固封用真空灭弧室及其固封极柱的研究开发

1 概述

固封极柱就是通过APG工艺，采用环氧树脂作为绝缘介质，利用环氧树脂将断路器的一次导电部分真空灭弧室与上下出线端等载流元件全部密封成一体，使真空灭弧室的绝缘状态完全不受外界环境的影响，提高了耐环境性。环氧树脂既是一次部分的主绝缘，又是它的机械支撑，其电场分布优于各种形状的绝缘隔板结构。

APG技术即环氧树脂自动压力凝胶成型技术(TheAutomatic Pressure Gelation)，是在环氧树脂真空浇铸工艺的基础上发展起来的，是压力凝胶工艺(PG)技术的一种形式。PG技术是瑞士Ciba-Geigy公司于1967年开发的。20世纪70年代初，又对PG技术进一步加以完整，形成了自动压力凝胶工艺(APG)。APG技术适用于液态环氧树脂、不饱和聚脂树脂、聚氨脂和有机硅树脂等。但高压绝缘件生产中，大量应用液压态环氧树脂。近年来采用APG技术生产有机硅产品也逐渐增加。

APG技术主要应用于生产中高压环氧绝缘制品。其特点为可将环氧树脂制品的生产周期，从传统真空浇注所需的十几个小时缩短到十几分钟，并较好地控制放热效应，有利于补偿因固化反应而引起的收缩，且具有极好的尺寸稳定性和很高的机械强度等突出优点。尤其是应用于真空断路器用固封极柱，复杂、薄璧、多方位抽芯的产品更具优势。当前国内外高压开关正向免维护、复合化、小型化、长寿命、高性能发展。采用APG技术生产高压绝缘制品更显示出突出的技术优势和广阔的发展前景。

2　真空灭弧室固封极柱产品开发研究

主要从真空断路器小型化、高可靠性和长寿命考虑，必须开发研究真空灭弧室固封极柱产品。

2.1 市场化技术发展的需求

据《2006高压开关行业年鉴》统计资料显示，在中压领域，特别在12kV断路器产品中真空断路器已占97.9％，40.5kV断路器产品中真空断路器已占77.95％。我国继美国、德国和日本之后，已进入真空断路器大国行列。随着中压真空断路器技术的日臻完善，真空断路器向小型化、智能化、免维护、高电压、低电压、特殊专用化(如：冶金炼钢用长寿命低过电压专用断路器、电气化铁道用车载开关及铁道分相开关、高原型真空断路器、矿用防爆开关等)、多功能化等方向发展。其中小型化高可靠性产品研发是产品发展长久的话题，实现真空断路器小型化的这种需求，就是要在保证所有元、配件可靠性的同时，实现其小型化，真空灭弧室也不例外。由于对开关设备小型化的要求越来越强烈，八、九十年代开发的全工况大体积产品已不适应于地价贵如油的城市、地铁及现代农业等领域，必须采用有外绝缘保护的小型化、高可靠的开关设备。固封真空断路器正是顺应了市场发展的趋势。

真空断路器之所以如此辉煌，这与真空断路器技术的不断进步分不开。固封极柱技术，就是真空断路器技术巨大进步的体现。真空断路器的相柱绝缘经历了空气绝缘――复合绝缘――固封绝缘。这就形成了绝缘方面的三代真空断路器。在第一代空气绝缘中，带电部分完露在空气中。它的绝缘水平随着空气中的湿度、灰尘以及运输过程的磕碰而变化，并易受小动物等异物的影响。在第二代复合绝缘中，将真空灭弧保护在环氧树脂套筒内。但这种套筒没有完全把高压带电部分包起来，里面还会受灰尘、潮湿、昆虫等影响。第三代绝缘即固封式极柱，它通过APG工艺，利用环氧树脂将真空灭弧室以及上下出线端全部包封，使真空灭弧室、上下出线和连接件等成为真空断路器的一个整体部件。这样，不仅缩小了真空灭弧室尺寸，而且彻底解决了带电体部分不受外界环境(环境、湿度、海拔高度等)的影响，提高了耐气候性，此时环氧树脂不仅作为一次部分的主绝缘，而又是它的机械支撑，其电场分布和应力分布优于各种形状的绝缘隔板结构。

2.2　产品发展的需要

当小型化真空灭弧室在空气中的外绝缘不能满足其标准规定的参数值时，真空灭弧室固封是在真空断路器成本增加不大情况下保证外绝缘的有效途径之一。在开关设备几十年的发展构成中绝缘性能提高了好几倍，而开关设备的安装面积缩小了50％左右。使用小型化、免维护设备可以减少维修频次，延长检修周期以及减少开关设备的占地面积。从而大大减轻运行人员的劳动强度和运行维修费用。经过多年研究，固体绝缘无疑是小型化、提高耐环境性的解决方案之一。

国外一些知名公司，12kV、24kV真空灭弧室采用同一种外形的真空灭弧室(内部不同)，只是使用条件不同而已，同一种外形的真空灭弧室在空气中使用时为12kV；在有外绝缘保护情况下真空灭弧室的电压等级提高至24kV。真空灭弧室外绝缘保护一般采取置于绝缘气体环境中、置于绝缘液体环境中、固封。真空灭弧室固封不但可以实现真空灭弧室的小型化、而且实现了真空断路器的小型化。

2.3市场竞争的产物

ABB公司推出的固封真空断路器VMI，旨在替代绝缘套筒式的VSI，推进了真空断路器技术进步。

目前，国内市场的VSI产品形成了量大、面广的大众化产品格局，这一产品市场竞争非常之激烈，其利润已低到惊人之程度。

固封真空断路器产品是实现产品向高端发展的产物，也是一些真空断路器制造商实行差异化竞争的一张王牌。

3　国内外技术及开况

3.1 国际市场及开况

1997年，由ABB在英国和美国的工程师联合开发了一种新型VMI型真空断路器，采用了仅有66个零件(7个活动零件)组成的磁力驱动机构代替有数百个零件组成的传统机构。其分合闸位置均靠永久磁铁保持，这种免维护的真空断路器机构在其10万次的操作寿命中不需维修，是传统真空断路器寿命的好多倍。为了满足VMl断路器的长寿命、高可靠性的要求，ABB为其研发了一种结构特殊小型化、长寿命的新一代真空灭弧室，并首次创新地将真空灭弧室及上下出线连接件用环氧树脂完全浇注起来，使整个断路器极柱成为一个整体部件。固封极柱采用环氧树脂作为绝缘介质，真空灭弧室与上下出线端等载流元件被环氧树脂全部密封，从而达到最佳耐受和防止外界的影响：同时，真空断路器配用的开关柜体积大为减少。

环氧树脂浇注式固封极柱问世后，即被尝试取代传统的组装式极柱，安装在ABB弹簧操作机构VD4真空断路器上。由于在绝缘性能、可靠性、寿命等许多方面都有极为优良的表现，固封式极柱在商业上迅速取得了巨大的成功。据ABB公司宣传资料，2003年ABB固封式极柱产量已经达到了6万只以上，2004年ABB固封式极柱产量可达到近10万只，历年产量参见图1所示。

ABB公司在研究固封极柱的发展中起到了带头作用，其研究开发的新产品各有特色，代表了世界真空灭弧室及开关设备发展的潮流。

3.2　国内市场及开况继VMI之后，国内一些研究机构、公司也相继推 出具有类似功能、类似结构的产品。

(1)镇江龙源电器研究所组织研发的ZW37-40.5

为了学习国际先进技术，1999年由国家电力工业部电网运行处和安全生产处牵头，委托龙源联合体镇江龙源电器研究所组织国内知名企业组成联合研制小组，联合研制国内40，5kV固封式户外柱上开关。1999年10月在大连召开专题会议，陕西宝光股份公司是唯一被选定为制造该类型真空灭弧室的单位，同年12月立项了TD24-405／1600-25(原TD口5-40.5／1250-16)型真空灭弧室。厦门新兴源电器有限公司负责固封相柱，但当时受到设计水平、原材料、注射成型技术(APG工艺)等条件的限制，特别是环氧树脂直接与真空灭弧室瓷壳接触，固封开裂，局部放电测试不过关，固封技术一直没有得到较快的发展，导致国内一直未能形成批量生产能力。近年来，在ABB公司等国外公司成熟的固封极柱真空断路器产品逐步推向市场的形势下，福州新源电器有限公司借鉴先进经验技术包环氧树脂与瓷壳之间的过渡层，厦门新兴源电器有限公司将包封好过渡层的真空灭弧室利用APG技术作成固封相柱，浙江华仪转让镇江龙源电器研究所整机技术于2001年9月-2002年6月在沈阳“机械工业高压电器产品质量检测中心(沈阳)”试验站通过了型试试验，通过挂网运行现已批量生产销售。

(2)西安森源开关技术研究所研制的VSM-12

2002年，西安森源开关技术研究所在学习国际先进经验的基础上，借鉴国外因封式真空断路器经验，牵头组织成立APG协作组，对固封极柱进行技术攻关，设计和制造出完全可以安装在VSI上的固封极柱产品，采用上海煤科院制造的压力注射机，模具由厦门耐得工贸有限公司负责开发制造，由陕西宝光、成都旭光等研制真空灭弧室，由常州国电森源绝缘电器有限公司负责进行固封极柱样品的试制，2003年8月成都森源开关有限公司采用常州国电森源绝缘电器有限公司、浙江玉环县华通电器有限公司试制同封极柱生产的固封极柱配ZN口-12／1250-31.5(VSl.X)(VSM)型户内高压真空断路器在沈阳“机械工业高压电器产品质量检测中心(沈阳)”试验站通过了型式试验。由于受固封极柱的成品率问题，推广较VSI缓慢。现在工艺成熟，已有批量生产销售。

西安森源开关技术研究所在2003年的成都森源电气技术论坛上极力推出其应用APG(the AutomaticPressure Gelation，即环氧树脂自动压力凝胶成型技术)技术研制的VSM型的小型化真空断路器产品，这种产品顺应了国内市场对产品小型化的要求，小型化的真空断路器配用固封极柱、永磁机构(也可配弹簧机构)。

(3)西安高压电器研究所研制的ZN口-12／T630-20

西安高压电器研究所联合研制12kV／630A-20kA户外柱上真空断路器，陕西宝光负责研制用于固封的真空灭弧室，试制的TD口3-12//630-20A固封灭弧室装配在平顶山爱迪生电器有限公司整机在西高所完成了试验，通过挂网运行现已批量生产销售。

(4)厦门科吉电气有限公司研制的ZN口-12／T11250-315

厦门科吉电气有限公司、上海科吉公司、厦门上川公司联合深圳市耐吉电器有限公司等几家整机厂试制的固封式真空断路器采用陕西宝光TD14-12／1250-31.5E(原TD451AFB)型真空灭弧室，固封的成品率很高，已批量推广使用。

(5)厦门华电开关有限公司与西安高压电器研究所联合研制的KYN96-12(z)配ZN96-12型(VEP)固封式真空断路器。

厦门华电开关有限公司与西安高压电器研究所联合研制的KYN96-12(z)配ZN9(VEP)－12型固封式真空断路器配陕西宝光研制的TD34-12(原TD480A)系列真空灭弧室完成了试验。现已将产品拓宽为1250A／31.5kA、3150A／40kA、3150A／50kA并完成试验。此系列市场前景看好。现已研究开发了40.5kV固封真空断路器。户内40.5kV真空断路器更适合固封，不但可以缩小体积，更有利于提高耐压水平。

据了解无锡西门子公司也投入大量资金，用于开发固封(灌封)极柱产品。厦门耐得工贸有限公司合作成立了“常州恩贝德公司”，专门从事固封极柱产品。

3.3　固封断路器及固封用真空灭弧室生产销售量

国内主要生产最大的极柱厂家：2006年厦门华电生产固封极柱ZXN96-12(VEP)断路器6041台、ZN96-40.5(VEP)断路器109台：北海银河生产固封极柱VEG断路器775台：常州森源生产固封极柱断路器(3AS)449台；上海华银生产固封VP-12极柱1200只：厦门地区极柱包封厂合计提供其他断路器厂固封极柱约6000只以上：宁波耐吉生产固封极柱VN3-12断路器749台，VNl-40.5断路器127台：玉环县华通电器生产固封极柱1780件：亚洲电力VDM6-12断路器875台等。因此，估测全国2006年固封极柱合计约4-5万只。2006年比2005年极柱用量约增长2万只，2007年极柱增长量应不低于2万只。2005年2万只；2006年4-5万只；2007年极柱使用量应不低于7万只。

4 固封用真空灭弧室及极柱的技术

4.1 国内固封极柱安装尺寸主要分类

目前，国内固封极柱断路器主要分为VEP和VSM两大系列。其中，VEP的生产商主要为：厦门华电、北海银河等；VSM的生产商主要为：西安森源、常州森源等。VEP与VSM断路器在固封极柱安装尺寸的差异主要表现在小电流出线间尺寸的不同(额定电流

4.2　接触电阻及散热

国内固封极柱及其灭弧室经过近六、七年的研究发展，在解决降低接触电阻以及散热问题上已取得关键进步。比较有代表性的有：厦门华电成功地进行了从12kV／630A～3150A-20kA～50kA，40.5kV／1250A-2500A-20kA-31.5kA等全系列产品固封极柱断路器产品的开发，固封极柱的接触电阻≤12～15μ欧，并且完成了全套型式试验。

陕西宝光目前用于固封极柱的灭弧室接触电阻产品标准一般为：小电流灭弧室≤25μ欧、大电流灭弧室≤10μ欧：固封极柱接触电阻产品标准一般为≤25μ欧。经试验验证，完全可以满足使用要求。

4.3　质量控制情况

目前市场进行固封极柱包封的生产厂较多，对产品要求的理解以及质量控制水平参差不齐。一些质量信誉较高的生产厂，他们在生产过程中进行了电阻检测、工频、冲击、局放、x光(检气泡)、高低温、交变湿热试验等多项性能检测：并对环氧树脂原材料进行了玻 璃化温度、抗弯、抗拉性能检测。这些检测手段对产品质量的可靠保证提供了控制依据。

5 目前固封用真空灭弧室及其固封极柱需要进一步解决的问题

5.1 固封用真空灭弧室

(1)技术基础工作的研究：研究解决满足固封用真空灭弧室的外形，散热、圆角过渡、瓷壳釉层，导向套的耐热温度和变形，公差与配合，导电夹连接方式，真空灭弧室的高可靠性，机械寿命等。

(2)加强生产工艺过程控制，提高产品质量的一致性。重要是进行产品装配、焊接工艺控制，保证灭弧室接触电阻、整管及管芯的平面度和平整度的一致性。

(3)外观观赏度需要提高，并满足固封要求。

5.2　固封极柱

(1)建立健全固封极柱产品检测检验技术规范，包括包装运输、安装使用说明、运行规范等。

(2)由于固封热的掀起，许多不具备固封的厂家盲目上马，因此固封极柱产品质量良莠不齐。由于固封质量问题，将灭弧室损坏。有些固封厂家存在检测手段不完备、工艺不稳定、产品质量波动等情况。

(3)固封厂家不但要建立健全国封极柱产品检测检验技术规范，更要配置检测检验测试设备、仪器，确保固封质量。

(4)固封价格高，导致固封极柱价格高，阻碍固封断路器的生产、销售和发展。

(5)控制、稳定产品质量，不盲目急于求成，将高可靠的产品推向市场。

6　真空灭弧室及其固封极柱产品前景

近几年对真空灭弧室及其固封极柱产品的研究开发，其技术逐步成熟，成品率有了较大的提高，但市场的接受能力不足。特别是电力部门对新产品的认知态度。市场处于试运行阶段。特别是许多厂家宣传言过其实，提供市场的产品质量不稳定，对市场及用户造成负面影响。固封价格太高，用户与传统产品相比，无法接受。

固封极柱若能解决以上问题，其市场将会面临递增的发展势头，而用于固封极柱的专用灭弧室更是以3倍的速度快速扩大着市场容量。固封极柱市场的开发推广，我们应将开发极柱用灭弧室市场作为工作重点，把稳步跟进固封极柱市场，作为扩大市场、提高产品档次的一种手段。

只有我们做得好，为市场提供价格适宜、质量可靠的产品，市场前景广阔。

非常感谢项目组各位同仁大力支持!感谢科研院所、试验站、广大用户大力支持!此文中有不妥之处，请批评指正。欢迎来函来电联系交流。