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小型化真空灭弧室老炼工艺的研究

来源:浙江伊德智能科技有限公司 浏览次数:

[小型化真空灭弧室老炼工艺的研究]:摘 要:本文根据小型化真空灭弧室研制开发和生产实践中的体会着重介绍小型化真空灭弧室的老炼工艺。 1 概述 真空开关技术经过近三十多年的发展,市场占有份额逐年提高,生产厂家也越来越多,市场竞争非常激烈。...

  摘 要:本文根据小型化真空灭弧室研制开发和生产实践中的体会着重介绍小型化真空灭弧室的老炼工艺。

  1 概述

  真空开关技术经过近三十多年的发展,市场占有份额逐年提高,生产厂家也越来越多,市场竞争非常激烈。特别是入世以来,国外真空开关制造业以独资、合资的形式相继进入中国市场,使得竞争更加激烈。市场对先进的小型化真空开关的需求越来越迫切,用户需要外型尺寸小、占地面积小、成本低廉、性能优越的产品。因此,近年来世界各国,尤其是日本、美国等科技发展水平较高的国家一直致力于真空灭弧室小型化的研究,并取得了突破性进展。

  为了实现真空灭弧室的小型化,锦州华光电力电子(集团)公司的技术研究人员对真空电弧、电真空材料、灭弧室内部电场强度的分布及生产方式等技术进行了深入地研究,真空灭弧室设计水平和制造工艺得以不断提高和完善,推出了新一代U系列小型化真空灭弧室。

  U系列小型化真空灭弧室改变了以往的设计模式和工艺方式,在产品内部结构设计上采用了全新的设计理念,在制造工艺上有较大的突破,其产品特点如下:

  (1)采用自行研制的新型纵磁均布式触头结构。这种触头结构在燃弧期间,在触头间隙中产生比目前通用的纵磁触头结构更强、更均匀的纵向磁场。在强磁场的作用下,电弧被有效地控制在一个更大的区域内燃烧,扩大了触头的有效利用面积,改善了触头表面的电流密度分布,使电弧始终保持扩散型,从而降低了弧压及电弧能量,使开断能力大幅提高,开断能力较原杯状触头结构提高了约15%以上。

  (2)通过计算机辅助设计,改善了灭弧室内部电场强度分布的均匀程度,优化了灭弧室内部结构,提高了灭弧室内部的绝缘水平,从而实现了灭弧室的小型化,其体积仅为原结构的50%~70%。 

  (3)采用新型的“一次封排”工艺,使灭弧室从部件到整管一次封排完成,减少了人及环境对部件的二次污染,提高了灭弧室内部的真空度及清洁度,改进了灭弧室的开断性能、绝缘水平及同轴水平。同时,新型的工艺结构,使得灭弧室的密封焊缝得以减少,由原来的9道焊缝减少到6道焊缝,灭弧室的漏气几率大大降低,密封的可靠性提高了33%。 

  (4)采用新型的波纹管防扭结构,既防止波纹管被扭伤漏气,又使整管的外形更加美观,也给装机带来便利。

  锦州华光电力电子(集团)公司根据市场的需求前景已开发出断路器用12kV等级的20kA、25kA、31.5kA、40kA、80kA及40.5kV等级25kA、31.5kA和负荷开关用20kA的U系列小型化真空灭弧室,这是公司自行研制开发、拥有自主知识产权的换代产品。

  U系列真空灭弧室优越的性能、小型化的体积配合复合绝缘的应用,不但使真空断路器缩小了相间距,减小了整体尺寸,更主要的是能够满足较大的开断容量和较高的弧后绝缘水平。另外,对现行开关使用小型化真空灭弧室后,也可以去掉相间附加的绝缘件,既可降低成本,又可方便安装调试。

  U系列小型化真空灭弧室优越的开断性能及较高的弧后绝缘水平得益于先进的设计方式和新型“一次封排”工艺的采用,也与老炼工艺的改进密不可分。真空灭弧室的老炼工艺分为电流老炼和电压老炼,本文根据小型化真空灭弧室研制开发和生产实践中的体会着重介绍小型化真空灭弧室的老炼工艺。

  2 大电流老炼

  大电流老炼就是真空灭弧室通以数百安培较大电流的同时拉开触头,使触头间产生扩散型电弧,燃烧的电弧剥除了触头表面覆盖着的脏物、氧化物和气体,使触头表面成为完全新鲜的活性表面,起到了净化触头表面的作用。因此,可以说电流老炼与电压老炼比较,更具有彻底除气的作用。

  大电流老炼分交流电流老炼和直流电流老炼,锦州华光电力电子(集团)公司采用直流老炼方式,取直流电压100V左右,电弧电流调至100安至数百安,合分触头10~20次。每次合分操作时使电弧有足够长的燃弧时间,累计一定时间后,就能达到对触头表面净化和除气的目的。电流老炼对触头表面的烧蚀作用主要来自正离子对阴极的轰击,对阴极表面有较好的烧蚀作用[1],为了对另一触头进行老炼,必须改变直流电源极性,重复上一次操作。经大电流老炼的真空灭弧室,其开断短路电流和开合电容器组的性能比未进行电流老炼的灭弧室性能稳定[2],主要是因为触头表面的净化和表层吸收的气体被除去,在开断时电弧燃烧触头放出气体少,对触头间介质强度的恢复非常有力。

  U系列小型化真空灭弧室采用新型纵磁均布式触头结构,这种触头结构在燃弧期间,在触头间隙中产生比目前通用的纵磁触头结构更强、更均匀的纵向磁场,电弧被有效地控制在一个更大的区域内燃烧,扩大了触头的有效利用面积,在同一电流等级下,触头表面积减小20%以上。为了避免大电流老炼时规范过重,触头表面烧损严重,影响绝缘水平,尤其是影响冲击耐压水平,U系列小型化产品大电流老炼试验时,电弧电流调至80~100安,合分触头正负极性各5~10次,具体次数根据弧光而定,弧光颜色由白色或红色转为淡蓝绿色为宜。 

  3、超高压老炼

  高压老炼效应是决定真空中绝缘击穿特性的主要因素之一,成为实现高电压化、小型化的一项课题。常用的高压老炼方法有四种:辉光放电老炼法、充气老炼法、电流老炼法、火花老炼法。对密封的真空灭弧室而言火花老炼法是提高真空灭弧室耐压水平的唯一实用的方法[3],火花老炼法也就是工频老炼法。锦州华光电力电子(集团)公司采用的是超高压工频老炼,其特点是:

  (1)灭弧室浸在绝缘介质中,老炼过程中不受外绝缘的影响,老炼电压比空气中提高约1.5倍,使真空灭弧室的内部老炼更彻底;

  (2)超高压工频老炼的升压有保护措施,一旦击穿电流大,威胁产品安全时,它将自动降压以保护灭弧室不受损坏;

  (3)在静态情况下给真空灭弧室施加工频高电压,引起触头间及触头与屏蔽罩间强烈的火花放电。真空灭弧室利用该方法可消除触头和屏蔽罩表面的高β发射点,改善触头和屏蔽罩的表面状况,从而提高它的击穿电压和长期工作下的稳定性。 

  真空灭弧室小型化后,灭弧室的体积变得越来越小,因而老炼工艺也需要重新摸索,以确定更适合小型化产品大批量生产的老炼工艺。这里着重介绍小型化真空灭弧室高压老炼工艺的摸索过程,包括外绝缘的保护、老炼开距、老炼升压速度、老炼电压值及电压稳定时间的确定。

  3.1外绝缘保护

  解决真空灭弧室耐受高电压和强电场的关键技术之一是沿面绝缘的提高,尤其将真空灭弧室最大限度地小型化后,真空灭弧室本身的外部绝缘(主要指用于复合绝缘的真空灭弧室的外绝缘)已不能满足较高的老炼电压和正常的绝缘要

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