戶外中壓開關設備技術與發(fā)展戶外開關設備安裝方式簡單、應用范圍寬廣、投入費用低廉以及因它自身具備的較完整的保護功能，在輸配電線路中占有重要的地位。因此，提高產品的可靠性，努力向免維護方向發(fā)展是必須追求的目標。1戶外中壓開關設備的關鍵問題1.1開關本體部分開關本體是產品的主體部分，最主要的問題為開斷問題和絕緣問題。戶外開關直接處于惡劣的戶外運行環(huán)境。由于受日曬雨淋的影響，戶外開關應具有防雨雪的能力，能承受紫外線照射而其絕緣強度和機械強度不發(fā)生有損開關性能的改變；戶外溫差大，開關必具備有效的防凝露、防腐、防銹、防機構卡死功能。戶外開關直接暴露在外界環(huán)境條件下的絕緣部分，主要有套管，包括瓷套管、復合絕緣套管（內芯為環(huán)氧樹脂，外表為硅橡膠）和戶外環(huán)氧樹脂套管等。對于SF6開關，SF6氣體起著滅弧和絕緣兩個作用，除在滅弧室中的滅弧和斷口絕緣外，SF6還可用作對地及相間絕緣。而對于真空開關，因真空技術主要是真空滅弧室斷口的開斷和絕緣技術，它不能作為對地和相間絕緣，它們只能以油介質、SF6介質、大氣介質、復合介質和固體絕緣作為絕緣。對于戶外真空開關而言，其滅弧室外的絕緣如何處理是產品設計的關鍵。1.1.1以油作為絕緣介質油以其良好的絕緣性能使開關體積小，并對箱體內各個零部件有良好的防護作用。但有可能滲油且油易燃，易引起二次災害，特別是某些開關加工與制造質量不良時，使油受潮或油箱進水，絕緣性能劣化，最終發(fā)展為絕緣被擊穿而發(fā)生爆炸。箱體內油噴出箱外，發(fā)生燃燒，危及人身和設備的安全。1.1.2以有機絕緣材料（如環(huán)氧制品）與空氣組合成的絕緣結構該類型的產品可克服上述以油為絕緣介質的弊端，不存在絕緣擊穿后油燃燒而產生的二次災害，同時，該類產品易于裝配、調試及維修，但體積偏大，重量偏重。近年來，該類產品在國內戶外真空斷路器市場中占有很大的比例。1.1.3復合絕緣這類絕緣結構的產品以柱式為主，將真空滅弧室安裝在絕緣套管內，再用硅脂、聚氨酯材料、硅橡膠填充間隙。1.1.4SF6氣體絕緣由于SF6氣體良好的絕緣性能和導熱性，產品可以做到體積小、重量輕。由于箱體內SF6氣體壓力不高，加上密封橡膠材料、密封脂、密封結構均有成熟的經驗，可以有效地防止漏氣及潮氣進入。如果采用永磁機構置于箱體內，使機構的各個零部件免受外界大氣的污染和銹蝕，該類產品可做成免維護產品。但該類型產品密封結構的設計一定要合理，且對生產工藝的要求較高。1.1.5固體絕緣固體絕緣的真空斷路器（重合器）或負荷開關（分段器）大多為柱式結構，它是將真空滅弧室和電流互感器用戶外環(huán)氧樹脂澆注在一起，作為主絕緣和機械支撐，澆注件外表面呈傘形，用以防雨，并達到一定的漏電距離。以上這五種絕緣結構屬于將真空作為滅弧介質的開關，但真空開關作為負荷開關，有一定的局限性，因為負荷開關的功能要求與斷路器不同，它不需開斷短路電流，只需切合負荷電流，同時對其斷口的絕緣性能要求較高，如作為線路分段點時，往往要滿足隔離開關的要求。在開發(fā)負荷開關產品時許多制造商更中意于采用SF6技術，用簡單的滅弧結構就可開斷負荷電流（一般在630A以下）；同時，拉大SF6斷口的距離，即可提高其絕緣可靠性，滿足分段點斷口的要求。1.2二次單元由于微機技術在開關設備中的應用，使得戶外開關的二次部分得到了突飛猛進的發(fā)展?，F代二次技術用于戶外開關，其所具備的功能很多，但根據開關本體的不同，它們又有所區(qū)別，以柱上開關為例，其主要功能見表1所示。根據產品使用場合不同，上述功能可任意選擇。因此，制造商在開發(fā)多種柱上開關產品時，其控制單元的硬件一般是相同的，僅在軟件上根據功能的不同而有所區(qū)別。現代二次設備，將電流互感器的信號傳輸給微處理器，當電流達到微處理器動作的規(guī)定水平時，微處理器發(fā)出動作信號，使開關脫扣，此時，微處理器所需的能量很小。另一方面，現代二次技術采用接近開關來替代傳統的輔助開關。傳統的輔助開關需要與主開關機械連接的多重環(huán)節(jié)，使結構變得復雜，易出現卡滯等故障。由于輔助開關觸頭的彈跳，不易確定轉換時刻，也會造成故障。接近開關屬于無觸點開關，動作穩(wěn)定準確，可靠性高。近年來，國外現代的二次技術已逐步用于柱上開關技術中，形成機電一體化新潮流。國內也將會朝這個方向發(fā)展。1.3操動機構從國際、國內斷路器的故障統計數字來看，機械故障占大多數，高達總故障的70％，為進一步提高斷路器的可靠性，滿足當今社會對高質量、高可靠性產品的需求，有必要突破傳統意義上的機構動作原理，研制新的斷路器操動機構—永磁操動機構。永磁機構較其它機構的最大優(yōu)勢是可靠性高，由于只有一個運動部件，且又可以與滅弧室直接連接，零部件較彈簧機構減少了60％。它結構簡單，零部件的大幅減少使開關機械系統可靠性大大提高，從而實現免維護運行。2產品實例——ZW51柱上真空斷路器2.1概述柱上斷路器/重合器是10kV配電系統中重要的開關設備，自從LW3-10、ZWl-10、ZW8-12等系列柱上SF6和柱上真空開關研制成功以來，在系統中得到了廣泛的應用并取得了較好的效果，但與目前國外產品相比尚有較大差距。盡管目前柱上負荷開關使用潮流日益擴大，斷路器用量有所下降，但由于斷路器/重合器具有較完善的控制和保護功能，在不同網絡、重要部門、系統出線端、特殊聯接點等場所仍顯示出其它設備不可替代的優(yōu)勢，在配電系統中仍占主導地位，因此，柱上斷路器/重合器必須順應科技發(fā)展的需要，以新材料和新工藝為基礎，進行全新設計。戶外環(huán)氧樹脂在國外已取得了成功的應用，國內也有一些應用經驗，將真空滅弧室及一些輔助元件整體進行環(huán)氧樹脂澆裝，可以極大地簡化產品的結構并具有較高的可靠性，為實現免維護打下基礎。永磁操動機構是近幾年興起的新技術，國內也在積極地研究并取得了成功，它在柱上開關中的應用可以說是一個大的變革。從國外近幾年推出的產品來看，采用戶外環(huán)氧樹脂澆注的真空滅弧室組件、永磁操動機構、單片機控制單元構成斷路器/重合器是一種主要的發(fā)展模式，也為配電系統實現自動化創(chuàng)造了條件。隨著鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)的蓬勃發(fā)展和農村生活水平的提高，我國縣及縣以下用電量不斷增長，并對供電的連續(xù)性和可靠性要求也越來越高。柱上斷路器以其簡單的安裝方式、經濟實惠的投入費用和機動靈活的使用場合而得到廣泛地應用。但是，由于戶外環(huán)境條件惡劣，產品運行一段時間后常常會出現故障，現場維修非常困難，要解決這個問題，最好的辦法就是提高產品的可靠性，努力向免維護方向發(fā)展。此外，在部分經濟發(fā)達地區(qū)，對開關設備參數的提高提出迫切的要求。為此，西安高壓電器研究所與行業(yè)兄弟廠家共同成功開發(fā)了ZW51-12/630-20型戶外交流高壓真空斷路器，如圖1所示。2.2產品用途和使用范圍ZW51-12/630-20型戶外交流高壓真空斷路器系三相交流50Hz戶外高壓開關設備，主要用于農網和城網的10kV供電系統，作為分合負荷電流、過載電流及短路電流之用，也可用于其它類似場所。該產品無油、無SF6氣體、采用戶外環(huán)氧樹脂澆注工藝，使真空滅弧室與電流互感器一體化，立式分相布置，底座為鋁合金鑄件，采用永磁操動機構，配上電子控制單元成為智能化斷路器。由于采用新工藝、新技術使得產品滅弧能力強，短路開斷次數高，無火災爆炸危險，操作方便，體積小、重量輕，外形美觀，可實現高可靠和免維護。2.3總體結構及主要部件參見圖1，該斷路器采用三極柱式結構，三個極柱組件垂直安裝在鑄鋁合金箱體上，箱體內裝有永磁操動機構和傳動系統，電子控制單元與本體分開布置，通過電纜實現信息交換與測控。極柱組件是免維護部件，其內組合了真空滅弧室、電流互感器和進出線導電體，采用戶外環(huán)氧樹脂一次澆注成型，外絕緣漏電比距在IV級以上，對地內絕緣漏電比距在II級以上，可用于較嚴酷的環(huán)境條件下。在極柱組件內通過喇叭型軟聯接件將真空滅弧室動導電桿與下出線座連通以構成主回路，絕緣操縱桿一端用于連接真空滅弧室動導電桿，另一端伸入機構箱內，用于安裝觸頭彈簧并與主軸上的驅動拐臂鉸連，以實現分合閘操作。該產品真空滅弧室采用陶瓷外殼，杯狀縱磁場觸頭結構，銅鉻觸頭材料，具有優(yōu)良的開斷和關合短路電流能力及長的電壽命。永磁操動機構為雙線圈雙穩(wěn)態(tài)結構，利用電磁能量實現斷路器的合閘操作并同時給觸頭彈簧儲能，斷路器的分閘操作則由電磁能量和觸頭彈簧釋能來完成。綜合考慮技術經濟指標，采用一臺機構驅動一根主軸的傳動方案。電子控制單元由微型單片計算機構成主控電路，由大功率半導體器件實現輸出驅動，電源采用高性能蓄電池組來擔任，蓄電池的能量補充由本體B相TA來提供。2.4幾個關鍵問題及解決方案2.4.1極柱組件的澆注問題極柱組件集真空滅弧室、電流互感器、進出線導電座于一體，由戶外環(huán)氧樹脂整體澆注成型。其關鍵問題在于如何解決好因真空滅弧室和環(huán)氧層膨脹系數不同，造成澆注后應力導致極柱開裂的現象。經多次反復試驗，該產品采用了一種硅酮基膠粘劑，價格便宜、操作簡便、粘接強度高、絕緣性能好。試澆樣品，剝離環(huán)氧層后發(fā)現，涂層被從中間撕開，在環(huán)氧內壁及瓷殼外壁均粘有致密的橡膠層，可見其粘接力遠大于自身的結合力。再通過改小出線座直徑，同時再增加端部環(huán)氧層厚度，控制緩沖層厚度。2.4.2永磁操動機構與斷路器的特性配合問題由于在開始階段，對永磁機構特性認識不足，設計方案中采用了單線圈式永磁機構來驅動，傳動比選為1∶1，雖然與斷路器要求的動作特性可以匹配，但調試難度特別大，往往需要更換零部件、調整線圈參數才能達到要求，而且觸頭彈簧、分閘彈簧直接影響到分合閘的動態(tài)特性和合閘保持的可靠性，生產調試極為困難。為此，對總體傳動方案進行了根本性的改進：采用單臺雙線圈式永磁機構，傳動比為1∶2，采用平動輸出驅動桿方式使底座尺寸無明顯增加。試驗結果表明，此方案是成功的。2.4.3電子控制單元采用16位單片機為核心設計，外輔各功能電路模塊，以IGBT大功率管驅動，采用開關電源隔離及模擬、數字濾波等技術，具有很強的抗干擾能力，電源由內部110V蓄電池組提供，蓄電池的充電可由TA、AC200V提供。初始階段出現的問題是抗干擾和功率管燒毀的情況，采取合適的保護措施后得到解決。該產品具有機械壽命長、檢修周期長、使用簡單方便等優(yōu)點。產品也可使用于污穢地區(qū)和高海拔地區(qū)。由于采用新工藝、新技術使得產品滅弧能力強，短路開斷次數高，無火災爆炸危險，操作方便，體積小、重量輕，外形美觀，可實現高可靠和免維護，為我國城鄉(xiāng)電網的更新換代提供了的新型開關設備。3發(fā)展趨勢隨著對供電可靠性指標的要求越來越高，隨著新技術、新材料、新工藝的發(fā)展與應用，各種新型的戶外開關不斷問世，這些開關的設計思路也代表了近年開關設備的發(fā)展趨勢。環(huán)保型——清潔、無油、無漏氣、無噪聲的環(huán)保型產品越來越多。如真空開關的固體絕緣結構，SF6開關小型化箱體一次性密封工藝等技術的應用。模塊化——基于真空滅弧室及電流互感器構成的免維護組件及SF6滅弧室的單元化結構，采用永磁技術的操動機構，使開關整體結構簡單化、模塊化，基本實現了免維護。防腐防銹——外殼采用不銹鋼或鑄鋁合金等防銹材料，絕緣子的戶外環(huán)氧澆注工藝及其有機絕緣材料包封技術的應用