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小型智能化真空断路器设计

发布日期:2022-06-14 16:18:45 作者:威尼格尔 点击:

1.引言

小型化断路器是指布置紧凑、尺寸较小的断路器,主要是相间距、宽度较小,1250A 31.5kA的抽出式真空断路器相间距≤150mm、宽度≤500mm,可用于宽度只有600mm甚至小只有500mm的开关柜,这样相对于一般800mm宽的开关柜,占地面积节省37.5%,节省土地资源。通过智能一体化设计,大大减少控制、保护的二次接线,同时实现开关设备的远程操控、状态监测、智能运维,以及变电站无人值守。

 

2.小型智能化断路器现状

世界著名开关设备企业很早就有小型智能化断路器,如伊顿电气公司的T-VAC型真空断路器,见图1。该真空断路器整合智能保护继电器,相间距150mm,断路器宽度431mm,配备Digitrip智能综合继电保护,自供电数字脱扣保护,电流传感器尺寸小,具有长延时、短延时、瞬动和接地保护,功率因数、电压、电流、谐波失真值和波形记录,脱扣时间记录,范围选择联锁使接近故障的断路器清除该故障,无须时间滞后,减少故障破坏,避免不必要和浪费停机时间,高精度计量,电能、电量和电源质量测量,Modbus通讯协议。

通用电气公司(GE)采用低压框架断路器GLOBAL ACB的操作机构用于中压智能断路器iVB,基于一体化设计的理念,GE的iVB真空断路器希望通过将电子传感单元及保护系统高度的系统集成,来实现设备的智能化,一次设备和二次信号、保护完美结合成统一体,很大限度的实现功能集成,为客户创造很大价值,是有“大脑” 自脱扣的断路器。iVB也是小型化断路器,相间距150mm,断路器宽度480mm,可以应用于550mm开关柜。断路器保护智能保护系统通过Modubus通讯,断路器之间使用双绞线连接,通过开关柜的触摸屏实现对线路中所有断路器的实时参数、状态的监测和控制。iVB智能断路器是一台充分系统集成的产品,一台断路器取代传统开关柜分立元件-电流互感器、综合保护继电器、二次接线等,断路器总成本低于传统分立元件的价格总和。一台断路器就是一台出线柜。

 

ABB公司的新一代紧凑型iVD4型真空断路器,见图2,采用可回收的热塑性材料PT整体浇注式固封极柱,机械性能、低温性能等方面均得到了较大提升,绝缘能力大大超过国际、国内等电力行业标准的要求,同时绿色环保,相间距只有135mm,手车宽度414mm。智能化解决方案,完善的开关设备资产健康管理解决方案, 有思维的开关设备温度实时监测,准确测量主回路温度,识别安全隐患;智能电机驱动控制及保护系统,支持“一键顺控”程序化操作,实现安全高效运维;用户监控与ABB云技术相结合,数据实时分析;通过对断路器早期故障的准确预测,掌控健康状态;移动客户端或浏览器随时随地访问运行数据,支持安卓、iOS、Windows操作系统,依据NB/T 42044《3.6 kV~40.5 kV智能交流金属封闭开关设备和控制设备》进行完整的试验验证。

3 小型智能化断路器的设计问题

3.1小型化断路器的绝缘问题

小型化设计很大的问题就是解决绝缘问题,特别是相间的绝缘问题,相间距在150mm左右可以采用灭弧室绝缘罩结构或固封极柱形式。而相间距再小就需要固封极柱,固封极柱之间需要保持大于20mm的空气净距,基于电容分压计算,空气间距过小,就会造成空气间电场强度过高,难以承受工频耐受和雷电冲击耐受电压,造成绝缘失效。

 

3.2小型化断路器的操作机构一般操作机构尺寸过大,而由于小型化断路器建议采用触头质量轻、分闸所需速度低、行程小的真空灭弧室,这样机构所需提供的操作功就小,可以有效降低操作系统的磨损量,进而减少了断路器所需要的经常维护。如使用低压框架断路器的操作机构,伊顿公司的T-VAC、GE的iVB、ABB的VD4真空断路器都是采用与低压框架断路器相同的操作机构,VD4采用弹簧储能、自由脱扣的功能模块化EL型操动机构,主弹簧包含在模块内,机构本体自带手动储能手柄,使机构具有完整的驱动功能,同时具有准确的动作特性及稳定的预期寿命。可自由选配简单快速安装的二次附件。朴素的设计思想带来了元器件的高可靠性。

3.3小型断路器的温升问题

断路器相间距小,集肤效应、邻近效应造成额外发热损耗大,尺寸小发热不易散发出去,特别是固封极柱形式,真空灭弧室的发热集中在密封的极柱内部,不论是工程塑料还是环氧树脂的导热系数都很低,需要减少灭弧室触头的电阻,适当增加上下支撑的面积,同时减少手车式断路器触头的电阻,来降低发热。而如果可以解决绝缘问题,采用绝缘框架形式则可以有效解决温升问题,如T-VAC断路器,采用DMC浇铸绝缘支架,基础框架满足额定电压12kV产品的额定雷电冲击耐受电压75kV要求,通过增加相间绝缘板可以满足额定电压17.5 kV产品的额定雷电冲击耐受电压95kV的绝缘要求,通用性强。而真空灭弧室、软连接等暴露在空气中,热量直接散发,有利于温升。小型化断路器灭弧室绝缘框架示意图。


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