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高压断路器自能灭弧技术的发展
作者:张文兵    来源:西高所研发中心    发布时间:2006-12-14    浏览次数:14536

  目前很多生产中压开关设备的企业,其中不少是有实力的民营或股份制企业开始越来越关注126kV级以上产品的发展,很多厂家都有在高电压领域一展身手的想法,但大家对高压领域无论是产品的技术发展还是市场行情了解得不是太多,本文拟在结合西高所今年来开发的几个产品,特别是从灭弧技术和断路器的研制入手,向大家简要介绍了目前我国高压领域发展的概况。
  
  1.市场分析
  根据行业协会2004年年鉴,下表呈示了2003年72.5kV及以上高压断路器的产品产量。

2003年72.5kV及以上高压断路器的产品产量 单位: 台

电压等级 750 363 252 126 72.5
SF6断路器 73 22 769 4010 481
GIS     511 1494  
少油断路器     1 58 78

  考虑到一些合资或外资企业未参加行协的统计,椐不完全估计截止2003年目前国内市场的126kV以上产品的总需求量为10000台套左右(含GIS),其年产值约60-70亿元左右,约占整个高压开关总市场容量的1/4~1/3。其中126kV领域的产品产值约30亿元,供应偏紧。目前国内能进行126kV级以上产品生产的企业不足20家,有规模的且能生产252kV级以上产品的企业更是凤毛麟角。可以说,高压产品在近几年里还有一定的市场空间和利润空间。但生产高压产品所必须进行的在厂房、设备、技术、品牌战略等方面的高投入,依然是使不少企业彷徨不定或难以介入的高门槛。
  
  2.自能灭弧的技术发展
  对于六氟化硫断路器灭弧原理的发展而言,20世纪90年代无疑是一个重要的时期。在这期间,126kV及以上级的自能式灭弧原理得到了蓬勃的发展和广泛的应用,它与传统的压气式断路器相比,操作功大大减少,因而可配用维护方便的轻型弹簧操动机构,机械应力小,大大提高了机械可靠性及机械寿命,减轻了重量。从而使自能式六氟化硫高压断路器在轻量化、小型化、机械可靠性等特性上有了显著的优势,体现出高压断路器的进步。故采用自能式灭弧原理的断路器,被称为继双压式、单压式后的第三代断路器,是六氟化硫断路器发展史上的一次革命。它的出现迅速被用电部门所接受,具有良好的发展前景。
  西安高压电器研究所对自能灭弧技术的研究始于八十年代中期,当时主要在中压产品上进行了旋弧+热膨胀灭弧室的研究,并成功开发了LN2-10和LN2-35系列的SF6断路器。96年以后,开始进行了高压自能式断路器的研制工作,并陆续成功开发了一些产品。国内在这方面经过近十年的研究和研制,自能灭弧技术已经成为市场主流产品的优选技术,同时对这项技术本身的研究也在不断的深化,从而形成了不同的技术路线和不同的发展阶段。
  
  2.1 第一代自能式断路器
  第一代自能式六氟化硫断路器的灭弧原理是多种多样的,具体可又分为压气+电弧堵塞增压(如三菱结构)、压气+弧区热气体导入压气室增压(如东芝结构)、热膨胀+辅助压气等等,但它们共同的特点都是利用了电弧自身的能量,降低了操作功,几乎都以配用轻型的弹簧操动机构为特征。
  在国内,126kV级采用第一代自能式灭弧原理的六氟化硫断路器已基本走完了研发的历程,进入了广泛应用阶段。在这一发展过程中,由于采用的灭弧方式的技术路线不同,逐渐形成了两种流派,即以LW25为代表的压气+热膨胀增压灭弧技术(俗称单室结构)和以LW36为代表热膨胀+辅助压气灭弧技术(俗称双室结构)典型结构的SF6断路器。
  压气+热膨胀增压的灭弧原理基本承袭了压气式原理,其结构特点是压气活塞直径比传统的压气式要小一些,使用短喷口,并配以相应偏低的速度特性。其灭弧原理是:在大电流阶段电流堵塞喷口,被电弧加热的气体反流入压气缸中,使气缸中压力增高,当电弧电流变小,弧区压力下降,喷口开放时,压气缸中的高压气体吹向电弧,使之熄灭。这种灭弧室结构相对简单,在一定程度上利用了电弧能量,操动机构要克服的反压力随开断电流大小而变。降低操作功最有效的途径就是压气活塞的减小。

  西高所研发的第一代自膨胀式断路器:
  LW36-126型断路器
  灭弧单元采用热膨胀室和压气室分开的双气室结构,开断大电流时靠电弧能量自身使热膨胀室增压,在电流过零时反向吹弧。开断小电流时,带有泄压阀的辅助压气室起作用,故只需产生较小的气压熄灭小电流电弧。即热膨胀+辅助压气灭弧原理。它的主要特点是开断40kA的能力较强(燃弧区间大于10ms),配用铸铝整体框架式的弹簧机构。2004年,LW36-126型断路器又按新版GB1984-2003《交流高压断路器》标准,完成了型式试验,进一步验证了它开断的可靠性。
  第一代的自膨胀断路器目前已成为市场的主流产品。LW36-126型断路器2003年的总产量约800台,占国产品牌市场的四分之一左右。
  近年来,自膨胀灭弧原理开始向40.5kV等级衍生。例如,ABB公司是世界上最早开始研制自膨胀式灭弧原理的公司之一。早期将此原理应用在72.5kV的断路器,后广泛应用在126kV领域。近期,他们利用在高压断路器应用的有效经验,将它运用于40.5kV领域,开发了HD4型户内SF6断路器及OHB型户外SF6断路器。
  针对这种趋势,西高所最近正在开发40.5kV自膨胀式断路器。市场调研发现,35kV户外设备中的主流产品是ZW7型真空断路器和LW8型SF6断路器,约占市场总额的70%以上。这两型产品都是西高所研发中心开发的有影响力的产品。在使用真空断路器还是SF6断路器上,用户互有偏爱,从使用量上,基本上是各占一半。大家知道,LW8-40.5是西高所在十年前开发的一种罐式结构的压气式断路器,目前已成为这一市场领域的主流产品,很多生产企业从中获益。我们目前研制的40.5kV自膨胀式断路器的主要目的是从轻量化和高的机械可靠性(10000次)方面做更多细致的工作,逐步实现对LW8型断路器进行改型和换代。初期的方案采用了瓷柱式结构。

  主要技术特点是:采用已广泛用于高压断路器的第一代自膨胀灭弧技术,具有不产生截流、重击穿和操作过电压的特点。参照126kV级户外机构的特点,采用整体铝铸件框架、单元模块化的结构的轻型弹簧操动机构,加工性好,合闸功不到同等容量压气式断路器的一半(约500J),更适用于户外运行,提高了机械可靠性。使用成熟的灭弧室瓷套和支持瓷套,适用于海拔3000m或IV级污秽地区。所有的外露传动件采用铝质材料,具有轻巧、耐腐蚀的特点。采用成熟的密封结构,保证了产品的年泄漏率<1%。上帽顶部可选装安全释压阀。具有外置电流互感器方案,且从初步的成本分析上看,与LW8型断路器相当。
  从目前的研究性试验看,该型断路器在开断31.5kA时具有很好的开断能力,燃弧区间大于10ms,也具备向开断40kA继续冲刺的能力。
  第一代自能式断路器的共同特征:开断能力同压气式断路器相当,配用弹簧操动机构,操作功为原压气式断路器的30%左右。

  2.2 第二代自能式断路器
  所谓“第二代”实际上目前为止并没有一个特定的概念。笔者认为,是在原有的自膨胀灭弧技术的基础上附加了其他的灭弧技术。所以,第二代自能式断路器又可称为采用了多种复合灭弧技术的自能式断路器。例如,热膨胀+压气+助推(ALSTHOM结构)、热膨胀+减少压气行程、旋弧+热膨胀+助吹、热膨胀+辅助压气+双动等多种结构形式。这种断路器在国际上也备受科研机构和各大公司的关注,很多公司也开始了研制,并推向了市场。
  下面重点介绍双动+双室结构。从灭弧室结构上讲,仍属于双室的自膨胀灭弧原理。但由于采用了上、下触头在开断时反向运动的结构,在几乎不增加操作功的基础上,使刚分速度显著增加,以保证大电流的开断,国外的几家公司已有了类似的灭弧室结构或相应的产品,如ALSTOM公司的GL311/312型断路器(126kV),SIEMENS公司的3AP1-245型断路器等。由于操作能量与分闸速度的平方成正比,故这种结构的断路器可最大限度地降低操作功。但是灭弧室结构稍显复杂,需要很好的工艺和装配水平来保证。
  根据自能式灭弧技术发展的这些新特点,西高所开发成功了具有双动结构的LW36-252/T3150-40自膨胀式断路器。
  ① 灭弧室采用了上、下触头在开断时反向运动的结构(双动),在几乎不增加操作功的基础上,使刚分速度达到10m/s左右,保证了大电流的开断,同时可确保切容性电流无重击穿。而现国内开发的产品刚分速度普遍只能达到7m/s左右,都比较难达到上述的电气特性。
  ② 采用以上的灭弧原理后,单极操作时,分闸功低于100kgm,合闸功将低于200kgm,可以配用更轻型的弹簧操作机构。由于整机的机械受力较小,机械寿命达到了6000-10000次。而现国内开发的产品,由于受灭弧原理的限制,整机的合闸功为400kgm,甚至更高,可勉强配用较重型的弹簧操动机构或液压弹簧机构。
  可见,配自能式灭弧室的断路器之所以在全世界范围内被广泛认可,是因为它有明显优势。从市场要求提高投资效率的角度上看,断路器的设计应充分考虑将购买、安装、维护、检修的费用都降到最小。所以在保证同样开断性能的前提下,各电压等级的断路器都应不断地向低操作功、轻量化发展,最大限度地利用电弧能量,优化灭弧室结构,提高整机的可靠性,这已成为断路器设计的主旨思想。设计自膨胀式断路器的主要目的就是提高机械可靠性。通过降低灭弧室所需的必要的操作功,从而使配用轻型的弹簧机构成为可能,替代了液压或气动机构,减小了操作噪音,避免了操动机构介质泄漏的问题,提高了操作可靠性。
  自能式断路器降低操作功主要有以下三个途径:
  ① 减少压气反力,这是主要因素。压气式断路器中,在分闸运动后期,压气反力成为了运动的主要阻力,为保证不降低分闸速度,机构必须提供额外的能量。对于自能式断路器,设定在动触头脱离超程后不久,压气室下方的释压阀即打开。即使在分闸运动后期,压力差始终不会超过某一较小的定值。这样,同等压气室截面下,压气反力比压气式断路器小得多。
  ② 降低运动部件质量。由于整机的机械应力降低,故相应传动件的质量随之降低了。例如,LW36型断路器的全部运动质量仅有原压气式断路器的一半左右。
  ③ 降低分闸速度。操作能量是与速度的平方呈正比,所以降低分闸速度也可显著地降低操作功。对比发现,同等容量的自能式断路器刚分速度比压气式断路器降低了20%左右。更多的科研工作表明,这是由于自膨胀式断路器在空载和满载下的运动特性相差不多这一重要特点决定的。对于双动结构,分闸速度实际上只有单动方式的一半左右。
  
  3.结束语
  以上根据西高所研发中心近年来在自能灭弧技术方面所做的一些工作,结合开发的几种断路器,介绍了它们的一些特点,并从中归纳或预测了产品的技术发展规律。几十年来,西高所一直担负着行业归口管理工作,同时为行业内的很多企业提供了产品更新换代的技术服务。西高所有责任、也有能力在行业发展中发挥更大的作用,其研发中心的使命就是“协助客户获得核心竞争力,保持竞争优势,提高客户的业绩”。我们将立足国内的制造和工艺水平,不断开发出适于市场、有技术优势的新产品,并愿意同全行业的企业一道,共同面对日新月异的技术进步,共同面对复杂多变的市场环境,以技术求生存,以创新求发展,以服务求合作,实现厂所联合,实现厂所共赢,实现行业兴旺。


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