【文章內(nèi)容簡介】 機械接觸前， 觸頭間隙在電壓作用下即被擊穿 (稱為預擊穿 )，隨即出現(xiàn)短路電流，短路電流產(chǎn)生的電動力往往對斷路器的關(guān)合產(chǎn)生很大的阻力。有些情況下甚至產(chǎn)生動觸頭關(guān)合不到底的情況，這樣在觸頭間會形成持續(xù)的電弧，可能造成斷路器的損壞或爆炸。為了避免出現(xiàn)這一情況，斷路器應具有足夠的關(guān)合短路電流的能力。標志關(guān)合短路電流能力的參數(shù)是斷路器的額定短路關(guān)合電流 ieg(kA)，用峰值表示。 在電力系統(tǒng)輸電線路中因雷擊閃電和鳥害等將發(fā)生大量的瞬時性故障，對此，自動重合閘是提高供電可靠性的有力措施。在短路故障發(fā)生時，斷路器開斷，然后，經(jīng)很短時間再重新關(guān)合。如瞬時性故障已經(jīng)消失，則重合成功；如短路故障仍未消除，斷路器必須重新開斷。 采用自動重合閘的斷路器，其重合閘隔時間一般為 1s左右。要在很短的時間內(nèi)，可靠地連續(xù)分合幾次短路故障，因此也就增加了斷路器的工作負擔。 5．分合各種空載和負載電路 在電網(wǎng)運行過程中，斷路器有時需要關(guān)合、開斷空載長輸電線、空載變壓器、電容器組、高壓電動機等電路。分合這些電路的主要問題是產(chǎn)生過電壓。而斷路器的絕緣能力應可以承受這種過電壓。標志這方面分合能力的主要參數(shù)是額定電壓 ue，分合架空輸電線路和電力電纜的長度 (km)以及變壓器、電容器組的容量等。 6．允許分合次數(shù) 斷路器應有一定的允許分合次數(shù)，以保證足夠長的工作年限。根據(jù)標準，一般斷路器允許空載分合次數(shù) (也稱機械壽命 )為 2023次。控制電容器組、電動機等經(jīng)常操作的斷路器，其允許分合次數(shù)應當更多。 為了加長斷路器的檢修周期，斷路器還應有足夠的電壽命 (允許連續(xù)分合短路電流或負荷電流的次數(shù) )。一般說來，斷路器應有盡可能長的分合短路電流的電壽命。對用于保護、控制的經(jīng)常操作的斷路器，更應有連續(xù)分合幾千次以上負荷電流的電壽命。電壽命也可用累計開斷電流值 (kA)來表示。 (二 )一般電氣性能方面 高壓斷路器既然要長期裝設在電力系統(tǒng)中，就應能承受各種電壓、電流的作用而不致?lián)p壞。 1．電壓 額定電壓一定的斷路器，要求其絕緣部分應能長期承受相應的最大工作電壓，而且還要求能承受相應的大氣過電壓及內(nèi)部過電壓的作用。 標志這方面性能的參數(shù)是：最大工作電壓、工頻試驗電壓、全波和截波沖擊實驗電壓、操作波試驗電壓。試驗電壓值可參看有關(guān)標準。 2．電流 斷路器在長期通過工作電流時，各部分溫度不得超過允許值。關(guān)于斷路器在各種情況下的允許溫度，在有關(guān)標準中都有規(guī)定。斷路器在通過短路電流時，不應因電動力而受到損壞，各部分溫度也不允許超過短時工作的允許值，觸頭不應發(fā)生焊接或損壞。 標志這方面性能的參數(shù)是：額定電流 Ie、額定動穩(wěn)定電流 idw(峰值 )、額定熱穩(wěn)定電流 Ire和額定熱穩(wěn)定時間tre(2s或 4s)。 對斷路器來說，額定動穩(wěn)定電流 idw (極限通過電流 )、額定熱穩(wěn)定電流 Ire、額定開斷電流 Iek、額定短路關(guān)合電流 Ieg(峰值 )都是同一短路電流在不同操作情況下或不同時刻出現(xiàn)的電流有效值或峰值。斷路器標準中規(guī)定的各電流額定值的關(guān)系如圖 。 (三 )自然環(huán)境方面 斷路器在周圍各種環(huán)境條件下，都應可靠地工作，這些條件略述如下； 海拔高度對高壓電器主要有兩方而的影響： (1)對外部絕緣的影響。海拔高的地區(qū)，大氣壓力低，耐壓水平隨之降低。例如在海拔 1000 m以下能承受工頗耐壓 42kv， 1分鐘的高壓電器，在海拔超過 3000m的地區(qū)，只能耐壓 38kV。根據(jù)標準規(guī)定，用于高海拔地區(qū)(高于 1000m、低于 3500m)的電器產(chǎn)品，如在低海拔地區(qū)進行耐壓試驗時，試驗電壓應該提高。其試驗電壓為標準規(guī)定值乘以修正系數(shù) 100 001Hx??式中： H為安裝地點的海拔高度 (m)， 1000＜ H＜ 3500。 (2)對電器發(fā)熱溫度的影響。高海拔地區(qū)空氣稀薄，散熱差，允許通過的電流應該減小一些 在我國，海拔低于 1000m的地區(qū)僅占全四面積的 35％，但全國 90％以上的變電站都在此地區(qū)內(nèi)，所以有關(guān)標準規(guī)定，一般電器設備的使用環(huán)境按海拔低于 1000m及2500m兩檔考慮。 2．環(huán)境溫度 高壓電據(jù)有關(guān)標準規(guī)定，產(chǎn)品使用的環(huán)境溫度為一 40度一 +40度。溫度過低會使變壓器油、液壓油及潤滑泊的粘度增加，影響開關(guān)電器的分、合閘速度。溫度過低還會使 SF6氣體液化，使 SF6電器設備無法正常工作。密封材料在低溫下會出現(xiàn)性能劣化，造成電器設備的漏氣漏油。溫度過高，可能造成導電部分過熱及電容套管的密封膠滲出等。特別是裝設在戶外的電器產(chǎn)品， 要考慮日照的影響，在太陽光的直射下很容易過熱。標準建議，周圍環(huán)境溫度每增加 1176。 C，額定電流應減少％；每降低 1度，額定電流可增加 %，但最大不得超過 20％。溫度過高，空氣絕緣性能也會降低。標準規(guī)定，用于高溫地區(qū)的高壓電器在常溫地區(qū)進行耐壓試驗時、試驗電壓要適當提高。從 40度開始，每超過 3度，試驗電壓提高 1％。此外還應考慮環(huán)境濕度、風、雨、污穢、地震等多方面因素對斷路器工作的影響。 各種斷路器的主要技術(shù)參數(shù)可參見附錄二附表 ~。 二、少油斷路器 (一 )電弧在油中的燃燒與熄滅 當觸頭間發(fā)生電弧時，在電弧高溫 (5000 K— 13000 K)作用下，油很快蒸發(fā)和分解，在電弧周圍形成氣泡，電弧在氣泡內(nèi)燃燒。 分解的氣體占整個氣泡體積的 60％，油蒸氣占 40％。氣體組成大致如下：氫氣 70％ ~80％，乙快 15％一 20％，甲烷、乙烯占 5%一 10％。在各種氣體中，氫氣具有最佳的導熱性能，最小的粘度，擴散作用也比較強。這些都可以說明變壓器油能熄滅電弧，主要是分解的氫氣在起作用。分解的氣體直接擴散到弧柱區(qū)域，使電弧間隙強烈地冷卻和去游離。特別是在交流電弧電流過零時，這種作用更為強勁。 被電弧加熱的氣體和油蒸氣力因膨脹，但是受到周圍油和箱壁的阻礙，壓力增高，游離氣體的去游離作用加強，氣體的介質(zhì)強度恢復加快，這有助于電弧的熄滅。 圖 2． 23表示簡單開斷 (不采用任何滅弧裝置 )的油斷路器觸頭間電弧燃燒的情況。 如果滅弧室內(nèi)保持一定的壓力，則氫、油氣和未分解的油在滅弧室的空腔內(nèi)形成急速流動的油和氣流、對電弧產(chǎn)生吹的作用，可以增大滅弧能力。不過當壓力超過油的容器和滅弧裝置的機械強度時，將會產(chǎn)生爆炸。 (二 )幾種典型的滅弧室 在油中簡單開斷已不能滿足電網(wǎng)要求時，為加強油氣對電弧的冷卻(通常是用油氣吹弧 )作用，目前油斷路器中已全部采用滅弧裝置。按照吹弧的能源，滅弧裝置可以分成三類：①自能吹弧滅弧裝置。利用電弧放出的能量將油蒸發(fā)、分解而成油氣，提高滅弧裝置中的壓力以驅(qū)動油氣或油進行吹弧。②外能吹弧火弧裝置。利用外界能量 (通常是關(guān)合斷路器時儲藏在彈簧中的能量 )推動活塞，提高滅弧裝置中的壓力以驅(qū)動油進行滅弧。 3綜合吹弧滅弧裝置。兼用上述兩種能量來進行滅弧。 1．縱橫吹滅弧室 圖 10 kv SN10— 10I型少油斷路器滅弧室結(jié)構(gòu)。滅弧室由幾種不同形狀的滅弧片疊裝而成。當動、靜觸頭分離后，其間的電弧將油分解成高溫氣體，滅弧室內(nèi)壓力升高，促使逆止閥 (圖中沒有畫出 )中的小鋼球上升，堵住回油孔。加上絕緣套簡的密封作用，所以在剛分閘的瞬間，電弧在封閉的空間內(nèi)燃燒，電弧為氣泡所包圍，稱為封閉氣泡階段。隨著導電桿的向下運動，先后打開第一、二、三等橫吹口和下面的縱吹囊，滅弧空室存的高溫高壓氣體及油蒸氣以高速分別由第一、二、三個橫吹口和縱吹囊排出，產(chǎn)生強烈的橫吹與縱吹效應。電弧被拉長和強烈去游離，稱為縱吹橫吹階段。另一方面，出于導電桿迅速向下運動，排擠出與導電桿同體積的變壓器油 (通過附加油流通道 )進入滅弧室的第一橫吹孤道口，對電弧形成類似機械油吹作用 (又稱泵效應 )。也有利于滅弧。 這種滅弧室采用橫吹、縱吹和機械油吹三者相結(jié)合的滅弧結(jié)油斷路器的滅弧室結(jié)構(gòu)，所以滅弧性能好，在開斷大電流時，采用連續(xù)橫吹的原來，電弧在第一、二、三橫吹作用，以及縱吹油囊的縱吹作用，使電弧熄滅；在開斷更小的電流時，由附加油流速道的機械油吹作用，使電電弧熄滅。無論開斷電流大小，開斷過程中燃弧時間均不超過 2個周波。 2．縱吹滅弧室 圖 35kv少油斷路器的縱吹滅弧寶。滅弧室由六塊滅弧片組成，各滅弧片之間隔開一定距離形成油囊。滅弧室上部為靜觸頭，動觸頭 (導電桿 )向下運動，觸頭分開后產(chǎn)生電弧，電弧使油蒸發(fā)和分解出大量氣體。隨著動觸頭向下運動，高壓力氣體通過滅弧片中間的圓孔向上對電弧進行縱吹。待動、靜觸頭之間的距離足夠長時，電弧即能熄滅。采用縱吹滅弧室的少油斷路器有 SW2— 3SW6— 110與 SW6— 220等。 3．環(huán)吹滅弧室 環(huán)吹滅弧室出現(xiàn)于 20世紀 60年代，在 10 kv少油斷路器中應用，滅弧效果良好。 滅弧室的結(jié)構(gòu)原理如圖 。在圖 (a)中，上部為靜觸頭 1，動觸頭 2為管狀，側(cè)面有小孔。與一般斷路器不同，動觸頭端部是絕緣材料制成的。分斷時，動觸頭向下運動，動、靜觸頭間產(chǎn)生電弧。動觸頭頂端的絕緣部分把環(huán)形噴口的中間圓孔堵住。電弧蒸發(fā)和分解油產(chǎn)生的氣體推動變壓器油按照圖 (b)的方向運動，指向環(huán)形噴口，吹拂電弧使電弧熄滅。 環(huán)吹滅弧室有兩個優(yōu)點： (1)開斷大電流時，電弧能量較小，使觸頭燒損、噴油、噴氣現(xiàn)象大大減輕。在橫吹滅弧室中，由于開斷大電流時氣吹效果很強，電弧在氣吹作用下拉得很長，電弧電壓很高，電弧能量很大，觸頭燒損與噴油、噴氣現(xiàn)象必然嚴重。而在環(huán)吹滅弧室中，電弧在環(huán)形油流作用下，能夠保持直線形狀，因而電弧電壓與能量比橫吹滅弧室小。實驗數(shù)據(jù)表明，環(huán)吹滅弧室的電弧電壓比橫吹滅弧室低一半左右。 (2)開斷小電流的性能較好。環(huán)吹滅弧室開斷大電流時采用的是自能式滅弧原理，開斷小電流是外能式。在滅弧室中，中間隔板 6將上部滅弧空間與下部密封的機構(gòu)箱隔開。當管狀動觸頭向下運動時，由于油不可壓縮，下部機構(gòu)箱中的油被迫從管狀動觸頭的內(nèi)孔由下向上流動，經(jīng)過管狀動觸頭的側(cè)面小孔噴向，包弧區(qū) (圖 )，對開斷小電流極為有利。因此，環(huán)吹滅弧室不存在臨界開斷電流。 開斷小電流的燃弧時間與大電流相同，在 10 kv斷路器中燃弧時間不超過 20ms?，F(xiàn)代很多少油斷路器都利用這種壓油作用來改善小電流的滅弧性能。 縱吹、橫吹都是油自能滅弧裝置，它們有一共同特點，就是存在臨界開斷電流現(xiàn)象。為了減少熄滅小電流時的熄弧時間，消滅臨界開斷電流現(xiàn)象，提出了利用活塞壓油的機械油吹滅弧方式。 (三 )少油斷路器的典型結(jié)構(gòu) 油斷路器有多油、少油之分，多油斷路器與少油斷路器采用工作原理相同的滅弧室。多油斷路器中的變壓器油既完成滅弧作用，又作為斷路器截流體與外殼的絕緣介質(zhì)，故需油量較多，少油斷路器只要求變壓器油完成吹動、熄滅電弧的作用，載流體與外殼的絕緣則由電工瓷或其他介質(zhì) (如樹脂筒殼 )承擔，故需油量較小。多油斷路器體積龐大，占地較寬，運輸安裝都不方便， 特別是容易引起嚴重的火災。因此，多油斷路器在我國除早期建成的發(fā)電廠、供電系統(tǒng)中仍有運行及 10 kv、35kv電壓等級仍有部分生產(chǎn)外， 220 kV及以下各電壓等級均以生產(chǎn)少油斷路器為主。本節(jié)主要介紹 10 kv及110kv兩種少油斷路器的結(jié)構(gòu)。 1． SN10— 10少油斷路器 這是我國當前生產(chǎn) 10 kv電壓級斷路器的主要品種。圖 (圖中只示出斷路器的一相 )，各相斷路器分別通過瓷瓶 5固定在底架 2上。圖示斷路器在合閘位置電流經(jīng)上接線板 9，靜觸頭 8，導電桿 11，流動式中間觸頭 12到下接線板 13，形成導電回路。 分閘時，在操動機構(gòu)中的分閘電磁鐵作用下，解開合閘保持機構(gòu)的鉤鉸，由于分閘彈簧的作用，主軸 4轉(zhuǎn)動，經(jīng)四連桿機構(gòu)轉(zhuǎn)動斷路器各相的轉(zhuǎn)軸 14，將導電桿 11向下拉動，動、靜觸頭分離，觸頭間產(chǎn)生電弧，電弧在滅弧室 10中熄滅。電弧分解和蒸發(fā)的氣體，收到空氣室 7內(nèi)，膨脹、冷卻，再經(jīng)過油氣分離器，氣體從上帽頂部的排氣孔排出，冷卻的油回到空氣室內(nèi)，以減少油的消耗。在分閘行程接近終了時，油緩沖器活塞桿 15插入導電桿底部鋼管中進行分閘緩沖。合閘時，操動機構(gòu)中