2011/9/6 0:00:00
摘 要：本文阐述了采用真空断路器改造老式开关柜内的少油断路器，节约投资，技术可行，为今后变电站开关柜技术改造提供了高性能价格比的开关柜改造方案。
关键字：开关柜改造 操作过电压 改造实践
1. 概述
我国10kV（6kV）供配电网中仍有少油断路器在运行，随着科学技术的进步及用户对供电可靠性提出更高的要求，这部分开关柜均面临着技术改造。其改造方案可分为两类;一是开关柜的整体更新;二是保留开关柜的柜体，仅对内部电气设备进行更新换代。第一种方案其投资大、改造工作量大、停电时间长，比较适合变电站的异地改造。而第二种方案具有投资少、改造工作量小、停电时间短等优点而被广泛采用。
因真空断路器具有使用寿命长、可频繁操作、开断能力强、结构简单、维护工作量少等优点，在对少油开关柜改造中应作为首选开关。对各变电站的少油开关进行分期实施技术改造，以实现变电站的无油化。采用真空断路器整体替代原由的少油开关，均采取保留柜体的技术改造方案，并对柜内其他电气设备根据其技术性能及投资情况，进行相应的产品换代和技术升级，同时对变电站的开关柜柜体进行整体整理和喷漆，以提高10kV（6kV）开关柜内部电气设备技术水平，也使开关柜外观也焕然一新。即节约了技术改造费用，又减少因改造停电影响生产的时间，是今后开关柜实施技术改造应推广的实用技术方案。
2. 真空断路器特点
真空断路器在开断电流时，两触头间就要产生电弧，电弧的温度很高，能使触头材料蒸发，在两触头间形成很多金属蒸汽。由于触头周围是“真空”的，只有很少气体分子，所以金属蒸汽很快就跑向围在触头周围的屏蔽罩上，以致在电流过零后极短的时间内（几微秒）触头间隙就恢复了原有的高“真空”状态。因此真空断路器的灭弧能力要比少油断路器优越得多。故真空断路器具有如下特点：
①在真空中熄弧，电弧和炽热气体不外露，不飞溅到其它物体上。
②由于真空中耐压强度高，触头之间距离大大缩短，相应的动作行程也短的多，动导杆的惯性小，适用于频繁操作。
③由于真空断路器的结构特点使其具有，熄弧时间短、弧压低、电弧能量小、触头损耗小，开断次数多。
④操作机构小且重量轻，控制功率小，没有火灾和爆炸危险，故安全可靠。
⑤触头密封在真空中，不会因受潮气、灰尘及有害气体等影响而降低其技术性能。
⑥真空断路器在遮断短路电流时，待故障排除后，无需检修真空断路器即可投入运行。
上述特点在保证生产的连续性，提高作业率及安全可靠等方面，是其它断路器所不能比的，所以真空断路器成为中压领域（6kV～10kV）中竞争能力最强的开关。至今我国已有几十家生产真空断路器的专业厂，部分专业厂引进国外专利技术及生产线，使我国真空断路器制造技术向国际先进水平及标准化发展，部分产品已达到国际水准。
3. 真空断路器操作过电压抑制
真空断路器的创操作过电压直接威胁着电气设备的安全运行，必须采取相应的对策抑制真空断路器的操作过电压。结合莱钢十几年来真空断路器的应用实践，笔者认为抑制真空断路器的操作过电压问题，应从两个方面开展工作;一是真空断路器的设计选型，因我国生产真空断路器的企业有几十家，即使是同一系列的产品也有多家生产，各生产厂的技术装备水平各异，有引进国外专利技术生产的，也有引进国外生产线生产的，也有和国外公司合作生产的。所以在真空断路器的设计选型中，应结合我国真空断路器生产行业这一实际状况，应首选技术装备先进，检测手段完善的生产企业，选用的产品系列应是具有多年实际运行实践的主导产品。以致使所选用的产品具有低的截流值，以减少操作中产生截流过电压。其二是必须同步设计操作过电压吸收装置，我国目前广泛采用的过电压吸收装置可分为两类，即RC（电阻、电容器组合式）和氧化锌压敏电阻两种形式。在对老式开关柜改造中应首选氧化锌压敏电阻方式，因此方式体积小、便于安装，维护工作量小。
氧化锌压敏电阻具有抑制过电压能力强、残压低、对浪涌响应快、具有伏安特性对称，在任何波形的正负极性浪涌电压均能充分吸收，并具有通流容量大，放电后无续流等优点，且其体积小便于安装而得到广泛的用于抑制真空短路器的操作过电压。
氧化锌压敏电阻是以氧化锌为主体，与微量的氧化铋、氧化锑、氧化钴、氧化锰等经过高温烧结制成的多晶体陶瓷非线性元件，氧化锌晶体是低阻（1～10Ω/cm）的N型半导体，境界层是高阻（1010Ω/cm）的P型半导体，在正常电压下（低电场强度）境界面呈高阻状态，只有小的泄露电流流过，而在高电压（高电场强度）时境界面电阻率会突然下降，呈低阻状态，并具有双向稳压管的伏安特性。氧化锌压敏电阻的参数选择如下：
①标称电压;其标称电压应大于使用回路中的最大工频电压的幅值（Umax），且应考虑标称电压允许下降10%的因素，其计算公式为：
②残压UIA;氧化锌压敏电阻的残压值应低于负载的试验电压，通流容量一般应选择大于或等于100A，故残压值计算公式为：
式中：K1为冲击系数，取K1=1.1;K2为压敏电阻老化系数，取K2=1.05;Ue为负载额定工作电压。
③残压比;氧化锌压敏电阻的残压比m，为残压UIA与标称电压U1mA的比值，即;
m=UIA/ U1mA
式中：m值越小抑制过电压能力越强。
氧化锌压敏电阻没有工放特性，只有U1mA（标称电压）特性，日本将其ZS系列氧化锌压敏电阻的U1mA值算为动作起始电压。U1mA特性是氧化锌压敏电阻通过1mA直流电流时，压敏电阻两端所加的直流电压。氧化锌压敏电阻的一个重要的技术指标残压（UIA），是压敏电阻在高电压峰值作用下，流过放电流值为I时所测得的压敏电阻两端的电压。其残压UIA与标称电压U1mA之比称为残压比m，其值越小，其抑制过电压能力越强。氧化锌压敏电阻的另一个性能指标是通流容量iT，氧化锌压敏电阻以标准电流波形（10/20μs），间隔时间5分钟冲击2次，标称电压U1mA值下降小于10%的最大冲击电流幅值，成为其通流流量。氧化锌压敏电阻用于抑制真空短路器操作过电压，以上三个技术性能指标是极其重要的，只有参数选取适当，才能有效的抑制真空短路器的操作过电压。
4.开关柜改造实践
4.1. GG-1A开关柜的改造。在对GG-1A系列高压开关柜的改造中，因该系列开关柜的外形尺寸为1200mm×1200mm×2280mm,其采用的少油断路器大多为SN10-10/1000-31.5系列，该开关的外形尺寸为840mm×790mm×427mm。针对开关的额定电流及开断电流和外形尺寸，可选用ZN5-10/1250-31.5系列真空断路器整体替换，该断路器的外形尺寸为906mm×635mm×430mm。因两开关的外形尺寸和安装尺寸有差异，故在原柜体距柜底1200mm处焊两根50mm×50mm×5mm角钢，以作为安装真空断路器的支架。在真空断路器安装前，应对真空灭弧室作一分钟工频耐压试验，以检查其真空度，耐压值为工频42kV，在试验中允许有个别非连续的焊光与火星出现。因该系列真空断路器底部靠滚轮处有四块安装弯板，可借助底架下四块弯板进行安装，弯板底部需用套垫垫平，在拧紧螺栓。
因少油断路器和真空断路器的引线位置不同，故需重新制作断路器至上刀闸的硬母线和断路器至电流互感器的硬母线。调整断路器的与操作机构的连杆，用手动缓慢分合闸几次，若无卡滞，即可用电动机构分合闸。因ZN5型真空断路器本身配有专门为其设计的电磁机构，无配合不当之虑，并且机构容易调整。
4.2. GFC-3A柜改造。对GFC-3A系列开关柜的改造采用只改造手车的方案，为保证柜体的一次、二次插头位置不动，故将真空断路器置于距手车底部238mm的角钢上，这样既保证了真空断路器上下连接母线的对地安全距离，又保证手车的良好的稳定性（重心位置较低），推动手车时没有前倾后倾的情况。断路器的低位布置还有利于实现防误操作的机械和电气联锁的安装，同时使手动分合闸位置避开手车压把大轴，使手动分合闸都十分方便。改造后在保留原有的机械联锁，还增加了电气联锁，在压把大轴右下部放置限位开关，只要压把移动6mm，开关就电动分闸（总行程26mm），以防止带负荷推入和拉出手车。用于抑制操作过电压的氧化锌压敏电阻安装于柜体互感器室下部，在互感器室内增设一根角钢支架，用于安装氧化锌压敏电阻，用软连接与互感器下端连接，氧化锌压敏电阻下端要可靠接地。
5. 真空断路器的运行维护
5.1. 定期测量断路器的超行程;真空断路器的超行程与少油断路器的超行程的概念有所不同，少油断路器的超行程为动触头插入静触头的深度，而真空断