1 引言 隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民物質(zhì)文化生活水平的不斷提高，人們對電力的需求量愈來愈大，促使電力事業(yè)迅速發(fā)展，電網(wǎng)不斷擴(kuò)大，用戶對供電質(zhì)量和供電可靠性的要求也越來越高，同時也要求電力供應(yīng)部門提供安全、經(jīng)濟(jì)、可靠和高質(zhì)量的電力。國外的幾次重大停電事故，每一次都造成了嚴(yán)重的社會混亂和巨大的經(jīng)濟(jì)損失[1-9]；尤其是近期俄羅斯首都莫斯科及其周邊地區(qū)發(fā)生的大面積停電，引發(fā)的社會混亂和恐慌又一次給我國的城市電網(wǎng)可靠供電敲響了警鐘。我國電網(wǎng)發(fā)展滯后，結(jié)構(gòu)薄弱，部分設(shè)備老化，惡劣天氣和外力破壞等因素已對其安全運(yùn)行構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。 國家電網(wǎng)公司對城市電網(wǎng)建設(shè)改造中所用的設(shè)備和裝置提出了如下要求：適度超前，為今后發(fā)展留有余地；安全可靠、技術(shù)先進(jìn)、自動化程度高、占地少、維護(hù)少，能保障電網(wǎng)安全；標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一，節(jié)約投資和成本。因此，城市電網(wǎng)建設(shè)改造對高中壓開關(guān)設(shè)備提出了新的要求，對于中壓等級，要求作為無油斷路器兩大支柱的中壓SF6斷路器和真空斷路器更加可靠、更加小型、維護(hù)更少。 由于真空介質(zhì)在開斷短路電弧時不會產(chǎn)生對人體有害的物質(zhì)，而SF6在高溫電弧的作用下可分解成SF4、SO2F2、SOF2 等劇毒的低氟化物，在開斷失敗的情況下會發(fā)生爆炸；與此同時，人們還擔(dān)憂多年以后SF6氣體回收處理將對環(huán)境造成影響，因此現(xiàn)在真空斷路器的應(yīng)用已在中壓領(lǐng)域占絕對優(yōu)勢[10]。 本文結(jié)合中國電網(wǎng)建設(shè)和改造的實際情況及對環(huán)境保護(hù)的要求，介紹一項出自前蘇聯(lián)軍事試驗室的中壓真空斷路器的研制情況，并對其應(yīng)用前景進(jìn)行評估。 2 中壓真空斷路器技術(shù)的發(fā)展 真空斷路器技術(shù)的發(fā)展取決于兩個技術(shù)的發(fā)展：真空滅弧室技術(shù)；操動機(jī)構(gòu)技術(shù)[11-15]。真空滅弧室是真空斷路器的心臟，其關(guān)鍵部位是：觸頭結(jié)構(gòu)和觸頭材料，真空密封。觸頭結(jié)構(gòu)中縱磁場的應(yīng)用以及特殊觸頭材料的使用將顯著提高滅弧室的開斷性能和耐壓水平。但真空滅弧室的使用壽命還與其波紋管性能密切相關(guān)，傳統(tǒng)的密封波紋管采用壓沿鍛壓工藝制造，波紋管受力以后易產(chǎn)生疲勞，因此一般的真空泡機(jī)械壽命最多只有30000次；而特殊的焊接工藝能改善波紋管的受力結(jié)構(gòu)，提高波紋管密封性能，顯著延長滅弧室的使用壽命。操動機(jī)構(gòu)被稱為真空斷路器的神經(jīng)中樞。最早使用電磁操動機(jī)構(gòu)，后來出現(xiàn)了彈簧機(jī)構(gòu)，最近出現(xiàn)的是永磁操動機(jī)構(gòu)。 特瑞德電氣集團(tuán)（Tavrida Electric Group，TEG）從1967年就開始研發(fā)永磁操動機(jī)構(gòu)真空斷路器，其永磁機(jī)構(gòu)使用中等強(qiáng)度的磁性材料，可稱之為半永磁材料。1974 年在實驗室里生產(chǎn)出首臺配永磁機(jī)構(gòu)的真空斷路器模型，1989 年配永磁機(jī)構(gòu)的免維護(hù)真空斷路器投放市場，1993年在荷蘭KEMA試驗站通過了型式試驗，1994年獲得俄羅斯專利。此后，ABB、Josly、Cooper、Whipp＆Bourn等公司均著手開發(fā)自己的配永磁機(jī)構(gòu)的真空斷路器，如ABB公司的VM1型雙線圈、雙穩(wěn)態(tài)真空斷路器等。既出現(xiàn)了用于戶內(nèi)的配永磁機(jī)構(gòu)的真空斷路器，也出現(xiàn)了用于戶外的斷路器和重合器，如TEG 的OSM 型重合器和Whipp＆Bourne公司的GVR型重合器等。 20 世紀(jì)90 年代后期，配永磁機(jī)構(gòu)的真空斷路器技術(shù)傳入我國，我國的一些公司也開發(fā)出了配永磁機(jī)構(gòu)的VSM、VSIA、ZN23-40.5、ZN65、ZWD-12、ZND-40.5 型等真空斷路器。 由于TEG 是世界上研發(fā)永磁真空斷路器時間最長、技術(shù)力量最雄厚的公司，其永磁真空斷路器經(jīng)過了15 年實際運(yùn)行的檢驗，本文將著重探討該公司永磁真空斷路器的研發(fā)歷程及技術(shù)特點。 3 永磁操動機(jī)構(gòu)真空斷路器的研發(fā)歷程及技術(shù)特點 3.1 斷路器的設(shè)計理念 TEG 的永磁操動機(jī)構(gòu)真空斷路器最早的設(shè)計思路來源于如何將斷路器更好地應(yīng)用于鋼廠電弧爐領(lǐng)域[16,17]。而這種應(yīng)用是對斷路器最嚴(yán)酷的考驗。煉鋼技術(shù)需要斷路器每天頻繁操作，其中10%屬于故障開斷操作，開斷容量由變壓器的短路阻抗決定。20 世紀(jì)80 年代末，油斷路器在該領(lǐng)域的應(yīng)用非常廣泛，但其機(jī)構(gòu)和滅弧室需要經(jīng)常維護(hù)。試驗證明，真空斷路器的開斷性能優(yōu)異，但同樣存在機(jī)械故障。這是因為傳統(tǒng)真空斷路器與油斷路器使用同樣復(fù)雜的操動機(jī)構(gòu)：一個操動機(jī)構(gòu)通過連桿、軸承等部件將運(yùn)動傳遞至三相滅弧室，需要機(jī)械鎖扣將動觸頭分別固定在分合閘位置，這些機(jī)械部件在合分操作過種中很容易發(fā)生故障。為解決無休止的機(jī)械故障，一些鋼廠成立了專業(yè)部門負(fù)責(zé)斷路器維修，同時準(zhǔn)備了大量的備品備件用于日常維護(hù)以及具有很高專業(yè)技能的運(yùn)行人員來處理各種各樣的故障。 TEG 決定開發(fā)一種在壽命期內(nèi)完全免維護(hù)的真空斷路器來結(jié)束這種狀態(tài)。該公司認(rèn)為，如果對易發(fā)生故障的機(jī)械部分進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計，最好的方法就是去除它，因此形成了最終的解決方案：改變傳統(tǒng)的傳動方式，無需機(jī)械鎖扣。 3.2 斷路器操動機(jī)構(gòu)的原理 3.2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計 新一代的單穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)尺寸非常小，每相一個操動機(jī)構(gòu)，這項成果被視為中壓真空開關(guān)誕生以來該領(lǐng)域中出現(xiàn)的最大突破。圖1為三相獨立單穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計。 3.2.2 工作原理 單穩(wěn)態(tài)永磁操動機(jī)構(gòu)使用的運(yùn)動部件最少，因此可將機(jī)械部件的磨損減到最小，故障率降到最低。機(jī)構(gòu)的中心部分有兩塊磁鐵，可提供超過230kg的觸頭壓力。合閘位置時，依靠閉合磁路產(chǎn)生的觸頭壓力將機(jī)構(gòu)保持在合閘位置，同時磁軛將單線圈封在中間，線圈為機(jī)構(gòu)操作提供能源。 （1）合閘操作 在分閘位置，真空滅弧室的動觸頭通過與驅(qū)動絕緣子連接的分閘彈簧保持在分閘位置。需要實行合閘操作時，由控制模塊內(nèi)的合閘電容器向機(jī)構(gòu)線圈內(nèi)注入一脈沖電流，當(dāng)動靜觸頭接觸后，動觸頭停止運(yùn)動，但動鐵心繼續(xù)運(yùn)動2mm，壓縮觸頭的壓力彈簧。動鐵心和磁軛之間通過磁力實現(xiàn)鎖扣，此時線圈電流進(jìn)一步增大，使得永磁材料達(dá)到飽和狀態(tài)。因此，在合閘位置切斷控制模塊發(fā)出的線圈電流時，飽和現(xiàn)象將使永磁材料的磁性增加到一定程度，使動鐵心保持在合閘位置。動鐵心的運(yùn)動同時使分閘彈簧儲能，為下次分閘做好準(zhǔn)備。 （2）分閘操作 分閘操作時，由控制模塊內(nèi)的分閘電容器向機(jī)構(gòu)線圈注入一反向脈沖電流，時間為15～20ms。該電流將會對磁性材料產(chǎn)生部分消磁效應(yīng)，并減小合閘保持力，已儲能的分閘彈簧和觸頭壓力彈簧的反向力將使動鐵心釋放，并向分閘方向加速運(yùn)動，最終靠分閘彈簧保持在分閘位置。 如圖1 所示，所有的開關(guān)元件軸向?qū)ΨQ裝配，所有機(jī)械運(yùn)動均為直線運(yùn)動，省掉了電機(jī)、齒輪、連桿、鏈條和機(jī)械鎖扣等元件。 傳統(tǒng)的真空斷路器由一個機(jī)構(gòu)操動三相開關(guān)，因此必須使用傳動件。對真空斷路器的故障統(tǒng)計分析顯示：75%的斷路器故障為機(jī)械故障。三相獨立機(jī)構(gòu)的使用是單穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)最主要的優(yōu)點，它因此省去了機(jī)構(gòu)和真空滅弧室之間的大部分機(jī)械連接元件，從而最大程度地降低了故障率。 3.2.3 電氣控制 任何永磁機(jī)構(gòu)都需要一個合適的電子控制器來控制，由控制器為機(jī)構(gòu)線圈提供合適能量，以及與開關(guān)設(shè)備的接口和防跳、閉鎖等功能。作為斷路器的一部分，控制器同樣需要高可靠性，TEG 主要從以下幾方面保證其質(zhì)量：設(shè)計原則；精選元件，尤其是分合閘電容；制造原則；軟件測試。其中，分合閘電容作為儲能元件在控制器中是最重要的，其壽命主要受溫度影響。 單穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)斷路器操動機(jī)構(gòu)的低能耗設(shè)計也是保證電容器長壽命的一個因素，從其控制模塊注入到操動機(jī)構(gòu)線圈的最大合閘電流只有10A （20kA型）、17A（31.5kA型），分閘電流只有1A。 3.3 單穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)斷路器的真空滅弧室技術(shù) 由于要與可靠性高、壽命長并適于頻繁操作的單穩(wěn)態(tài)永磁操動機(jī)構(gòu)相匹配，真空滅弧室性能的改進(jìn)顯得非常迫切。既需要提高其故障電流下的開斷能力，又需要改善其在負(fù)荷電流下的可靠性。單穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)斷路器的真空滅弧室在觸頭系統(tǒng)設(shè)計和密封性能兩方面實現(xiàn)的突破性改進(jìn)，使其在可靠性和使用壽命上完全能與其操動機(jī)構(gòu)的性能相匹配。 縱磁場能改善真空電弧在觸頭表面的分布狀況，進(jìn)而減輕觸頭在電弧下的燒蝕程度[18-23]。真空電弧可被視為具有巨大能量的放電現(xiàn)象，它能將觸頭表面嚴(yán)重?zé)龘p。因此使電弧迅速而均勻地分布在觸頭表面，才能使觸頭表面每個點的電流密度降至最低，達(dá)不到使觸頭表面燒損的程度，這是提高真空滅弧室觸頭系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素。 （1）均勻縱磁場下的大電流真空電弧1967 年，Ito 和 Okura 第一次提出了關(guān)于縱磁場在控制大電流真空電弧上的應(yīng)用，試驗中發(fā)現(xiàn)，縱磁場分布的真空滅弧室的開斷能力能夠顯著提高（約提高50%～100%）。 更多的研究顯示，縱磁場的強(qiáng)度與其控制電弧能力之間的關(guān)系互相依賴。如果磁場太弱，則顯示陰極斑點不穩(wěn)定，甚至?xí)撾x觸頭的水平表面；對于較強(qiáng)但低于一定特征值的磁場強(qiáng)度，陰極斑點分布于整個觸頭表面；如果磁場強(qiáng)度進(jìn)一步增加，則陰極斑點不能分布于整個觸頭表面，因此不能有效利用觸頭的整個表面積。圖2為TEG在真空滅弧室中利用縱磁場得到最優(yōu)化的陰極斑點分布示意圖。 （2）非均勻縱磁場下的大電流真空電弧 商業(yè)用真空滅弧室一直致力于非均勻縱磁場的研究。首次將縱磁場應(yīng)用于真空滅弧室產(chǎn)品是在20世紀(jì)70年代。80年代初期發(fā)現(xiàn)了非均勻縱磁場對真空電弧的影響。大量對不同磁場結(jié)構(gòu)的試驗顯示，在特定電流和磁場結(jié)構(gòu)下，無論磁場強(qiáng)弱，陰極斑點都會移動。從這個結(jié)論中發(fā)現(xiàn)，觸頭邊緣部位具有類似磁屏障的強(qiáng)磁場，觸頭中心區(qū)域強(qiáng)度最弱的磁場結(jié)構(gòu)是最優(yōu)化的磁場結(jié)構(gòu)。這一點已通過測量觸頭陰極電流密度而得到證明。此外，在電極的中心區(qū)域不需要縱磁場來限制陰極斑點及穩(wěn)定電弧。 （3）具有縱磁場結(jié)構(gòu)和最佳觸頭材料的真空滅弧室 要將上述研究成果應(yīng)用到真空滅弧室產(chǎn)品中，還需要做許多工作，包括需要確定最佳的觸頭形狀、選擇最適合的觸頭材料等。觸頭形狀能決定縱磁場的結(jié)構(gòu)，并因此決定電弧的分布。觸頭材料則要同時滿足真空滅弧室苛刻的電氣和機(jī)械性能要求。例如，觸頭材料應(yīng)具有極強(qiáng)的抗熔焊性能，因此它需要具有良好的導(dǎo)電性能和較低的熔焊機(jī)械強(qiáng)度；同時又要求觸頭材料具有較高的非電氣性能（這一點在很大程度上與機(jī)械強(qiáng)度相關(guān)）；還需要它具有良好的導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能以提供高開斷能力。 TEG 通過研究發(fā)現(xiàn)，幾種不同材料相配合產(chǎn)生的合金可滿足以上要求。利用這種合金觸頭生產(chǎn)的真空滅弧室，在額定電流下的開斷次數(shù)能容易達(dá)到10 萬次，在額定短路電流下能開斷100 次。 （4）通過創(chuàng)新設(shè)計和工藝提高金屬波紋管的真空密封性能 除觸頭系統(tǒng)以外，金屬波紋管的密封性能是決定真空滅弧室壽命的另一個重要因素。傳統(tǒng)的金屬波紋管由不銹鋼沖壓而成（如圖3（a）所示），在滅弧室的分合過程中，極高的加速度會對波紋管產(chǎn)生巨大壓力，波紋管因疲勞產(chǎn)生漏氣是目前真空滅弧室故障的主要原因。 TEG 的單穩(wěn)態(tài)永磁真空斷路器所用的波紋管由一組不銹鋼環(huán)片在內(nèi)側(cè)和外側(cè)交替焊接而成。采用這種設(shè)計的波紋管，在分合操作過程中機(jī)械應(yīng)力均勻分布到整個環(huán)片上，單點受到的壓力大大減?。ㄈ鐖D3（b）所示）。這項技術(shù)的應(yīng)用，不僅使真空滅弧室實現(xiàn)外型小巧，而且其額定機(jī)械壽命可達(dá)到15萬次。 3.4 小結(jié) 單穩(wěn)態(tài)永磁操動機(jī)構(gòu)可被描述為一種不需要機(jī)械控制和閉鎖的單穩(wěn)態(tài)開關(guān)，它的機(jī)械操作次數(shù)可輕易達(dá)到10 萬次以上，同時不需要任何維護(hù)。 這種操動機(jī)構(gòu)與一個基于微處理器技術(shù)的控制模塊配套使用。控制模塊的作用是為操動機(jī)構(gòu)提供能量，提供斷路器所必須的電氣接口，同時還具有實時監(jiān)控功能并易于和監(jiān)視控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)合。使用以上觸頭系統(tǒng)及波紋管系統(tǒng)設(shè)計的真空滅弧室，完全可與操動機(jī)構(gòu)的長壽命、高可靠性相匹配。 這種斷路器幾乎適用于所有場合，包括需要斷路器進(jìn)行頻繁操作的情況，如單相電容器組和電弧爐等。它的應(yīng)用可使配電系統(tǒng)在可靠性明顯提高的同時，成本也得到降低。 4 永磁操動機(jī)構(gòu)真空斷路器在我國電網(wǎng)改造中的應(yīng)用前景 保障城市電網(wǎng)的供電可靠性是國家電網(wǎng)公司目前的工作重點之一，根據(jù)國家電網(wǎng)公司對31 個重點城市電網(wǎng)改造的設(shè)備要求，首先要求安全可靠，其次要求占地少、維護(hù)少；在此基礎(chǔ)上，還要求選用技術(shù)先進(jìn)、自動化程度高的設(shè)備。因此，單穩(wěn)態(tài)永磁操動機(jī)構(gòu)真空斷路器以其小型化、高可靠性、免維護(hù)、長壽命而表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢。永磁操動機(jī)構(gòu)真空斷路器在城市電網(wǎng)改造中的應(yīng)用可歸納為以下幾方面： 　?。?）應(yīng)用于緊湊型、固定式的中壓開關(guān)柜中 　　由于永磁操動機(jī)構(gòu)真空斷路器尺寸小、重量輕、安裝靈活，壽命長，并可完全免除運(yùn)行維護(hù)，因此可安裝于占地少、而不利于維護(hù)的固定式開關(guān)柜中。 　?。?）應(yīng)用于小型充氣柜中 　　可進(jìn)一步節(jié)省空間、美化環(huán)境、提高系統(tǒng)的可靠性。 　?。?）應(yīng)用于現(xiàn)有正在運(yùn)行的開關(guān)柜中 　　實施改造項目時不換柜子，只更換其中的斷路器，既節(jié)省成本，又節(jié)省時間。已應(yīng)用于湖北襄樊220kV變電站XGN 型開關(guān)柜的改造中。 　?。?）應(yīng)用于城網(wǎng)入地電纜分支箱中 　　在電纜分支箱中采用斷路器，可使事故影響范圍縮減到最小范圍。 　?。?）應(yīng)用于投切電容器組中 　　永磁操動機(jī)構(gòu)真空斷路器也適合頻繁操作，因此可將它應(yīng)用于投切電容器組。已在浙江金華月泉變電站110kV 投切電容器組中得到應(yīng)用，柜型為XGN-10。 　?。?）應(yīng)用于小型預(yù)裝式開關(guān)站和變電站中 　　在小型預(yù)裝式開關(guān)站和變電站中采用永磁操動機(jī)構(gòu)真空斷路器也能發(fā)揮它體積小、重量輕、安裝靈活，壽命長，免維護(hù)、可靠性高的特點。