极柱固封技术

极柱固封技术
固封极柱技术

1  前言

    在中压领域，特别在12 kV级，真空断路器已成为主流产品。据统计，2002年真空断路器所占比例已攀升到92.27%，产量达133519台。我国继美国、德国和日本之后，已进入真空断路器大国行列。

   真空断路器之所以如此辉煌，这与真空断路器技术的不断进步分不开。固封极柱技术，这就是真空断路器技术巨大进步的体现。真空断路器的极柱绝缘经历了空气绝缘-复合绝缘-固封绝缘。这就形成了三代真空断路器。在**代空气绝缘中，带电部分完**露在空气中，它的绝缘水平随着空气中的湿度、灰尘以及运输过程的磕碰而变化，并易受小动物等异物的影响。在**代复合绝缘中，将灭弧室保护在环氧树脂套筒内。但这种套筒没有完全把高压带电部分包起来，里面还会受灰尘、潮气、昆虫等影响。第三代绝缘也就固封极柱，它通过APG工艺，利用环氧树脂将灭弧室及上下出线端全部包封。这样做，不仅缩小了灭弧室尺寸，而且微底不受外界环境（灰尘、潮气等）的影响，提高了耐气候性，此时环氧树脂不仅作为一次部分的主绝缘，而又是它的机械支撑，其电场分布和应力分布优于各种形状的绝缘隔板结构。

    由于极柱固封，同样的灭弧室可用于不同额定电压，只需按额定电流选择灭弧室。

    由于极柱固封，环氧树脂的绝缘强度是空气的5～6倍，大大提高了绝缘强度。

   由于极柱固封，灭弧室不需附加的紧固件，载流件被周围的浇铸树脂牢靠地固定在它的位置上，这就大大减少了灭弧室的零件数，而且维护更加简便，寿命更长。

    由于极柱固封，灭弧室本身陶瓷件长度更短且直径更小，有利于小型化。

    固封极柱还有利于实现固体绝缘开关柜，使柜体大为减小。

2  极柱固封技术

   极柱固封技术是一种崭新的技术，国外也只有极少制造公司掌握这种技术。如ABB公司于1997年用固封极柱开发出VMI型免维护真空断路器，近年来，又将成熟的固封极柱用于VD 4P 型真空断路器。参数做到12 kV 2 500 A 40 kA。又如日本东芝公司利用固封极柱研发出24kV固体绝缘开关柜。这种柜的体积仅为普通充气柜（C-GIS）的78%，重量约为它的50%。其参数做到24 kV 1 250 A25kA。

   2003年，我国同时研制出两种固封极柱真空断路器：一是西高所与厦门华电开关公司研制成VEP型固封式真空断路器；另一是西安森源开关技术研究所研制成VSm型固封式真空断路器。前者参数做到12kV 630 ～4 000 A，20 ～ 40 kA，后者参数做到12 kV 630 ～ 3 150 A，25 ～40 kA。

    固封式真空断路器的研制成功，体现了我国真空断路器技术的巨大进步。

    在相柱固封中，VEP型固封断路器采用德国APG工艺和设备。设备由Hedrich和Vogel公司提供，浇铸材料为瑞士 Vantico 公司的树脂材料。 VSm型固封式真空断路器由西安森源开关技术研究所委托奥地利库瓦格公司进行研制，用了近一年时间进行反复试验，解决了材料和工艺问题。2002年，为了设计和制造出完国内产化的固封极柱产品，由西安森源开关技术研究所牵头，组织8家企业成立了APG协作组，对固封技术进行攻关。协作组的**个试制项目为12kV户内真空断路器用固封极柱。这个研制项目由西安森源开关技术研究所负责总体设计和协调；设备采用上海煤科院的压力注射机；模具由厦门耐德工贸有限公司负责开发制造；真空灭弧室由成都旭光电子股份有限公司研制生产；试制由常州国电森源绝缘电器有限公司负责固封极柱样品。整个研制工作于2003年下半年完成。

3  APG技术

    固封极柱采用APG技术，即环氧树脂自动压凝胶成型技术（The AutomaticPressureGelation）。其特点为：可将环氧绝缘制品的生产周期从传统真空浇注所需的十几小时缩短到十几分钟，并能较好地控制放热效应，有利于补偿固化反应而引起的收缩，且具有极好的尺寸稳定性和很高的机械强度等突出优势。尤其是应用于真空断路器固封极柱、复杂、薄壁、多方位抽芯产品更具优势。

    APG工艺过程包括3个过程：前期混料、自动压力凝胶、成型后固化。

   APG工艺所需设备主要有模具、前期混料装量、移动式注射专用压力容器、全液压自动压力凝胶成型机、空气压缩机、固化后所需的烘箱以及必备的辅机等。

   浇注中，浇注材料是关键。它对固封极柱的可靠性和稳定性影响很大。如厦门华电开关有限公司采用瑞士Vantico的树脂材料，按照不同的电流等极采用不同的配方来满足不同的工作环境，如-40℃～250℃，常州国电森源绝缘电器有限公司采用嘉兴东方化工厂提供的DE9308树脂，该厂提供的国产树脂质量一直很稳定。日本东芝公司为固封极柱研制出新的浇注材料。该材料由环氧树脂和带两种或多种直径分布的球形硅石组成。它具有高的强度，热阻性及韧性。同时，它具有高的流动性。图1示出新型浇注材料的结构。这种新型材料的热阻性和强度分别为普通树脂的1.3 倍和1.5倍。据该公司称，用APG法制出的产品数量为用普通真空浇注法制出的产品的48倍。

4  固封极柱专用灭弧室

   VEP型真空断路器采用专门设计的真空灭弧室，首先灭弧室要小型化，其次真空灭弧室的金属外壳和陶瓷外壳加工工艺及设计必须满足特殊要求。VEP所用的真空灭弧室拥有****的R触头设计，形成强力纵磁场，灭弧和开断能力强，集成化触头，无引弧槽，表面几何形状**、耐压高，机械强度好，开合过程无变形。该灭弧室由北京东方真空电器有限公司提供。

   VSm型真空断路器采用成都旭光电子股份公司提供的固封极柱专用灭弧室。该真空灭弧室同前有TD-12/1250-10A,TD-12/1600-31.5J和TD-12/3150-40等3种产品。该灭弧室采用95%氧化铝陶瓷外壳、外置式屏蔽筒、杯状纵触头结构和CuCr25触头材料。采用外置式屏蔽筒以减小灭弧室直径，采用 CuCr 25 触头材料以使开断能力较 Cucr 50更强。同时，动静两端盖板均采用圆滑过渡的形式，以降低固封材料成型时产生的应力，导电杆采用锥形连接面，一方面增大接触面，降低接触电阻，另一方面可使软连接与灭弧室的结合在分合闸操作过程中接触更加紧密，可靠性更高。

图1 固封极柱用的新型浇注树脂

5  固封极柱的温升问题

   由于极柱被环氧树脂固封，散热性差，易出现温升问题。这个问题引起制造厂家的高度关注，并予以解决。解决的途径不同，但都针对温升问题：

5.1  降低灭弧室接触电阻，减小发热量

    如VEP型固封真空灭弧室回路电阻小，如In=1250 A时，R=9±1μΩ，In=3150A时，R=7±1μΩ。又如VSm型固封真空灭弧室的导电杆采用锥形连接面，旨在增大接触面积，降低接触电阻。

5.2  加通风道，加强散热效果

    如VSm型固封极柱设计时在环氧树脂上加1～2个通风道，以加强散热。对额定电流2000A以下的固封极柱因电流小，设计了带通风道和不带通风道两种极柱。

5.3  加散热片

    如VSm型固封极柱对2 000A以上在固封极柱顶部加装散热片，以加快散热。VEP型固封极柱对于额定电流2 500 A以上带散热罩，4 000 A时，带强迫风冷。

6  固封极柱的开裂问题

   真空灭弧室的陶瓷壳与环氧树脂的膨胀系数不同会引起开裂问题，同时同为操作振动、撞击、动热稳定或环境温度也会产生开裂。

   对此存在两种观点和两种做法。一种认为需要在真空灭弧室和环氧树脂整体之间包一层柔性有机材料作为缓冲层；另一种主张用环氧树脂直接固封在灭弧室外层，不用加缓冲。其理由如下：环氧树脂是一种热固性塑料，分子有醚键（-O-）、OH基、环氧基等极性基团，所以它的粘附力大，机械强度高。当它从热塑性树脂固化为热固性树脂时，分子的内聚力大，粘附力加大，内聚力使环氧树脂的粘接力非常大，一旦固化后，可以紧密地包封在真空灭弧室周围，绝缘性能非常好。

   事实是这两种做法都获得成功。VEP型固封极柱在固封前真空灭弧室外包裹特殊的缓冲层，反而，VSm型固封极柱未包缓冲层进行注射成型，也获得成功。

7  几种典型的固封极柱真空断路器

   这里作为示例，介绍VMI型真空断路器，VEP型真空断路器及VSm型真空断路器。这3种真空断路器均配固封极柱，而且VMI型和VSm型配永磁机构，而VEP型既可配弹簧机构也可配永磁机构。

7.1  Vm1型真空断路器

   该真空断路器有两项重要**：一项为配用新型永磁操动机构，达到完全免维护；另一项为达到*佳耐压强度和防止受外界的影响，将其相柱完全浇注在环氧树脂内。

   VMI型配永磁操动机构的真空断路器的磁力技术不仅用来直接操动，而且亦用来锁扣。在这种操动机构中，可以储存电能，电子控制，故断路器寿命长，完全免维修。VMI型真空断路器的现设计参数为：额定电压24kV，额定电流1250 A，额定短路开断电流31.5kA。磁力操动机构包括所有操动功能，如力的产生、锁扣和脱扣。它由带两个长久磁铁的双稳态磁铁系统、两个电磁线圈和一个转换用动铁心组成。在开断和关合状态，动铁心被保持在终端位置。操作时，相应的线圈受电励磁，直到它克服保持力，动铁心经过转轴来带动灭弧室的触头。用电容器作为储能元件，开发出一种电子控制装置，用来控制运动过程、脱扣、储能和功能的完全性。它具有自监视功能，终端位置的检测，基于感应的接近传感器。

    24kV，额定电流1250 A，额定短路开断电流31.5kA。磁力操动机构包括所有操动功能，如力的产生、锁扣和脱扣。它由带两个长久磁铁的双稳态磁铁系统、两个电磁线圈和一个转换用动铁心组成。在开断和关合状态，动铁心被保持在终端位置。操作时，相应的线圈受电励磁，直到它克服保持力，动铁心经过转轴来带动灭弧室的触头。用电容器作为储能元件，开发出一种电子控制装置，用来控制运动过程、脱扣、储能和功能的完全性。它具有自监视功能，终端位置的检测，基于感应的接近传感器。

   ABB公司在VMI型固封极柱真空断路器基础上，*新开发出集测量、保护、开断于一体的新型真空断路器。

   图2示出这样一个操动机构的结构图，它由静止的叠片铁心、长久磁铁、钢制的动铁心，以及合闸线圈和分闸线圈等组成。

    图2永磁机构           图3 固封极柱结构

7.2  VEP型真空断路器（ZN96-12型）

   图4示出该断路器的外貌。真空灭弧室采用新型触头材料及真空熔铸工艺。断路器的相间中心距降为150 mm，开关柜的宽度可以实现650mm。总结国内外弹簧机构的运行经验，设计出动作稳定可靠的模块式弹簧机构，同时可配用长寿命的永磁机构。该固封极柱真空断路器配用KYN96-12（AMS）型金属铠装开关柜。

    图4 VEP型真空断路器外貌

7.3  VSm型真空断路器

   Vsm型真空断路器的外貌见图5。固封极柱内部结构见图6。在图6中，固封极柱带通Vsm真空断路器利用固体绝缘的优势和**的环氧固封技术，采用屏蔽罩外露结构的灭弧室，**将真空灭弧室、主导电回路、绝缘支撑等有机的结合成一个集成固封极柱。成功的从根本上解决了真空断路器的环境耐受问题，使其应用更为广泛。集成固封极柱采用了自对流**通风技术，巧妙的解决了固体绝缘结构所带来的散热困难问题。

    图5VSm型真空断路器外貌         图6固封极柱结构图（带通风道）

   VSm真空断路器采用MS1型永磁操动机构。该机构利用一种双稳态的磁路系统，使用两个激磁线圈驱动动铁芯运动到相应的极限位置，并利用高性能永磁体所提供的磁场能量，使之保持在极限位置。激发其中一个激磁线圈使之产生大于剩余保持力的驱动力，即可使永磁机构的动铁芯动作。

    当控制系统出现故障时，可用手动分闸操作装置紧急分断断路器。

   MS1型永磁操动机构省去了传统机构复杂易损的储能、锁扣等机械装置，简化了结构，其零件数量较传统机构减少了70％以上，从而大大提高了机构的可靠性和寿命。同时由于采用了电容作为操作电源，也避免了传统机构对大容量专用电源的依赖以及辅助电源波动对机构动作特性的影响。