详解真空断路器工作原理

产品简介

真空断路器工作原理与其他断路器相比之是灭弧介质不同罢了，真空不存在导电介质，使电弧快速熄灭，因此该断路器的动静触头之间的间距很小。该断路器一般用于电压等级相对低的厂用电配置中！随着电力系统的迅猛发展， 10kV真空断路器在我国已经大批量地生产和使用。对于检修人员来说，提高对真空断路器的认识，加强维护保养，使其安全运行，成了一个迫在眉睫的问题。本文以例，简要说明真空断路器的原理与维修。

一、真空的绝缘特性

真空具有很强的绝缘特性，在真空断路器中，气体非常稀薄，气体分子的自由行程相对较大，发生相互碰撞的几率很小，因此，碰撞游离不是真空间隙击穿的主要原因，而在高强电场作用下由电极析出的金属质点才是引起绝缘破坏的主要因素。

真空间隙中的绝缘强度不仅与间隙的大小，电场的均匀程度有关，而且受电极材料的性质及表面状况的影响较大。真空间隙在较小的距离间隙（2—3毫米）情况下，有比高压力空气与SF6 气体高的绝缘特性，这就是真空断路器的触头开距一般不大的原因。

电极材料对击穿电压的影响主要表现在材料的机械强度（抗拉强度）和金属材料的熔点上。抗拉强度和熔点越高，电极在真空下的绝缘强度越高。

实验表明，真空度越高，气体间隙的击穿电压越高，但在10-4 托以上，就基本保持不变了，所以，要保持真空灭弧室的绝缘强度，其真空度应不低于10-4托。

二、真空中电弧的形成与熄灭

真空电弧和我们以前学习的气体电弧放电现象有很大的差别，气体的游离现象不是产生电弧的主要因素，真空电弧放电是在触头电极蒸发出来的金属蒸汽中形成的。同时，开断电流的大小不同，电弧表现的特点也不同。我们一般把它分为小电流真空电弧和大电流真空电弧。

1、小电流真空电弧

触头在真空中开断时，产生电流和能量十分集聚的阴极斑点，从阴极斑点上大量地蒸发金属蒸汽，其中的金属原子和带电质点的密度都很高，电弧就在其中燃烧。同时，弧柱内的金属蒸汽和带电质点不断地向外扩散，电极也不断的蒸发新的质点来补充。在电流过零时，电弧的能量减小，电极的温度下降，蒸发作用减少，弧柱内的质点密度降低，最后，在过零时阴极斑消失，电弧熄灭。

有时，蒸发作用不能维持弧柱的扩散速度，电弧突然熄灭，发生截流现象。

2、大电流真空电弧

在触头断开大的电流时，电弧的能量增大，阳极也严重发热，形成很强的集聚型的弧柱。同时，电动力的作用也明显了，因此，对于大电流真空电弧，触头间的磁场分布就对电弧的稳定性和熄弧性能有决定性的影响。如果电流太大，超过了极限开断电流，就会造成开断失败。此时，触头发热严重，电流过零以后仍然蒸发，介质恢复困难，不能断开电流。

三、断路器的结构和工作原理

真空断路器的生产厂家比较多，型号也较繁杂。

断路器本体部分由导电回路，绝缘系统，密封件和壳体组成。整体结构为三相共箱式。其中导电回路由进出线导电杆，进出线绝缘支座，导电夹，软连接与真空灭弧室连接而成。

机构为电动储能，电动分合闸，同时具有手动功能。整个结构由合闸弹簧，储能系统，过流脱扣器，分合闸线圈，手动分合闸系统，辅助开关，储能指示等部件组成。

工作原理

真空断路器利用高真空中电流流过零点时，等离子体迅速扩散而熄灭电弧，完成切断电流的目的。

动作原理

储能过程：当储能电机 14接通电源时，电机带动偏心轮转动，通过紧靠在偏心轮上的滚子10带动拐臂9及连板7摆动，推动储能棘爪6 摆动，使棘轮11 转动，当棘轮11 上的销与储能轴套32的板靠住以后，二者一起运动，使挂在储能轴套上32 上的合闸弹簧21 拉长。储能轴套32 由定位销13 固定，维持储能状态，同时，储能轴套32 上的拐臂推动行程开关5切断储能电机14 的电源，并且储能棘爪被抬起，与棘轮可靠脱离。

合闸操作过程：当机构接到合闸信号后（开关处于断开，已储能状态），合闸电磁铁 15 的铁心被吸向下运动，拉动定位件13 向逆时针方向转动，解除储能维持，合闸弹簧21 带动储能轴套32逆时针方向转动，其凸轮压动传动轴套 30，带动连板29及摇臂27 运动，使摇臂27 扣住半轴25，使机构处于合闸状态。此时，连锁装置28 锁住定位件，使定位牛不能逆时针方向转动，达到机构联销的目的，保证了机构在合闸位置不能合闸操作。

分闸操作过程：断路器合闸后，分闸电磁铁接到信号，铁芯吸合，分闸脱扣器 19 中的顶杆向上运动，使脱扣轴16 转动，带动顶杆18向上运动，顶动弯板26 并带动半轴25 向反时针方向转动。

半轴25 与摇臂27 解扣，在分闸弹簧的作用下，断路器完成分闸操作。

四、断路器的调试

开距与超行程断路器的开距与超行程的测量可以根据图三所示，在分合闸状态测量出的 X 值之差为断路器的开距，Y 值之差为断路器的超行程。调整的方法为放长或缩短绝缘操作杆3 或机构与主轴的连杆。

分合闸机构调整

1、摇臂 27 与半轴25 的扣接量为1.5~2.5mm,可以通过调整螺钉24 来实现。

2、传动轴套 30 转动最大角时，摇臂27 与半轴间要有1.5~2mm的间隙，以保证传动轴套回落到合闸位置时，摇臂27 能自动扣接到半轴 25 上，可以通过螺钉31 的调节来实现。

3、辅助开关 2的转换应准确可靠，可以通过调整辅助开关2的拐臂3位置及位杆4 的长短来实现。

4、在储能过程中，当棘爪到达最后一个齿的最高点时，应能保证储能轴套 32 上的拐臂使行程开关的触点可靠切换，切断电机电源，可以通过调整行程开关5 的上下前后位置来实现。

5、调整分闸合闸弹簧的预拉长度，保证断路器的可靠分合，且分合闸速度达到规定值。

五、断路器的控制回路

在我国的农网 35KV标准化变电站中，采用了控制母线和合闸母线分开的原则。

在短路器的辅助常闭接点与合闸线圈之间，把断路器储能行程开关的一对常开接点串联进控制回路。这样，在断路器未储能的情况下，将不能进行合闸操作。防止了在断路器未储能的情况下合闸，合闸回路保持，烧毁合闸线圈。

同时，在接线的过程中，要注意储能行程开关接点中合闸母线与控制母线的极性要一致，防止出现在开关蓄能时，合闸回路的电弧击穿行程开关，造成控制保险的熔断或控制空气开关的掉闸。

这一点在综合自动化变电站上要特别注意。

六、运行维护与检修试验

真空断路器的燃弧时间短，绝缘强度高，电气寿命也较高，触头的开距与行程小，操作的能量小，因此，机械寿命也较高。在日常的运行中，维护工作量很小，主要检查机构的运动部件磨损情况，紧固件有无松动，清除绝缘表面的灰尘，在活动部位注入一些润滑脂等。

在春检预防性试验中，对开关的直流电阻测试要与历史数据进行比较，发现问题及时处理更换，对断口的工频耐压试验，是检验真空泡是否漏气的有效方法。（户内真空断路器可以借鉴断开负荷时，真空泡内闪光的颜色来初步判断真空泡的真空度，颜色暗红时表明真空度降低，颜色淡蓝时，表明真空度良好）保护定植校验时，对断路器做低电压掉合闸试验，检验开关在母线故障状态时，电压降低时动作是否可靠。

一、专用真空断路器

 面临极其不同的开断任务，新的专用断路器应运而生。如果用于发电机保护断路器的特大容量真空断路器（短路开断电流高达63～80kA及以上），标准型真空断路器（短路开断电流25～50kA），经济型真空断路器（16～25kA），频繁型真空断路器（如操作次数5～6万次），超频繁型真空断路器（如操作次数 10～15万次）。如西门子公司的3AH系列断路器就按使用场合划分为5种型号，其中3AH1和3AH3型为标准型，操作10000次，3AHZ型为频繁型，操作6万次，3AH4为超频繁型，操作12万次，3AH5型为经济型，价格便宜。

二、低过电压型真空断路器

众所周知，真空断路器因截流会引起截流过电压，特别在开断小的感性负截如电动机时，一般情况下，为限制过电压而给真空断路器配过电压吸收装置如SicRC 路，ZnO避雷器等，这使断路器结构庞大且复杂化，而且有的限制过电压不理想。

 日本几家公司另辟路径，开发出低过电压真空断路器。它不用加过电压吸收装置而用新开发出的触头材料，将过电压限制至常规值的十分之一。低过电压触头材料东芝为AgWC日立为Co－Ag－Se，三菱为Cu－Cr－Bi－α，富士为CuCr＋高蒸气材料。这些公司一般做到7.2kV下20kA，只有东芝公司做到7.2kV下40kA。

三、多功能真空断路

众所周知真空断路器迄今为二I位（即合一分）完成关合和开断任务。现在出现了多功能真空断路器，赋予了多个功能，如合—分—隔离—接地等。西门子公司、 Alstom公司、日立公司均有这样的产品。西门子公司最新推出NXACT型模块式真空断路器具有多功能：集关合、开断、隔离、接地及联锁于一体。Alstom公司配VISAX开关柜的真空断路器为三I位（合—分—隔离）。日立公司与东京电力公司合作研发的24kV真空断路器为四I位（合—分—隔离—接地）。

为使产品多功能化，从现有产品看，有两种做法：一是真空断路器相柱在开断后移动或旋转，形成隔离和接地；另一是真空灭弧室内触头旋转完成隔离和接地。西门子公司NXAct型产品为开断后相柱移动完成隔离和接地，而Alstom公司为开断后相柱旋转完成隔离任务，日立公司通过灭弧室内触头旋转完成隔离和接地任务。

四、同步断路器

同步断路器又叫选相真空断路器或受控真空断路器。其基本原理是使真空断路器在电压或电流最有利时刻关合或开断。

与普通真空断路器相比，同步断路器具有如下优势：1.降低了电网瞬态过电压负荷；2.改善了电网供电质量；3.提高了断路器电寿命及性能；4.简化了电网设计，从而降低了整个系统费用。

 ABB公司利用数字电子器件和磁力操动机构已开发出了同步真空断路器，这是一个良好的开端。

五、智能型真空断路器

真空断路器智能化是建立在现代传感技术和数字化控制技术之上。国外制造公司都使自己的产品具有智能，这是配电自动化的需要，也是断路器本身控制保护的需要。如Alstom公司的DCX型可编程序数字控制装置，ABB公司的REF542型控制和保护装置，西门子公司第二代数字保护装置等。

由以上可知，真空断路器发展很快，究其原因，固然很多，但有两条是基本的：一是真空灭弧室技术的进步；二是操动机构技术的进步。真空灭弧室是真空断路器的心脏。真空灭弧室的进步表现在如触头材料从CuBi转变成CuCr，提高了开断能力，并降低了截流值，同时磁场从横磁场转向纵磁场，提高了开断能力，减少了触头的烧损。在工艺上，一次排封工艺的采用，大大提高了灭弧室性能及可靠性。

操动机构被称之为真空断路器的神经中枢。原先用电磁机构，后出现了弹簧机构，最新又出现了永磁机构。弹簧机构结构复杂，零件数多（多达200个），加工精度要求高，且弹簧机构的出力特性与真空断路器的负载特性不相匹配，要在凸轮轮廓曲线和连杆结构上进行合理设计。永磁机构的机械结构特别简单，零部件比任何其他机构都要少，运动部件可以减少至一个，因而机械可靠性特别高，而且永磁机构的出力特性能与真空断路器的负载特性很好的匹配。永磁机构用永磁锁扣，电容器（或直流屏供电）储能，用电子控制。永磁机构特别适用于频繁操作，如可达6万～15万次。

在世界上，特瑞能电气公司（TAVRIDA ELECTRIC AG简称TEL公司）于1974年首创配永磁机构的真空断路器模型，1989年配永磁机构的免维护真空断路器投放市场，1993年配永磁机构的真空断路器在荷兰KEMA试验站通过了型式试验。1994年配永磁机构的ISM型真空断路器获得俄罗斯专利（专利号N.020631）自此以后，ABB、 Josly、Cooper、Whipp＆Bourn等公司均开发出自己的配永磁机构的真空断路器。如ABB公司1997年开发成功配永磁机构的VM1型真空断路器。配永磁机构的真空断路器不仅用于户内断路器，也用于户外断路器和重合器，如TEL公司的OSM型重合器和Whipp＆Bourne公司的GVR 型户外重合器。

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