SF6断路器的结构与工作原理详解

一、SF6概述

SF6断路器是指以SF6气体作为灭弧介质和绝缘介质。该类型断路器具有断口耐压高、操作过电压低、允许的开断次数多、开断电流大、灭弧时间短、操作时噪声小及寿命长等优点。

SF6气体是一种无色、无味、无毒、不可燃的惰性气体，具有优异的导热性能和冷却电弧特性。SF6气体具有非常稳定的化学效应，在正常温度范围内，与电气设备中常用的金属不发生任何反应，当温度大于500℃时，SF6易分解，形成硫的低氟化合物。

SF6气体是一种具有高介电强度的介质，在均匀电场作用下为同一气压时空气的2.5～3倍，在3个大气压时其介电强度与变压器油相当。SF6气体与水易发生化学反应产生氟化氢，这是一种有强腐蚀性和毒性的酸类。

SF6断路器具有断口耐压高、运行可靠、操作过电压低、允许的开断次数多、检修周期长、开断电流大、灭弧时间短、操作时噪声小、寿命长、体积和占地面积小等优点。

二、SF6断路器的灭弧室

依据灭弧室结构和灭弧原理不同，SF6断路器的分为压气式、自能式两种。

（一）压气式SF6断路器的灭弧室

压气式SF6断路器灭弧室的可动部分带有压气装置，利用在开断过程中活塞和汽缸的相对运动，压缩SF6气体形成气体吹弧而熄灭电弧。压气式SF6断路器按照灭弧式结构可分为变开距灭弧室和定开距灭弧室。

1.变开距灭弧室

由于灭弧过程中触头的开距是变化的，故称为变开距灭弧室。变开距灭弧室如图5-6所示。触头系统由主（工作）触头、弧触头和中间触头组成。

图5-6　变开距灭弧室结构

1—主触头；2—弧静触头；3—喷嘴；4—弧动触头；5—主动触头；6—压汽缸；7—逆止阀；8—压气室；9—固定活塞；10—中间触头

为了使分闸过程中压气室的气体集中向喷嘴吹弧，而在合闸过程中不致在压气室形成真空，故设置了逆止阀7。在分闸时，逆止阀7堵住小孔，让SF6气体集中向喷嘴3吹弧。合闸时逆止阀7打开，使压气室与固定活塞9的内腔相同，SF6气体从活塞小孔充入压气室8，为下一次分闸做好准备。

2.定开距灭弧室

图5-7所示为定开距灭弧室结构。断路器的触头由两个喷嘴的空心静触头3、5和动触头2组成。在关合时，动触头2跨接于静触头3、5之间，构成电流通路；开断时断路器的弧隙由两个静触头保持固定的开距，故称为定开距结构。

图5-7　定开距灭弧室结构

1—压气罩；2—动触头；3、5—静触头；4—压气室；6—固定活塞；7—拉杆

由绝缘材料制成的固定活塞6和与动触头2连成一体的压气罩1之间围成压气室4。这种结构的喷嘴采用耐电弧性能好的金属或石墨等导电材料制成。石墨耐高温，在电弧作用下直接由固态变成气态，逸出功大，表面烧损轻。

定开距灭弧室断口电场均匀，灭弧开距小，触点从分离位置到熄弧位置的行程很短，电弧能量较小、熄弧能力强、燃弧时间短，可以开断很大的短路电流，但是压气室的体积较大。

（二）自能式SF6断路器

自能式SF6断路器要利用操动机构带动汽缸与活塞做相对运动来压气熄弧，因而操动机构负担很重，要求操动机构的操作功率大。自能式SF6断路器按灭弧原理可分为旋弧式、热膨胀式和混合吹弧式。

1.旋弧式(www.xing528.com)

旋弧式是利用设置在静触头附近的磁吹线圈在开断电流时自动地被电弧串接进回路，被开断的电流流过线圈，在动、静触头之间产生磁场，电弧在磁场的驱动下高速旋转，电弧在旋转过程中不断地接触新鲜的SF6气体，使电弧受到冷却而熄灭。按磁吹和电弧的运动方式不同可分为径向旋弧式和纵向旋弧式。

旋弧式灭弧室结构简单，不需要大功率的操动机构，电弧高速旋转，触头烧损轻微，寿命长，在中压系统中使用比较普遍。

2.热膨胀式

热膨胀式是利用电弧本身的能量，加热灭弧室内的SF6气体，建立高压力，形成压力差，并通过喷嘴释放，产生强力气流吹弧，从而达到冷却和吹灭电弧的目的。

图5-8　热膨胀式灭弧室结构

1—灭弧室；2—静触头；3—旋弧线圈；4—触指；5—环状电极；6—喷嘴；7—动触头；8—密闭间隔；9—辅助吹气装置；10—排气间隔；11—对大气的密封中心线左边-断路器合闸、中心线右边-断路器分闸

热膨胀式灭弧室结构如图5-8所示。圆柱形的灭弧室被分成两个间隔，即密闭间隔8和比密闭间隔大得多的排气间隔10。在这两个间隔中都充有SF6气体。当断路器处于合闸位置时，动触头7通过触指4连接到静触头2，如中心线右部所示。当动触头7运动一定距离后，在环状电极5和动触头7之间产生电弧。旋弧线圈3产生与触头的同轴磁场，环状电极5中的电弧垂直于旋弧线圈3的磁场，其间产生的电动力使电弧高速旋转，使电弧在SF6气体中被拉长，旋转电弧不断接触新鲜的SF6气体，释放热能，并将密闭间隔8中的气体加热，产生一个比排气间隔中更高的压力，当触头分开时，两个间隔经动触头7中的喷嘴6连通，此时，出现的气压差，被用来经过喷嘴形成纵向吹弧。在下一个电流过零点时熄灭电弧。

3.混合吹弧式

无论是采用旋弧式灭弧还是热膨胀式灭弧，都能大大减轻操动机构的负担，提高断路器的性价比，但是任何一种灭弧室都有它的不足之处，为此往往需要将几种灭弧原理同时应用在断路器的灭弧室中。压气式加上自能吹弧的混合式灭弧有助于提高灭弧效能，不仅可以增大开断电流，而且可以明显减少操作功。混合吹弧式有多种方式，如旋弧+热膨胀、压气+热膨胀、压气+旋弧、旋弧+热膨胀+助吹等。

三、SF6断路器的分类

按照对地绝缘方式不同，SF6断路器分落地罐式和瓷柱式两种。

1.落地罐式

落地罐式SF6断路器能满足高压大容量的要求，其触头和灭弧室装在充有SF6气体并接地的金属罐中，触头与罐壁间的绝缘采用支持绝缘子，引出线靠瓷套管引出。落地罐式SF6断路器的结构如图5-9所示。

图5-9　LW-330型罐式SF6断路器结构

1—接线端子；2—上均压环；3—出线瓷套管；4—下均压环；5—拐臂箱；6—机构箱；7—基座；8—灭弧室；9—静触头；10—盆式绝缘子；11—壳体；12—电流互感器

图5-10　单压式定开距灭弧室绝缘套管支柱断路器

1—帽；2—上接线板；3—密封圈；4—灭弧室；5—动触头；6—下接线板；7—支柱绝缘子；8—轴；9—操动机构传动杆；10—辅助开关传动杆；11—吸附剂；12—传动机构箱；13—液压机构；14—操作拉杆

落地罐式SF6断路器可利用出线套管安装电流互感器，外部为金属罐体，耐压能力强，采用低位布置抗震性能好，但系列性能差，用气量多。落地罐式SF6断路器多用于330kV及以上电压等级。

2.瓷柱式

瓷柱式SF6断路器能够满足高电压大容量的要求。瓷柱式SF6断路器的灭弧室安装在绝缘支柱上，通过串联灭弧室，并将它们安装在适当高度的绝缘瓷柱上，可获得任意的额定电压值。瓷柱式SF6断路器的结构如图5-10所示。

瓷柱式SF6断路器用气量少，结构简单，制造容易，运动不减少，系列性好，价格便宜；但重心高，抗震性能差。瓷柱式SF6断路器主要用于110kV和220 kV电压等级。