固封用真空滅弧室及其固封極柱的研究開發(fā)
2020-05-17 467
1.概述
固封極柱就是通過APG工藝,采用環(huán)氧樹脂作為絕緣介質(zhì),利用環(huán)氧樹脂將斷路器的一次導(dǎo)電部分真空滅弧室與上下出線端等載流元件全部密封成一體,使真空滅弧室的絕緣狀態(tài)完全不受外界環(huán)境的影響,提高了耐環(huán)境性。環(huán)氧樹脂既是一次部分的主絕緣,又是它的機(jī)械支撐,其電場分布優(yōu)于各種形狀的絕緣隔板結(jié)構(gòu)。
APG技術(shù)即環(huán)氧樹脂自動壓力凝膠成型技術(shù)(TheAutomatic Pressure Gelation),是在環(huán)氧樹脂真空澆鑄工藝的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,是壓力凝膠工藝(PG)技術(shù)的一種形式。PG技術(shù)是瑞士Ciba-Geigy公司于1967年開發(fā)的。20世紀(jì)70年代初,又對PG技術(shù)進(jìn)一步加以完整,形成了自動壓力凝膠工藝(APG)。APG技術(shù)適用于液態(tài)環(huán)氧樹脂、不飽和聚脂樹脂、聚氨脂和有機(jī)硅樹脂等。但高壓絕緣件生產(chǎn)中,大量應(yīng)用液態(tài)環(huán)氧樹脂。近年來采用APG技術(shù)生產(chǎn)有機(jī)硅產(chǎn)品也逐漸增加。
APG技術(shù)主要應(yīng)用于生產(chǎn)中高壓環(huán)氧絕緣制品。其特點(diǎn)為可將環(huán)氧樹脂制品的生產(chǎn)周期,從傳統(tǒng)真空澆注所需的十幾個小時縮短到十幾分鐘,并較好地控制放熱效應(yīng),有利于補(bǔ)償因固化反應(yīng)而引起的收縮,且具有極好的尺寸穩(wěn)定性和很高的機(jī)械強(qiáng)度等突出優(yōu)點(diǎn)。尤其是應(yīng)用于真空斷路器用固封極柱,復(fù)雜、薄 璧、多方位抽芯的產(chǎn)品更具優(yōu)勢。當(dāng)前國內(nèi)外高壓開關(guān)正向免維護(hù)、復(fù)合化、小型化、長壽命、高性能發(fā)展。采用APG技術(shù)生產(chǎn)高壓絕緣制品更顯示出突出的技術(shù)優(yōu)勢和廣闊的發(fā)展前景。
2.真空滅弧室固封極柱產(chǎn)品開發(fā)研究
主要從真空斷路器小型化、高可靠性和長壽命考慮,必須開發(fā)研究真空滅弧室固封極柱產(chǎn)品。
2.1 市場化技術(shù)發(fā)展的需求
據(jù)《2006高壓開關(guān)行業(yè)年鑒》統(tǒng)計(jì)資料顯示,在中壓領(lǐng)域,特別在12kV斷路器產(chǎn)品中真空斷路器已占97.9%,40.5kV斷路器產(chǎn)品中 真空斷路器已占77.95%。我國繼美國、德國和日本之后,已進(jìn)入真空斷路器大國行列。隨著中壓真空斷路器技術(shù)的日臻完善,真空斷路器向小型化、智能化、免維護(hù)、高電壓、低電壓、特殊專用化(如:冶金煉鋼用長壽命低過電壓專用斷路器、電氣化鐵道用車載開關(guān)及鐵道分相開關(guān)、高原型真空斷路器、礦用防爆開關(guān)等)、多功能化等方向發(fā)展。其中小型化高可靠性產(chǎn)品研發(fā)是產(chǎn)品發(fā)展長久的話題,實(shí)現(xiàn)真空斷路器小型化的這種需求,就是要在保證所有元、配件可靠性的同時, 實(shí)現(xiàn)其小型化,真空滅弧室也不例外。由于對開關(guān)設(shè)備小型化的要求越來越強(qiáng)烈,八、九十年代開發(fā)的全工況大體積產(chǎn)品已不適應(yīng)于地價貴如油的城市、地鐵及現(xiàn)代農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域,必須采用有外絕緣保護(hù)的小型化、高可靠的開關(guān)設(shè)備。固封真空斷路器正是順應(yīng)了市場發(fā)展的趨勢。
真空斷路器之所以如此輝煌,這與真空斷路器技術(shù)的不斷進(jìn)步分不開。固封極柱技術(shù),就是真空斷路器技術(shù)巨大進(jìn)步的體現(xiàn)。真空斷路器的相柱絕緣 經(jīng)歷了空氣絕緣——復(fù)合絕緣——固封絕緣。這就形成了絕緣方面的三代真空斷路器。在第一代空氣絕緣中,帶電部分完全裸露在空氣中。它的絕緣水平隨著空氣中的濕度、灰塵以及運(yùn)輸過程的磕碰而變化,并易受小動物等異物的影響。在第二代復(fù)合絕緣中,將真空滅弧保護(hù)在環(huán)氧樹脂套筒內(nèi)。但這種套筒沒有完全把高壓帶電部分包起來,里面還會受灰塵、潮濕、昆蟲等影響。第三代絕緣即固封式極柱,它通過APG工藝,利用環(huán)氧樹脂將真空滅弧室以及上下出線端全部包封,使真空滅弧室、上下出線和連接件等成為真空斷路器的一個整體部件。這樣,不僅縮小了真空滅弧室尺寸,而且徹底解決了帶電體部分不受外界環(huán)境(環(huán)境、濕度、海拔高度等)的影響,提高了耐氣候性,此時環(huán)氧樹脂不僅作為一次部分的主絕緣,而又是它的機(jī)械支撐,其電場分布和應(yīng)力分布優(yōu)于各種形狀的絕緣隔板結(jié)構(gòu)。
2.2 產(chǎn)品發(fā)展的需要
當(dāng)小型化真空滅弧室在空氣中的外絕緣不能滿足其標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的參數(shù)值時,真空滅弧室固封是在真空斷路器成本增加不大情況下保證外絕緣的有效途徑之一。在開關(guān)設(shè)備幾十年的發(fā)展構(gòu)成中絕緣性能提高了好幾倍,而開關(guān)設(shè)備的安裝面積縮小了50%左右。使用小型化、免維護(hù)設(shè)備可以減少維修頻次,延長檢修周期以及減少開關(guān)設(shè)備的占地面積。從而大大減輕運(yùn)行人員的勞動強(qiáng)度和運(yùn)行維修費(fèi)用。經(jīng)過多年研究,固體絕緣無疑是小型化、提高耐環(huán)境性的解決方案之一。
國外一些知名公司,12kV、24kV真空滅弧室采用同一種外形的真空滅弧室(內(nèi)部不同),只是使用條件不同而已,同一種外形的真空滅弧室在空氣中使用時為12kV;在有外絕緣保護(hù)情況下真空滅弧室的電壓等級提高至24kV。真空滅弧室外絕緣保護(hù)一般采取置于絕緣氣體環(huán)境中、置于絕緣液體環(huán)境中、固封。真空滅弧室固封不但可以實(shí)現(xiàn)真空滅弧室的小型化、而且實(shí)現(xiàn)了真空斷路器的小型化。
2.3市場競爭的產(chǎn)物
ABB公司推出的固封真空斷路器VMI,旨在替代絕緣套筒式的VSI,推進(jìn)了真空斷路器技術(shù)進(jìn)步。
目前,國內(nèi)市場的VSI產(chǎn)品形成了量大、面廣的大眾化產(chǎn)品格局,這一產(chǎn)品市場競爭非常之激烈,其利潤已低到驚人之程度。
固封真空斷路器產(chǎn)品是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品向高端發(fā)展的產(chǎn)物,也是一些真空斷路器制造商實(shí)行差異化競爭的一張王牌。
3.國內(nèi)外技術(shù)及開發(fā)情況
3.1 國際市場及開發(fā)情況
1997年,由ABB在英國和美國的工程師聯(lián)合開發(fā)了一種新型VMI型真空斷路器,采用了僅有66個零件(7個活動零件)組成的磁力驅(qū)動機(jī)構(gòu)代替有數(shù)百個零件組成的傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)。其分合閘位置均靠永久磁鐵保持,這種免維護(hù)的真空斷路器機(jī)構(gòu)在其10萬次的操作壽命中不需維修,是傳統(tǒng)真空斷路器壽命的好多倍。為了滿足VMl斷路器的長壽命、高可靠性的要求,ABB為其研發(fā)了一種結(jié)構(gòu)特殊小型化、長壽命的新一代真空滅弧室,并首次創(chuàng)新地將真空滅弧室及上下出線連接件用環(huán)氧樹脂完全澆注起來,使整個斷路器極柱成為一個整體部件。固封極柱采用環(huán)氧樹脂作為絕緣介質(zhì),真空滅弧室與上下出線端等載流元件被環(huán)氧樹脂全部密封,從而達(dá)到*佳耐受和防止外界的影響:同時,真空斷路器配用的開關(guān)柜體積大為減少。
環(huán)氧樹脂澆注式固封極柱問世后，即被嘗試取代傳統(tǒng)的組裝式極柱，安裝在ABB彈簧操作機(jī)構(gòu)VD4真空斷路器上。由于在絕緣性能、可靠性、壽命等許多方面都有極為優(yōu)良的表現(xiàn),固封式極柱在商業(yè)上迅速取得了巨大的成功。據(jù)ABB公司宣傳資料,2003年ABB固封式極柱產(chǎn)量已經(jīng)達(dá)到了6萬只以上，2004 年ABB固封式極柱產(chǎn)量可達(dá)到近10萬只。
ABB公司在研究固封極柱的發(fā)展中起到了帶頭作用,其研究開發(fā)的新產(chǎn)品各有特色,代表了世界真空滅弧室及開關(guān)設(shè)備發(fā)展的潮流。
3.2 國內(nèi)市場及開發(fā)情況繼VMI之后,國內(nèi)一些研究機(jī)構(gòu)、公司也相繼推出具有類似功能、類似結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品。
4.固封用真空滅弧室及極柱的技術(shù)
4.1 國內(nèi)固封極柱安裝尺寸主要分類
目前,國內(nèi)固封極柱斷路器主要分為VEP和VSM兩大系列。其中,VEP的生產(chǎn)商主要為:廈門華電、北海銀河等;VSM的生產(chǎn)商主要為:西安森源、常州森源等。VEP與VSM斷路器在固封極柱安裝尺寸的差異主要表現(xiàn)在小電流出線間尺寸的不同(額定電流<2000A)。其中:VEP斷路器出線間尺寸為205mm;VSM斷路器出線間尺寸為275mm;
4.2 接觸電阻及散熱
國內(nèi)固封極柱及其滅弧室經(jīng)過近六、七年的研究發(fā)展,在解決降低接觸電阻以及散熱問題上已取得關(guān)鍵進(jìn)步。比較有代表性的有:廈門華電成功地進(jìn)行了從12kV/630A~3150A-20kA~50kA,40.5kV/1250A-2500A-20kA-31.5kA等全系列產(chǎn)品固封極柱斷路器產(chǎn)品的開發(fā),固封極柱的接觸電阻≤12~15μ歐,并且完成了全套型式試驗(yàn)。
陜西寶光目前用于固封極柱的滅弧室接觸電阻產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)一般為:小電流滅弧室≤25μ歐、大電流滅弧室≤10μ歐:固封極柱接觸電阻產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)一般為≤25μ歐。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證,完全可以滿足使用要求。
4.3 質(zhì)量控制情況
目前市場進(jìn)行固封極柱包封的生產(chǎn)廠較多,對產(chǎn)品要求的理解以及質(zhì)量控制水平參差不齊。一些質(zhì)量信譽(yù)較高的生產(chǎn)廠,他們在生產(chǎn)過程中進(jìn)行了電阻檢測、工頻、沖擊、局放、x光(檢氣泡)、高低溫、交變濕熱試驗(yàn)等多項(xiàng)性能檢測:并對環(huán)氧樹脂原材料進(jìn)行了玻璃化溫度、抗彎、抗拉性能檢測。這些檢測手段對產(chǎn)品質(zhì)量的可靠保證提供了控制依據(jù)。
5.目前固封用真空滅弧室及其固封極柱需要進(jìn)一步解決的問題
5.1 固封用真空滅弧室
(1)技術(shù)基礎(chǔ)工作的研究:研究解決滿足固封用真空滅弧室的外形,散熱、圓角過渡、瓷殼釉層,導(dǎo)向套的耐熱溫度和變形，公差與配合，導(dǎo)電夾連接方式，真空滅弧室的高可靠性,機(jī)械壽命等。
(2)加強(qiáng)生產(chǎn)工藝過程控制,提高產(chǎn)品質(zhì)量的一致性。重要是進(jìn)行產(chǎn)品裝配、焊接工藝控制,保證滅弧室接觸電阻、整管及管芯的平面度和平整度的一致性。
(3)外觀觀賞度需要提高,并滿足固封要求。
5.2 固封極柱
(1)建立健全固封極柱產(chǎn)品檢測檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)范,包括包裝運(yùn)輸、安裝使用說明、運(yùn)行規(guī)范等。
(2)由于固封熱的掀起,許多不具備固封的廠家盲目上馬,因此固封極柱產(chǎn)品質(zhì)量良莠不齊。由于固封質(zhì)量問題,將滅弧室損壞。有些固封廠家存在檢測手段不完備、工藝不穩(wěn)定、產(chǎn)品質(zhì)量波動等情況。
(3)固封廠家不但要建立健全國封極柱產(chǎn)品檢測檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)范,更要配置檢測檢驗(yàn)測試設(shè)備、儀器,確保固封質(zhì)量。
(4)固封價格高,導(dǎo)致固封極柱價格高,阻礙固封斷路器的生產(chǎn)、銷售和發(fā)展。
(5)控制、穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量,不盲目急于求成,將高可靠的產(chǎn)品推向市場。
6.真空滅弧室及其固封極柱產(chǎn)品前景
近幾年對真空滅弧室及其固封極柱產(chǎn)品的研究開發(fā),其技術(shù)逐步成熟,成品率有了較大的提高,但市場的接受能力不足。特別是電力部門對新產(chǎn)品的認(rèn)知態(tài)度。市場處于試運(yùn)行階段。特別是許多廠家宣傳言過其實(shí),提供市場的產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定,對市場及用戶造成負(fù)面影響。固封價格太高,用戶與傳統(tǒng)產(chǎn)品相比,無法接受。
固封極柱若能解決以上問題,其市場將會面臨遞增的發(fā)展勢頭,而用于固封極柱的專用滅弧室更是以3倍的速度快速擴(kuò)大著市場容量。固封極柱市場的開發(fā)推廣,我們應(yīng)將開發(fā)極柱用滅弧室市場作為工作重點(diǎn),把穩(wěn)步跟進(jìn)固封極柱市場,作為擴(kuò)大市場、提高產(chǎn)品檔次的一種手段。
