断路器是发电厂及变电站重要的控制和保护设备,它不仅可以切断与闭合高压电路的空载电流和负载电流,而且当系统发生故障时,能和保护装置、自动装置相配合,迅速地切断故障电流,以减少停电范围,防止事故扩大,保证系统的安全运行。自20世纪90年代初开始,我国35kV以上电力系统中油断路器逐渐被SF6断路器取代,。

一、断路器的基本原理

断路器是变电站中能够开合、承载和开断正常回路条件下的负荷电流,同时能够在规定时间内承载和开断异常回路条件下故障电流的机械开关装置。灭弧室是断路器最主要部分之一,能够熄灭电力设备通断过程所产生的电弧,保证电力系统的安全运行。高压交流断路器的灭弧原理是根据所使用的绝缘介质而决定的,不同的绝缘介质会采用不同的灭弧原理,相同的灭弧原理可以有各种不同的灭弧结构。SF6断路器的灭弧室主要有压气式和自能式两种。压气式灭弧室内充有0.45MPa(20℃表压)的SF6气体,分闸过程中,压气室对静止的活塞作相对运动,压气室内的气体被压缩,与气缸外的气体形成压力差,高压力的SF6气体通过喷口强烈吹拂电弧,迫使电弧在电流过零时熄灭。一旦分闸完毕,此压力差很快就消失,压气室内外压力恢复平衡。由于静止的活塞上装有逆止阀,合闸时的压力差非常小。自能式灭弧室的基本结构由主触头、静弧触头、喷口、压气室、动弧触头、气缸、热胀气室、单向阀、辅助压气室、减压阀和减压弹簧等组成。分闸操作时,操动机构带动支座中的传动轴及其内拐臂,从而拉动绝缘拉杆、活塞杆、压气室、动弧触头、主触头、喷口向下运动,当静触指和主触头分离后,电流仍沿着未脱开的静弧触头和动弧触头流动,当动、静弧触头分离时其间产生电弧,在静弧触头未脱离喷口喉部之前,电弧燃烧产生的高温、高压气体流入压气室,与其中的冷态气体混合,从而使压气室中的压力提升,在静弧触头脱离喷口喉部之后,压气室中的高压气体从喷口喉部和动弧触头喉部双向喷出,将电弧熄灭。合闸操作时,操动机构带动动触头、喷口和活塞向静触头方向运动,静触头插入动触头座内,使动、静触头有良好的电接触,达到合闸的目的,如图所示。

二、断路器的分类

(1)按灭弧介质分为油断路器、压缩空气断路器、真空断路器、SF6断路器;虽然每种断路器灭弧介质不同,但是它们的工作实质是相同的,都是为了熄灭断路器在分闸过程中产生的电弧,从而保证电气设备的安全运行。

1)油断路器:用油作灭弧介质。电弧在油中燃烧时,油受电弧的高温作用而迅速分解、蒸发,并在电弧周围形成气泡,能有效地冷却电弧,降低弧隙电导率,促使电弧熄灭。在油断路器中设置了灭弧装置(室),使油和电弧的接触紧密,气泡压力得到提高。当灭弧室喷口打开后,气体、油和油蒸气形成一股气流和液流,并根据具体的灭弧装置结构,可垂直于电弧横向吹弧、平行于电弧纵向吹弧或纵横结合等方式吹向电弧,对电弧实行强力有效的吹弧,这样就加速去游离过程,缩短燃弧时间,从而提高了断路器的开断能力。

2)压缩空气断路器:其灭弧过程是在特定的喷口中完成的,利用喷口产生高速气流,进行吹弧从而使电弧熄灭。断路器开断电路时,压缩空气产生的高速气流不仅带走了弧隙中大量的热量,从而降低弧隙温度,抑制热游离的发展,而且直接带走了弧隙中的大量正负离子,以新鲜的高压空气充于触头间隙,从而使间隙介质强度很快得到恢复,所以,压缩空气断路器相比于油断路器,其开断能力强、动作迅速、开断时间较短,而且在自动重合闸中不会降低开断能力。

3)真空断路器:用真空作为绝缘和灭弧介质。断路器开断时,电弧在真空灭弧室触头材料所产生的金属蒸气中燃烧,简称为真空电弧。当开断真空电弧时,由于弧柱内外的压力与密度差别都很大,所以弧柱内的金属蒸气与带电质点会不断向外扩散。弧柱内部处在带电质点不断向外扩散和电极不断蒸发出新质点的动态平衡中。随着电流减小,金属蒸气密度与带电质点的密度都下降,最后在电流接近零点时消失,电弧随之熄灭。此时,弧柱残余的质点继续向外扩散,断口间的介质绝缘强度迅速恢复,只要介质绝缘强度的恢复速度大于电压恢复上升速度,电弧就会熄灭。

4)SF6断路器:用SF6气体作为绝缘和灭弧介质。SF6气体是理想的灭弧介质,它具有良好的热化学性与强负电性。

a.热化学性即SF6气体有良好的热传导特性。由于SF6气体有较高的导热率,电弧燃烧时,弧心表面具有很高的温度梯度,冷却效果显著,所以电弧直径比较小,有利于灭弧。同时,SF6在电弧中热游离作用强烈,热分解充分,弧心存在着大量单体的S、F及其离子等,电弧燃烧过程中,电网注入弧隙的能量比空气和油等作灭弧介质的断路器低得多。因此,触头材料烧损较少,电弧也就比较容易熄灭。

b.SF6气体的强负电性就是这种气体分子或原子生成负离子的倾向性强。由电弧电离所产生的电子被SF6气体和由它分解产生的卤族分子、原子强烈的吸附,因而带电粒子的移动性显著降低,并由于负离子与正离子极易复合还原为中性分子和原子。因此,弧隙空间导电性的消失过程非常迅速。弧隙电导率很快降低,从而促使电弧熄灭。

(2)按结构型式分为瓷瓶支柱式断路器和罐式断路器。

(3)按操动机构性质分为电磁操动机构断路器、液压操动机构断路器、气动操动机构断路器、弹簧操动机构断路器、永磁操动机构断路器。

(4)按断口数量分为单断口断路器和多断口断路器;其中多断口断路器又分为带均压电容和不带均压电容断路器。

三、断路器的基本结构

断路器的基本结构主要包含基座、操动机构、传动元件、绝缘支撑元件、开断元件等部分,典型断路器基本结构如图所示。

开断元件:接通和断开电路,是断路器的核心部分。

传动元件:将操作命令和操作动能传递给动触头。

绝缘支撑元件:支撑断路器器身,承受开断元件的操动力和各种外力,保证开断元件的对地绝缘。

操动机构:用来提供分、合操作能量。

基座:用来支撑和固定断路器。