40.5kV 充氣柜用真空斷路器設計

王小煥 于洪宇 汪 寧 陳利民

（天津平高智能電氣有限公司，天津300000）

充氣柜又稱氣體絕緣金屬封閉開關設備（簡稱GIS），是將SF6絕緣技術、密封技術與空氣絕緣的金屬封閉開關制造技術有機結合的產物，大大縮小了設備的體積和占地尺寸，受到城網、地鐵、和鐵道建設的青睞[1]。既可用于環境條件比較惡劣的地區和污染嚴重的地方，又普遍用于人口密集的地區、大型工礦企業、高層建筑等場合，作為分、合負荷電流、過載電流及短路電流之用，以實現對供電系統的控制、測量、在線檢測與保護。其采用性能優異的SF6氣體作為絕緣介質，將斷路器、隔離開關、接地開關等高壓元件集中裝在密封的金屬箱體中，產品在使用過程中不受污穢、凝露、粉塵等惡劣環境的影響，降低產品維護成本，從而大大的提高了運行可靠性。由于國民經濟的快速增長和鄉鎮企業日益增長的用電需求，35kV 配電市場得到迅速發展，40.5kV 充氣柜的優勢日益凸顯。斷路器作為該設備的控制和保護元件，起到至關重要的作用。本論文設計的40.5kV 充氣柜用真空斷路器固封極柱上端采用圓柱形的結構，能夠有效的屏蔽三相銅排之間的電場，滿足斷路器減小相間距，從而達到小型化的要求。彈簧操動機構性能穩定，真空斷路器具有體積小，模塊化、檢測方便等特點。

1 總體方案與技術參數

真空斷路器由主回路、密封裝置、操動及傳動機構三個主要的元件組成，如圖1 所示。斷路器本體安裝在氣室內部，機構安裝于氣室外。由于真空斷路器放置在密封箱體內，整體空間受到限制，因此主回路選用固封極柱，達到縮減占用空間的目的。固封極柱主要包括：環氧樹脂極柱和包含其中的真空滅弧室、導電件、絕緣拉桿等部件（見圖1）。環氧樹脂極柱高出導電件上出線座，上端采用圓柱形的結構，真空滅弧室靜端連接上出線座，動端通過軟連接連到下出線座上。滅弧室動端、軟連接、絕緣拉桿與波紋管組件連接，通過操動及傳動機構帶動，實現正常的分合閘。密封裝置主要包括密封圈和密封板，使斷路器安裝在金屬箱體時與外界隔絕，確保了充氣柜箱體的密封性。

圖1 真空斷路器

該真空斷路器主要技術參數如表1。

表1 真空斷路器主要技術參數

2 斷路器設計

2.1 傳動分析

操動及傳動機構是真空斷路器的重要組成部分，斷路器關合和開斷電路的動力來源于操動機構，通過傳動機構和提升機構實現能量的傳遞[2]，整個能量的傳遞鏈統稱為斷路器“傳動回路”。彈簧操動機構是斷路器中應用最廣的一種操動機構[3-6]。本斷路器選用彈簧操動機構，采用凸輪連桿結構，便于傳遞能量，改變力的作用方向，將操動機構的旋轉運動變為主回路的近似直線運動。將操動及傳動機構的運動過程進行適當簡化，如下圖2 所示，其中實線表示合閘位置，虛線表示分閘位置。根據簡化模型與設定參數進行傳動仿真。分析結果見圖3，其中虛線表示合閘力，實線表示實際負載大小，從圖中可以看出機構合閘力大于實際負載需求，且隨著實際負載增加而增加，同時合閘力力值合理，不存在過多浪費，表明設計過程中選擇彈簧力度大小合適。

圖2 傳動簡圖

圖3 合閘力與負載圖

2.2 固封極柱設計

設計了一款新型的充氣柜用固封極柱，在極柱殼體的上部設有布置在真空滅弧室的上出線端（見圖1（b））外側并沿上出線端周向延伸的絕緣隔板，且該絕緣隔板高于上出線端，這些高于上出線端的絕緣隔板可有效改善上出線端及相應母排的電場分布，同時也增加了三項母排之間的爬電距離，有效減小充氣柜中相與相之間的距離，減小不同相的固封極柱的間距，進而減小整個充氣柜的外形體積，便于運輸及安裝。在極柱殼體上設有固定嵌件的相應外端面上設置環形密封槽，這樣可以在裝配時加裝密封圈，保證固封極柱與相應支撐件之間的密封裝配。相比于在支撐件上加工環形密封槽的做法，這種在固定嵌件上加工環形密封槽的結構更為簡單，降低整個充氣柜的設計、制作成本。在極柱殼體的下部設有散熱孔，利用散熱孔來降低固封極柱的溫度，有利于提高真空斷路器的穩定性。

2.3 密封裝置設計

密封裝置分為靜密封裝置和動密封裝置。本文中涉及的靜密封裝置主要包括密封圈和密封板，當斷路器安裝在金屬箱體時，通過密封板上的密封槽擠壓密封圈，從而隔絕了金屬箱體與密封板之間的縫隙，確保了充氣柜箱體的密封性。在極柱固定嵌件的相應外端面上設置環形密封槽，這樣可以在裝配固封極柱時加裝密封圈，保證固封極柱與相應支撐件之間的密封裝配。

由于真空斷路器需要進行分、合閘動作，所以還需要保證動作時的密封性能。動密封一般采用磁流體或者波紋管密封。磁流體密封技術是在磁性流體的基礎上發展而來的，當磁流體注入磁場的間隙時，它可以充滿裝個間隙，形成一種“液體的O型密封圈”。磁流體密封裝置的功能是把旋轉運動傳遞到密封容器內。波紋管是集彈性元件、輔助密封和轉矩傳動于一身的密封元件。

端面比壓均勻，具有耐高溫、追隨性比較好的特點。金屬波紋管具有較大的彈性、強度和剛度。本文選擇了金屬波紋管密封（見圖4）。

圖4 波紋管

3 樣機試制和型式試驗

按照設計結構，裝配3 臺40.5kV 真空斷路器樣機（見圖5），測試結果滿足技術參數要求。該真空斷路器配合充氣柜樣機在國家智能電氣設備質量監督檢驗中心順利通過絕緣、短路性能試驗、溫升、機械試驗、通訊、控制功能測試等試驗，取得型式試驗報告。

圖5 真空斷路器樣機

4 結論

本文提出一種新型40.5kV 真空斷路器，研發出新型固封極柱，并優化現有彈簧操動機構，成功試制樣機，最終配合充氣柜通過了包括絕緣、短路性能試驗、溫升實驗、機械試驗、通訊、控制功能測試在內的多項型式試驗，得出以下結論：

4.1 經過計算優化，設計出合理的傳動機構與彈簧操動機構匹配，保證能量的合理性。

4.2 提出并設計出新型固封極柱，保證了良好的絕緣性能，改善上出線座及相應母排的電場分布，能夠滿足充氣柜較小相距的要求，進而減小整個充氣柜的外形體積。