SF6断路器的工作原理详解

(一)SF6气体特性

SF6气体密度是空气的5.135倍,一个大气压时,其沸点为-60℃。在150℃以下时,SF6气体有良好的化学惰性,不与断路器中常用的金属、塑料及其他材料发生化学作用。在大功率电弧引起的高温下分解成各种不同成分时,电弧熄灭后的极短时间内又会重新合成。SF6气体中没有碳元素,没有空气存在,可避免触头氧化。SF6气体的介电强度很高,且随压力的增高而增长。在1大气压下,SF6气体的介电强度约等于空气的2～3倍。绝对压力为3大气压时,SF6气体的介电强度可达到或超过常用的绝缘油。SF6气体灭弧性能好,在一个简单开断的灭弧室中,其灭弧能力比空气大100倍。在SF6气体中,当电弧电流接近零时,仅在直径很小的弧柱心上有很高的温度,而其周围是非导电层。这样,电流过零后,电弧间隙介电强度将很快恢复。

(二)SF6断路器的灭弧原理

1.电弧的产生过程

断路器处于合闸状态时,电流在触头处均匀分布,当断路器分闸时,触头分离的初期,并没有完全断开,使触头间的接触面积减小,R增大,电流密度增大,因而触头温度急剧升高,由于触头刚分离时,触头间的间隙极小,触头间的电压很低,只有几百伏甚至几十伏,但是电场强度却很大,触头间距很小,所以会产生很强的电场。由于上述两方面的原因,阴极表面有可能向外发射电子,这种现象称热电子发射或强电场发射。自由电子在电场力的作用下,加速飞奔阳极。具有一定动能的电子碰撞中性质点,如果电场强度足够强,电子所受的力足够大,且两次碰撞间的自由行程足够大,电子积累的能量足够多,这个电子会将中性质点中的电子碰撞出来,这种在电场力作用下的电子碰撞中性质点,使它分裂成自由电子和正离子的现象称作碰撞游离。由于碰撞游离,触头间产生大量的带电粒子,使触头间隙有很大的电导,间隙成了电流的通道,通常被认为是绝缘的间隙此刻被击穿了,形成了电弧。电弧形成后,弧隙的温度极高,处于高温下的中性质点由于高温而产生强烈的热运动。它们之间不断碰撞,又可能发生游离现象,这种因热运动而引起的游离称为热游离。热游离也产生大量的带电粒子,因此电弧形成后维持电弧稳定燃烧的电压不需要很高。在电弧中,实际上同时存在游离和去游离。带电粒子消失的过程称为去游离。如果游离大于去游离,则带电质点不断增加,以上分析的便是电弧产生发展的过程,在稳定燃烧的电弧中这两个过程处于动态平衡状态;如果去游离大于游离,则带电质点愈来愈少,最后间隙恢复成绝缘介质,电弧熄灭。

电弧具有很大的危害性,它是一种明亮的气体放电,弧柱的温度可达5000K以上,这样的高温足以使金属触头熔化蒸发,可能烧坏触头及触头附近的其他部件。如果电弧长久不能熄灭,必然破坏开关设备,将引起电气设备烧毁或爆炸,长期不能切断故障部分,还将危及整个系统的安全发供电,危及电力系统的安全运行,造成生命财产的极大损失。

交流电弧的电流的瞬时值变化很快,每个周期有2次通过零点,因此交流电流一直处于动态过程,而且电流过零时可以自行熄弧。但因弧柱热惯性的作用,致使电流过零后又会重新燃弧。设交流电路[图2-14(b)]处于稳定状态,且电弧长度不变,则交流电弧的伏安特性如图2-40(a)所示。可见,电流由负值过零瞬间,电弧暂时熄灭,但触头两端仍有电源电压。在电流上升阶段,当电压升至A点时,电弧重燃,对应于A点的电压u rh称为燃弧电压。由于电弧热游离很强,尽管电流继续上升,而电弧压降却在逐渐降低(AB段);从B点(对应于电流峰值)以后电流逐渐减小,电弧压降相应回升(BC段),到达C点(对应于电压u xh)时电弧再次熄灭,u xh称为熄弧电压。由此可见,熄弧电压总低于燃弧电压。电流过零后在反方向重燃,其伏安特性与正半周相同。

图2-40　交流电弧的伏安特性

交流电弧过零后,是重燃还是熄灭,主要取决于弧隙电压(u hf)的恢复过程和介质强度(以能耐受的电压u j表示)的恢复过程。其中弧隙介质绝缘强度或介质强度(以能耐受的电压表示)要恢复到正常情况需要有一个过程,称为介质强度的恢复过程。而加在弧隙上的电压由电弧熄灭时的熄弧电压逐渐恢复到电源电压也有一个过程,称为弧隙电压的恢复过程。在恢复过程中,若恢复电压高于介质的绝缘强度,电弧将会重燃,如图2-41(a)所示;反之,当介质绝缘强度高于弧隙电压时,电弧便会熄灭,如图2-41(b)所示。

图2-41　交流电弧在过零后的重燃和熄灭(www.xing528.com)

2.灭弧方法

由交流电弧的特性可知,交流电弧每个周期有两次通过零点,即电弧两次自然熄灭,因此熄灭交流电弧的主要问题是如何防止电弧重燃。当交流电弧过零时,如果采取措施使弧隙介质的绝缘能力达到不会被外加电压击穿的程度,则在下半周电弧就不会重燃而最终熄灭。在电力系统中,开关分断电路时会产生电弧,常见的灭弧方法有加装并联电阻、多断口熄弧、吹弧等。

(1)加装并联电阻。如图2-42所示,断路器每相有两对触头,一对为主触头K 1,另一对为辅助触头K 2,低值电阻R并联在主触头K 1上。当断路器在合闸位置时,主触头和辅助触头都闭合。当断开电路时,主触头K 1先断开,并联电阻R在主触头断开过程中起分流作用,R值愈小,分流作用愈大,对主触头的灭弧也就愈有利。

(2)用多断口熄弧。采用多断口熄弧,断口电压降低,在相等的触头行程下跟单断口相比,可以拉长电弧,电弧拉长速度增加,加速电弧熄灭。但是,因为各断口电压分布不相等,所以需要在各个断口并联电容,电容可以起到均压作用。该灭弧方法在超高压SF6断路器中得到了广泛应用,如上述的LW13-550型超高压SF6断路器为双断口结构,3AT2/3-EI型550kV SF6断路器也采用了双断口灭弧。

图2-42　断路器加装并联电阻灭弧

图2-43　吹弧方式

(3)吹弧。在高压断路器中,常制成各种形式的灭弧室,使气体产生较高的压力,有力地吹向弧隙,吹弧的方式有纵、横吹图2-43和纵横混合吹等。吹动方向与弧柱轴线平行的称为纵吹;吹弧方向与弧柱轴线垂直的称为横吹;既有纵吹又有横吹的称为纵横混合吹。吹弧的作用是使电弧强烈冷却和拉长,加速扩散,促使电弧迅速熄灭。纵吹的灭弧室结构简单,主要是使电弧冷却变细最后熄灭;而横吹的灭弧室结构复杂,主要是把电弧拉长,增大散热表面积,加强冷却,熄灭电弧效果较好。然而很多种类的断路器,把纵吹和横吹的特点融为一体,广泛采用纵横混合吹弧的方式,熄弧效果更好。

利用SF6气体作为灭弧和绝缘介质的断路器称为SF6断路器,它是利用压缩后的SF6来吹弧,一般压力为0.4～0.7MPa。现在的SF6断路器,一般采用纵吹方式。纵吹灭弧室又可分为单向纵吹灭弧室和双向纵吹灭弧室两种,双向纵吹式的熄弧能力更强,开断容量更大。

目前,500kV超高压变电站主要采用SF6断路器,其灭弧室主要是用SF6气体作为灭弧介质,利用吹弧等方式迅速拉长电弧,快速从电弧中导出能量,进而使电弧迅速熄灭。