高压电器：断路器总结_电气开关总结

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真空断路器

结构：主要由气密绝缘外壳、导电回路、屏蔽系统、触头、波纹管等部分组成陶瓷外壳真空灭弧室，气密绝缘外壳包括玻璃和陶瓷两种。

气密绝缘系统：由玻璃或陶瓷制成的气密绝缘外壳、动端盖板、定端盖板，不锈钢波纹管组成了气密绝缘系统。为了保证玻璃、陶瓷与金属之间有良好的气密性，除了封接时要有严格的操作工艺外，还要求材料本身的透气性尽量小和内部放气量限制到极小值。不锈钢波纹管的作用不仅能将真空灭弧室内部的真空状态与外部的大气状态隔离开来，而且能使动触头连同动导电杆在规定的范围内运动，以完成真空开关的闭合与分断操作。

导电系统：定导电杆、定跑弧面、定触头、动触头、动跑弧面、动导电杆构成了灭弧室的导电系统。其中定导电杆、定跑弧面、定触头合称定电极，动触头、动跑弧面、动导电杆合称动电极，由真空灭弧室组装成的真空断路器，真空负荷开关和真空接触器合闸时，操动机构通过动导电杆的运动，使两触头闭合，完成了电路的接通。为了使两触头间的接触电阻尽可能减小且保持稳定和灭弧室承受动稳定电流时有良好的机械强度，真空开关在动导电杆一端设置有导向套，并使用一组压缩弹簧，使两触头间保持有一个额定压力。当真空开关分断电流时，灭弧室两触头分离并在其间产生电弧，直至电流自然过零时电弧熄灭，便完成了电路的开断。

屏蔽系统：真空灭弧室的屏蔽系统主要由屏蔽筒，屏蔽罩和其他零件组成。屏蔽系统的主要作用是：1.防止触头在燃弧过程中产生大量的金属蒸汽和液滴喷溅，污染绝缘外壳的内壁，避免造成真空灭弧室外壳的绝缘强度下降或产生闪络。2.改善真空灭弧室内部的电场分布，有利于真空灭弧室绝缘外壳的小型化，尤其是对于高电压的真空灭弧室小型化有显著效果。3.吸收一部分电弧能量，冷凝电弧生成物。特别是真空灭弧室在开断短路电流时，电弧所产生的热能大部分被屏蔽系统所吸收，有利于提高触头间的介质恢复强度。屏蔽系统吸收电弧生成物的量越大，说明他吸收的能量也越大，这对增加真空灭弧室的开断容量起良好作用。触头系统：触头是产生电弧、熄灭电弧的部位，对材料和结构的要求都比较高。对触头材料有以下要求：1.高开断能力。要求材料本身的导电率大，热传导系数小，热容量大，热电子发射能力低。2.高击穿电压。击穿电压高，介质恢复强度就高，对灭弧有利。3.高的抗电腐蚀性。即经得起电弧的烧蚀，金属蒸发量少。4.抗熔焊能力。5.低截流电流值，希望在2.5A以下。6.低含气量。其中低含气量是对所有真空灭弧室内部所使用材料的要求。特别是铜材，必须要求低含气量的特殊工艺处理的无氧铜。而焊料等则采用白银、铜的合金。断路器用真空灭弧室的触头材料大都采用铜铬合金，铜与铬各占 50%。在上、下触头的对接面上各焊上一块铜铬合金片，一般厚度各为3mm。其余部分称为触头座，用无氧铜制造即可。触头结构对灭孤室的开断能力有很大影响。采用不同结构触头产生的灭弧效果有所不同的，早期采用简单的圆柱形触头，结构虽简单，但开断能力不能满足断路器的要求，仅能开断10kA以下电流，并且仅有真空负荷开关、高压真空接触器等用真空开关管才采用。常采用的有螺旋糟型结构触头、带斜槽杯状结构触头和纵磁场杯状结构触头三种，其中以采用纵磁场杯状结构触头为主。

波纹管：真空灭弧室的波纹管主要担负保证动电极在一定范围内运动和长期保持高真空的功能，并保证真空灭弧室具有很高的机械寿命。真空灭弧室的波纹管是由厚度为0.1~0.2mm的不锈钢制成的薄壁元件。真空开关在分合过程中，灭弧室波纹管受伸缩作用，波纹管截面上受变应力作用，所以波纹管的寿命应根据反复伸缩量和使用压力来确定。波纹管的疲劳寿命和工作条件的受热温度有关，真空灭弧室在分断大的短路电流后，导电杆的余热传递到波纹管上，使波纹管的温度升高，当温升达到一定程度时，这就会影响波纹管的疲劳强度。

工作原理：真空泡内的真空灭弧室是利用高真空工作绝缘灭弧介质,靠密封在真空中的一对触头来实现电力电路的通断功能的一种电真空器件。当其断开一定数值的电流时,动静触头在分离的瞬间,电流收缩到触头刚分离的 一点上,出现电极间电阻剧烈增大和温度迅速提高,直至发生电极金属的蒸发,•同时形成极高的电场强度,导致极强烈的发射和间隙击穿,产生真空电弧,当工频电流接近零时,同时也是触头开距的增大,•真空电弧的等离子体很快向四周扩散,电弧电流过零后,•触头间隙的介质迅速由导电体变为绝缘体,于是电流被分断。由于触头的特殊构造,•燃弧期间触头间隙会产适当的纵向磁场,这个磁场可使电弧均匀分布在触头表面,维持低的电弧电压,•从而使真空灭弧室具有较高弧后介质强度恢复速度,小的电弧能量和小的腐蚀速率。这样,•就提高了真空灭弧室开断电流的能力和使用寿命。

SF6断路器 结构：①瓷柱式结构：取积木式，系列性强，可用多个相同的单元灭弧室和支柱瓷套组成不同电压等级的断路器。中国FA4－550型SF6断路器为瓷柱式结构,其额定电压为500千伏，最高工作电压为550千伏。断路器由三个独立的单相和一个液压、电气控制柜组成。每相由两个支柱瓷套的四个灭弧室（断口）串联而成。在每个支柱瓷套顶部装着两个单元灭弧室，为120°夹角V形布置,两个均压并联电容器为水平布置。这种结构布置既考虑到结构的机械应力状态，又照顾到绝缘的要求。灭弧室和支柱瓷套内均充有额定压力的 SF6气体。瓷柱式断路器使用液压操作机构。液压机构的控制和操作元件以及线路均设于控制柜内。每相断路器的下部装有一套液压机构的动力元件，如液压工作缸等。灭弧室由液压工作缸直接操动。支柱瓷套内装有绝缘操作杆，操作杆与液压工作缸相连接。②罐式结构：采用了箱式多油断路器的优点，将断路器与互感器装在一起，结构紧凑，抗地震和防污能力强,但系列性较差。中国LW-220型罐式SF6断路器单相结构如图。

此种断路器为三相分装式。单相由基座、绝缘瓷套管、电流互感器和装有单断口灭弧室的壳体组成。每相配有液压机构和一台控制柜，可以单独操作，并能通过电气控制进行三相操作。断路器采用双向纵吹式灭弧室,分闸时,通过拐臂箱传动机构，带动气缸及动触头运动。灭弧室充有额定气压为6表压(20℃)的SF6气体。

性能：1.阻塞效应 充分发挥气流的吹弧效果，灭弧室体积小、结构简单、开断电流大、燃弧时间短，开断电容或电感电流无重燃或无复燃，过电压低。2.电气寿命长 50kA满容量连续开断可达19次，累计开断电流可达4200kA，检修周期长，适于频繁操作。3.绝缘水平高 六氟化硫气体在0.3MPa气压时，通过了各种绝缘试验并有较大裕度。累计开断电流3000kA以后，在0.3MPa气压下每个断口还可耐受工频电压250kV达1 min，将六氟化硫气体减至零表压仍可耐受工频电压166.4kV5 min。4.密封性能好 六氟化硫气体含水量低；灭弧室、电阻和支柱分成独立气隔，现场安装时不用打开，安装好后用自动接头连通；安装检修方便，并可防止脏物和水分进入断路器内部。自我保护和监视系统完备 液压机构内的信号缸可实现对断路器的自我保护：有密度继电器监视六氟化硫气体泄漏；有压力开关和安全阀监视液压机构压力，保护液压系统安全。液压机构采用了可防止 “失压慢分”的阀系统，本体上就可进行机构闭锁，保证运行安全。控制回路中采用了两套分闸电磁铁和防跳保护，保证操作准确无误。5.操作功率小，缓冲平稳 机构工作缸与灭弧动触头的传动比为1：1，机构特性稳定。机构特性稳定性可达3000次，机构寿命研究试验做到10000次，操作噪声小于90dB。

SF6电气特性：SF6是一种具有高介电强度的介质。在均匀电场下，SF6的介电强度约为同一气压下空气的2、5~3倍，在3个大气压下其介电强度与变压器油相当。实践证明：在空气掺入少量六氟化硫气体，空气的绝缘强度显著提高；相反，在六氟化硫气体中加入少量的空气则六氟化硫气体的绝缘强度也会明显下降。由于SF6的介电强度高，因此，在对相同电压等级和和开断电流相近的断路器，SF6的串联断口数要少，例如我国研制的LR－220型SF6断路器，单断口电压为220KV；又如500KV的少油断路器为6~8个断口，而SF6断路器只有3~4个断口。SF6的电晕起始电压比空气高得多，介电强度与所加电压的频率无关，但是应该引起注意的是电场均匀性、杂质、电极的形状和不规则性等，对SF6的介电强度均有一定强度。SF6气体中的水分对绝缘将发生影响。SF6中所含水分超过一定浓度时使SF6在温度达200℃以上就可能产生分解，分解的生成物中有氢氟酸，这是一种有强腐蚀性和剧毒的酸类。此外，水分的凝结对沿边绝缘也有害的。因此，在SF6的电气设备中，应严格控制水分的含量。

压缩空气断路器

结构：压缩空气断路器的主要构成部分是灭弧室。按压缩空气吹弧方式，断路器灭弧室分为横吹和纵吹两种。在实际应用中，通常是两种吹弧方式同时存在，但以一种吹 弧方式为主。灭弧室的几种基本形式见图。

图a是具有绝缘隔板的横吹灭弧室。气流方向与电弧轴向垂直。压缩空气气流将电弧吹入隔板,因此电弧有曲折的形状，长度增加,同时与隔板紧密接触，使去除电离过程加速。横向吹弧方式虽然熄弧效果较好,但灭弧室结构复杂，体积较大,一般只用于电压等级较低的断路器中（例如发电机保护断路器），而不适用于高电压，大容量的场合。图b～f是几种纵吹形式。气流方向与电弧轴平行。纵吹可分为单向吹弧(b，c,d)和双向吹弧(e,f)。在单向吹弧中,两个触头可均为实心（棒），或者一个是空心而另一个是实心。在双向吹弧中，两个触头均为空心。

图b是实心触头单向纵吹的灭弧室。压缩空气沿电弧轴向高速运动而强烈吹弧，从而使电弧直径缩小、表面冷却，并从弧隙去除电离粒子。这种结构的缺点是，触头顶端附近未能受到气吹而易受电弧烧损，弧隙中易有金属蒸气而降低弧隙介质强度，电弧易重燃。

图c是具有一个空心和一个实心触头的单向纵吹灭弧室。压缩空气从弧隙带走电离粒子，经过空心静触头迅速排到大气中。气吹使电弧从静触头喷口的工作面移动到其内表面。实心触头端部采用圆锥形。

图d是自由喷射式。在开断时，实心动触头离开静触头，在灭弧室外部发生电弧。当动触头进入灭弧室体内而完全开放喷口时，压缩空气冲入大气中，使电弧受到强烈的横吹和纵吹。

图e是具有两个空心触头的双向吹弧灭弧室。压缩空气开始时对电弧径向吹弧，然后分成两个气流纵向吹弧。对于双喷口，两个弧根都在触头的内表面。双向吹弧比单向吹弧能更迅速地从弧隙去除电离粒子。但弧隙气压较低。为了提高弧隙气压，可以将其中一个空心触头做成收缩截面，成为双向非对称纵吹，如图f所示。

特点：：①动作快，开断时间短，70年代已使用一周波断路器。这在很大程度上提高了电力系统的稳定性。②具有较高的开断能力，可以满足电力系统所提出的较高额定参数和性能要求。③可以采用积木式结构，系列性强。

油断路器

多油和少油断路器：多油断路器 其灭弧室装在一个接地金属箱中,通常用油量较多，油既用作灭弧介质又用作对地绝缘。多油断路器结构简单,性能可靠,可以制成超高压等级（如362kV），并可方便地带电流互感器,配套性强，户外使用时受大气条件的影响小。多油断路器的使用历史悠久，使用和制造技术成熟，曾在电力系统中起过重要作用。但多油断路器也有很多的缺点，特别是在超高压等级时，体积庞大，消耗大量的钢材和变压器油，运输和安装均有较大困难，引起爆炸和火灾的危险性大。所以多油断路器已趋于淘汰。少油断路器 其灭弧室装在与大地绝缘的油箱中。油箱既可用金属做成，也可以用绝缘材料制成。油仅作为灭弧介质和断口间绝缘用，而不作对地绝缘用，用油量少。少油断路器主要由底架、绝缘子、传动系统、导电系统、触头、灭弧室、油气分离器、缓冲器及油面指示器等部分组成。合闸时,操动机构通过传动拐臂连杆(见开关机构)，把力传到主轴，主轴带动3根绝缘拉杆使三极动触杆向上作直线运动，最后插入静触头中，操动机构扣住触杆，使断路器保持在闭合位置。在这一过程中，开断弹簧拉伸贮能，为分闸作准备。分闸是当操作机构脱扣时，由于开断弹簧力的作用，使主轴转动带动拉杆，从而使动触杆向下运动。最后因开断弹簧的预拉力作用，主轴拐臂紧靠在分闸定位件上，从而使断路器保持在断开的位置上。110kV 及以上电压等级的户外式少油断路器多采用开断电弧的单元断口（或称开断单元）串联、积木式组合的落地式总体结构。标准开断单元的电压为55～110kV。例如SW6型少油断路器，开断单元为55kV,属于这一系列的220kV和330kV的少油断路器将取双柱四断口和三柱六断口的结构，每极由四个和六个开断单元串联而成，各断口上均并联电容器以均匀开断时断口的电压分布；每极各用一个单独的液压操动机构操作。SW7-220型220kV少油断路器，因开断单元为110kV,所以每极取单柱双断口的结构。少油断路器的突出特点是结构简单，易于制造和维修、价格低、使用方便。与多油断路器相比，少油断路器体积小、重量轻、用油量少，能采用积木式组装成超高压少油断路器，并在电力系统中被广泛应用。其缺点是燃弧时间长，动作较慢，检修周期短，维修工作量大，受单元断口的电压限制，发展特高压等级有困难等。

灭弧室：由绝缘材料制成并装设在触头周围，用以限制电弧、并产生高速气流对电弧进行强烈气吹而使电弧熄灭。按照产生气吹的能源,灭弧室可以分为3类。①自能气吹式灭弧室：利用电弧自身的能量使油分解出气体，提高灭弧室中的压力，当吹弧口打开时，由于灭弧室内外的压力差而在吹弧口产生高速油气流，对电弧进行气吹而使之熄灭。②外能气吹式灭弧室：利用外界能量(通常是由油断路器合闸过程中被贮能的弹簧提供)在分断过程中推动活塞，提高灭弧室的压力驱动油气吹弧而熄灭电弧。也有称此为强迫油吹式灭弧室。③综合式灭弧室：它综合了自能吹弧和外能吹弧的优点，利用电弧自身的能量来熄灭大电流电弧，利用外界能量来熄灭小电流电弧，并可改善分断特性。这种灭弧室结构稍复杂，但分断性能好。超高压少油断路器中大多数采用这种灭弧室。

油断路器灭弧室中吹弧形式主要有4种(见图)。①纵吹:油气沿电弧轴线方向吹过电弧表面。②横吹：油气垂直于电弧轴线方向吹弧。③纵横吹：既利用横吹又利用纵吹的复合吹弧形式。④环吹：油气从四周垂直于电弧轴线方向吹弧。按照主要吹弧形式可将油断路器的灭弧室分别称为纵吹灭弧室、横吹灭弧室、纵横吹灭弧室和环吹灭弧室。