市公司-ZW7-40.5真空断路器改进设计及开发应用主报告

企业技术进步项目成果主报告书---ZW7-40.5真空断路器改进设计及开发应用
陕西省地方电力(集团)XXX汉中供电分公司编制日期：二○一三年四月二十日
目录
一、前言
（一）主报告编制单位情况
（二）项目组成员情况
二、成果简介
三、实施背景
（一）相关技术国内外发展现状、趋势
（二）实施的必要性和迫切性
（三）预期目标
（四）实施的保障条件
（五）项目成果对促进行业、产业发展的作用四、项目内容、方法和创新点
（一）主要研究内容
（二）技术特点和创新点
（三）关键技术内容
1.理论创新
2.技术应用创新
五、项目成果实施取得的效果
（一）已经取得的实施效果
（二）社会效益
（三）经济效益
（四）可能取得的知识产权分析
六、风险分析
（1）应用推广方案
（2）风险分析
一、前言
（一）主报告编制单位情况
汉中供电分公司于2008年9月27日挂牌成立，内设8部4中心，管辖着汉中市南郑、城固、洋县、西乡、镇巴、宁强、留坝、佛坪8个县分公司。

公司下设供电所91个，管理维护110千伏变电站2座，35千伏变电站38座，主变352.8兆伏安/64台；110及35千伏线路770.58千米/47条；10千伏及以下线路3.7万千米。

（二）项目组成员情况
二、成果简介
通过对“5.11”镇巴35kV鹿池变和“5.30”城固35kV文川变的两台事故断路器的彻底解剖，依据故障设备现场解体情况及相关试验报告，结合ZW7-40.5真空断路器结构设计及运行工况，经过大
量的调查研究认为断路器绝缘损伤是引起事故的根本原因，而绝缘受损主要由于ZW7-40.5型真空断路器存在密封性缺陷导致潮气渗入设备本体，即ZW7-40.5型断路器可能存在结构设计方面的缺陷及绝缘性能的缺陷。

通过对绝缘理论机理的研究，针对引起ZW7-40.5户外真空断路器绝缘受损的原因，从结构工艺和绝缘性能两方面提出改进措施。

1.密封性改进：①防止水汽（潮气）的渗入，在连接螺栓处采用加装刚性和柔性相结合的专用绝缘垫代替原金属平垫，可以起到切断水汽通道的作用。

②同时采用在外露螺栓处加装密封装置（密封盖）的方法，彻底阻断水汽进入开关内部的主通道。

2.电流互感器绝缘改进：①使用非线性电阻型半导体材料（即应力控制材料）来改善电场畸变抑制沿面放电。

②加装绝缘套筒，强化电流互感器的绝缘强度。

三、实施背景
（一）相关技术国内外发展现状、趋势
真空开关从20世纪60年代进入电力系统应用以来，由于性能优良，发展迅速，生产量不断上升。

以真空断路器为例，在20～40.5kV 中压领域，2002年日本几乎占100%，美国和德国占70%，中国2005年统计已达到98.85%，产量突破30万台，与SF6开关比较，真空开关已占绝对优势，已形成中压开关的主流品种。

从生产国家看，日本、美国、英国、俄罗斯及中国侧重发展真空断路器，而法国侧重发展SF6断路器。

目前在我国，真空断路器主要应用在35kV及以下电
压等级的配电网中。

真空断路器的最新产品有：①专用真空断路器；②低过电压型真空断路器；③多功能真空断路器；④同步断路器；⑤智能型真空断路器。

（二）实施的必要性和迫切性
自2003年开始，汉中供电分公司运行中ZW7型真空断路器共发生11次设备事故（其中电流互感器损坏事故8次，瓷瓶炸裂事故1次，顶部防爆盖炸裂事故2次），大部分事故发生时均有雷电活动，设备恢复检修仅仅是对故障相进行更换处理。

2011年5月连续发生两起开关设备事故。

5月11日镇巴35kV鹿池变3501开关事故（浙江华仪电器股份XXX，2009年9月出厂，2011年1月投入运行，型号：ZW7-40.5，额定电流1600A）；5月30日城固35kV文川变3512三星开关事故（陕西宝光真空电器股份XXX，2005年11月出厂，2006年3月投入运行，型号：ZW7-40.5，额定电流1600A）。

而目前汉中分公司系统电网内共有44台(其中2005年以前投运的有29台，2005年以后投运的有15台)ZW7-40.5型真空断路器在网运行,生产厂家有陕西宝光、施耐德宝光、浙江华仪、西安电站成套设备厂、上海德力西等。

因此，分析、查找故障原因成为解决设备安全运行的首要任务。

表1 ZW7-40.5真空断路器故障统计
（三）预期目标
通过现场对“5.11”鹿池变3501开关、“5.30”文川变3512三星开关两台事故开关进行解剖，对事故原因进行了深入地分析研究，提出改进方案，并定制试验断路器挂网运行以验证、比较不同方案的改进效果。

1.通过对高压绝缘理论及绝缘损伤机理的研究，分析ZW7户外真空断路器事故的原因，从提高密封性和绝缘性能两方面提出该型断路器的改进措施，依照提出的改进措施重新设计、定制该型断路器。

2.对改进后的ZW7型户外真空断路器挂网试运行，并对试运行期间的试验数据与状态检测数据进行分析，验证本项目的故障理论分析及技术改进措施，完善细化ZW7-40.5真空断路器的具体改进实施
工艺并逐步推广应用，为同类设备的安全运行及设计改进提供重要的参考，提高电力系统尤其是配电网络的安全性。

（四）实施的保障条件
在项目开展的前期已经进行了深入的调研工作，对在网运行的ZW7真空断路器厂家进行了实地走访，并对“5.11”鹿池变3501开关、“5.30”文川变3512开关分别进行了解剖。

通过对事故原因深入地分析研究，提出了改进方案，并定制试验断路器挂网运行以验证、比较不同方案的改进效果。

（五）项目成果对促进行业、产业发展的作用
断路器是电力系统中最重要的控制和保护电器，ZW7型断路器在在省内、国内配电系统的广泛使用，据2010年国家电网统计，户外真空断路器29142台，其中ZW7-40.5型开关约9800台。

本项目的故障理论分析及改进措施为同类设备的安全运行及设计改进提供了重要的参考，有利于提高了电力系统运行的安全性。

通过进一步的试验测试、分析研究及挂网运行效果的验证后，具有推广应用、规模化生产的良好前景。

四、项目内容、方法和创新点
（一）主要研究内容
1.断路器事故分析
自2003年以来，汉中供电分公司在网运行的ZW7型真空断路器共发生11次设备事故，大部分事故发生时均有雷电活动。

从ZW7-40.5真空断路器故障统计（表1）可以看出，除佛两开
关投运时间较长（超过11年）外，其余故障断路器投运时间基本在5年以内，时间最短的鹿池3501开关投运时间仅为4个月。

从事故原因来看，2次顶部防爆盖炸裂及1次瓷瓶炸裂事故与均属制造缺陷。

瓷瓶炸裂事故中的断路器为线路用开关，中相无电流互感器，下支柱瓷瓶内未加绝缘硅脂，因雷击，造成铜排与底部放电（其铜排有多次放电痕迹）。

顶部防爆盖炸裂事故中的断路器真空室顶盖加工工艺错误，造成上部瓷瓶进水，在上部瓷瓶内形成连续水膜，联通真空泡两端，开关跳闸时，引起内部放电。

而在11次ZW7开关事故中有8次是电流互感器烧毁或绝缘损坏，2011年连续发生的3次事故均为电流互感器绝缘损坏，可见ZW7型真空断路器中，电流互感器是其中绝缘最为薄弱的环节，本次研究的重点也主要针对此问题进行分析并提出相应的改进措施。

从外部因素来看，ZW7真空断路器长期户外运行，工作环境相对恶劣，易受风雨雷电及污染物的侵蚀，断路器多次承受雷击或操作过电压，造成环氧树脂绝缘件的绝缘累积。

从内部因素来看，ZW7真空断路器自身存在结构设计及绝缘配合的缺陷。

ZW7型断路器的传动支架虽然是密闭结构，但并没有做到完全的密封性，即存在密封性缺陷，潮湿气体可以通过螺栓和传动轴孔进入支架内部，长期运行形成凝露，吸附在零部件表面，加速金属零部件的锈蚀；内置式电流互感器长期运行绝缘材料老化、分解，容易引起沿面放电；若变比选择不当（过大）会加速这种趋势，导致电流互感器局部放电过大。

上述内、外因素作用的结果引起断路器绝缘降低，严重情况下可能发生
绝缘击穿甚至爆炸事故。

如“5.11”镇巴35kV千伏鹿池变3501真空断路器爆炸事故就是绝缘受损后，断路器B相电流互感器引线与真空泡引流铜排连接螺栓尾部，与B相下部套管底座放电，弧光加剧B 相下部支持套管绝缘破坏，同时造成B相下部支持套管电气内空气受热膨胀，套管内压力增大B相中部铝法兰的封盖炸飞。

2011年8月对“5.11”镇巴35kV鹿池变和“5.30”城固35kV 文川变的两台事故断路器进行了彻底解剖，通过解体发现：开关中部铝支架内部锈蚀严重；开关下支柱内填充的电气绝缘硅脂中混有铁锈、漆皮等杂质；电气绝缘硅脂表面有水珠。

电流互感器表面放电痕迹明显，未发生事故相已形成树杈放电痕迹。

对在网运行的其他厂家的ZW7型真空断路器进行检查，发现均不同程度的存在开关中部铝支架锈蚀情况。

依据现场解体情况及相关试验报告，结合ZW7-40.5真空断路器结构设计及运行工况，分析认为断路器绝缘损伤是引起事故的根本原因，而绝缘受损主要由于ZW7-40.5型真空断路器存在结构设计缺陷及绝缘配合缺陷。

（1）结构设计缺陷
ZW7型真空断路器在结构上不能达到完全的密封性，特别是开关中部的铝支架4个外露铜排连接螺栓处，在特定的环境和天气（如夏季雷雨时）条件下，水汽进入套管内部的通道，造成开关中部铝支架内部锈蚀严重，开关下支柱内填充的电气绝缘硅脂中混有铁锈、漆皮等杂质，电气绝缘硅脂表面有水珠。

部分生产厂家在连接螺栓处加
装组合平垫，但随着长时间的运行橡胶老化也会逐渐失去密封性，并且使用组合平垫存在连接力不足的问题，而要保证橡胶受力不破裂，就不能保证软铜排与铝支架连接的紧密度。

图1 城固35kV 文川变3512三星开关（陕西宝光）解体检查情况 水分 锈蚀
缓冲器 硅脂中的杂质 绝缘漆皮脱落
因存在水分，发生电化学反应形成金属氧化物残留图2 镇巴35kV鹿池变3501开关（浙江华仪）解体检查情况
放电将铜排烧蚀图3 镇巴35kV镇巴变3513开关（西安高压开关柜厂）
未采取密封
措施
软铜排
图4 文川变3512开关检修前连接示意图
对在网运行的其他厂家的ZW7型真空断路器进行检查，发现均不同程度的存在开关中部铝支架锈蚀情况。

图5 110kV 廉庄变35kV 开关（施耐德宝光）铝支架内部情况
（2）绝缘配合问题
水分进入套管内后，没有排出通道，引起电流互感器表面的电晕金属平垫
水汽通道 铝支架壳
锈蚀 锈蚀
现象，使表面闪络放电次数更加频繁，绝缘破坏。

电流互感器表面放电痕迹明显，未发生事故相已形成树杈放电痕迹。

图6 城固35kV 文川变3512三星开关（陕西宝光）解体检查情况
图7 镇巴35kV 鹿池变3501开关(浙江华仪)解体检查情况
内置电流互感器存在绝缘薄弱环节，开关内部存在沿面放电现象。

目前ZW7型真空断路器生产厂家采用内置LZZBJ4-35电流互感
树枝状放电痕迹 电晕放电痕迹
放电击穿点 电晕放电痕迹
闪络放电痕迹
器，出厂前均要求电流互感器生产厂家进行局放试验。

但由于ZW7型真空断路器结构特点，运行中电流互感器与电流互感器生产厂家进行试验条件（有效绝缘长度）发生变化，使得电流互感器引出部电场、电压分布不均，在电流互感器引出部根部（与开关箱体接触部）沿面放电现象最为严重。

2.绝缘机理分析
从外部因素来看，ZW7真空断路器长期户外运行，工作环境相对恶劣，易受风雨雷电及污染物的侵蚀，断路器多次承受雷击或操作过电压，造成环氧树脂绝缘件的绝缘累积。

从内部因素来看，ZW7真空断路器自身存在结构设计及绝缘配合的缺陷。

ZW7型断路器的传动支架虽然是密闭结构，但并没有做到完全的密封性，即存在密封性缺陷，潮湿气体可以通过螺栓和传动轴孔进入支架内部，长期运行形成凝露，吸附在零部件表面，加速金属零部件的锈蚀；内置式电流互感器长期运行绝缘材料老化、分解，容易引起沿面放电；若变比选择不当（过大）会加速这种趋势，导致电流互感器局部放电过大。

上述内、外因素作用的结果引起断路器绝缘降低，严重情况下可能发生绝缘击穿甚至爆炸事故。

（1）局部放电
由于断路器固体绝缘介质中不可避免地存在气泡、气隙等缺陷以及电场分布的不均匀，这些气泡、气隙中或固体介质表面局部场强达到一定值以上时，就会发生局部放电。

局部放电是引起绝缘介质老化的原因之一，主要有以下几方面的
原因：
①带电粒子对绝缘介质表面的撞击，能使有机介质主链断裂，高分子解聚或部分变成低分子。

②局部的温度上升，放电区域内的高温能使材料发生化学分解。

③局部放电产生的活性气体O3、NO、NO2等的氧化及腐蚀作用使介质逐渐劣化。

④放电产生的紫外线或波长较长的软X射线，导致介质分解、解聚。

这对有机绝缘作用特别显著。

由于局部放电是分散地发生在极微小的空间内，所以它几乎并不影响当时整体绝缘的击穿电压，但是局部放电时产生的电子、离子往复冲击绝缘介质，会使其逐渐分解、破坏，分解出导电性的化学活性物质来，使绝缘介质氧化、腐蚀；同时，该处的局部电场畸变更剧烈，进一步加剧局部放电的强度；局部放电处也可能产生局部的高温，使绝缘介质老化、破坏。

如果绝缘介质在正常工作电压下就有一定程度的局部放电，则这种过程将在其正常工作的全部时间中继续和发展，这显然将加速绝缘介质的老化和破坏，发展到一定程度时，就可能导致绝缘介质的击穿。

电气设备的局部放电与产品的生产过程、绝缘结构特点以及所用绝缘材料等均密切相关。

绕注型互感器绕注不良时，在绕组导体和树脂层之间会有微小的气隙或龟裂，或在树脂内部出现气泡，这些地方均易发生局部放电。

局部放电引起电介质的局部损伤，例如在电介质中产生凹坑或针
孔，并在其中沉积碳化物，导致出现新的高场强区和新的局部放电。

在交流电压作用下，在一些高分子有机电介质中，这种局部放电和由此引起的老化常呈现树枝状发展。

局部放电是由于在局部区域中电场强度达到击穿强度所引起。

由于在制造中残留的、或在使用中绝缘老化而产生的气泡、裂纹或其他杂质，所以在这些绝缘的缺陷中往往会首先发生放电，其中最常发生的是气泡的放电。

因为气体的介电常数很小，在交流电场中，电场强度与介电系数成反比，所以气泡中的电场强度要比周围介质中高得多，而气体的击穿场强，一般都比液体或固体低得多，因而很容易在气泡中首先出现放电。

（2）沿面放电
ZW7-40.5真空断路器内置电流互感器的绝缘较为薄弱，其界面电场为具有强垂直分量的极不均匀电场，容易发生沿面放电及局部放电，导致绝缘强度降低甚至放电击穿。

电气设备中用来固定支撑带电部分的固体介质，多数是在空气中。

当带电体电位超过一定限制时，常在固体介质和空气的分界面上出现沿着固体介质表面的气体放电现象，称为沿面放电。

沿面放电是一种气体放电现象，当沿面放电发展成贯穿电极的气体击穿时，称为称沿面闪络。

要提高这种类型沿面放电的闪络电压，就要采取措施减小表面电场的不均匀程度来提高电晕起始电压和滑闪电压(以避免损坏固体电介质表面)。

其主要措施有：
①减小表面单位面积的比电容，例如增大固体绝缘的厚度，特别是加大法兰处套管的外径，也可采用介电常数较小的绝缘材料，例如采用瓷-油组合绝缘代替纯瓷绝缘。

②减小表面绝缘电阻，即减小表面的绝缘电阻率，如在套管靠法兰处涂半导体漆或半导体袖，在电机绝缘出槽口部分涂以半导体漆等。

（3）绝缘累积击穿
断路器采用的固体绝缘介质在雷电及操作冲击电压作用下，即使未形成贯穿的击穿通道，但已在介质中形成局部损伤或局部击穿，在多次冲击电压作用下这种局部损伤或不完全击穿会扩大而导致击穿，所以冲击击穿电压随加压次数增多而下降，这就是击穿电压的累积效应。

大部分有机材料都有明显的累积效应。

引起绝缘累积击穿的原因有以下几个因素：
①在强电场作用下，介质内的少量自由电子得到加速，产生碰撞游离，使介质中带电质数点数目增多，导致击穿。

②当固体介质受到电压作用时，由于介质中发生损耗引起发热。

当单位时间内介质发出的热量大于发散的热量时，介质的温度升高。

而介质具有负的温度系数，这就使电流进一步增大，损耗发热也随之增大，最后温升过高，导致绝缘性能完全丧失，介质即被击穿。

③电气设备在运行了很长时间后（数十小时甚至数年），运行中绝缘受到电、热、化学、机械力作用，绝缘性能逐渐变坏，失去绝缘能力，这一过程是不可逆的。

防止绝缘累积击穿的方法和措施：
①改进绝缘设计。

这主要从绝缘材料（选用绝缘强度高的材料）、绝缘结构（使绝缘尽量处于均匀电场中）以及组合绝缘这三个方面来考虑。

②改进制造工艺。

使绝缘材料保持良好的先天绝缘性能，主要是减少杂质、气泡、水分等。

③改善运行条件。

主要是防潮和加强散热冷却，这是运行部门应该注意的。

3.改进措施
通过对绝缘理论机理的研究，针对引起ZW7户外真空断路器绝缘受损的原因，从结构工艺和绝缘性能两方面提出以下的改进措施：（1）密封性改进措施
①防止水汽（潮气）的渗入，在连接螺栓处采用加装刚性和柔性相结合的专用绝缘垫代替原金属平垫，可以起到切断水汽通道的作用。

如图8所示。

图8 加装组合绝缘垫后的连接示意图
②同时采用在外露螺栓处加装密封装置（密封盖）的方法，彻底阻断水汽进入开关内部的主通道。

如图9所示。

图9 加装密封盖
部分生产厂家已采用加装组合绝缘垫的方法提高断路器的密封性，但一方面长时间运行橡胶老化会逐渐失去密封性；另一方面在实际操作中连接力也不易掌握，过紧会损伤绝缘垫，过松则密封效果无法保证、同时接触电阻较大容易引起发热。

组合平垫
水汽通道被
切断
铝支架壳
软铜排
故在连接螺栓处采用专用组合绝缘垫的同时，再配合加装密封盖的措施，能够较为彻底地阻断水汽进入开关内部的主通道，提高真空断路器的整体密封性。

（2）电流互感器绝缘改进方案
①使用非线性电阻型半导体材料（即应力控制材料）来改善电场畸变抑制沿面放电。

在互感器圆柱体树脂部位和箱体安装板空间裸露的互感器树脂部位用RTV 绝缘防污闪涂料喷涂成型，可以有效地抑制沿面放电的发生。

如图10所示。

图10 使用应力控制材料 图11 加装绝缘套筒 ②加装绝缘套筒，强化电流互感器的绝缘强度。

在电流互感器引出部根部与开关本体之间加装绝缘套筒，改变了电流互感器表面的接地点，改善电场分布。

既增大了固体绝缘的厚度，减小了表面单位面积的比电容；同时改变了绝缘套管表面的电场强度方向，即由原来的基本平行于上表面变为基本垂直于上表面，有利于抑制沿面放电的发展，提高闪络电压。

如图11所示。

增加绝缘套筒 增加应力控制
材料
③将电流互感器外置，并合理选择电流互感器变比
目前大部分厂家都针对原ZW7开关重新进行设计，型号升级为ZW37，将内置互感器更换成外置互感器，解决了因电场分布不均引起的局放问题以及内部凝露问题。

4.挂网试运行真空断路器实施工艺
试运行ZW7断路器对原ZW7断路器生产工艺进行如下调整：（1）针对金属零部件及导电体锈蚀和腐蚀问题
传动支架A相采用保持原有设计方案不变；B相传动支架采用在支架上部设置气体通风通道的方式，即使潮湿气体进入，也会在短期内通过蒸发的方式使潮气从通道溢出，不会长期吸附在零部件表面；C相采用完全密封结构，在螺栓孔外部设置密封盖，使潮湿气体不会进入支架内部。

（2）针对局部放电和绝缘累积击穿问题
该台开关A相采用加装绝缘套管方式；即将互感器圆柱体树脂部位用合适直径的绝缘热塑套管热塑成型，紧紧包裹在互感器圆柱表面，确保热塑套管与互感器树脂接触面无气隙。

B相采用喷涂热固性绝缘材料方式；即将互感器圆柱体树脂部位和箱体安装板空间裸露的互感器树脂部位用RTV绝缘防污闪涂料喷涂成型，保持厚度0.3～0.5mm，表面平整光滑，紧紧包裹在互感器树脂表面。

C相采用包覆3M绝缘材料方式；即将互感器圆柱体树脂部位用3M高压绝缘胶带进行均匀缠绕包裹成型，不漏缝隙、叠层均匀，表
面平整，紧紧包裹在互感器圆柱树脂表面。

在上述方式完成后，再填充液态硅脂进行处理。

（二）技术特点和创新点
1.理论创新点
针对ZW7-40.5型真空断路器的绝缘事故，对该型断路器的设计制造、运行控制、绝缘机理等环节进行了深入研究分析，提出了多项改进方案并经挂网运行测试效果良好，对比查新报告结论，该项目的创新点体现在以下几方面：
（1）在结构改进设计上，通过加装刚性和柔性相结合的专用密封垫、在螺栓孔外部加装密封盖，解决了ZW7型真空断路器密封性缺陷，提高了断路器的整体密封性。

（2）在绝缘材料改进方面，采用了RTV等非线性电阻型半导体材料，改善了电场分布。

（3）在绝缘性能提高改进上，对电流互感器采用加装硅橡胶绝缘套、喷涂热固性绝缘材料、包覆绝缘材料（再填充液态硅脂进行处理）的方式来解决局部放电和绝缘累积击穿问题，提高了ZW7型真空断路器绝缘性能。

2.技术应用创新
（1）提高了ZW7型真空断路器的整体密封性
ZW7型真空断路器传动支架为密闭结构，但并没有做到完全的密封性。

通过加装密封盖、采用不同形式的绝缘垫代替原金属平垫，提高了断路器的整体密封性。

改进后的断路器通过6个月的试运行，。