40.5kV 充气柜用真空断路器设计

王小焕 于洪宇 汪 宁 陈利民

（天津平高智能电气有限公司，天津300000）

充气柜又称气体绝缘金属封闭开关设备（简称GIS），是将SF6绝缘技术、密封技术与空气绝缘的金属封闭开关制造技术有机结合的产物，大大缩小了设备的体积和占地尺寸，受到城网、地铁、和铁道建设的青睐[1]。既可用于环境条件比较恶劣的地区和污染严重的地方，又普遍用于人口密集的地区、大型工矿企业、高层建筑等场合，作为分、合负荷电流、过载电流及短路电流之用，以实现对供电系统的控制、测量、在线检测与保护。其采用性能优异的SF6气体作为绝缘介质，将断路器、隔离开关、接地开关等高压元件集中装在密封的金属箱体中，产品在使用过程中不受污秽、凝露、粉尘等恶劣环境的影响，降低产品维护成本，从而大大的提高了运行可靠性。由于国民经济的快速增长和乡镇企业日益增长的用电需求，35kV 配电市场得到迅速发展，40.5kV 充气柜的优势日益凸显。断路器作为该设备的控制和保护元件，起到至关重要的作用。本论文设计的40.5kV 充气柜用真空断路器固封极柱上端采用圆柱形的结构，能够有效的屏蔽三相铜排之间的电场，满足断路器减小相间距，从而达到小型化的要求。弹簧操动机构性能稳定，真空断路器具有体积小，模块化、检测方便等特点。

1 总体方案与技术参数

真空断路器由主回路、密封装置、操动及传动机构三个主要的元件组成，如图1 所示。断路器本体安装在气室内部，机构安装于气室外。由于真空断路器放置在密封箱体内，整体空间受到限制，因此主回路选用固封极柱，达到缩减占用空间的目的。固封极柱主要包括：环氧树脂极柱和包含其中的真空灭弧室、导电件、绝缘拉杆等部件（见图1）。环氧树脂极柱高出导电件上出线座，上端采用圆柱形的结构，真空灭弧室静端连接上出线座，动端通过软连接连到下出线座上。灭弧室动端、软连接、绝缘拉杆与波纹管组件连接，通过操动及传动机构带动，实现正常的分合闸。密封装置主要包括密封圈和密封板，使断路器安装在金属箱体时与外界隔绝，确保了充气柜箱体的密封性。

图1 真空断路器

该真空断路器主要技术参数如表1。

表1 真空断路器主要技术参数

2 断路器设计

2.1 传动分析

操动及传动机构是真空断路器的重要组成部分，断路器关合和开断电路的动力来源于操动机构，通过传动机构和提升机构实现能量的传递[2]，整个能量的传递链统称为断路器“传动回路”。弹簧操动机构是断路器中应用最广的一种操动机构[3-6]。本断路器选用弹簧操动机构，采用凸轮连杆结构，便于传递能量，改变力的作用方向，将操动机构的旋转运动变为主回路的近似直线运动。将操动及传动机构的运动过程进行适当简化，如下图2 所示，其中实线表示合闸位置，虚线表示分闸位置。根据简化模型与设定参数进行传动仿真。分析结果见图3，其中虚线表示合闸力，实线表示实际负载大小，从图中可以看出机构合闸力大于实际负载需求，且随着实际负载增加而增加，同时合闸力力值合理，不存在过多浪费，表明设计过程中选择弹簧力度大小合适。

图2 传动简图

图3 合闸力与负载图

2.2 固封极柱设计

设计了一款新型的充气柜用固封极柱，在极柱壳体的上部设有布置在真空灭弧室的上出线端（见图1（b））外侧并沿上出线端周向延伸的绝缘隔板，且该绝缘隔板高于上出线端，这些高于上出线端的绝缘隔板可有效改善上出线端及相应母排的电场分布，同时也增加了三项母排之间的爬电距离，有效减小充气柜中相与相之间的距离，减小不同相的固封极柱的间距，进而减小整个充气柜的外形体积，便于运输及安装。在极柱壳体上设有固定嵌件的相应外端面上设置环形密封槽，这样可以在装配时加装密封圈，保证固封极柱与相应支撑件之间的密封装配。相比于在支撑件上加工环形密封槽的做法，这种在固定嵌件上加工环形密封槽的结构更为简单，降低整个充气柜的设计、制作成本。在极柱壳体的下部设有散热孔，利用散热孔来降低固封极柱的温度，有利于提高真空断路器的稳定性。

2.3 密封装置设计

密封装置分为静密封装置和动密封装置。本文中涉及的静密封装置主要包括密封圈和密封板，当断路器安装在金属箱体时，通过密封板上的密封槽挤压密封圈，从而隔绝了金属箱体与密封板之间的缝隙，确保了充气柜箱体的密封性。在极柱固定嵌件的相应外端面上设置环形密封槽，这样可以在装配固封极柱时加装密封圈，保证固封极柱与相应支撑件之间的密封装配。

由于真空断路器需要进行分、合闸动作，所以还需要保证动作时的密封性能。动密封一般采用磁流体或者波纹管密封。磁流体密封技术是在磁性流体的基础上发展而来的，当磁流体注入磁场的间隙时，它可以充满装个间隙，形成一种“液体的O型密封圈”。磁流体密封装置的功能是把旋转运动传递到密封容器内。波纹管是集弹性元件、辅助密封和转矩传动于一身的密封元件。

端面比压均匀，具有耐高温、追随性比较好的特点。金属波纹管具有较大的弹性、强度和刚度。本文选择了金属波纹管密封（见图4）。

图4 波纹管

3 样机试制和型式试验

按照设计结构，装配3 台40.5kV 真空断路器样机（见图5），测试结果满足技术参数要求。该真空断路器配合充气柜样机在国家智能电气设备质量监督检验中心顺利通过绝缘、短路性能试验、温升、机械试验、通讯、控制功能测试等试验，取得型式试验报告。

图5 真空断路器样机

4 结论

本文提出一种新型40.5kV 真空断路器，研发出新型固封极柱，并优化现有弹簧操动机构，成功试制样机，最终配合充气柜通过了包括绝缘、短路性能试验、温升实验、机械试验、通讯、控制功能测试在内的多项型式试验，得出以下结论：

4.1 经过计算优化，设计出合理的传动机构与弹簧操动机构匹配，保证能量的合理性。

4.2 提出并设计出新型固封极柱，保证了良好的绝缘性能，改善上出线座及相应母排的电场分布，能够满足充气柜较小相距的要求，进而减小整个充气柜的外形体积。