SF6断路器的结构、工作原理和维护说明

断路器是配电网中最主要的开关设备，正常时用以切断和接通正常负荷电流，发生短路故障时通过继电保护装置的作用自动切断短路电流。

1.型号及技术参数

（1）型号

断路器根据其装设地点的不同，分户内和户外两大类；按其灭弧原理的不同，可分为油（少油或多油）断路器、气吹（空气或六氟化硫）断路器、真空断路器和磁吹断路器等。目前，配电网中常用真空断路器和SF₆断路器。

断路器的型号，由字母和数字两部分组成，即：

例如，ZN-10/600型，表示额定电流为600A，额定电压为10kV户内真空断路器。

（2）技术参数

1）额定电压U。指允许连续工作的线电压，额定电压决定了相间和相对地的绝缘水平，是考虑各部分间的距离和外形尺寸的主要依据。对于用于配电网的断路器，额定电压有3kV、6kV和10kV等。

2）最高工作电压。考虑到电网的电压降落，变压器出口端电压应高于线路额定电压，位于变压器出口位置的断路器可能在高于额定电压下长期工作，因此规定断路器有一最高工作电压。配电网中，断路器最高工作电压有3.5kV、6.9kV和11.5kV等。

3）额定电流。指断路器长期允许通过的工作电流。在此电流下断路器各部分温升不得超过规定的容许值。额定电流的大小，主要是由断路器的触头结构及导电部分的截面决定的。断路器额定电流有630A、1000A、1250A、2000A和3000A等。

4）额定断路电流（或额定断路容量）。指断路器在额定电压下能开断的最大电流，是断路器开断能力的标志，其大小取决于灭弧结构和介质。当电压低于额定电压时，容许短路电流可以超过额定断路电流，但不是按电压降比例无限增长，而是有一极限值，即为极限开断电流。

5）额定遮断容量（MVA）。表明了断路器的分断能力，又称为额定断流（开断）容量。通常用额定开断电流与额定线电压的乘积来表示

式中，S_ed表示额定遮断容量（MVA）；I_ek表示额定开断电流（kA）；U_ex表示额定线电压（kV）。

额定遮断容量的大小决定了断路器灭弧装置的结构和尺寸。

6）动稳定电流。表明断路器所能承受短路电流产生的电动力效应，即断路器在该力作用下，各部分机构不发生永久性变形或破坏。在冲击短路电流作用下，承受电动力的能力。动稳定电流的大小由导电及绝缘等部分的机械强度所决定。

7）热稳定电流。指断路器所能承受短路电流热效应的能力，即在此电流作用下，断路器各部分温升不超过短时允许的最高温升。

8）合闸时间。指合闸线圈通电起至三相触头全部接通为止所经过的时间。

9）分闸时间。指分闸线圈通电起至三相电弧完全熄灭时为止所经过的全部时间，等于断路器的固有分闸时间加上燃弧时间。

（3）断路器的基本要求

由于断路器要在正常工作中接通和切断负荷电流，在故障时切断短路电流，并受装置环境变化的影响，所以对它的基本要求是：在各种情况下都应具有足够的开断能力，具有尽可能短的动作时间和高度的工作可靠性；能够实现自动重合闸及结构简单等。

2.SF₆断路器

SF₆断路器是采用高绝缘性能的SF₆气体作为绝缘和灭弧介质的气吹断路器。SF₆气体是目前最理想的灭弧介质和绝缘介质。纯净状态下，SF₆气体是无色、无味、无毒、不燃烧的惰性气体，相对密度是空气的5.1倍。SF₆气体绝缘性能约为空气的2.5～3倍，灭弧能力比空气高出近百倍，因此采用SF₆作为设备的绝缘介质和灭弧介质，既可大大缩小设备外形尺寸，又可利用简单的灭弧结构达到很大的开断能力。此外，SF₆气体不含氧（O）和碳（C），不存在触头氧化和介质绝缘下降的问题，延长触头使用寿命以及检修周期。

根据SF₆气体的压力系统不同，SF₆断路器分为双压力式结构和单压力式结构两种。

双压力式SF₆断路器内部分为高压力区和低压力区，低压力区的SF₆气体主要作为断路器的内绝缘，高压力区的SF₆气体只在断路器断路过程中，用来吹熄电弧。

单压力式SF₆断路器内SF₆气体只有一种较低的压力（0.3～0.5MPa），作为断路器的内绝缘。在断路器断开过程中，由动触头带动活塞压气或抽气，造成短时气压升高，吹熄电弧。当断路器的分断动作完成后，压气作用亦停止，触头间又恢复低压力的气体状态。

由于单压力式结构较简单，易于制造，气体压力低，SF₆气体在低温下无液化问题，可靠性高，维护容易。因此，SF₆断路器多采用这种变开距的灭弧方式。如LN1、LN2型断路器均为单压力式结构。图3-1所示为LN2-10型户内式SF₆断路器外形结构，断路器三极装在一个箱底上，内部相通，箱内有1根三相联动轴，通过3个主拐臂、3个绝缘拉杆操动导电杆，每极分为上下两个绝缘筒，构成断口和对地的外绝缘，内绝缘则用SF₆气体。图3-2所示为其灭弧室工作原理，断路器的静触头和灭弧室中的压气活塞是相对固定不动的，跳闸时装有动触头和绝缘喷嘴的气缸由断路器操动机构通过连杆带动，离开静触头，造成气缸与活塞的相对运动，压缩SF₆气体，使之通过喷嘴吹弧，从而使电弧迅速熄灭。

图3-1 LN2-10型SF₆断路器

1—接线端子 2—绝缘筒（内有气缸和触头） 3—下接线端子 4—操动机构箱 5—小车 6—断路弹簧

图3-2 灭弧室结构和工作原理

1—静触头 2—绝缘喷嘴 3—动触头 4—气缸（连同动触头由操动机构传动） 5—压气活塞（固定） 6—电弧

SF₆断路器对加工工艺与材料要求较高；断路器密封性能要好，故要采取专门措施，防止低氟化合物对人体或材料的危害和影响；密封面较多，对密封件的材料与工艺要求较高，并要求有清洁的装配环境。SF₆断路器在安装后、检修后、运行前及在一定的运行周期中，要测定其漏气量。

SF₆断路器如果发生漏气现象，空气中的水分子将不可避免地进入设备内部，使设备内部含水量升高，在电弧高温下，SF₆和水分子将发生化学反应，生成一些强酸和一些剧毒物质。强酸（氟氢酸等）对设备具有一定的腐蚀作用，剧毒物质漏出对大气环境会造成污染；另一方面，渗入设备的水分在低温下，容易结露，附着在绝缘件表面，引起绝缘表面沿面放电。此外，SF₆断路器需保持一定的气体压力才能正常工作。因此，要求SF₆断路器必须密封良好，进行漏气测量是十分必要的。

10kV电压等级的SF₆断路器技术参数见表3-1。

表3-1SF₆断路器技术参数

3.真空断路器

（1）灭弧原理及结构

真空断路器利用真空度约为1×10^-4mm汞柱高度（1.31×10^-2Pa）的高真空作为内绝缘和灭弧介质。

由于真空中气体稀薄，分子的自由行程大，发生碰撞概率小，真空间隙在均匀电场下绝缘强度很高。实测表明，断路器的实际开距在几毫米至几十毫米范围内，真空比其他绝缘介质强度都高；间隙在2mm以下时，其绝缘强度高于高压空气和SF₆气体。但随着开距的加大，其击穿电压的增加不很明显，所以真空断路器耐压强度的提高，只能采用多间隙串联方法解决，不能用增加触头开距的方法。

由于真空中不存在气体游离，电弧的形成主要是触头金属蒸气的导电作用，造成间隙击穿而发弧，这种电弧称为“真空电弧”。真空电弧在电流第一次过零时熄灭，因此燃弧时间很短（至多半个周期），而且不致产生很高的过电压，同时，触头温度下降，蒸发作用急剧减弱，而残存质点仍在扩散，因此真空介质在电弧熄灭后绝缘强度恢复极快，速度可达20kV/μs。

真空断路器有落地式、悬挂式、手车式三种形式，它是实现无油化改造的理想设备。真空断路器有户内式和户外式，图3-3为ZN28-10型户内真空断路器型外形结构图，ZN28系列真空断路器主要由真空灭弧室、操动机构（配电磁或弹簧操动机构）、绝缘体、传动件、机架等组成。

灭弧室由动静触头、屏蔽罩、波纹管、玻壳（玻璃、陶瓷或树脂材料制成的外壳）等组成，图3-4为真空断路器灭弧室的结构图。真空断路器的触头为圆盘状，被放置在真空灭弧室内。由于触头设计为特殊形状，在电流通过时产生一个横向磁场，使真空电弧在主触头表面切线方向快速移动。在屏蔽罩内壁上，凝结了部分金属蒸气，电弧在自然过零时，暂时熄灭，触头间的介质强度迅速恢复。电流过零后，外加电压虽然恢复，但触头间隙不会再被击穿，真空电弧在电流第一次过零时就能完全熄灭。

图3-3 ZN28-10型真空断路器型外形结构

图3-4 真空断路器灭弧室结构

1—静触头 2—动触头 3—屏蔽罩 4—波纹管 5—与外壳接地的金属法兰盘 6—波纹管屏蔽罩 7—波壳

（2）特点(www.xing528.com)

真空断路器由于采用了新型的真空灭弧室，因而具有与其他断路器不同的特点：

1）干真空灭弧室的熄弧能力强且触头行程短，缩短了开断时间，因而开断电流大。

2）触头断口开距小，一般为9～12mm，分合闸所需能量小，明显地降低了机械冲击，使元件磨损程度降低，因而使用寿命长，一般可达20年左右。

3）空灭弧室与触头结构简单且不需检修，维护工作量小。

4）体积小、重量轻。

5）开断电流在密封容器内进行，操作时声音较小，没有易燃易爆介质和火灾危险，对环境污染极小。

6）主回路接触电阻小，触头电磨损小，具有频繁操作和快速切断能力，因而适宜于切断电容性负载电路。

但由于结构上的特点，真空断路器也存在着如下缺点：

1）易产生操作过电压。主要是开断小电流时，产生截流过电压和高频多次重燃过电压。所以，采用真空开关一般应采取有效的抑制操作过电压措施。

2）灭弧室的真空度在运行中还不能随时检查，只能通过专门耐压试验或使用专门仪器检查其真空度。如果真空度降低或不能使用时，只有更换真空灭弧室。

（3）要求

真空断路器在运行中受到电、热、机械、大气以及时间等各种因索的影响，因此在设计中必须满足下列要求：

1）绝缘安全可靠。要求真空断路器在内部过电压（电力系统中参数突变时产生的过电压）和外部过电压（雷电过电压）的作用下绝缘不致损坏。

2）在允许的负载电流下能正常工作，应具备良好的散热条件，避免因温升过高而损坏。

3）具有一定的过载能力。

4）足够的机械强度。

5）限制截流值和重燃率。目的是避免真空断路器本身和其他高压设备因过电压而遭到损坏。

6）足够的寿命，包括真空寿命和电气操作寿命。

7）结构简单、成本低、工作可靠、使用和维护方便。

真空断路器的技术参数见表3-2。

表3-2 真空断路器技术参数

4.断路器选型

（1）选型原则

由于断路器同时具备控制和保护性质，要求其具备足够的开断能力，能在尽可能短的时间内熄灭电弧，同时具备高度的动作可靠性，以及足够的防火和防爆能力。在结构上也要力求体积小、重量轻、物美价廉，以便于运行操作和检修等。此外，断路器还应能在不调节其机构或更换其部件的情况下，保证所规定的安全操作次数。

断路器选型时，除根据正常运行时的额定电压、额定电流等条件选择外，为确保电气设备的可靠运行，并且在通过最大可能的短路电流时，不致损坏电气设备，还应按短路电流所产生的热效应和电动力效应对电气设备进行校验。因此，“按正常运行条件选择，按短路条件进行校验”是选择断路器的一般原则。

（2）断路器选型

断路器应选择和校验的项目包括额定电压、额定电流、遮断容量、短路电流的动稳定及热稳定校验等。

1）按工作电压选择。断路器的额定电压应大于其装设地点电网的额定电压，即

U≥U_N （3-2）

式中，U表示高压断路器额定电压（kV）；U_N表示电网额定电压（kV）。

电网的额定电压是国家规定的各级线电压，断路器的额定电压是指铭牌上标明的线电压。

2）按工作电流选择。断路器的额定电流应大于其所在线路的最大工作电流，即

I≥I_L·max （3-3）

式中，I表示断路器的额定电流（A）；I_L·max表示断路器所在线路的最大工作电流（A）。

3）环境条件。如室内、室外、温度、湿度、高原等，根据具体要求而定。

4）在短路情况下的热稳定校验。由于断路器的导电部分由各种金属导电材料做成，各种材料在短路时都有最高允许温度，对断路器进行短路情况下的热稳定校验，因此实际上就是校验它的载流部分在短路电流作用下，是否超过其最高允许温度。如果不超过最高允许温度，则说明了所选断路器的热稳定符合要求。

在实际工作中，按下列公式计算断路器的热稳定校验

式中，I_∞为短路稳态电流（kA）；I_t为设备在t（s）时间内允许通过的热稳定电流（kA），可查表得出；t_jx为假想时间（s），可计算求得。

5）在短路情况下的动稳定校验。当很大的短路电流通过断路器的导电部分时，将产生很大的电动力，该电动力对其有破坏的作用。断路器在出厂时，厂家都用一个最大允许电流的幅值i_max或有效值I_max来表示其动稳定的程度，即断路器不致因上述电流通过时产生的电动力而损坏。

断路器在短路情况下的动稳定校验应满足下列要求：

I_max≥I_ch （3-5）

i_max≥ich

上两式中，I_max、i_max为制造厂规定允许通过的最大电流的有效值及幅值，由产品目录中查得；I_ch、i_ch为按三相短路情况计算所得的断路器所在电路的短路冲击电流有效值和冲击电流峰值。

6）断路器的断路能力校验。断路器应能保证安全可靠地将供电线路中发生的短路电流切断。制造厂在产品目录中提供了断路器在额定电压下的允许切断的电流和允许切断的短路容量的数据。

校验时应满足下列要求：

I_dn≥I_dt （3-6）

S_dn≥S_dt

式中，I_dn为断路器的额定允许切断电流，也称开断电流（kA）；S_dn表示允许切断的额定短路容量，也称额定开断容量（MV·A）；I_dt为电力系统在t（s）时（开断时间）的三相短路电流（kA）；S_dt为电力系统在t（s）时三相短路功率（MV·A）。

10kV配电网中，主要采用真空断路器或六氟化硫断路器。中压六氟化硫自吹型断路器在开断小感性电流时，过电压倍数低于2.5倍，因此适用于切换并联电抗器。当用于切断和保护架空配电网或切断空载变压器时，真空断路器或六氟化硫断路器都能满足要求，而从维护工作角度看，真空断路器的工作量更少些，因此，在中压配电系统中大量选用真空断路器。但在选用真空断路器时，应注意真空断路器在开断小电流时真空电弧的截流现象，电弧可能在电流自然零点前被切断，产生截流过电压。截流过电压的幅值，与截断电流和负荷特征阻抗的乘积成正比，因而必要时需用阻容回路或氧化锌压敏电阻加以抑制。