高压断路器的工作原理及应用

1.高压断路器的用途和基本结构

高压断路器是电力系统中最重要的开关设备，它具有完善的灭弧装置，因此不仅能通断正常负荷电流，而且能通断一定的短路电流，并能在保护装置作用下自动跳闸，切除短路故障。

高压断路器的种类很多，但就其结构而言，都是由开断元件、支撑元件、传动元件、基座及操动机构五个基本部分构成。开断元件是断路器的核心元件，主要由触头、导电部分和灭弧室组成。触头的分、合动作是依靠操动机构来带动的。开断元件一般经绝缘支座安装在基座或是密封的容器内。其他部分都是配合开断元件为完成上述动作而设置的。

2.对高压断路器的基本要求

1）绝缘应安全可靠，既能承受最高工频工作电压的长期作用，又能承受电力系统发生过电压时的短时作用。

2）有足够的动稳定性和热稳定性，能承受短路电流的力效应和热效应而不至损坏。

3）有足够的开断能力，能可靠地断开短路电流。

4）动作速度快，熄弧时间短，尽量减轻短路电流造成的损害，并提高电力系统的稳定性。

3.高压断路器的类型

高压断路器按其采用灭弧介质的不同，可分为油断路器、六氟化硫断路器、真空断路器等。

（1）油断路器　油断路器是利用油作为灭弧介质的。按其油量的多少和油的作用，油断路器可分为多油断路器和少油断路器两大类。多油断路器中的油既作为灭弧介质，又作为相与相之间和相对地（外壳）之间的绝缘介质；少油断路器中的油只作为灭弧介质。断路器分闸时，产生电弧，在油流的横吹、纵吹和机械运动引起油吹的联合作用下，使电弧迅速熄灭。

由于少油断路器具有用油量少、体积小、重量轻、节约油和钢材、占地面积小等优点，因此在6～35kV配电装置中被广泛使用。图5-5所示是目前10kV系统中应用最广泛的SN10—10型少油断路器的外形结构。

少油断路器由于开断性能差和油的易燃易爆性而正在逐渐被淘汰。新建变电所一般选用真空断路器或断路器。

（2）断路器　断路器是利用气体作为灭弧介质和绝缘介质的。气体是一种无色、无味、无毒、不燃烧的惰性气体，它的最大特点是能在电弧间隙的游离气体中吸附自由电子。此外，由于气体的分子直径比空气中氮、氧分子的直径大，使得电子在气体中的自由行程缩短，不易在电场中积累能量，从而减少了它碰撞游离的能力。再者，气体的密度是空气的5倍，使得离子在电场中的运动速度比空气中氮、氧离子的运动速度小，更容易发生复合，从而使气体中的带电质点减少。因此，气体具有较高的绝缘性能，在均匀电场下的绝缘强度为同一气压下空气的2.5～3倍，其灭弧能力为同等条件下空气的100倍。所以，采用气体作为电器的灭弧介质和绝缘介质，既可大大缩小电器的外形尺寸、减小占地面积，又可利用简单的灭弧结构达到很大的开断能力。此外，电弧在气体中燃烧时电弧电压特别低，燃弧时间短，因而断路器每次开断后触头烧损很小，不仅适于频繁操作，同时也延长了检修周期。

图5-5　SN10—10型高压少油断路器

断路器按灭弧室结构分，有双压式和单压式；按对地绝缘方式分，有落地罐式和瓷柱式。

双压式有两个气压系统，压力低的作为绝缘，压力高的作为灭弧，开断时利用它们之间的压力差形成气流来吹灭电弧。双压式的结构复杂，辅助设备多，性能较差，被后来发展的单压式取代。单压式只有一个气压系统，压力约为0.3～0.5MPa，灭弧时，的气流靠压气活塞产生，就像打气筒一样，所以又称为压气式灭弧室。单压式的优点是结构简单，易于制造，可靠性高，便于维护，因此应用比较广泛。

单压式结构有定开距灭弧室和变开距灭弧室两种类型。定开距灭弧室是指动、静触头的开距在分断过程中是固定不变的；变开距灭弧室是指在分断过程中，动、静触头的开距是随着开断过程不断增大而变化的。目前我国生产的35～500kV的断路器主要是单压式变开距灭弧室结构。随着技术的进步，我国又相继开发出了自能式灭弧室和旋弧式灭弧室，并在10～220kV断路器中得到了广泛的应用。

图5-6　LW36—126型瓷柱式断路器

图5-6为LW36—126型瓷柱式断路器的外形结构。该断路器采用自能式灭弧技术，与传统的单压式断路器相比，在这种断路器内，电弧在压力室内可提供灭弧压力所需的能量，而操动机构只提供触头动作所需的能量。因此该断路器的操作功小，机械寿命长，故可配用轻型弹簧操动机构，从而提高了断路器的可靠性。该断路器适用于110kV的电网中，可作为电力系统的控制和保护设备。

图5-7　真空断路器的灭弧室结构

1—静触头　2—动触头　3—屏蔽罩
4—波纹管　5—导电杆　6—外壳

断路器与油断路器比较，具有断流能力强、灭弧速度快、电绝缘性能好、检修周期长、没有燃烧爆炸危险等优点，但要求加工精度高，密封性能好，因此价格较昂贵。在电力系统中，断路器已得到愈来愈广泛的应用，尤其在全封闭组合电器中，多采用该型断路器。

（3）真空断路器　真空断路器是利用真空作为灭弧介质和绝缘介质的，其触头装在真空灭弧室内。这里所谓的真空，是指真空度在0.13Pa以下的空间。在这种气体稀薄空间，其绝缘强度很高，因此电弧很容易熄灭。真空间隙击穿产生的电弧，是在触头电极蒸发出来的金属蒸气中形成的。

真空断路器的触头为圆盘状，被放置在真空灭弧室内，如图5-7所示。断路器分闸时，最初在动、静触头间可产生电弧，使触头表面产生金属蒸气。随着触头的分开和电弧电流的减小，触头间金属蒸气的密度也逐渐减小。当电弧电流过零时，电弧暂时熄灭，触头周围的金属离子迅速扩散，凝聚在四周的屏蔽罩上，使触头间隙的绝缘强度迅速恢复。因此，在电流过零后，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。真空灭弧室为不可拆卸的整体，不能更换其上的任何零件，当真空度降低或不能使用时，只能更换真空灭弧室。

真空断路器按安装地点分为户内式和户外式。图5-8和图5-9分别为ZN28A—12型户内式和ZW32—12型户外式真空断路器的外形结构。(www.xing528.com)

图5-8　ZN28A—12型户内式真空断路器

图5-9　ZW32—12型户外式真空断路器

真空断路器具有体积小、重量轻、动作快、寿命长、操作噪声小、安全可靠和便于维护等优点，但价格较贵。真空断路器是变电所实现无油化改造的理想设备，目前主要用在35kV及以下的现代化配电网中。

4.断路器的操动机构

操动机构是指用以进行断路器合闸、保持合闸位置和跳闸的设备。每种操动机构均包括合闸机构、跳闸机构和维持机构三部分。

断路器合闸时，操动机构必须克服断路器开断弹簧的阻力和可动部分的重量及摩擦阻力等，所以合闸操作需做的功很大；断路器跳闸时，只要将维持机构的脱扣器释放打开，在跳闸弹簧的作用下可迅速跳闸，所以跳闸操作所需做的功很小。

断路器操动机构的动作是靠外部能量作用来实现的，110kV及以下系统常用的高压断路器操动机构按其驱动能源的不同可分为手动式（CS型）、直流电磁式（CD型）和弹簧储能式（CT型）。

手动式操动机构是指用手力直接操作来实现断路器分、合闸的机构，它的结构简单，便于维护，不需要其他辅助设备，可实现手动跳、合闸和远距离跳闸，但不能实现重合闸功能。因其操作速度所限，其所操作的断路器开断容量不宜大于100MV·A，因此这类手动操动机构现在已经基本不用了。

直流电磁式操动机构是用电磁铁将电能转变成机械能来实现断路器分、合闸的动力机构，主要由合闸电磁铁、跳闸电磁铁和维持机构组成，能实现手动和远距离跳、合闸，便于实现自动化，但需直流操作电源，且合闸功率大。其中最常用的电磁式操动机构是CD10型，它主要与SN 10—10型断路器配套使用以实现分、合闸操作。

弹簧储能式操动机构是在合闸前利用交直流两用电动机或手动拉伸合闸弹簧储能，然后利用弹簧所储能量使断路器合闸，它也能实现手动和远距离跳、合闸。它的成套性强，不需要配备附加设备，但结构复杂，加工工艺及材料性能要求较高，因此价格较贵。但它可交流操作，还可方便地实现一次自动重合闸，因此应用越来越广泛。

5.高压断路器的基本参数

（1）额定电压　额定电压是指断路器长期正常工作所能承受的电压。断路器的最高工作电压是指断路器能承受的电力系统可能出现的最高电压，一般为其额定电压的1.1～1.15倍。额定电压不仅决定了断路器的绝缘要求，而且在相当程度上决定了断路器的总体尺寸和熄弧条件。

（2）额定电流额定电流是指断路器允许长期通过的最大工作电流。在长期通过额定电流时，断路器各部分发热温度不超过允许值。额定电流决定了断路器触头及导电部分的几何尺寸，并且在某种程度上也决定了它的结构。

（3）额定分断电流额定分断电流是指断路器在额定电压下能够正常分断的最大短路电流，它表征断路器的分断能力。当断路器的工作电压低于额定电压时，则分断电流允许大于额定分断电流，但不能超过其极限分断电流。

（4）额定分断容量额定分断容量是指断路器额定电压和额定分断电流的乘积，即

在断路器的实际运行电压U低于额定电压而额定分断电流不变时，其分断容量应修正为

断路器的分断能力主要决定于灭弧装置的结构，通常由断流容量试验确定。

（5）热稳定电流　热稳定电流是指断路器在某规定时间内允许通过的最大电流，它表明了断路器承受短路电流热效应的能力，用电流有效值表示。产品目录上常列出断路器的1s、2s、4s或5s的热稳定电流。通常，断路器的热稳定电流等于额定开断电流，即

（6）动稳定电流imax　动稳定电流表示断路器承受短路电流力效应的能力，用电流峰值表示，又称为断路器的极限通过电流。该值的大小由导电及绝缘等部分的机械强度所决定。

（7）分闸时间　分闸时间是指断路器从得到分闸命令（跳闸线圈通电）起，到三相电弧完全熄灭为止的一段时间，它包括断路器的固有分闸时间和燃弧时间两部分。

固有分闸时间是指断路器从得到分闸命令起，到主触头刚分离的一段时间，它主要取决于断路器及其所配操动机构的机械特性；燃弧时间是指从主触头分离到三相电弧完全熄灭的一段时间。

断路器的分闸时间越短，越有利于系统的稳定、可靠运行。

（8）合闸时间　合闸时间是指断路器从接到合闸命令（合闸线圈通电）起，到三相触头刚接触为止的一段时间。一般合闸时间大于分闸时间。