ABB公司高压断路器技术的进步

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A B B公司高压断路器技术的进步Pr o g r e s s i n Hi g h— Vo l t a g e Gi r e u i t Br e a k e r Te c h n o l o g y o f ABB

李建基近年， A B B公司高压断路器技术有了长足的进步，取得了新的发展。这主要表现在三个方面：一、 研制出 P M型 1 4 5 k V 2 4 2 k V 8 0 k A单断口压气罐式 S F 6断路器；二、将 S t ' 6发电机断路器的短路开断电流提高到 2 0 0 k A,研发出 H E C 7/ 8型额定电压 3 0/ 2 5 k V额定电流 2 4 0 0 0 A(自然冷却 )和 3 8 0 0 0 A(强迫风冷 )额定短路开断电流 1 6 0/ 2 0 0 k A的 s t ' 6发电机两种灭弧室可使用同一操动机构和同一连杆， 因为 8 0 k A灭弧室不需增加多大的操作功。活塞和气缸面积亦未变。6 o k A和 8 O k A灭弧室工作在同一

压力升高极限值和同一打开行程，因此两者的压

缩功相同。

断路器；三、突破中压断路器制造传统，将配永磁机构的真空断路器做大做强，现已推出 2 O k A、 2 5 k A和3 1 . 5 k A产品， 5 0 k A产品将不久推人市场。它与传统断路器不同之处，在于技术创新。 A B B公司意在推出这三种新品，占领更大市场份额。一

、

1 4 5~ 2 4 2 k V 8 O k A S F 6罐式断路器

1 .机遇与可能性

迄今 s t ' 6单压式罐式断路器未做到 8 0 k A,但市场有此需要，因为世界上有 2 0 0 3 0 0多台油和 S F 6双压式断路器要退役，加上电力市场对电网提出更大容量的要求。因此 A B B公司紧紧抓住这个机遇，认为开发 8 0 k A产品正是时候。 A B B公司认为开发此产品它有条件。早在 1 9 9 2年， A B B公司已开发出 2 4 5和 5 0 0 k V G I S用断路器的 8 0 k A灭弧室。其设计基于 s P型灭弧室。 该灭弧室已从 1 9 8 8年起用于 P A型 2 42 k V 6 3 k A断路器。这第一个 8 0 k A灭弧室被限制到单断口电压1 7 O k V,那么 2 45 k V级需

要两只断口， 5 5 0 k V级需要图 1配 8 0 k .￣灭弧室的 2 4 2 P MG型三相操动压气罐式 S F 6断路器

动触头质量略有增加，燃弧触头也仅增大几毫

米，而且打开速度保持不变，由操动机构提的总能量 ( S F 6气体压缩功、动能和摩擦损耗之和 )尽管略有增加，但还在 2 4 2 P M型现行操动机构操作功之内。 8 O k A同 6 3 k A断路器可用同一 2 42 k V套管。 3 .灭弧室喷嘴的改进在新设计的 8 0 k A灭弧室中，有两个区域需要

三只断口。通过对 s P型灭弧室此间的进一步发

展，将单断口耐受恢复电压能力从 1 7 0 k V提高到45 2 k V。这样同一灭弧室就可达到 1 4 5 k V和 2 45 k V 单断口。同时还可提供 5 0 0 0 A额定电流的产品。2 .利用相同构件降低造价

改进。第一是喷嘴气流通道必须重新设计，以便胜任2 4 5 k V下更高的瞬态恢复电压；第二是灭弧室壳体(图2 ),必须能容纳和冷却 8 0 k A故障时排出的

A B B公司利用研发出的 8 0 k A单断口灭弧室， 开发出 P M型 1 4 5和 2 45 k V 8 0 k A压气罐式断路器 (图1 )。其中， P MG型 8 O k A断路器为三相操动，而 P M1型为单相操动。 8 O k A断路器可使用已大量生产并在运行中经

受过实际考验的 6 3 k A断路器的零部件。两者的差异仅在灭弧室和连接到灭弧室的内套管上。1 2七海电器技术 2 O O 2 N O. 4

图2 8 0 k A灭弧室及热气流的排出

1一运动侧

2一绝缘管

3一静止侧

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热气。该公司利用冲击特性曲线试验和完全现代化的计算软件，研发出改型的喷嘴。灭弧室的耐压强度在打断过程中超过了切电容器组时的典型波形( 1一C O S曲线 ) (图3 )。

一

个套管旁边(图5 ),这样省去了单独的基础和电

容器支架。

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3

图 3动触头打开时的绝缘强度 ( V)与仃程的关系 J

x _一耐受值

一灭弧室绝缘强度

1一容性瞬态恢复

电压 (切容性电流最坏的情况 )

图 5直接装在套管上的外部电容器

4 .灭弧室壳体的改进在开断过程中，喷嘴沿两个方向喷出热气。

1一复合电容器

2~复合套管

3一断路器气罐上的 c r外壳

动、静触头壳体的任务是接纳这些热气，将它与冷

二、特大电流 S F 6发电机断路器A B B公司自 8 O年代以来，一直进行不懈的努力，将 S F 6发电机断路器做大做强，开始做到额定电压 2 4 k V额定电流 1 2 0 0 0 A,短路开断电流 1 0 0 k A, 后经过 2 5 k v 1 3 0 0 0—2 4 0 0 0 A 1 0 0 k A一1 2 0 k A,最新开发的 H E C 7/ 8型 S F 6发电机断路器达到额定电压 3 0/ 2 5 k V,额定电流 2 4 0 0 0 A(自然冷却 )一3 8 0 0 0 A (强迫风冷 ),额定短路开断电流高达 1 6 0/ 2 0 0 k A, 为当前最高参数的 S F 6发电机断路器。它能满足额定容量达 1 5 0万 k W的发电机组。 1 9 7 6年 A B B公司先开发出 2 7 k V 3 6 0 0 0 A 2 5 0 k A发电机保护用压缩空气断路器。 1 9 8 5年开

气混合，又返回气罐内。所排气体的能量和容积的增加，与故障电流成正比。因之， 8 O k A灭弧室的壳体必须容纳的排气容量相当于 6 8 k A灭弧室的 1 . 6倍。图 4示出 8 O k A灭弧室 (左)和 6 3 k A灭弧室。

尽管尺寸增大了，但气罐还是同样大小。

发出 2 4 k V 1 2 0 0 0 A 1 0 0 k A发电机保护用 S F 6断路器。该公司现以短路开断电流接近 D R型空气断路器的 HE C 7/ 8型 S F 6断路器取代 D R型压缩空气断路器。D R型压缩空气断路器不再生产。该公司

的H E C型 S F 6发电机断路器形成系列。其额定电压 2 5 k V 3 O k V,额定电流 1 3 0 0 A一2 4 0 0 0 A一3 8 0 0 0 A,

额定短路开断电流 1 0 0 k A一1 2 0 k A一1 6 0 k A一图4 8 0 k A(左)和6 3 k A S P型灭弧室

2 0 0k A。

5 .加外部电容器

A B B公司的 H E C 7/ 8型 S F 6发电机断路器在 K E MA做的认证试验。为此

,派遣了一个由 8人组成的小组，在那里呆了三个月，设备装了五大卡车还多。先对 3 0 k V短路开断电流 1 6 0 k A进行了试验，并于 2 0 0 0年 3月结束，后又于 2 0 0 1年秋天按2 7 . 5 k V 1 9 0 k A和 2 5. 5 k V 2 0 0 k A作了试验。因此，I - _海电器技术 2 0 0 2 NO. 4 1 3

2 4 2 P MG型 6 3 k A断路器电源侧需要一只 1 0 n F 电容器。 8 0 k A断路器必须把电容提高到 3 0 n F。此

外母线需要 1 5 n F电容。外部电容器相当大，但为了尽量减小它的大小和重量，将 1 5 n F和 3 0 n F元件装在复合材料制作的壳体内。它可以直接装在任

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H E C型发电机断路器是世界上容量最大的且通过试验的 S F 6断路器。

燃弧触头系统是关键。因为该系统必须胜任

瞬时峰值电流到 6 0 0 k A,故必须满足一系列判据。 燃弧触头由触指组成。图 9示出一个触指结构。 基体部分 ( 1, 2 )为富有弹性的铜合金 ( C u C r Z r ),而燃弧的尖端 ( 4 )为铜一钨复合材料( 5 ),基体和尖端连接部分亦为铜材。

随着电网容量的扩大，若在发电机附近发生短路，短路电流可能高达 2 0 0 k A,这样大的电流感应

的电动力可将粗壮的发电机转子轴折弯，甚而折断，故需要用断路器作保护。H E C 7/ 8型 3 o/ 2 5 k V 2 4 o 0 o 3 8 0 o O A l 6 o/ 2 o o k A

S F 6发电机断路器的外貌如图 6所示。整个系列 S F 6发电机断路器的技术数据见表 l。

图 7灭弧室剖面图 (触头处于闭合状态 ) 图6 H E C T/ 8型特大容量发电机断路器外貌

l—壳体7一传动机构

2一主触头系统&一操动机构

3—燃弧触头系统 (盆形件 )6一活塞 l O一加热容积 9一加热间隙

表 l A B B公司发电机断路器技术数据型号 HC C 3 H E C 3/ 4 H E C 5/ . 6 眦 7,倡

4—燃弧触头系统(燃弧销 )卜绝缘子 l 1一气体返回通道 l 2一过压阀

l 3—逆止阀

额定最高电压

2 1 k V

2 5

k V

2 5 k V

3 0 5 k V

额定频率额定电流

5 f n l - l z

5 f n l - l z

5 , n l - l z

5

l - l z

一自然冷却一强迫风冷

. 7 7 0 0 A 一 1 3, 0 0 0 A 一1 3, 0 0 0 A一 2 4。 0 0 0 A不适用一2 4, 0 0 0 A 一2 4, 0 0 0 A 一3 8, 0 0 0 h

额定短路 开断电流标准

6 3 k A

l o o k A

l 2 O k A

l 6 0伽 k^

衄匝 c 3 7 . O 1 3衄匝 C 3 7 . O 1 3衄匝 c 3 7 . 0 l 3衄匝 c 3 7 . 0 1 3图 8灭弧室内气流状况(箭头 )

断路器熄弧靠自能吹弧原理，意即吹弧所需的能量由电弧自已提供。电弧形成时释放的能量使局部压力上升和温度急骤增高。促使压力上升的另一个因素是电弧内的磁致收缩效应。这种由电

左图：压力建立阶段

右图：电流过零

断路器的发热设计依据，是假定在环境温度 4 o℃下持续地流过额定电流。镀银触头的最高温度可到 1 0 5℃。其他可接触部件的温度不超过7 0℃(一些情况下 8 0℃)。

流产生的磁力反过来从电弧中析出一股强大的纵向等离子射流，它向外射出，并部分进入热容积。 断路器有两个触头系统，一个用于承载工作电流，另一个为燃弧触头系统。传动机构的设计，使额定电流触头系统先于燃弧触头系统几毫秒打开， 并确保由燃弧触头承担和开断全电流。燃弧触头打开时产生的开断电弧在下次电流过零时被熄灭。电流时电能量较小，不足以建立自能吹弧所需的压力。此时同心装设的压气活塞起作用；它有助于

封闭式结构的优势是壳体不仅包围内导体而且也包围外部返回电流路径。因为这些电流处于

l 8 0。反相情况，故外部的场强和发热大大降低。围绕灭弧室壳体的特殊形状冷却肋 (图9 )扩大了表面积，并最大程度地导散了热量。通过强迫风冷来改进对流散热，就可将自然冷却时的额定电流

2 4 0 0 0 A提高到 3 8 0 0 0 A。灭弧室壳体的环氧树脂材料可承受温度 1 0 5 c【=达3 0年之久，这种绝缘子的

直径为 l m。浇铸重量约 l 1 0 k g (图l 0 )。

在容积内建立压力，从而成功地熄灭电弧。灭弧室的剖面图见图 7。气流状况见图 8。1 4上海电器技术 2 O O 2 N O. 4

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操动机构、相柱固封技术及新系列真空灭弧室。 A B B公司对新型配磁力操动的真空断路器进行不

懈的努力，将该产品做大做强，其容量经过 2 0、 2 5、 3 1 . 5、 4 0 k A后， 5 0 1 0 _产品即将投放市场。新型真空断路器已在市场上占据了牢固的地位。1 .磁力操动机构

将磁力操动机构用于真空断路器，得益于对电力电子器件的深刻认识和 2 o年来研制出新的磁性材料。新的磁性材料可以提高操动机构的保持力， 可算一次革命。

A B B公司现用磁力操动机构不仅配真空断路器，也配 S F 6断路器。在这种断路器中，触头被永图 9弧形燃弧触头系统的一个触揩 1一法兰 2一触头 3一连接件 4一耐弧尖端

久磁铁保持在合闸及分闸位置，而不需外界任何能源。改变磁力方向，就可使触头分开。改变方向的方法是使电磁铁受电，控制元件受电。力的大小要

与断路器的不同类型和其额定值相匹配。其法是改变永久磁铁的片数 (图1 1 )。

嗣奄图 1 1新型断路器的磁力操动机构

自左至右： A l ( 2 O k A), A 2 ( 2 5 k A)和A 3 ( 3 1 . 5 k A)

图 1 0灭弧室外壳

永磁操动机构相比弹簧操动机构带来一系列优势： 1 .弹簧机构由 1 5 9个不同的零件组成，而永

}Ⅱ 7/ 8型发电机断路器已提供亚洲市场，特别中国和马来西亚，还提供给丹麦、德国和澳大利亚。

磁机构仅由 6 6个零件组成。零件数的大大减少， 从而减少了库存和出故障的可能性，将维护工作量减至最小； 2 .永磁操动机构提高了断路器的机械寿命，一般弹簧机构机械寿命为 1万次，而永磁机构可到 3万次，甚而 1 0万次及以上； 3 .新一代配永磁机构的真空断路器配有一个指示器，指明出问题的地方，总的很少需要检查。 新一代配永磁机

构的真空断路器不仅用于电力供电系统，还用于大的用电企业，如化工、钢铁工业、汽车制造业、空港、电气牵引、造船、原材料加工业等。

三、突破传统

技术创新

如所周知， A B B集团公司是世界上著名的高压

开关设备制造公司。在中压方面，该公司先研发出S F 6断路器，在接收了德国 C a l o r E m a g公司后，由该

公司专业生产真空断路器。这样在 A B B集团公司内， S F 6断路器与真空断路器并驾齐驱地向前发展。到了 1 9 9 9年，真空断路器的产量已超过 S F 6 断路器的产量。 AB B公司通过两个系列构件的标

准化来降低产品的造价。 真空断路器之所以快速发展，是因为突破传统，技术创新，开发出新一代独具特点的 V M1型真空断路器。它打破了一般结构真空断路器使用弹

该公司正推出容量为 5 0 k A的配永磁机构的真 空断路器。2 . V G系列真空灭弧室

V G系列真空灭弧室的外貌如图 1 2所示。该灭弧室由 2只短的瓷件和长的不锈钢外壳组成。E海电器技术 2 O O 2 N O. 4 1 5

簧操动机构的传统。它在技术上创新，研制出磁力

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