高壓斷路器(或稱高壓開(kāi)關(guān))不僅可以切斷或閉合離壓電路中的空載電流和負(fù)荷電流，而且當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)通過(guò)繼電保護(hù)裝置的作用，切斷過(guò)負(fù)荷電流和短路電流，它具有相當(dāng)完善的滅弧結(jié)構(gòu)和足夠的斷流能力，可分為油路器(多油斷路器、少油斷路器)、六氟化硫斷路器(SF6斷路器)、真空斷路器、壓縮空氣斷路器等。
一、高壓真空斷路器
1、真空斷路器結(jié)構(gòu)的基本要求
①機(jī)械性能穩(wěn)定，如合閘彈跳時(shí)間，希望在壽命全程中保護(hù)同一狀態(tài)，1989年年底能源部電力司提出真空斷路器合閘彈跳時(shí)間必須小于2ms；
②足夠的機(jī)械強(qiáng)度，使斷路器本身具有足夠的動(dòng)穩(wěn)定度。
③高壓區(qū)和低壓區(qū)的分隔，最好是前后布置，有助于保證運(yùn)行中人員的人身安全。
④操作機(jī)構(gòu)的檢查、調(diào)整、維修要有足夠空間。
⑤配用機(jī)構(gòu)的可選擇性，有的型號(hào)可配彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)和電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)，有的只能配用一種。
⑥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、價(jià)格低廉。
⑦易于實(shí)現(xiàn)防誤連鎖。
所有真空斷路器，不論是何種結(jié)構(gòu)，斷路器本體中均裝設(shè)有分閘拉力彈簧。合閘過(guò)程中操動(dòng)機(jī)構(gòu)既要提供驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)運(yùn)動(dòng)的功，又要同時(shí)將分閘彈簧儲(chǔ)能。當(dāng)需要分閘時(shí)，操動(dòng)機(jī)構(gòu)值需完成脫扣解鎖任務(wù)，由分閘彈簧釋能完成分閘運(yùn)動(dòng)。
2、功能部件
真空斷路器按其結(jié)構(gòu)的功能可分為六個(gè)部分：
①支架。安裝各功能組件的架體。
②真空滅弧室。實(shí)現(xiàn)電路的關(guān)合與開(kāi)斷功能的熄弧元件。
③導(dǎo)電回路。與滅弧室的動(dòng)端及靜端連接構(gòu)成電流通道。
④傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。把操動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)傳輸至滅弧室，實(shí)現(xiàn)滅弧室的分、合閘操作。
⑤絕緣支撐。絕緣支持件將各功能元件架接起來(lái)滿足斷路器的絕緣要求。
⑥操動(dòng)機(jī)構(gòu)。斷路器合、分閘的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置。
3、結(jié)構(gòu)型式
真空斷路器的類型，可從不同角度來(lái)劃分，一般情況下主要從以下兩個(gè)方面劃分：
①安使用場(chǎng)所劃分，可分為戶內(nèi)式和戶外式，分別用ZN和ZW來(lái)表示。
②安斷路器主體與操動(dòng)機(jī)構(gòu)的相關(guān)位置劃分，可分為整體式和分體式。整體式真空斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)與開(kāi)關(guān)本體安裝在同一骨架上，體積小重量輕、安裝調(diào)試方便、機(jī)械性能穩(wěn)定。分體式真空斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)與開(kāi)關(guān)本體分別裝與開(kāi)關(guān)柜的不同位置上，這種安裝方式主要受我國(guó)少油斷路器的安裝方式的影響，比較適合少油開(kāi)關(guān)柜的無(wú)油化改造，優(yōu)點(diǎn)是巡視和檢修方便，確定是安裝調(diào)整稍麻煩，機(jī)械特性的穩(wěn)定性和可靠性稍遜。
4、真空斷路器的操動(dòng)機(jī)構(gòu)操動(dòng)機(jī)構(gòu)是真空斷路器的驅(qū)動(dòng)裝置，主要有電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)與彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)。
①真空斷路器對(duì)操動(dòng)機(jī)構(gòu)的要求。主要如下：
1)機(jī)構(gòu)的輸出特性盡量與真空斷路器的反力特性相匹配；
2)要有足夠的合閘輸出功保證真空斷路器具有關(guān)合短路故障電流的能力；
3)合閘后，即使在事故狀態(tài)下也能穩(wěn)定地保持合閘(即令開(kāi)關(guān)具有動(dòng)穩(wěn)定性)；
4)要保證在85%~110%合閘操作電壓下能正常合閘，在65%~120%分閘電壓下能正常分閘，而在30%額定操作電壓下不得分閘；
5)可以電動(dòng)或手動(dòng)操作；
6)電磁機(jī)構(gòu)應(yīng)具有自由脫扣的功能；
②真空斷路器合閘的反力特性。反之特性是指合閘過(guò)程中，從斷路器的驅(qū)動(dòng)看進(jìn)去，需要客服各種阻力(包括彈簧的反作用力、摩擦力、電動(dòng)力和慣性力等)與行程的關(guān)系曲線。反力特性告訴我們，操動(dòng)機(jī)構(gòu)為斷路器提供合閘功，必須大于用于客服各種阻力所做的功，斷路器方能完成合閘動(dòng)作。
③真空斷路器的電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)。由于電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)螺管電磁鐵的出力特性容易滿足真空斷路器合閘反力特性的要求，所以在真空斷路器的發(fā)展初期主要是配電用電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)。此外電磁機(jī)構(gòu)具有構(gòu)造簡(jiǎn)單、使用簡(jiǎn)便、造價(jià)低廉等優(yōu)點(diǎn)，是目前配電系統(tǒng)各類斷路器的主要配用機(jī)構(gòu)，運(yùn)行部門不但十分熟悉而且積累了很多使用維護(hù)的寶貴經(jīng)驗(yàn)。常用的電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)有CD10、CD17、CD19型。CD10型電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)原是配用SN10-10型少油斷路器的操動(dòng)機(jī)構(gòu)，為族傳式輸出。真空斷路器發(fā)展初期因無(wú)專用操動(dòng)機(jī)構(gòu)而被采用，現(xiàn)仍有配CD10型操動(dòng)機(jī)構(gòu)的真空斷路器的生產(chǎn)。目前少油開(kāi)關(guān)柜的無(wú)油化改造，也可采用CD10型操動(dòng)機(jī)構(gòu)。CD17電磁機(jī)構(gòu)是專門為真空斷路器設(shè)計(jì)的操動(dòng)機(jī)構(gòu)，為直推式輸出，它有CD-17-I、CD-17-II、CD-17-III型，分別配用分?jǐn)嗄芰ξ?0、31.5、40kA真空斷路器。其體積、重量都比CD-10型機(jī)構(gòu)小得多，合、分閘操作電流也僅是CD10型機(jī)構(gòu)的2/3，安裝占用空間小。
④真空斷路器的彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)。彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)可交直流操作，操作電流很小，一般僅為1.5-3A，即便采用直流操作時(shí)所需的直流蓄電裝置容量也較小，可手動(dòng)儲(chǔ)能合閘分閘，并且具有過(guò)流脫扣功能。在一般的終端配電室可以取消直流蓄電裝置而節(jié)省投資，國(guó)外一般中壓等級(jí)的斷路器大多配用彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)。
國(guó)內(nèi)初期真空斷路器的彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)常用CT7、CT8型，由于這些產(chǎn)品投入運(yùn)行以來(lái)故障較多、維修部便、體積較大，因而不夠理想。對(duì)于使用中需頻繁操作的真空斷路器來(lái)說(shuō)，不但要求彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)壽命長(zhǎng)，而且工作要十分可靠。
我國(guó)目前多采用兩種新型的彈簧機(jī)構(gòu)，一種是CT17型，另一種是CT19型。前者為直推式輸出，后者為轉(zhuǎn)動(dòng)式輸出。這兩種產(chǎn)品都小巧玲瓏，體積、重量比電磁機(jī)構(gòu)都小得多，如CT17機(jī)構(gòu)的重量?jī)H為CD17型機(jī)構(gòu)的2/3。從多家工廠進(jìn)行產(chǎn)品型式試驗(yàn)看來(lái)，產(chǎn)品在安裝時(shí)驚呼不用調(diào)整，運(yùn)行可靠，機(jī)械壽命長(zhǎng)，特別是CT19，在多次研究性試驗(yàn)中都達(dá)到2-3萬(wàn)次，被認(rèn)為是具有90年代先進(jìn)水平的產(chǎn)品，是真空斷路器的理想配用操動(dòng)機(jī)構(gòu)。
彈簧機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，零件的加工精度和裝配要求高，所以價(jià)格較貴，增加了真空斷路器的成本與售價(jià)。但對(duì)整個(gè)配電站來(lái)說(shuō)，可以節(jié)省直流蓄電池裝置的投資，且對(duì)電壓穩(wěn)定性要求不高，提高了運(yùn)行的安全性，減少了維護(hù)工作量。
5、真空斷路器的傳動(dòng)與合、分閘操作
真空斷路器的傳動(dòng)鏈一般由機(jī)構(gòu)傳動(dòng)連桿、拐臂、主軸、絕緣推桿、三角拐臂和觸頭彈簧裝置等構(gòu)成，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量簡(jiǎn)化傳動(dòng)環(huán)節(jié)以提高傳動(dòng)的效率。
以配用電磁機(jī)構(gòu)ZN39型真空斷路器為例，真空斷路器的合、分閘操作過(guò)程如下：
合閘時(shí)操動(dòng)機(jī)構(gòu)合閘線圈得電-合閘鐵芯動(dòng)作-機(jī)構(gòu)及傳動(dòng)連桿動(dòng)作-開(kāi)關(guān)主軸轉(zhuǎn)動(dòng)-絕緣推桿前推-三角拐臂轉(zhuǎn)動(dòng)-下壓觸頭彈簧裝置-滅弧室動(dòng)導(dǎo)電桿向下運(yùn)動(dòng)使觸頭接觸-觸頭彈簧亞索至接觸行程終點(diǎn)。與此同時(shí)，機(jī)構(gòu)的輔助開(kāi)關(guān)切斷合閘接觸線圈電源，分閘彈簧拉長(zhǎng)儲(chǔ)能，電磁機(jī)構(gòu)的扣板由半軸扣車保持在合閘位置，合閘結(jié)束。
分閘時(shí)，機(jī)構(gòu)中的分閘線圈得電-分閘鐵芯動(dòng)作-扣板與半軸脫扣-斷路器在觸頭彈簧和分閘彈簧的作用下迅速分?jǐn)?機(jī)構(gòu)的輔助開(kāi)關(guān)切斷分閘線圈電源-機(jī)構(gòu)復(fù)原，并由分閘彈簧保持在分閘位置。
二、高壓油斷路器
高壓油斷路器以密封的絕緣油作為開(kāi)斷故障的滅弧介質(zhì)的一種開(kāi)關(guān)設(shè)備，有多油斷路器和少油斷路器兩種形式。它較早應(yīng)用于電力系統(tǒng)中，技術(shù)已經(jīng)十分成熟，價(jià)格比較便宜，廣泛應(yīng)用于電壓等級(jí)的電網(wǎng)中，油斷路器用來(lái)切斷和接通電源，并在短路時(shí)能迅速可靠地切斷電流。
最早在1895年就已制成了這種油斷路器。1930年以前，用油作為滅弧介質(zhì)來(lái)提高斷路器的開(kāi)斷能力是最有成效的方法。油斷路器中通常采用的是礦物油(如變壓器油)，它具有較高的介質(zhì)強(qiáng)度和較強(qiáng)的熄滅電弧能力。
當(dāng)油斷路器開(kāi)斷電路時(shí)，只要電路中的電流超過(guò)0.1A，電壓超過(guò)幾十伏，在斷路器的動(dòng)觸頭和靜觸頭之間就會(huì)出現(xiàn)電弧，而且電流可以通過(guò)電弧繼續(xù)流通，只有當(dāng)觸頭之間分開(kāi)足夠的距離時(shí)，電弧熄滅后電路才斷開(kāi)。10kV少油斷路器開(kāi)單20kA電流時(shí)的電弧功率可達(dá)1萬(wàn)kW以上，斷路器觸頭之間產(chǎn)生的電弧弧柱溫度可達(dá)六七千度，甚至超過(guò)1萬(wàn)度。
多油斷路器和少油斷路器都要充油，其作用是滅弧、散熱和絕緣。其危險(xiǎn)性不僅是在發(fā)生故障時(shí)發(fā)生爆炸，而且爆炸后由于油斷路器內(nèi)的高溫油發(fā)生噴濺，形成了大面積的燃燒，引起相間短路或?qū)Φ囟搪?，破壞電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行，使事故擴(kuò)大，甚至造成嚴(yán)重的人身傷亡事故。
電弧熄滅過(guò)程：當(dāng)斷路器的動(dòng)觸頭和靜觸頭互相分離的時(shí)候產(chǎn)生電弧，電弧高溫使其附近的絕緣油蒸發(fā)汽化和發(fā)生熱分解，形成滅弧能力很強(qiáng)的氣體(主要是氫氣)和壓力較高的氣泡，使電弧很快熄滅。
油斷路器爆炸的原因有以下六個(gè)方面：
①油面過(guò)低，油斷路器觸電至油面的油層過(guò)薄，油受電弧作用而分解的可燃?xì)怏w冷卻不良，這部分可燃?xì)怏w進(jìn)入頂蓋下面的空間而與空氣混合，形成爆炸性氣體，在自身的高溫下就有可能爆炸燃燒。
②油箱內(nèi)的油面過(guò)高，油分解出的氣體在油箱內(nèi)得不到空間緩沖，形成過(guò)高的壓力，也可能引起油箱爆炸起火。
③油的絕緣強(qiáng)度劣化、雜質(zhì)或水分過(guò)多，引起油斷路器內(nèi)部閃絡(luò)。
④操作機(jī)構(gòu)調(diào)整不當(dāng)、部件失靈，會(huì)使操作時(shí)動(dòng)作緩慢或合閘后解除不良，當(dāng)電弧不能及時(shí)被切斷和熄滅時(shí)，在油箱內(nèi)產(chǎn)生過(guò)多的可燃?xì)怏w，便可能引起爆炸和燃燒。
⑤遮斷容量小，油開(kāi)關(guān)的遮斷容量對(duì)輸配電系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是個(gè)很重要的參數(shù)。當(dāng)遮斷容量小于系統(tǒng)的短路容量時(shí)，斷路器無(wú)能力切斷系統(tǒng)強(qiáng)大的短路電流，致使斷路器燃燒爆炸，造成輸配電系統(tǒng)的重大事故。
⑥其他油斷路器的進(jìn)、出線都通過(guò)絕緣套管，當(dāng)絕緣套管與油箱蓋、油箱蓋與油箱體密封不嚴(yán)時(shí)，油箱進(jìn)水受潮，或油箱不潔，絕緣套管有機(jī)械損傷都可造成對(duì)地短路引起爆炸或火災(zāi)事故。
因此，斷路器在安裝前應(yīng)嚴(yán)格檢查是否符合制造廠的技術(shù)要求。斷路器的遮斷容量必須大于裝設(shè)該斷路器回路的短路容量。檢修時(shí)，應(yīng)進(jìn)行操作試驗(yàn)，保證機(jī)件靈活可靠，并且調(diào)整好三相動(dòng)作的同期性。斷路器與電氣回路的連接要緊密，并可用試溫蠟片觀察溫度，觸頭損壞應(yīng)調(diào)換。檢修完畢應(yīng)進(jìn)行絕緣測(cè)試，并有專人負(fù)責(zé)清點(diǎn)工具，以防工具掉入油箱內(nèi)發(fā)生事故。投入運(yùn)行前，還應(yīng)檢查絕緣套管的油箱蓋的密封性能，以防油箱進(jìn)水受潮，造成斷路器爆炸燃燒。斷路器切斷嚴(yán)重短路故障后，即應(yīng)進(jìn)行檢查觸點(diǎn)損壞情況和油質(zhì)情況。
在運(yùn)行時(shí)應(yīng)常檢查油面高度，油面必須嚴(yán)格控制在油位指示器范圍之內(nèi)。發(fā)現(xiàn)異常，如漏油、滲油、有不正常聲音等時(shí)，應(yīng)采取措施，必要時(shí)須立即降低負(fù)荷或停電檢修。當(dāng)故障跳閘重復(fù)合閘不良，而且電流變化很大，斷路器噴油有瓦斯氣味時(shí)，必須停止運(yùn)行，嚴(yán)禁強(qiáng)行送電，以免發(fā)生爆炸。
油斷路器滅弧室由絕緣材料制成并裝設(shè)在觸頭周圍，用以限制電弧，并產(chǎn)生告訴氣流對(duì)電弧進(jìn)行強(qiáng)烈氣吹而使電弧熄滅。按照產(chǎn)生氣吹的能源，滅弧室可以分為三類：
①自能氣吹式滅弧室，利用電弧自身的能量使油分解出氣體，提高滅弧室中的壓力，當(dāng)吹弧口打開(kāi)時(shí)，由于滅弧室內(nèi)外的壓力差而在吹弧口產(chǎn)生高速油氣流，對(duì)電弧進(jìn)行氣吹而使之熄滅。
②外能氣吹式滅弧室也稱為強(qiáng)迫油吹式滅弧室，利用外界能量(通常是由油斷路器合閘過(guò)程中被儲(chǔ)能的彈簧提供)在分?jǐn)噙^(guò)程中推動(dòng)活塞，提高滅弧室的壓力驅(qū)動(dòng)油氣吹弧而熄滅電弧。
③綜合室滅弧室，綜合了自能吹弧和外能吹弧的優(yōu)點(diǎn)，利用電弧自身的能量來(lái)熄滅大電流電弧，利用外界能量來(lái)熄滅小電流電弧，并可改善分段特性，這種滅弧室結(jié)構(gòu)稍微復(fù)雜，但分段性能好，超高壓少油斷路器中大多數(shù)采用這種滅弧室。
油斷路器滅弧室中吹弧形式主要有4種：
①縱吹，油氣沿電弧軸線方向吹過(guò)電弧表面；
②橫吹，油氣垂直于電弧軸線方向吹??；
③縱橫吹，既利用橫吹又利用縱吹的負(fù)荷吹弧形式；
④環(huán)吹，油氣從四周垂直于電弧軸線方向吹弧。按照主要吹弧形式可將油斷路器的滅弧室分別稱為縱吹滅弧室、橫吹滅弧室、縱橫吹滅弧室和環(huán)吹滅弧室等。
三、高壓SF6斷路器
SF6斷路器是用SF6氣體作為滅弧和絕緣介質(zhì)的斷路器。它與空氣斷路器同屬于氣吹斷路器，不同之處在于：
①工作氣壓較低；
②在吹弧過(guò)程中，氣體不排向大氣，而在封閉系統(tǒng)中循環(huán)使用。
SF6的分子和自由電子有非常好的混合性。當(dāng)電子和SF6分子接觸的幾乎100%的混合而組成重的負(fù)離子，這種性能對(duì)剩余弧柱的消電離及滅弧有極大的使用價(jià)值，即SF6具有很好的負(fù)電性，它的分子能迅速捕捉自由電子而形成負(fù)離子，這些負(fù)離子的導(dǎo)電作用十分遲緩，從而加速了電弧間隙介質(zhì)強(qiáng)度的恢復(fù)率，因此有很好的滅弧性能。在1.01*105Pa氣壓下，SF6的滅弧性能是空氣的100倍，并且滅弧后不變質(zhì)，可重復(fù)使用。
SF6氣體優(yōu)良的絕緣和滅弧性能，使SF6斷路器具有如下優(yōu)點(diǎn)：開(kāi)斷能力強(qiáng)，斷口電壓便于做的較高，允許連續(xù)開(kāi)斷次數(shù)較多，適用于頻繁操作，噪聲小，無(wú)火災(zāi)危險(xiǎn)，機(jī)電磨損小等，是一種性能優(yōu)異的“無(wú)維修”斷路器。在高壓電路中SF6斷路器應(yīng)用越來(lái)越多。常見(jiàn)的SF6斷路器有LN1-35型、HB36型兩種。
在正常情況下，SF6是一種不燃、無(wú)臭、無(wú)毒的惰性氣體，密度約有空氣的兩倍。但SF6氣體在電弧作用下，小部分會(huì)被分解，生產(chǎn)一定有毒的低氟化物，如SOF4、SF4、SOF4和SO2F2等，對(duì)人體健康有影響，對(duì)金屬部件也有腐蝕和劣化作用。因此，在SF6斷路器中，一般均裝有吸附裝置，吸附劑為活性氧化鋁、活性炭和分子篩等。吸附裝置可完全吸附SF6等氣體在電弧的高溫下分解生成的毒質(zhì)。若用于頻繁操作的電弧作用，金屬蒸汽與SF6氣體分解物起反應(yīng)，結(jié)合而生成絕緣性很好的細(xì)粉末(氫氟酸鹽、硫基酸鹽等)，沉積在觸頭表面，并嚴(yán)重腐蝕觸頭材料，從而接觸電阻急劇增加，使充油SF6氣體的密封觸頭不能可靠地工作。因此對(duì)于頻繁操作的低壓電器不適宜用SF6做滅弧介質(zhì)。
因?yàn)镾F6氣體在放電時(shí)的高溫下回分解出有腐蝕性的氣體，對(duì)鋁合金有很重的腐蝕作用，對(duì)酚醛樹(shù)脂層壓材料、瓷絕緣也有損害。若把SF6和N2混合使用，當(dāng)SF6含量超過(guò)20%~30%時(shí)，其絕緣強(qiáng)度已與全充SF6時(shí)絕緣強(qiáng)度相同，而腐蝕性又大大減少，因此SF6常回合N2使用。在SF6斷路器中，SF6氣體的含水量必須嚴(yán)格規(guī)定不能超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)。水會(huì)與電弧分解物中的SF4產(chǎn)生氫氟酸(H2O+SF4→SOF2+2HF)而腐蝕材料。當(dāng)水分含量達(dá)到飽和時(shí)，還會(huì)在絕緣件表面凝露，使絕緣強(qiáng)度顯著降低，甚至引起沿面放電。運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)及上述論析都表面，SF6斷路器由于絕緣結(jié)構(gòu)體積較小，若SF6氣體的含水量較高，則將使絕緣水平大大下降，接觸電阻急劇增加，在運(yùn)行中易發(fā)生損壞或爆炸事故。
因此，各制造廠及運(yùn)行部門都要求有嚴(yán)格的密封工藝，同時(shí)規(guī)定SF6氣體的含水量不得超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)。
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