高压断路器的作用和特点及工作原理 _知识百科

      高压断路器(或称高压开关)不仅可以切断或闭合离压电路中的空载电流和负荷电流，而且当系统发生故障时通过继电保护装置的作用，切断过负荷电流和短路电流，它具有相当完善的灭弧结构和足够的断流能力，可分为油路器(多油断路器、少油断路器)、六氟化硫断路器(SF6断路器)、真空断路器、压缩空气断路器等。
一、高压真空断路器
       1、真空断路器结构的基本要求
       ①机械性能稳定，如合闸弹跳时间，希望在寿命全程中保护同一状态， 1989年年底能源部电力司提出真空断路器合闸弹跳时间必须小于2ms；
       ②足够的机械强度，使断路器本身具有足够的动稳定度。
       ③高压区和低压区的分隔，最好是前后布置，有助于保证运行中人员的人身安全。
       ④操作机构的检查、调整、维修要有足够空间。
       ⑤配用机构的可选择性，有的型号可配弹簧操动机构和电磁操动机构，有的只能配用一种。
       ⑥结构简单、工作可靠、价格低廉。
       ⑦易于实现防误连锁。
       所有真空断路器，不论是何种结构，断路器本体中均装设有分闸拉力弹簧。合闸过程中操动机构既要提供驱动开关运动的功，又要同时将分闸弹簧储能。当需要分闸时，操动机构值需完成脱扣解锁任务，由分闸弹簧释能完成分闸运动。
       2、功能部件
       真空断路器按其结构的功能可分为六个部分：
       ①支架。安装各功能组件的架体。
       ②真空灭弧室。实现电路的关合与开断功能的熄弧元件。
       ③导电回路。与灭弧室的动端及静端连接构成电流通道。
       ④传动机构。把操动机构的运动传输至灭弧室，实现灭弧室的分、合闸操作。
       ⑤绝缘支撑。绝缘支持件将各功能元件架接起来满足断路器的绝缘要求。
       ⑥操动机构。断路器合、分闸的动力驱动装置。
       3、结构型式
       真空断路器的类型，可从不同角度来划分，一般情况下主要从以下两个方面划分：
       ①安使用场所划分，可分为户内式和户外式，分别用ZN和ZW来表示。
       ②安断路器主体与操动机构的相关位置划分，可分为整体式和分体式。整体式真空断路器操动机构与开关本体安装在同一骨架上，体积小重量轻、安装调试方便、机械性能稳定。分体式真空断路器操动机构与开关本体分别装与开关柜的不同位置上，这种安装方式主要受我国少油断路器的安装方式的影响，比较适合少油开关柜的无油化改造，优点是巡视和检修方便，确定是安装调整稍麻烦，机械特性的稳定性和可靠性稍逊。
       4、真空断路器的操动机构操动机构是真空断路器的驱动装置，主要有电磁操动机构与弹簧操动机构。
       ①真空断路器对操动机构的要求。主要如下：
       1)机构的输出特性尽量与真空断路器的反力特性相匹配；
       2)要有足够的合闸输出功保证真空断路器具有关合短路故障电流的能力；
       3)合闸后，即使在事故状态下也能稳定地保持合闸(即令开关具有动稳定性)；
       4)要保证在85%~110%合闸操作电压下能正常合闸，在65%~120%分闸电压下能正常分闸，而在30%额定操作电压下不得分闸；
       5)可以电动或手动操作；
       6)电磁机构应具有自由脱扣的功能；
       ②真空断路器合闸的反力特性。反之特性是指合闸过程中，从断路器的驱动看进去，需要客服各种阻力(包括弹簧的反作用力、摩擦力、电动力和惯性力等)与行程的关系曲线。反力特性告诉我们，操动机构为断路器提供合闸功，必须大于用于客服各种阻力所做的功，断路器方能完成合闸动作。
       ③真空断路器的电磁操动机构。由于电磁操动机构螺管电磁铁的出力特性容易满足真空断路器合闸反力特性的要求，所以在真空断路器的发展初期主要是配电用电磁操动机构。此外电磁机构具有构造简单、使用简便、造价低廉等优点，是目前配电系统各类断路器的主要配用机构，运行部门不但十分熟悉而且积累了很多使用维护的宝贵经验。常用的电磁操动机构有CD10、CD17、CD19型。 CD10型电磁操动机构原是配用SN10-10型少油断路器的操动机构，为族传式输出。真空断路器发展初期因无专用操动机构而被采用，现仍有配CD10型操动机构的真空断路器的生产。目前少油开关柜的无油化改造，也可采用CD10型操动机构。 CD17电磁机构是专门为真空断路器设计的操动机构，为直推式输出，它有CD-17-I、CD-17-II、CD-17-III型，分别配用分断能力位20、31.5、40kA真空断路器。其体积、重量都比CD-10型机构小得多，合、分闸操作电流也仅是CD10型机构的2/3，安装占用空间小。
       ④真空断路器的弹簧操动机构。弹簧操动机构可交直流操作，操作电流很小，一般仅为1.5-3A，即便采用直流操作时所需的直流蓄电装置容量也较小，可手动储能合闸分闸，并且具有过流脱扣功能。在一般的终端配电室可以取消直流蓄电装置而节省投资，国外一般中压等级的断路器大多配用弹簧操动机构。
       国内初期真空断路器的弹簧操动机构常用CT7、CT8型，由于这些产品投入运行以来故障较多、维修部便、体积较大，因而不够理想。对于使用中需频繁操作的真空断路器来说，不但要求弹簧操动机构寿命长，而且工作要十分可靠。
       我国目前多采用两种新型的弹簧机构，一种是CT17型，另一种是CT19型。前者为直推式输出，后者为转动式输出。这两种产品都小巧玲珑，体积、重量比电磁机构都小得多，如CT17机构的重量仅为CD17型机构的2/3 。从多家工厂进行产品型式试验看来，产品在安装时惊呼不用调整，运行可靠，机械寿命长，特别是CT19，在多次研究性试验中都达到2-3万次，被认为是具有90年代先进水平的产品，是真空断路器的理想配用操动机构。
       弹簧机构的结构比较复杂，零件的加工精度和装配要求高，所以价格较贵，增加了真空断路器的成本与售价。但对整个配电站来说，可以节省直流蓄电池装置的投资，且对电压稳定性要求不高，提高了运行的安全性，减少了维护工作量。
       5、真空断路器的传动与合、分闸操作
       真空断路器的传动链一般由机构传动连杆、拐臂、主轴、绝缘推杆、三角拐臂和触头弹簧装置等构成，设计时应尽量简化传动环节以提高传动的效率。
       以配用电磁机构ZN39型真空断路器为例，真空断路器的合、分闸操作过程如下：
       合闸时操动机构合闸线圈得电-合闸铁芯动作-机构及传动连杆动作-开关主轴转动-绝缘推杆前推-三角拐臂转动-下压触头弹簧装置-灭弧室动导电杆向下运动使触头接触-触头弹簧亚索至接触行程终点。与此同时，机构的辅助开关切断合闸接触线圈电源，分闸弹簧拉长储能，电磁机构的扣板由半轴扣车保持在合闸位置，合闸结束。
       分闸时，机构中的分闸线圈得电-分闸铁芯动作-扣板与半轴脱扣-断路器在触头弹簧和分闸弹簧的作用下迅速分断-机构的辅助开关切断分闸线圈电源-机构复原，并由分闸弹簧保持在分闸位置。
二、高压油断路器
       高压油断路器以密封的绝缘油作为开断故障的灭弧介质的一种开关设备，有多油断路器和少油断路器两种形式。它较早应用于电力系统中，技术已经十分成熟，价格比较便宜，广泛应用于电压等级的电网中，油断路器用来切断和接通电源，并在短路时能迅速可靠地切断电流。
       最早在1895年就已制成了这种油断路器。 1930年以前，用油作为灭弧介质来提高断路器的开断能力是最有成效的方法。油断路器中通常采用的是矿物油(如变压器油)，它具有较高的介质强度和较强的熄灭电弧能力。
       当油断路器开断电路时，只要电路中的电流超过0.1A，电压超过几十伏，在断路器的动触头和静触头之间就会出现电弧，而且电流可以通过电弧继续流通，只有当触头之间分开足够的距离时，电弧熄灭后电路才断开。 10kV少油断路器开单20kA电流时的电弧功率可达1万kW以上，断路器触头之间产生的电弧弧柱温度可达六七千度，甚至超过1万度。
       多油断路器和少油断路器都要充油，其作用是灭弧、散热和绝缘。其危险性不仅是在发生故障时发生爆炸，而且爆炸后由于油断路器内的高温油发生喷溅，形成了大面积的燃烧，引起相间短路或对地短路，破坏电力系统的正常运行，使事故扩大，甚至造成严重的人身伤亡事故。
       电弧熄灭过程：当断路器的动触头和静触头互相分离的时候产生电弧，电弧高温使其附近的绝缘油蒸发汽化和发生热分解，形成灭弧能力很强的气体(主要是氢气)和压力较高的气泡，使电弧很快熄灭。
       油断路器爆炸的原因有以下六个方面：
       ①油面过低，油断路器触电至油面的油层过薄，油受电弧作用而分解的可燃气体冷却不良，这部分可燃气体进入顶盖下面的空间而与空气混合，形成爆炸性气体，在自身的高温下就有可能爆炸燃烧。
       ②油箱内的油面过高，油分解出的气体在油箱内得不到空间缓冲，形成过高的压力，也可能引起油箱爆炸起火。
       ③油的绝缘强度劣化、杂质或水分过多，引起油断路器内部闪络。
       ④操作机构调整不当、部件失灵，会使操作时动作缓慢或合闸后解除不良，当电弧不能及时被切断和熄灭时，在油箱内产生过多的可燃气体，便可能引起爆炸和燃烧。
       ⑤遮断容量小，油开关的遮断容量对输配电系统来说是个很重要的参数。当遮断容量小于系统的短路容量时，断路器无能力切断系统强大的短路电流，致使断路器燃烧爆炸，造成输配电系统的重大事故。
       ⑥其他油断路器的进、出线都通过绝缘套管，当绝缘套管与油箱盖、油箱盖与油箱体密封不严时，油箱进水受潮，或油箱不洁，绝缘套管有机械损伤都可造成对地短路引起爆炸或火灾事故。
       因此，断路器在安装前应严格检查是否符合制造厂的技术要求。断路器的遮断容量必须大于装设该断路器回路的短路容量。检修时，应进行操作试验，保证机件灵活可靠，并且调整好三相动作的同期性。断路器与电气回路的连接要紧密，并可用试温蜡片观察温度，触头损坏应调换。检修完毕应进行绝缘测试，并有专人负责清点工具，以防工具掉入油箱内发生事故。投入运行前，还应检查绝缘套管的油箱盖的密封性能，以防油箱进水受潮，造成断路器爆炸燃烧。断路器切断严重短路故障后，即应进行检查触点损坏情况和油质情况。
       在运行时应常检查油面高度，油面必须严格控制在油位指示器范围之内。发现异常，如漏油、渗油、有不正常声音等时，应采取措施，必要时须立即降低负荷或停电检修。当故障跳闸重复合闸不良，而且电流变化很大，断路器喷油有瓦斯气味时，必须停止运行，严禁强行送电，以免发生爆炸。
       油断路器灭弧室由绝缘材料制成并装设在触头周围，用以限制电弧，并产生告诉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，灭弧室可以分为三类：
       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外能气吹式灭弧室也称为强迫油吹式灭弧室，利用外界能量(通常是由油断路器合闸过程中被储能的弹簧提供)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。
       ③综合室灭弧室，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，并可改善分段特性，这种灭弧室结构稍微复杂，但分段性能好，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：
       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负荷吹弧形式；
       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等。
三、高压SF6断路器
       SF6断路器是用SF6气体作为灭弧和绝缘介质的断路器。它与空气断路器同属于气吹断路器，不同之处在于：
       ①工作气压较低；
       ②在吹弧过程中，气体不排向大气，而在封闭系统中循环使用。
       SF6的分子和自由电子有非常好的混合性。当电子和SF6分子接触的几乎100%的混合而组成重的负离子，这种性能对剩余弧柱的消电离及灭弧有极大的使用价值，即SF6具有很好的负电性，它的分子能迅速捕捉自由电子而形成负离子，这些负离子的导电作用十分迟缓，从而加速了电弧间隙介质强度的恢复率，因此有很好的灭弧性能。在1.01*105Pa气压下， SF6的灭弧性能是空气的100倍，并且灭弧后不变质，可重复使用。
       SF6气体优良的绝缘和灭弧性能，使SF6断路器具有如下优点：开断能力强，断口电压便于做的较高，允许连续开断次数较多，适用于频繁操作，噪声小，无火灾危险，机电磨损小等，是一种性能优异的“无维修”断路器。在高压电路中SF6断路器应用越来越多。常见的SF6断路器有LN1-35型、HB36型两种。
       在正常情况下， SF6是一种不燃、无臭、无毒的惰性气体，密度约有空气的两倍。但SF6气体在电弧作用下，小部分会被分解，生产一定有毒的低氟化物，如SOF4、SF4、SOF4和SO2F2等，对人体健康有影响，对金属部件也有腐蚀和劣化作用。因此，在SF6断路器中，一般均装有吸附装置，吸附剂为活性氧化铝、活性炭和分子筛等。吸附装置可完全吸附SF6等气体在电弧的高温下分解生成的毒质。若用于频繁操作的电弧作用，金属蒸汽与SF6气体分解物起反应，结合而生成绝缘性很好的细粉末(氢氟酸盐、硫基酸盐等)，沉积在触头表面，并严重腐蚀触头材料，从而接触电阻急剧增加，使充油SF6气体的密封触头不能可靠地工作。因此对于频繁操作的低压电器不适宜用SF6做灭弧介质。
       因为SF6气体在放电时的高温下回分解出有腐蚀性的气体，对铝合金有很重的腐蚀作用，对酚醛树脂层压材料、瓷绝缘也有损害。若把SF6和N2混合使用，当SF6含量超过20%~30%时，其绝缘强度已与全充SF6时绝缘强度相同，而腐蚀性又大大减少，因此SF6常回合N2使用。在SF6断路器中， SF6气体的含水量必须严格规定不能超过标准。水会与电弧分解物中的SF4产生氢氟酸(H2O+SF4→SOF2+2HF)而腐蚀材料。当水分含量达到饱和时，还会在绝缘件表面凝露，使绝缘强度显著降低，甚至引起沿面放电。运行经验及上述论析都表面， SF6断路器由于绝缘结构体积较小，若SF6气体的含水量较高，则将使绝缘水平大大下降，接触电阻急剧增加，在运行中易发生损坏或爆炸事故。
       因此，各制造厂及运行部门都要求有严格的密封工艺，同时规定SF6气体的含水量不得超过标准。