图2-13　Siemens公司的固封极柱真空断路器

（a）3AE81型真空断路器；（b）3AE81型的弹簧操动机构；（c）3AH2-EP型真空断路器

图2-14　户内40.5kV真空断路器示例

（a）Siemens公司3AH3305型；（b）国内设计的ZN12-40.5型；（c）ABB Calor Emag公司VD4-40.5型；（d）国内设计的ZN85-40.5型；（e）Eaton公司W-VACi型；（f）Eaton公司VN1-40.5型（Cooper公司原设计）