極柱固封技術
固封極柱技術

1  前言

    在中壓領域，特彆在12 kV級，真空斷路器已成為主流產(chǎn)品。據(jù)統(tǒng)計，2002年真空斷路器所占比例已攀升到92.27%，產(chǎn)量達133519臺。我國繼美國、德國和日本之後，已進入真空斷路器大國行列。

   真空斷路器之所以如此輝煌，這與真空斷路器技術的不斷進步分不開。固封極柱技術，這就是真空斷路器技術巨大進步的體現(xiàn)。真空斷路器的極柱絕緣經(jīng)曆了空氣絕緣-複合絕緣-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、灰塵以及運輸過程的磕碰而變化，並易受小動物等異物的影響。在**代複合絕緣中，將滅弧室保護在環(huán)氧樹脂套筒內(nèi)。但這種套筒冇有完全把高壓帶電部分包起來，裡麵還會受灰塵、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，此時環(huán)氧樹脂不僅作為一次部分的主絕緣，而又是它的機械支撐，其電場分布和應力分布優(yōu)於各種形狀的絕緣隔板結構。

    由於極柱固封，同樣的滅弧室可用於不同額定電壓，隻需按額定電流選擇滅弧室。

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

   由於極柱固封，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)，而且維護更加簡便，壽命更長。

    由於極柱固封，滅弧室本身陶瓷件長度更短且直徑更小，有利於小型化。

    固封極柱還有利於實現(xiàn)固體絕緣開關櫃，使櫃體大為減小。

2  極柱固封技術

   極柱固封技術是一種嶄新的技術，國外也隻有極少製造公司掌握這種技術。如ABB公司於1997年用固封極柱開發(fā)出VMI型免維護真空斷路器，近年來，又將成熟的固封極柱用於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固體絕緣開關櫃。這種櫃的體積僅為普通充氣櫃（C-GIS）的78%，重量約為它的50%。其參數(shù)做到24 kV 1 250 A25kA。

   2003年，我國同時研製出兩種固封極柱真空斷路器：一是西高所與廈門華電開關公司研製成VEP型固封式真空斷路器；另一是西安森源開關技術研究所研製成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，後者參數(shù)做到12 kV 630 ～ 3 150 A，25 ～40 kA。

    固封式真空斷路器的研製成功，體現(xiàn)了我國真空斷路器技術的巨大進步。

    在相柱固封中，VEP型固封斷路器采用德國APG工藝和設備。設備由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技術研究所委托奧地利庫瓦格公司進行研製，用了近一年時間進行反複試驗，解決了材料和工藝問題。2002年，為了設計和製造出完國內(nèi)產(chǎn)化的固封極柱產(chǎn)品，由西安森源開關技術研究所牽頭，組織8家企業(yè)成立了APG協(xié)作組，對固封技術進行攻關。協(xié)作組的**個試製項目為12kV戶內(nèi)真空斷路器用固封極柱。這個研製項目由西安森源開關技術研究所負責總體設計和協(xié)調(diào)；設備采用上海煤科院的壓力注射機；模具由廈門耐德工貿(mào)有限公司負責開發(fā)製造；真空滅弧室由成都旭光電子股份有限公司研製生產(chǎn)；試製由常州國電森源絕緣電器有限公司負責固封極柱樣品。整個研製工作於2003年下半年完成。

3  APG技術

    固封極柱采用APG技術，即環(huán)氧樹脂自動壓凝膠成型技術（The AutomaticPressureGelation）。其特點為：可將環(huán)氧絕緣製品的生產(chǎn)周期從傳統(tǒng)真空澆注所需的十幾小時縮短到十幾分鐘，並能較好地控製放熱效應，有利於補償固化反應而引起的收縮，且具有極好的尺寸穩(wěn)定性和很高的機械強度等突出優(yōu)勢。尤其是應用於真空斷路器固封極柱、複雜、薄壁、多方位抽芯產(chǎn)品更具優(yōu)勢。

    APG工藝過程包括3個過程：前期混料、自動壓力凝膠、成型後固化。

   APG工藝所需設備主要有模具、前期混料裝量、移動式注射專用壓力容器、全液壓自動壓力凝膠成型機、空氣壓縮機、固化後所需的烘箱以及必備的輔機等。

   澆注中，澆注材料是關鍵。它對固封極柱的可靠性和穩(wěn)定性影響很大。如廈門華電開關有限公司采用瑞士Vantico的樹脂材料，按照不同的電流等極采用不同的配方來滿足不同的工作環(huán)境，如-40℃～250℃，常州國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，該廠提供的國產(chǎn)樹脂質量一直很穩(wěn)定。日本東芝公司為固封極柱研製出新的澆注材料。該材料由環(huán)氧樹脂和帶兩種或多種直徑分布的球形矽石組成。它具有高的強度，熱阻性及韌性。同時，它具有高的流動性。圖1示出新型澆注材料的結構。這種新型材料的熱阻性和強度分彆為普通樹脂的1.3 倍和1.5倍。據(jù)該公司稱，用APG法製出的產(chǎn)品數(shù)量為用普通真空澆注法製出的產(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計的真空滅弧室，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計必須滿足特殊要求。VEP所用的真空滅弧室擁有****的R觸頭設計，形成強力縱磁場，滅弧和開斷能力強，集成化觸頭，無引弧槽，表麵幾何形狀**、耐壓高，機械強度好，開合過程無變形。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、杯狀縱觸頭結構和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。同時，動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產(chǎn)生的應力，導電桿采用錐形連接麵，一方麵增大接觸麵，降低接觸電阻，另一方麵可使軟連接與滅弧室的結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

   由於極柱被環(huán)氧樹脂固封，散熱性差，易出現(xiàn)溫升問題。這個問題引起製造廠家的高度關注，並予以解決。解決的途徑不同，但都針對溫升問題：

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，R=9±1μΩ，In=3150A時，R=7±1μΩ。又如VSm型固封真空滅弧室的導電桿采用錐形連接麵，旨在增大接觸麵積，降低接觸電阻。

5.2  加通風道，加強散熱效果

    如VSm型固封極柱設計時在環(huán)氧樹脂上加1～2個通風道，以加強散熱。對額定電流2000A以下的固封極柱因電流小，設計了帶通風道和不帶通風道兩種極柱。

5.3  加散熱片

    如VSm型固封極柱對2 000A以上在固封極柱頂部加裝散熱片，以加快散熱。VEP型固封極柱對於額定電流2 500 A以上帶散熱罩，4 000 A時，帶強迫風冷。

6  固封極柱的開裂問題

   真空滅弧室的陶瓷殼與環(huán)氧樹脂的膨脹係數(shù)不同會引起開裂問題，同時同為操作振動、撞擊、動熱穩(wěn)定或環(huán)境溫度也會產(chǎn)生開裂。

   對此存在兩種觀點和兩種做法。一種認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材料作為緩衝層；另一種主張用環(huán)氧樹脂直接固封在滅弧室外層，不用加緩衝。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，所以它的粘附力大，機械強度高。當它從熱塑性樹脂固化為熱固性樹脂時，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，一旦固化後，可以緊密地包封在真空滅弧室周圍，絕緣性能非常好。

   事實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衝層，反而，VSm型固封極柱未包緩衝層進行注射成型，也獲得成功。

7  幾種典型的固封極柱真空斷路器

   這裡作為示例，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型配永磁機構，而VEP型既可配彈簧機構也可配永磁機構。

7.1  Vm1型真空斷路器

   該真空斷路器有兩項重要**：一項為配用新型永磁操動機構，達到完全免維護；另一項為達到*佳耐壓強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型配永磁操動機構的真空斷路器的磁力技術不僅用來直接操動，而且亦用來鎖扣。在這種操動機構中，可以儲存電能，電子控製，故斷路器壽命長，完全免維修。VMI型真空斷路器的現(xiàn)設計參數(shù)為：額定電壓24kV，額定電流1250 A，額定短路開斷電流31.5kA。磁力操動機構包括所有操動功能，如力的產(chǎn)生、鎖扣和脫扣。它由帶兩個長久磁鐵的雙穩(wěn)態(tài)磁鐵係統(tǒng)、兩個電磁線圈和一個轉換用動鐵心組成。在開斷和關合狀態(tài)，動鐵心被保持在終端位置。操作時，相應的線圈受電勵磁，直到它克服保持力，動鐵心經(jīng)過轉軸來帶動滅弧室的觸頭。用電容器作為儲能元件，開發(fā)出一種電子控製裝置，用來控製運動過程、脫扣、儲能和功能的完全性。它具有自監(jiān)視功能，終端位置的檢測，基於感應的接近傳感器。

    24kV，額定電流1250 A，額定短路開斷電流31.5kA。磁力操動機構包括所有操動功能，如力的產(chǎn)生、鎖扣和脫扣。它由帶兩個長久磁鐵的雙穩(wěn)態(tài)磁鐵係統(tǒng)、兩個電磁線圈和一個轉換用動鐵心組成。在開斷和關合狀態(tài)，動鐵心被保持在終端位置。操作時，相應的線圈受電勵磁，直到它克服保持力，動鐵心經(jīng)過轉軸來帶動滅弧室的觸頭。用電容器作為儲能元件，開發(fā)出一種電子控製裝置，用來控製運動過程、脫扣、儲能和功能的完全性。它具有自監(jiān)視功能，終端位置的檢測，基於感應的接近傳感器。

   ABB公司在VMI型固封極柱真空斷路器基礎上，*新開發(fā)出集測量、保護、開斷於一體的新型真空斷路器。

   圖2示出這樣一個操動機構的結構圖，它由靜止的疊片鐵心、長久磁鐵、鋼製的動鐵心，以及合閘線圈和分閘線圈等組成。

    圖2永磁機構           圖3 固封極柱結構

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，開關櫃的寬度可以實現(xiàn)650mm。總結國內(nèi)外彈簧機構的運行經(jīng)驗，設計出動作穩(wěn)定可靠的模塊式彈簧機構，同時可配用長壽命的永磁機構。該固封極柱真空斷路器配用KYN96-12（AMS）型金屬鎧裝開關櫃。

    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)部結構見圖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)勢和**的環(huán)氧固封技術，采用屏蔽罩外露結構的滅弧室，**將真空滅弧室、主導電回路、絕緣支撐等有機的結合成一個集成固封極柱。成功的從根本上解決了真空斷路器的環(huán)境耐受問題，使其應用更為廣泛。集成固封極柱采用了自對流**通風技術，巧妙的解決了固體絕緣結構所帶來的散熱困難問題。

    圖5VSm型真空斷路器外貌         圖6固封極柱結構圖（帶通風道）

   VSm真空斷路器采用MS1型永磁操動機構。該機構利用一種雙穩(wěn)態(tài)的磁路係統(tǒng)，使用兩個激磁線圈驅動動鐵芯運動到相應的極限位置，並利用高性能永磁體所提供的磁場能量，使之保持在極限位置。激發(fā)其中一個激磁線圈使之產(chǎn)生大於剩餘保持力的驅動力，即可使永磁機構的動鐵芯動作。

    當控製係統(tǒng)出現(xiàn)故障時，可用手動分閘操作裝置緊急分斷斷路器。

   MS1型永磁操動機構省去了傳統(tǒng)機構複雜易損的儲能、鎖扣等機械裝置，簡化了結構，其零件數(shù)量較傳統(tǒng)機構減少了70％以上，從而大大提高了機構的可靠性和壽命。同時由於采用了電容作為操作電源，也避免了傳統(tǒng)機構對大容量專用電源的依賴以及輔助電源波動對機構動作特性的影響。