燕山大学毕业设计（论文） I摘 要真空断路器作为一种优点较多的开关设备，不管是在电力系统还是牵 引供电系统中，都得到了广泛的应用。因为其灭弧能力强、电气寿命长、 现场维护方便、技术含量高等优点，在中低压设备中常作为首选。但是在 我多年的工作中，也遇到了许许多多真空断路器存在的问题，例如由于真 空断路器灭弧能力过强导致其用在电容补偿系统中时就经常产生截流过电 压，从而导致电容器的损坏，引起母线避雷器的频繁动作。真空灭弧室在 工作中需要保持较高的真空状态，而大气压力的存在对其密封性提出了很 高的要求。由于真空灭弧室漏气的问题仍然不能解决，现在的技术监测手 段又不过关，周期性的预防性试验又不能及时的发现真空灭弧室运行中存 在的隐患，所以真空断路器在运行中因真空灭弧室真空度下降引起的故障 时有发生。我在朔黄铁路肃宁分公司工作的几年中共发生了 5 起因灭弧室 真空度降低导致的灭弧失败而引发真空断路器烧毁，保护越级动作，事故 范围扩大。在机械结构上，由于真空灭弧室内动静触指采用的是面接触， 这就要求开关闭合后需要一定的超程来保证接触压力，使断路器的结构变 得复杂，操动机构容易损坏，分合闸偶尔出现拒动等问题。本文通过阐述 真空断路器的工作原理和部分事故案例，探讨解决这些问题的方法和措施， 以达到电力系统安全运行的目的。关键词 ： 真空断路器； 真空灭弧室； 真空度下降； 事故案例分析燕山大学毕业设计（论文） II目 录摘摘 要要I I目目 录录IIII第一章第一章 真空断路器的结构和工作原理真空断路器的结构和工作原理1 11.1 真空断路器的基本组成 .1 1.2 真空灭弧室的构成及作用 .1第第 2 2 章章 真空断路器存在的问题真空断路器存在的问题3 32.1 真空灭弧室的问题.3 2.1.1 事故案例一.3 2.1.2 事故案例二.5 2.2 操动机构的问题.8 2.2.1 合闸弹跳对真空断路器的影响 .8 2.2.2 超行程及接触压力对真空断路器的影响.8第第 3 3 章章 故障原因分析故障原因分析10103.1 故障原因分析一.10 3.2 故障原因分析二.10 3.3 故障原因分析三.10第第 4 4 章章 解决问题的对策解决问题的对策11114.1 提高真空灭弧室的生产工艺.11 4.2 提高断路器的整体装配质量.11 4.3 选择合适的操动机构和真空灭弧室.11 4.4 避免开关柜主回路磁场对灭弧室磁场的影响.12 4.5 增加真空度在线监测装置.12 4.5.1 灭弧室真空度在线监测工作原理.12 4.5.2 在线监测解决的现场问题.14 4.5.3 我的在线监测设计思路.14燕山大学毕业设计（论文） III结论结论1616参考文献参考文献1717致致 谢谢1818个人简介个人简介1919燕山大学毕业设计（论文） 1第一章 真空断路器的结构和工作原理1.1真空断路器的基本组成真空断路器主要由操动机构、支撑用的绝缘子和真空灭弧室组成。根 据真空灭弧室和操动机构的相对位置，真空断路器分为如下五种形式：落 地式、悬挂式、综合式、支架式、全封闭组合式。操动机构分为电磁操动 机构、弹簧操动机构、液压操动机构、气动操动机构、弹簧液压操动机构 五种类型。1.2真空灭弧室的构成及作用真空灭弧室是真空断路器中最重要的部分。真空灭弧室主要由绝 缘外壳，屏蔽罩，波纹管和动、静触头等组成。真空灭弧室的外壳可以用 硬质玻璃、高氧化铝陶瓷和微晶玻璃制成，其作用是支持动、静触头和屏 蔽罩等金属部分。在选材时要充分考虑材料的抗压强度、抗拉强度、冲击 强度、空气中沿面闪络电场强度等性能。外壳两端配以密封的金属盖，以 确保灭弧室内的高真空度。真空灭弧室常用的屏蔽罩有主屏蔽罩、波纹管屏蔽罩和均压屏蔽罩。 主屏蔽罩环绕着电弧间隙，其主要作用有：一、有效防止真空灭弧室开断电流时形成的金属蒸汽喷溅到绝缘外壳 的内表面，使内表面的绝缘性能下降。二、交流电流过零时使灭弧室内剩余的金属蒸汽和导电粒子快速扩散 到屏蔽罩上冷却、复合和凝结，有利于电流过零后弧隙介质强度的提高， 改善了灭弧室的开断性能。三、屏蔽罩的存在会影响动静触头间的电场分布，设计合理时有利于 触头间绝缘强度的提高。波纹管屏蔽罩包在波纹管四周，防止金属蒸汽溅落在波纹管上，妨碍 波纹管工作并影响其使用寿命。均压屏蔽罩装置在触头附近，用以改善触 头间电场分布。波纹管是动触头与大气侧的动导杆相连接的部分。波纹管的一端和穿 过它的动触杆相焊接，另一端则与金属端盖的中孔相焊接。触头的最大开 距由波纹管允许的伸缩量来决定。波纹管能在动触头往复运动时保证真空 灭弧室外壳的完全密封。从机械上讲，它是真空灭弧室中最薄弱的元件，燕山大学毕业设计（论文） 2动静触头每分合一次，波纹管的波纹状薄壁就要产生一次大的机械变形。 长期频繁和剧烈的变形容易使波纹管因材料疲劳而损坏，导致灭弧室漏气 而无法使用。因此真空灭弧室的机械寿命主要决定于波纹管。动触头位于灭弧室下部，在与其连接的导电杆周围和外壳之间装有导 向管，以保证动触头在上下方向准确地运动。一般在导电杆下方位于灭弧 室外部的表面有一个圆点状标记。可以从它到灭弧室下端相对位置的变化 情况观察到触头磨损程度。灭弧室内为不低于 10-2Pa 的高真空状态。静触 头和动触头以及与它相连的导电杆在闭合位置时构成导电回路，而在触头 分离时则形成断路，断口处即是产生真空电弧和进行熄弧过程的弧腔。燕山大学毕业设计（论文） 3第2章 真空断路器存在的问题2.1 真空灭弧室的问题我在长期的工作中遇到过多次因真空灭弧室灭弧性能不良引起的设备 故障，现将两起比较典型的事故案例进行叙述分析，详情如下：2.1.1 事故案例一2009 年 7 月 20 日下午，在对朔黄铁路行唐分区所 231 断路器停电检 修时，远动主站遥控操作分闸 231 断路器后，控制室仪表显示 231 断路器 还有 20A 电流流过，高压室内传出放电的声音。这时一列火车经过行唐站， 231 断路器电流瞬间增加到 160A，在与电力调度汇报沟通后，立即又将 231 断路器合闸，从而降低了电弧对断路器的进一步破坏。整个过程大约 持续了两分多钟。随后发现这台断路器真空灭弧室已起火燃烧。电力调度 命令值班员按程序将这台断路器停运并拉至安全地带，并用灭火器进行灭 火。从现场情况分析来看，此台断路器是由于在分闸后持续的燃弧中 产生高温，导致真空泡陶瓷外壳断裂，同时，引起热缩套管燃烧起火。损 坏的断路器情况如图 2-1 和图 2-2 所示。图 2-1 烧毁的真空断路器照片图 2-2 烧毁的真空灭弧室照片现场对这台断路器的机构部分以及传动部分检查，未发现异常， 所以断定该断路器烧损不是由机械故障引起。 由于这台断路器的真空灭弧室在耐压试验中只能经受住 6KV 电压，该 试验值远低于系统额定工作电压。这种情况下的开断操作肯定会造成断路 器开断失败。所以这起事故是由于真空灭弧室耐压性能不够引起的。另外， 我们怀疑真空灭弧室热缩套管材料可能存在阻燃性能不良的问题，导致真 空灭弧室外壳起火燃烧。 经过和 ABB 真空断路器厂家工程技术人员沟通协商后，我们将耐压试 验不合格的三个真空灭弧室寄送回生产厂家。厂家对以上三个真空灭弧室 进行了试验，并得出了如下结论。以下是厦门 ABB 开关有限公司的检测燕山大学毕业设计（论文） 4分析报告： 厦门 ABB 开关有限公司对三个不合格真空灭弧室做了如下检测： 1.用 VIDAR 真空检测仪检测绝缘（直流电压）； 2.在真空灭弧室动静触头之间施加 70KV/1min 的交流耐压测试； 3.随机挑选其中一只灭弧室检测其内部真空气压； 4.对随机挑选的真空灭弧室进行氦气泄漏检测； 5.分析位于金属屏蔽罩上的腐蚀点。 检测结果如表 2-1 所示 表 2-1 厦门 ABB 真空灭弧室检测报告 铭牌绝缘检测真空压力检测 真 空灭弧 室出厂 编号制造日期直流 电压检测交流 耐压检测hpadate2701999-03-3040KV 不合格70KV 不合格真空度降 低2009-06- 16 2711999-03-3040KV 不合格70KV 不合格真空度降 低2009-06- 16 31999-03-0540KV 不合格70KV 不合格真空度降 低2009-06- 16 通过上述检测，这三个真空灭弧室的绝缘测试都不合格，内部真空度 降低。这些真空灭弧室的内部真空气压已经达到外部大气的水平，由于查 找检测泄漏区域在技术上是相当复杂的，所以需要花费大量的时间。因此， 我们只随机挑选其中一个真空真空灭弧室来分析，我们可以假设被分析的 这只真空灭弧室的问题点可以代表其它所有真空灭弧室。使用氦气泄漏探测仪，泄漏区域从真空灭弧室的屏蔽罩隔离出来 并且被检测到，泄漏的原因是在金属屏罩有一个很微小的腐蚀点，这个腐 蚀点位于动触头一侧。 结论虽然这种类型的真空灭弧室被热缩管整个紧密的包起来，但是在 热缩管和金属罩之间可能存在一些很微小的间隙，当有潮气渗入其中，腐 蚀现象就可能在这发生。如果潮气（可能含盐）不断地渗入，腐蚀过程就 会不断发展，而当真空灭弧室在使用过程中，有干燥的空气渗入间隙，腐燕山大学毕业设计（论文） 5蚀过程才会停止。由于泄漏，空气将会进入真空灭弧室内，这需要一个很长时间的 过程，最终结果会导致灭弧室内部真空气压慢慢升高，从而超出真空灭弧 室真空气压的要求范围。如果真空断路器在良好的户内环境下运行，这个 问题将不会发生，也不会有腐蚀现象。2.1.2 事故案例二2009 年 8 月 4 日 4 时 58 分 56 秒，电力调度按照遥控程序对朔黄铁路 安国变电所进行天窗停电时，依此对 205 断路器、206 断路器、211 断路 器、212 断路器、213 断路器、214 断路器、215 断路器进行停电。在人为 不能分辨的时间内，271 的缺相保护、301、322 低压解列保护动作，几乎 同