極柱固封技術(shù)
固封極柱技術(shù)

1  前言

    在中壓領(lǐng)域，特別在12 kV級(jí)，真空斷路器已成為主流產(chǎn)品。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2002年真空斷路器所占比例已攀升到92.27%，產(chǎn)量達(dá)133519臺(tái)。我國(guó)繼美國(guó)、德國(guó)和日本之后，已進(jìn)入真空斷路器大國(guó)行列。

   真空斷路器之所以如此輝煌，這與真空斷路器技術(shù)的不斷進(jìn)步分不開。固封極柱技術(shù)，這就是真空斷路器技術(shù)巨大進(jìn)步的體現(xiàn)。真空斷路器的極柱絕緣經(jīng)歷了空氣絕緣-復(fù)合絕緣-固封絕緣。這就形成了三代真空斷路器。在**代空氣絕緣中，帶電部分完**露在空氣中，它的絕緣水平隨著空氣中的濕度、灰塵以及運(yùn)輸過程的磕碰而變化，并易受小動(dòng)物等異物的影響。在**代復(fù)合絕緣中，將滅弧室保護(hù)在環(huán)氧樹脂套筒內(nèi)。但這種套筒沒有完全把高壓帶電部分包起來(lái)，里面還會(huì)受灰塵、潮氣、昆蟲等影響。第三代絕緣也就固封極柱，它通過APG工藝，利用環(huán)氧樹脂將滅弧室及上下出線端全部包封。這樣做，不僅縮小了滅弧室尺寸，而且微底不受外界環(huán)境（灰塵、潮氣等）的影響，提高了耐氣候性，此時(shí)環(huán)氧樹脂不僅作為一次部分的主絕緣，而又是它的機(jī)械支撐，其電場(chǎng)分布和應(yīng)力分布優(yōu)于各種形狀的絕緣隔板結(jié)構(gòu)。

    由于極柱固封，同樣的滅弧室可用于不同額定電壓，只需按額定電流選擇滅弧室。

    由于極柱固封，環(huán)氧樹脂的絕緣強(qiáng)度是空氣的5～6倍，大大提高了絕緣強(qiáng)度。

   由于極柱固封，滅弧室不需附加的緊固件，載流件被周圍的澆鑄樹脂牢靠地固定在它的位置上，這就大大減少了滅弧室的零件數(shù)，而且維護(hù)更加簡(jiǎn)便，壽命更長(zhǎng)。

    由于極柱固封，滅弧室本身陶瓷件長(zhǎng)度更短且直徑更小，有利于小型化。

    固封極柱還有利于實(shí)現(xiàn)固體絕緣開關(guān)柜，使柜體大為減小。

2  極柱固封技術(shù)

   極柱固封技術(shù)是一種嶄新的技術(shù)，國(guó)外也只有極少制造公司掌握這種技術(shù)。如ABB公司于1997年用固封極柱開發(fā)出VMI型免維護(hù)真空斷路器，近年來(lái)，又將成熟的固封極柱用于VD 4P 型真空斷路器。參數(shù)做到12 kV 2 500 A 40 kA。又如日本東芝公司利用固封極柱研發(fā)出24kV固體絕緣開關(guān)柜。這種柜的體積僅為普通充氣柜（C-GIS）的78%，重量約為它的50%。其參數(shù)做到24 kV 1 250 A25kA。

   2003年，我國(guó)同時(shí)研制出兩種固封極柱真空斷路器：一是西高所與廈門華電開關(guān)公司研制成VEP型固封式真空斷路器；另一是西安森源開關(guān)技術(shù)研究所研制成VSm型固封式真空斷路器。前者參數(shù)做到12kV 630 ～4 000 A，20 ～ 40 kA，后者參數(shù)做到12 kV 630 ～ 3 150 A，25 ～40 kA。

    固封式真空斷路器的研制成功，體現(xiàn)了我國(guó)真空斷路器技術(shù)的巨大進(jìn)步。

    在相柱固封中，VEP型固封斷路器采用德國(guó)APG工藝和設(shè)備。設(shè)備由Hedrich和Vogel公司提供，澆鑄材料為瑞士 Vantico 公司的樹脂材料。 VSm型固封式真空斷路器由西安森源開關(guān)技術(shù)研究所委托奧地利庫(kù)瓦格公司進(jìn)行研制，用了近一年時(shí)間進(jìn)行反復(fù)試驗(yàn)，解決了材料和工藝問題。2002年，為了設(shè)計(jì)和制造出完國(guó)內(nèi)產(chǎn)化的固封極柱產(chǎn)品，由西安森源開關(guān)技術(shù)研究所牽頭，組織8家企業(yè)成立了APG協(xié)作組，對(duì)固封技術(shù)進(jìn)行攻關(guān)。協(xié)作組的**個(gè)試制項(xiàng)目為12kV戶內(nèi)真空斷路器用固封極柱。這個(gè)研制項(xiàng)目由西安森源開關(guān)技術(shù)研究所負(fù)責(zé)總體設(shè)計(jì)和協(xié)調(diào)；設(shè)備采用上海煤科院的壓力注射機(jī)；模具由廈門耐德工貿(mào)有限公司負(fù)責(zé)開發(fā)制造；真空滅弧室由成都旭光電子股份有限公司研制生產(chǎn)；試制由常州國(guó)電森源絕緣電器有限公司負(fù)責(zé)固封極柱樣品。整個(gè)研制工作于2003年下半年完成。

3  APG技術(shù)

    固封極柱采用APG技術(shù)，即環(huán)氧樹脂自動(dòng)壓凝膠成型技術(shù)（The AutomaticPressureGelation）。其特點(diǎn)為：可將環(huán)氧絕緣制品的生產(chǎn)周期從傳統(tǒng)真空澆注所需的十幾小時(shí)縮短到十幾分鐘，并能較好地控制放熱效應(yīng)，有利于補(bǔ)償固化反應(yīng)而引起的收縮，且具有極好的尺寸穩(wěn)定性和很高的機(jī)械強(qiáng)度等突出優(yōu)勢(shì)。尤其是應(yīng)用于真空斷路器固封極柱、復(fù)雜、薄壁、多方位抽芯產(chǎn)品更具優(yōu)勢(shì)。

    APG工藝過程包括3個(gè)過程：前期混料、自動(dòng)壓力凝膠、成型后固化。

   APG工藝所需設(shè)備主要有模具、前期混料裝量、移動(dòng)式注射專用壓力容器、全液壓自動(dòng)壓力凝膠成型機(jī)、空氣壓縮機(jī)、固化后所需的烘箱以及必備的輔機(jī)等。

   澆注中，澆注材料是關(guān)鍵。它對(duì)固封極柱的可靠性和穩(wěn)定性影響很大。如廈門華電開關(guān)有限公司采用瑞士Vantico的樹脂材料，按照不同的電流等極采用不同的配方來(lái)滿足不同的工作環(huán)境，如-40℃～250℃，常州國(guó)電森源絕緣電器有限公司采用嘉興東方化工廠提供的DE9308樹脂，該廠提供的國(guó)產(chǎn)樹脂質(zhì)量一直很穩(wěn)定。日本東芝公司為固封極柱研制出新的澆注材料。該材料由環(huán)氧樹脂和帶兩種或多種直徑分布的球形硅石組成。它具有高的強(qiáng)度，熱阻性及韌性。同時(shí)，它具有高的流動(dòng)性。圖1示出新型澆注材料的結(jié)構(gòu)。這種新型材料的熱阻性和強(qiáng)度分別為普通樹脂的1.3 倍和1.5倍。據(jù)該公司稱，用APG法制出的產(chǎn)品數(shù)量為用普通真空澆注法制出的產(chǎn)品的48倍。

4  固封極柱專用滅弧室

   VEP型真空斷路器采用專門設(shè)計(jì)的真空滅弧室，首先滅弧室要小型化，其次真空滅弧室的金屬外殼和陶瓷外殼加工工藝及設(shè)計(jì)必須滿足特殊要求。VEP所用的真空滅弧室擁有****的R觸頭設(shè)計(jì)，形成強(qiáng)力縱磁場(chǎng)，滅弧和開斷能力強(qiáng)，集成化觸頭，無(wú)引弧槽，表面幾何形狀**、耐壓高，機(jī)械強(qiáng)度好，開合過程無(wú)變形。該滅弧室由北京東方真空電器有限公司提供。

   VSm型真空斷路器采用成都旭光電子股份公司提供的固封極柱專用滅弧室。該真空滅弧室同前有TD-12/1250-10A,TD-12/1600-31.5J和TD-12/3150-40等3種產(chǎn)品。該滅弧室采用95%氧化鋁陶瓷外殼、外置式屏蔽筒、杯狀縱觸頭結(jié)構(gòu)和CuCr25觸頭材料。采用外置式屏蔽筒以減小滅弧室直徑，采用 CuCr 25 觸頭材料以使開斷能力較 Cucr 50更強(qiáng)。同時(shí)，動(dòng)靜兩端蓋板均采用圓滑過渡的形式，以降低固封材料成型時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力，導(dǎo)電桿采用錐形連接面，一方面增大接觸面，降低接觸電阻，另一方面可使軟連接與滅弧室的結(jié)合在分合閘操作過程中接觸更加緊密，可靠性更高。

圖1 固封極柱用的新型澆注樹脂

5  固封極柱的溫升問題

   由于極柱被環(huán)氧樹脂固封，散熱性差，易出現(xiàn)溫升問題。這個(gè)問題引起制造廠家的高度關(guān)注，并予以解決。解決的途徑不同，但都針對(duì)溫升問題：

5.1  降低滅弧室接觸電阻，減小發(fā)熱量

    如VEP型固封真空滅弧室回路電阻小，如In=1250 A時(shí)，R=9±1μΩ，In=3150A時(shí)，R=7±1μΩ。又如VSm型固封真空滅弧室的導(dǎo)電桿采用錐形連接面，旨在增大接觸面積，降低接觸電阻。

5.2  加通風(fēng)道，加強(qiáng)散熱效果

    如VSm型固封極柱設(shè)計(jì)時(shí)在環(huán)氧樹脂上加1～2個(gè)通風(fēng)道，以加強(qiáng)散熱。對(duì)額定電流2000A以下的固封極柱因電流小，設(shè)計(jì)了帶通風(fēng)道和不帶通風(fēng)道兩種極柱。

5.3  加散熱片

    如VSm型固封極柱對(duì)2 000A以上在固封極柱頂部加裝散熱片，以加快散熱。VEP型固封極柱對(duì)于額定電流2 500 A以上帶散熱罩，4 000 A時(shí)，帶強(qiáng)迫風(fēng)冷。

6  固封極柱的開裂問題

   真空滅弧室的陶瓷殼與環(huán)氧樹脂的膨脹系數(shù)不同會(huì)引起開裂問題，同時(shí)同為操作振動(dòng)、撞擊、動(dòng)熱穩(wěn)定或環(huán)境溫度也會(huì)產(chǎn)生開裂。

   對(duì)此存在兩種觀點(diǎn)和兩種做法。一種認(rèn)為需要在真空滅弧室和環(huán)氧樹脂整體之間包一層柔性有機(jī)材料作為緩沖層；另一種主張用環(huán)氧樹脂直接固封在滅弧室外層，不用加緩沖。其理由如下：環(huán)氧樹脂是一種熱固性塑料，分子有醚鍵（-O-）、OH基、環(huán)氧基等極性基團(tuán)，所以它的粘附力大，機(jī)械強(qiáng)度高。當(dāng)它從熱塑性樹脂固化為熱固性樹脂時(shí)，分子的內(nèi)聚力大，粘附力加大，內(nèi)聚力使環(huán)氧樹脂的粘接力非常大，一旦固化后，可以緊密地包封在真空滅弧室周圍，絕緣性能非常好。

   事實(shí)是這兩種做法都獲得成功。VEP型固封極柱在固封前真空滅弧室外包裹特殊的緩沖層，反而，VSm型固封極柱未包緩沖層進(jìn)行注射成型，也獲得成功。

7  幾種典型的固封極柱真空斷路器

   這里作為示例，介紹VMI型真空斷路器，VEP型真空斷路器及VSm型真空斷路器。這3種真空斷路器均配固封極柱，而且VMI型和VSm型配永磁機(jī)構(gòu)，而VEP型既可配彈簧機(jī)構(gòu)也可配永磁機(jī)構(gòu)。

7.1  Vm1型真空斷路器

   該真空斷路器有兩項(xiàng)重要**：一項(xiàng)為配用新型永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)，達(dá)到完全免維護(hù)；另一項(xiàng)為達(dá)到*佳耐壓強(qiáng)度和防止受外界的影響，將其相柱完全澆注在環(huán)氧樹脂內(nèi)。

   VMI型配永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的真空斷路器的磁力技術(shù)不僅用來(lái)直接操動(dòng)，而且亦用來(lái)鎖扣。在這種操動(dòng)機(jī)構(gòu)中，可以儲(chǔ)存電能，電子控制，故斷路器壽命長(zhǎng)，完全免維修。VMI型真空斷路器的現(xiàn)設(shè)計(jì)參數(shù)為：額定電壓24kV，額定電流1250 A，額定短路開斷電流31.5kA。磁力操動(dòng)機(jī)構(gòu)包括所有操動(dòng)功能，如力的產(chǎn)生、鎖扣和脫扣。它由帶兩個(gè)長(zhǎng)久磁鐵的雙穩(wěn)態(tài)磁鐵系統(tǒng)、兩個(gè)電磁線圈和一個(gè)轉(zhuǎn)換用動(dòng)鐵心組成。在開斷和關(guān)合狀態(tài)，動(dòng)鐵心被保持在終端位置。操作時(shí)，相應(yīng)的線圈受電勵(lì)磁，直到它克服保持力，動(dòng)鐵心經(jīng)過轉(zhuǎn)軸來(lái)帶動(dòng)滅弧室的觸頭。用電容器作為儲(chǔ)能元件，開發(fā)出一種電子控制裝置，用來(lái)控制運(yùn)動(dòng)過程、脫扣、儲(chǔ)能和功能的完全性。它具有自監(jiān)視功能，終端位置的檢測(cè)，基于感應(yīng)的接近傳感器。

    24kV，額定電流1250 A，額定短路開斷電流31.5kA。磁力操動(dòng)機(jī)構(gòu)包括所有操動(dòng)功能，如力的產(chǎn)生、鎖扣和脫扣。它由帶兩個(gè)長(zhǎng)久磁鐵的雙穩(wěn)態(tài)磁鐵系統(tǒng)、兩個(gè)電磁線圈和一個(gè)轉(zhuǎn)換用動(dòng)鐵心組成。在開斷和關(guān)合狀態(tài)，動(dòng)鐵心被保持在終端位置。操作時(shí)，相應(yīng)的線圈受電勵(lì)磁，直到它克服保持力，動(dòng)鐵心經(jīng)過轉(zhuǎn)軸來(lái)帶動(dòng)滅弧室的觸頭。用電容器作為儲(chǔ)能元件，開發(fā)出一種電子控制裝置，用來(lái)控制運(yùn)動(dòng)過程、脫扣、儲(chǔ)能和功能的完全性。它具有自監(jiān)視功能，終端位置的檢測(cè)，基于感應(yīng)的接近傳感器。

   ABB公司在VMI型固封極柱真空斷路器基礎(chǔ)上，*新開發(fā)出集測(cè)量、保護(hù)、開斷于一體的新型真空斷路器。

   圖2示出這樣一個(gè)操動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)圖，它由靜止的疊片鐵心、長(zhǎng)久磁鐵、鋼制的動(dòng)鐵心，以及合閘線圈和分閘線圈等組成。

    圖2永磁機(jī)構(gòu)           圖3 固封極柱結(jié)構(gòu)

7.2  VEP型真空斷路器（ZN96-12型）

   圖4示出該斷路器的外貌。真空滅弧室采用新型觸頭材料及真空熔鑄工藝。斷路器的相間中心距降為150 mm，開關(guān)柜的寬度可以實(shí)現(xiàn)650mm?？偨Y(jié)國(guó)內(nèi)外彈簧機(jī)構(gòu)的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)出動(dòng)作穩(wěn)定可靠的模塊式彈簧機(jī)構(gòu)，同時(shí)可配用長(zhǎng)壽命的永磁機(jī)構(gòu)。該固封極柱真空斷路器配用KYN96-12（AMS）型金屬鎧裝開關(guān)柜。

    圖4 VEP型真空斷路器外貌

7.3  VSm型真空斷路器

   Vsm型真空斷路器的外貌見圖5。固封極柱內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖6。在圖6中，固封極柱帶通Vsm真空斷路器利用固體絕緣的優(yōu)勢(shì)和**的環(huán)氧固封技術(shù)，采用屏蔽罩外露結(jié)構(gòu)的滅弧室，**將真空滅弧室、主導(dǎo)電回路、絕緣支撐等有機(jī)的結(jié)合成一個(gè)集成固封極柱。成功的從根本上解決了真空斷路器的環(huán)境耐受問題，使其應(yīng)用更為廣泛。集成固封極柱采用了自對(duì)流**通風(fēng)技術(shù)，巧妙的解決了固體絕緣結(jié)構(gòu)所帶來(lái)的散熱困難問題。

    圖5VSm型真空斷路器外貌         圖6固封極柱結(jié)構(gòu)圖（帶通風(fēng)道）

   VSm真空斷路器采用MS1型永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)利用一種雙穩(wěn)態(tài)的磁路系統(tǒng)，使用兩個(gè)激磁線圈驅(qū)動(dòng)動(dòng)鐵芯運(yùn)動(dòng)到相應(yīng)的極限位置，并利用高性能永磁體所提供的磁場(chǎng)能量，使之保持在極限位置。激發(fā)其中一個(gè)激磁線圈使之產(chǎn)生大于剩余保持力的驅(qū)動(dòng)力，即可使永磁機(jī)構(gòu)的動(dòng)鐵芯動(dòng)作。

    當(dāng)控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，可用手動(dòng)分閘操作裝置緊急分?jǐn)鄶嗦菲鳌?/p>

   MS1型永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)省去了傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)復(fù)雜易損的儲(chǔ)能、鎖扣等機(jī)械裝置，簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，其零件數(shù)量較傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)減少了70％以上，從而大大提高了機(jī)構(gòu)的可靠性和壽命。同時(shí)由于采用了電容作為操作電源，也避免了傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)對(duì)大容量專用電源的依賴以及輔助電源波動(dòng)對(duì)機(jī)構(gòu)動(dòng)作特性的影響。