真空开关的发展与应用概况

  • 米点
  • 2019-11-18 14:53:02

一、国外真空开关的发展概况

    人类从事将真空作为灭弧和绝缘介质的应用研究,到现在已有一百多年的历史。早在1893 年,美国人里顿豪斯(Rittenhause)就设计出世界上第1 只真空灭弧室并以专利的形式发表;1920年,瑞典佛加(Birka)公司研制出世界上第一台真空开关;1926年,加里福尼亚工学院的索伦森(Sornsen)教授发表了真空开关的试验结果,并预言应用真空开关的时代不久就会到来。由于当时的真空技术还很落后,使得真空开关在工业上的实际应用被大大推迟了。

    到1950年前后,随着真空技术以及相关技术如冶金技术等的发展,真空灭弧室的制造技术得到了提高,又重新开始了真空开关在工业上应用的研究。1956年,罗斯(H.Cross)对杰宁无线电制造公司(Jenning)生产的用于高频回路的真空开关进行了改造,试制出了15kV、200A的真空开关。

    1961年美国通用电气公司在总结前人经验的基础上首先研制成功额定电压15kV、12.5kA的真空断路器,1966年相继研制成功额定电压为15kV、开断电流为25kA和31.5kA的真空断路器,从此真空开关正式进入电力开关的行列,美国也因此成为世界上最早批量生产和使用真空开关的国家,在其影响和推动下,欧洲和亚洲的部分国家也相继开始了研制工作,真空开关从此在全球范围内得到认同和发展。

    二十世纪70年代初,全球范围掀起的中压开关无油化浪潮给真空开关带来了前所未有的发展机遇。凭借自身巨大的技术优势,真空开关仅用了不到20年的时间就取代少油开关而成为中压领域的主导产品。目前单断口真空断路器已达到145kV 电压等级,短路开断电流已达到200kA 。

二、我国真空开关的发展概况

    我国真空开关的研制工作始于二十世纪50年代末,基本与美国同步,略早于日本。

    1958 年,由西安交通大学电器教研室和当时的西安高压开关整流器厂合作成立了一个厂校联合研制小组,由王季梅副教授和童永潮总工程师负责,正式开展真空开关的研制工作。小组成立后不到半年就成功研制出我国第一只真空灭弧室,并在西安交通大学电器实验室的合成回路上通过了50Hz、4kV、5kA的电流开断试验。

    此后,西安高压电器研究所于1960 年研制成功了电压为6.7kV、500A 的单相真空开关,西安交通大学于1964年开发成功10kV,1500A 的三相真空开关,当同年这台三相真空开关在北京全国高教展览会上展出时,受到来自全国各地专家的好评,并引起全国各省市开关制造厂的极大兴趣,是为推动我国真空开关生产和发展的起始点。

    1968年9月5日,国家重点国防工程(6895工程)在华光电子管厂实施,同年诞生了我国第一只商用真空灭弧室,从此华光电子管厂成为国内首家生产真空灭弧室的企业。

    此后由于受到“文革”的影响,我国在真空电弧理论研究和真空开关开发方面的工作暂时停顿,一直到1976年才开始恢复。当时国内从事真空电弧理论研究的主要单位有西安交通大学、西安高压电器研究所和上海电器科学研究所三家。1978年以后,国内有10多家工厂正式投入真空开关的生产,所需的真空灭弧室主要由宝光电工总厂和华光电子管厂生产。

    1984年,西安高压电器研究所、桂林电器科学研究所、宝光电工总厂和北京开关厂等四家联合引进了德国西门子公司3AF系列真空断路器的全套制造技术(含CuCr触头材料、真空灭弧室和真空断路器三大部分)。1986年,华光电子管厂引进了美国西屋公司全套真空灭弧室的制造技术(含CuCr触头材料)。这两次引进使我国真空开关行业的制造和设计水平均得到了极大的提高,为此后我国真空开关行业的发展和繁荣奠定了技术基础。

    1992年,两部(即当时机械电子工业部与能源部)召开了关于在电力系统广泛推广应用真空开关的“天津会议”,从此我国真空开关进入快速发展期,市场上先后出现了多种由我国自主开发、技术指标达到当时国外先进水平的真空断路器,其代表产品有ZN23、ZN28和ZN63A等。在此阶段,我国己能生产额定电压为35kV,开断能力为31.5kA 及10kV,50kA、63kA 的真空断路器。到2003年,我国已研制出72.5kV、110kV/31.5kA和18 kV/80kA的单断口真空断路器,全行业年产各类真空开关20万余台,在世界上真空开关从业厂家最多、产销量最大和品种系列最多,成为名符其实的“真空开关王国”。

三、国内外真空灭弧室产业状况

    1、 美国

    美国是世界上最早开始生产和使用真空开关的国家,目前生产真空灭弧室的厂家主要有通用电气(GE)、西屋(WH)、库柏(Cooper)和杰宁(Jenning)公司,其中GE是全球最早开始系统研究真空开关和真空电弧理论的公司。

    二十世纪60年代初,GE公司的李天河等人提出横向磁场熄弧原理,并据此研制出基于螺旋槽横磁触头结构和CuBi触头材料的真空灭弧室,将真空开关的短路开断能力提高到了15kV、12.5kA,从而使真空开关真正具有了商业实用意义,李天河因此被称为“真空开关之父”。在此后的二十余年里,GE公司在灭弧机理、触头材料、试验方法和试验设备方面都做了大量的工作,其技术在二十世纪80年代中期及以前一直在全球处于领先地位,并曾出口到德国、日本等国的公司。

    目前该公司主要生产额定电压4.16kV~45kV,额定电流630A~3000A,额定短路开断电流18kA~60kA的真空灭弧室,仍然以螺旋槽横磁触头结构为主。

    值得一提的是,该公司将14个真空灭弧室串联,研制出了额定电压高达765kV、短路开断能力40kA的真空断路器。

    WH公司从1960年开始研制真空灭弧室,是美国另一主要的真空灭弧室和真空开关制造商,目前该公司无论是技术水平、制造工艺,还是产量均已超过GE公司,是目前全球最大的真空灭弧室制造商之一。该公司的24kV及以下产品普遍采用螺旋槽横磁触头结构,36kV及以上产品采用线圈式纵磁结构,年生产能力超过25万只,其产品除部分自配套使用以外,还大量出口到亚洲和欧洲。

    目前该公司主要产品为额定电压0.4kV~38kV,额定电流200A~3150A,额定短路开断电流12.5kA~63kA的真空灭弧室,除部分自配套使用以外,还大量出口到亚洲和欧洲。

    1994年,WH公司的控配电分部并入伊顿(Eaton)公司,后者于2000年在我国苏州成立伊顿电气(苏州)有限公司,主要生产真空开关和真空灭弧室。

    2、英国

    英国在真空开关方面的研制工作几乎与美国同步,其主要生产厂家是GEC公司(后并入法国Alsthom公司、AREVA公司),该公司于1965年制成世界上第一台实用性真空接触器,1969年制成25kV单相电气化铁路用真空断路器。GEC公司于在二十世纪60年代在螺旋槽横磁触头结构的基础上研制出杯状横磁触头,并最早开始在真空灭弧室上使用CuCr触头材料。目前该公司主要生产12kV~38kV,额定电流1250A~2000A,额定短路开断电流13.1kA~40kA的产品,触头结构以杯状横磁触头为主。

    3、德国

    德国的主要生产厂家有Seimens、AEG(后并入法国Alsthom公司、AREVA公司)和Calor—Emag公司(后并入ABB公司),其技术来源为美国和英国。

    Seimens公司于二十世纪70年代从英国VIL公司(隶属于GEC公司)引进技术,二十世纪80年代对该公司的触头结构CuCr触头材料的制造工艺进行了改进,发明了杯状纵磁场触头结构和熔渗法(生产CuCr触头材料)。经过30余年的发展,Seimens公司现已成为全球最大的真空开关制造商之一。Seimens公司目前主要生产1kV~38kV,额定电流400A~4000A,额定短路开断电流12.5kA~63kA的真空灭弧室,年产量约18万只,除部分自配套使用以外,还大量出口到亚洲和欧洲。

    Seimens公司的真空灭弧室以杯状横磁触头结构为主,但在12KV、24kV/31.5kA以上和36kV的真空灭弧室采用杯状纵磁场触头结构。

    AEG公司从1979年开始系列化生产真空灭弧室,其技术源制自英国GEC公司。该公司目前主要生产额定电压为12kV~36kV,额定短路开断电流8kA~50kA的产品,以杯状横磁触头为主,但12KV/63kA、24kV,36kV/40kA的产品采用纵磁触头结构。

    Calor—Emag公司从二十世纪80年代从美国WH公司引进技术,其真空灭弧室产品一般采用螺旋槽横磁触头结构(和WH公司有一定区别),主要生产7.2kV~40.5kV,额定电流400A~4000A,额定短路开断电流12.5kA~63kA的产品,年产量约20万只,以自配套使用为主。

    Calor—Emag公司并入ABB公司后,在真空灭弧室电极结构和外绝缘方面进行了大量的研究工作,于1997年在全球率先推出固封式真空灭弧室(固封极柱),大大改善了真空断路器的绝缘特性并简化了装配,目前已达到10万只左右的产量。

    4、日本

    日本从二十世纪60年代初开始研制真空开关,其生产厂家有东芝、明电舍、富士、日立和三菱等公司,产品均以纵磁场结构为主,但又各有特点,其中东芝公司最具有代表性。

    东芝公司是日本最早开始研制的真空开关的厂家,该公司于1965年研制出日本第一只商用真空灭弧室,1968年引进美国GE公司的技术后,发展迅速,到目前为止已累计生产了250多万只真空灭弧室,是日本生产规模最大的厂家,其产品除自配套使用以外,还大量出口到亚洲和欧洲的国家。

    东芝公司于1976年率先在世界上开始使用纵磁场触头(线圈式结构),并将原来采用的CuBi触头材料改为CuCr触头材料,从而使真空开关的开断能力大幅度提高,在12kV下达到了200kA(试验室水平)。此外,东芝公司还在高电压和低电涌方面开展了大量的工作。

    东芝公司主要生产7.2kV~84kV,额定电流400A~4000A,额定短路开断电流12.5kA~100kA的产品,年产量约5~10万只。

    近年来,由于日本国内电力投资的减少而导致输配电产品市场萎缩,为提高市场竞争能力,各大公司之间开始了战略重组。2001年7月,明电舍、富士和日立公司在各自原有输配电产业的基础上联合组建了AE帕瓦株式会社,新公司将逐渐取代原来三家企业的输配电业务。2002年3月,东芝和三菱公司又宣布联合成立输变电合资公司(TMT&D),并由新公司取代原来两家企业在输变电销售、设计、开发和制造方面的功能,成为日本最大的输变电公司。

    5、中国

    我国从1968年开始真空灭弧室的实用化研制,第一只商用真空灭弧室于同年诞生在国营华光电子管厂(777)。1975年,由原国营宝光电工厂(4401)研制的ZKBD-1000/10-20型真空灭弧室在苏州通过了原第一机械工业部(国家机械工业部)、原第四机械工业部(电子工业部)组织的两部鉴定,标志着我国的真空灭弧室已经进入到实用化阶段。

    二十世纪80年代中期,原国营宝光电工厂和华光电子管厂分别从德国和美国引进了真空灭弧室和触头材料的制造技术,大大缩短了我国真空灭弧室产业和国外企业的差距,为此后我国真空灭弧室和真空开关行业的腾飞奠定了坚实的基础。目前,我国已形成了以原国有军工企业4401、779、771和777厂为龙头的真空灭弧室产业体系,2004年全行业共生产80余万只(未统计低压),成为全球最大的真空灭弧室生产基地。

    目前我国已能生产额定电压0.38kV~40.5kV ,额定短路开断电流12.5kA~80kA 的各种真空灭弧室,其中断路器用真空灭弧室除了在40.5kV部分采用线圈式触头结构以外,均采用杯状纵磁场触头结构。

    30余年来,我国真空灭弧室的设计理论、制造工艺、质量水平都有了质的飞跃。粗略的划分,可以认为国内灭弧室的发展已经经历了五代。国产的第一代真空灭弧室,以额定电压12kV由φ145mm玻璃绝缘外壳,电极结构为阿基米德螺旋槽横磁、使用CuBi系合金触头,开断能力达到20kA,额定电流1250A的ZKBDl250/10-20型真空灭弧室为代表;第二代真空灭弧室就是引进西门子的3AF系列真空灭弧室,其特点是屏蔽筒外露、陶瓷绝缘外壳、电极结构为杯状横磁、使用CuCr50合金环状触头,开断能力达到31.5kA,额定电流达 2500A,后经开发额定电流可达3150A、开断能力可达到40kA;在消化吸收引进技术的基础上开发了第三代真空灭弧室,其特点是屏蔽筒内置、φ88~125mm陶瓷绝缘外壳、电极结构为杯状纵磁、CuCr50触头材料,开断能力达到40kA,额定电流可达3150A,这期间也研制了一些线圈式纵磁场电极的灭弧室,主要提高了开断能力,但仍以杯状纵磁为主;以一次封排技术为代表的第四代真空灭弧室的整体质量有了很大的提高,此时各种成熟技术的综合应用开发出大量的12kV、 24kV、40.5kV,低压0.38kV~1.14kV各种参数的真空灭弧室批量供应市场,产品覆盖了整个中压领域。小型化、有外绝缘保护的真空灭弧室可称为第五代产品,目前已开始批量供应市场。

四、真空灭弧室的发展趋势

    真空灭弧室自从问世以来,一直在不断的向小型化、高可靠性、低成本方面发展,随着真空开关应用范围的扩大,真空灭弧室也有了新的发展方向。

1、小型化

    真空电弧理论的发展和内部电场优化使真空灭弧室体积更小;

    复合绝缘技术的应用使真空灭弧室结构尺寸大大减小;

    真空断路器机械特性的改进、同步开断技术和高性能触头材料的应用使真空灭弧室“升级”,使用成为可能。

    真空灭弧室的小型化工作不论在国内还是在国外已经进行了很多年,并已取得了一定的成效。德国Calor-Emag公司新研制成的VC2型真空断路器,其12kV、20kA的真空灭弧室的触头直径仅为40mm,12kV、50kA真空灭弧室的触头直径为80mm。

    德国AEG公司最新推出的第三代真空灭弧室,其体积比缩小到原来产品的1/3。

    日本东芝公司研制成功SADE技术,使用该技术的真空灭弧室体积只有采用线圈式触头结构的产品的一半。

2、低成本

    真空灭弧室的小型化保证了低成本实现的可能。在近20年的时间里,国产真空灭弧室的体积减小了50%,价格降低了70%左右,其中有生产厂家提高工艺水平(如一次封排工艺的普遍采用),提高生产效率和降低生产成本的努力,也与触头、波纹管、陶瓷壳等零件成本的降低密切相关。

3、高电压

    随着真空开关制造技术和理论研究水平的不断提高,真空开关的发展已在尝试着向高电压大容量方向发展。美国通用电气公司1980年后生产出了168kV/40kA的双断口真空断路器,日本明电舍公司1980年开始生产145kV/31.5kA单断口真空断路器,日本东芝公司1987年研制成功了145kV/31.5kA单断口真空灭弧室及168kV双断口真空断路器。此外,日本三菱公司已研制成功270kV单断口真空灭弧室,并且准备发展500kV双断口真空断路器,一旦研制成功,估计其造价比同电压等级的六氟化硫断路器低。国内目前已有北京开关厂和西安高压开关厂研制的126kV真空断路器(均采用日本明电舍真空灭弧室)一次通过了全部型式试验并完成鉴定。

4、大电流

    发电机保护用断路器由于额定工作电流较大,对真空断路器来说温升要求较难达到,同时,由于其短路电流开断后瞬态恢复电压上升速率高,要求有更高的介质恢复速度,因此,这方面的使用一直受到限制。但近几年在发电机保护用的真空断路器、真空灭弧室方面都有了长足发展,目前国内已经可以生产6300A/80kA的真空型发电机保护用断路器。

5、低电压

    低压开关电器产品是量大面广的电器基础元件,由于真空开关具有防爆和寿命长的特点,只要价格限制在一定水平,是有十分巨大的市场前景的。德国西门子公司1994年推出了额定电压380V~1140V、额定电流630A~2500A、额定短路开断电流为20kA~65kA的真空断路器产品。目前国内已研制出了380V~1140V、额定电流1600A~3200A、额定短路开断电流30kA~80kA的低压真空断路器及其真空灭弧室。

6、固封极柱(固封式真空灭弧室)

    采用APG技术,将真空灭弧室及其它的连接组件固封成极柱,极大的提高了真空断路器的耐候性,减少了相间距,使真空断路器的结构更加紧凑,体积更小;固封技术的应用,使真空灭弧室的外绝缘水平得到了强化,真空灭弧室的高度尺寸尤其是绝缘外壳的尺寸可以尽量缩短,在内部绝缘优化的基础上,真空灭弧室的体积也相应减少。但固封技术要求在真空灭弧室与缓冲层、缓冲层与环氧树脂之间形成良好的结合,不能有空气隙,否则很容易产生绝缘击穿。

7、长寿命

    车载开关及电弧炉用频繁操作的断路器要求机械寿命长达10万次甚至25万次。随着新型的操动机构如永磁机构的研制开发、波纹管制造技术的改进、真空灭弧室装配工艺的优化,长寿命的机构和真空灭弧室相继开发出来,虽然l0万次机械寿命的真空灭弧室已经通过了型式试验,但在长寿命真空灭弧室方面还有许多工作要做,首先要保证一致性,其次要向更高的寿命要求进军,满足市场需求。

8、专用化

    在市场日益细分的今天,一些专用的开关应运而生。鉴于开合电容器组时真空开关重燃引起的过电压会对电力系统造成严重危害,有必要研制开合电容器组专用的真空开关。同样,在铁合金厂,用于电弧冶炼炉的开关由于操作过电压比较高、使用环境恶劣,要求真空开关极间和对地的绝缘水平要高、过电压要低、使用寿命要长,因此有必要研制针对铁合金厂的新型真空开关及真空灭弧室。