图2-7 双压式灭弧室原理
六氟化硫断路器根据灭弧原理不同可分为双压气式、单压气式、旋弧式结构。
1.双压气式灭弧室
双压气式灭弧室的结构如图2-7所示。双压式断路器是指灭弧室和其它部位采用不同的六氟化硫气体压力。在正常情况下(合上、分断后),高压和低压气体是分开的,只有在开断时,触头的运动使动静触头间产生电弧后,高压室中的六氟化硫气体在灭弧室(触头喷口)形成一股气流,从而吹断电弧,使之熄灭,分断完毕,吹气阀自动关闭,停止吹气,然后高压室中的六氟化硫气体由低压室通过气泵再送入高压室。这样,以保证在开断电流时,以足够的压力吹气使电弧熄灭。
双压气式的六氟化硫断路器的结构比较复杂,早期应用较多,目前这种结构很少采用。
2.单压气式灭弧室
图2-8 单压式灭弧室原理
单压气式灭弧室与其它部位的六氟化硫气体压力是相同的,只是在动触头运动中,使六氟化硫气体自然形成压气形式,向喷口(灭弧室)排气,动触头的运动速度与吹气量大小有关,当停止运动时,压气的过程也即终止。原理如图2-8所示。动触头、压气罩、喷口三者为一整体,当动触头向下运动,压气罩自然形成了压力活塞,下部的六氟化硫气体压力增加,然后由喷口向断口灭弧室吹气,完成灭弧过程。这种断路器也在不断改进,并在其它高压开关设备中得到普遍应用。
压气式断路器大多应用在110kV及以上高压电网中,开断电流可达到几十kA,但由于灭弧室及内部结构相对复杂,价格也比较高。
3.旋弧式灭弧室
旋弧式灭弧室是利用电弧电流产生的磁场力,使电弧沿着某一截面高速旋转。由于电弧的质量比较轻,在高速旋转时,使电弧逐渐拉长,最终熄灭。为了加强旋弧效果,通常使电弧电流流经一个旋弧线圈(或磁吹线圈)来加大磁场力。一般电流越大,灭弧越困难,但对于旋弧式六氟化硫断路器,磁场力与电流大小成正比,电流大磁场力也加大,仍能使电弧迅速熄灭。小电流时,由于磁场随电流减小而减小,同样能达到灭弧作用且不产生截流现象,如图2-9所示。
当导电杆与静触头分开产生电弧后,电弧就由原静触头转移到圆筒电极的磁吹线圈上,磁吹线圈大多采用扁形铜线绕制,相当于一个短路环作用,此时电弧经过线圈与动触头继续拉弧,由于电流通过线圈,在线圈上产生洛仑兹力,按右手坐标方向成涡旋状高速旋转,其速度为每秒几百米。由于圆筒电极内的磁场与电弧电流的相位滞后一角度,使电流过零时,磁场力没有过零,即电流过零时仍可使电弧继续旋转,使电弧在过零时能可靠地熄灭。电弧熄灭后,触头间的绝缘也很快恢复。其相位关系如图2-10所示。
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图2-9 旋弧式灭弧原理图
图2-10 旋弧式灭弧时电流与磁场相位关系
例如,设电弧电流i,电弧所处的磁通为B,电弧长度为l,考虑安匝数与B的关系,则有
得磁场力为
图2-11 电流与磁场同相位曲线
以上分析结果,磁场力与电流的关系是电流过零,F也过零,此时的灭弧效果最差,如图2-11所示。因此,采用圆筒电极,相当于短路环,改变了磁场力的相位,调节了F与i的相角,通过短路线圈的匝数可实现其角度差在30°~60°之间。
根据旋弧式灭弧室的原理,旋弧灭弧室主要有以下特点:①利用电流通过弧道(磁吹线圈)产生的磁场力直接驱动电弧高速旋转,灭弧能力强,大电流时容易开断,小电流时也不产生截流现象,所以不致引起操作过电压,开断电容电流时,触头间的绝缘也较高,不致引起重燃现象;②灭弧室结构简单,操作功需求小,使操作机构大大简化,机械可靠性高,成本低;③电弧局限在圆筒或在线圈上高速运动,电极烧损均匀,电寿命长。
旋弧灭弧室的原理和特点,使得在10~35kV电压等级的开关设备上大量采用,是很有发展前途的一种断路器结构。
图2-12 LW—10型SF6断路器外形
1—分合指示板;2—操动机构;3—操作手柄;4—吊装螺杆;5—断路器本体;6—充放气接头;7—固定板;8—压力表
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