中压开关柜中的断路器

一、高压断路器概述

1. 用　途

高压断路器是高压电器设备中最重要的设备，是一次系统中控制和保护电路的关键设备。断路器在正常运行时，用来接通或断开电路的负荷电流；当系统故障时，在继电保护装置的作用下，用来迅速断开短路电流，切除故障电路，以保障系统中非故障部分的正常运行。

2. 对高压断路器的基本要求

① 在合闸状态时应为良好的导体，不但能通过正常的负荷电流，即使通过短路电流时，也不应因热和电动力的作用而损坏。

② 在分闸状态时应具有良好的绝缘性，在规定的环境条件下，能承受相对地的电压，以及一相内断口间的电压。

③ 在开断规定的短路电流时，应有足够的开断能力和尽可能短的开断时间，一般在开断临时性故障后，要求能进行自动重合闸。

④ 在接通规定短路电流时，短时间内断路器的触头不能产生熔焊等情况。

⑤ 在制造厂家给定的技术条件下，高压断路器要能长期可靠地工作，有一定的机械寿命和电气寿命。

此外，高压断路器还应具有结构简单、体积小、重量轻、安装和检修方便等优点。

3. 高压断路器的类型

按照不同的标准，高压断路器有不同的分类方法。

① 根据装设地点的不同，高压断路器可分为户内和户外两种。户外高压断路器具有能承受风、雨、雪、污秽、凝露、冰及浓霜等性能，为此，制造工艺和技术要求等相对较高，价格较贵。

② 根据使用的灭弧介质不同，高压断路器可分为下列几种类型：

a. 油断路器。油断路器是以绝缘油为灭弧介质，可分为多油断路器和少油断路器。在多油断路器中，油不仅作为灭弧介质，而且还作为绝缘介质，因此用油量多、体积大。在少油断路器中，油只作为灭弧介质，因此用油量少、体积小、耗用钢材少。目前在变电所中，油断路器已很少采用，逐渐被其他断路器所替代。

b. 空气断路器。空气断路器以压缩空气作为灭弧介质，具有灭弧能力强、动作迅速等优点，但结构复杂、工艺要求高、有色金属消耗多。因此，空气断路器一般应用在110 kV及以上的系统中。

c. SF6断路器。SF6断路器采用具有优良灭弧能力和绝缘能力的SF6气体作为灭弧介质，具有开断能力强、动作快、体积小等优点，但金属消耗多，价格较贵。SF6断路器在我国发展很快，在高压和超高压系统中得到了广泛的应用，尤其是以SF6断路器为主体的封闭式组合电器，是高压和超高压电器的重要发展方向。

d. 真空断路器。真空断路器是在高度真空中灭弧，利用真空作为绝缘介质和灭弧介质。这种断路器具有开断能力强、灭弧迅速，触头不易氧化、运行维护简单，灭弧室不需检修，结构简单、体积小、质量轻，噪声低、寿命长、无火灾和爆炸危险等优点；但制造工艺、材料和密封性要求高，开断电流和断口电压不能做得很高。

城市轨道交通中，在110 kV及以上的GIS组合电器中大多采用SF6断路器，而中压（35 kV或者10 kV）开关柜大多采用真空断路器。

4. 高压断路器的基本结构

高压断路器的结构很多，型式各异，但基本上都是由开断元件、绝缘支撑元件、操动机构、中间传动机构和基座等几部分组成，如图4.22所示。开断元件是断路器用来进行关合、承载和开断正常工作电流和故障电流的执行元件，它包括触头、导电部分和灭弧室等。操动机构（也称为操作机构）向开断元件提供分、合闸操作的能量，实现各种规定的顺序操作，并维持开关的合闸状态，触头的分合动作是靠操动机构来带动的，常用的操动机构有手动操动机构、电磁操动机构、弹簧操动机构、气动操动机构和液压操动机构等。绝缘支撑元件起着固定开断元件的作用，并使其带电部分与地绝缘。中间传动机构把操动机构提供的操作能量及发出的操作命令传递给开断元件。基座用于支撑、固定和安装开关电器的各结构部分，使之成为一个整体。

断路器在电路中的图形符号如图4.23所示，文字符号用QF表示。

图4.22　高压断路器结构示意图

图4.23　断路器图形符号

5. 高压断路器的型号

高压断路器类型很多，目前我国断路器的型号根据国家技术标准的规定，一般由文字符号和数字按以下方式组成：

[1] [2] [3] [4]—[5] [6] [7]/[8] [9]—[10][11]

其代表意义为：

[1] 产品名称，用下列字母表示：S—少油断路器；D—多油断路器；K—空气断路器；L—六氟化硫断路器；Z—真空断路器。

[2] 装置地点代号：N—户内；W—户外。

[3] 设计序号：以数字1、2、3表示。

[4] 改进顺序号：以A、B、C表示。

[5] 额定电压，kV。

[6] 其他补充工作特性标志：G—手车式；C—改进型；F—分相操作。

[7] 特殊使用条件标志：w—污秽；TH—湿热；G—高海拔。

[8] 操动机构类别：CS—手动；CD—电磁；CY—液压；CT—弹簧。

[9] 额定电流，A。

[10] 额定开断电流，kA。

[11] 企业自定义符号。

6. 高压断路器的基本技术参数

（1）额定电压

高压断路器在规定的正常使用和性能条件下，能够连续运行的最高电压称为断路器的额定电压。根据我国交流高压断路器国家标准的规定，高压断路器的额定电压有：3.6 kV、7.2 kV、12 kV、40.5 kV、72.5 kV、126 kV、252 kV、363 kV、550 kV、800 kV等。

断路器工作时还应耐受高于额定电压的各种过电压作用而不会导致绝缘的损坏。标志这方面性能的参数有：短时工频耐受电压、雷电冲击耐受电压和操作冲击耐受电压。具体数值与断路器的额定电压有关，可参考交流断路器有关国家标准。

（2）额定电流

额定电流指在规定的正常使用和性能条件下，断路器主回路能够连续承载的电流有效值。

（3）额定开断电流

它是表征断路器开断能力的参数。在额定电压下，断路器能保证可靠开断的最大电流，称为额定开断电流，其单位用断路器触头分离瞬间短路电流周期分量有效值的千安数表示。当断路器在低于其额定电压的电网中工作时，其开断电流可以增大。但受灭弧室机械强度的限制，开断电流有一最大值，称为极限开断电流。

（4）动稳定电流

它是表征断路器通过短时电流能力的参数，反映断路器承受短路电流电动力效应的能力。断路器在合闸状态下或关合瞬间，允许通过的电流最大峰值，称为动稳定电流，又称为极限通过电流。断路器通过动稳定电流时，不能因电动力作用而损坏。

（5）关合电流

关合电流是表征断路器关合电流能力的参数。因为断路器在接通电路时，电路中可能预伏有短路故障，此时断路器将关合很大的短路电流。这样，一方面由于短路电流的电动力减弱了合闸的操作力，另一方面由于触头在尚未接触前发生击穿而产生电弧，可能使触头熔焊，从而使断路器造成损伤。断路器能够可靠关合的电流最大峰值，称为额定关合电流。额定关合电流和动稳定电流在数值上是相等的，两者都等于额定开断电流的2.55倍。

（6）热稳定电流和热稳定电流的持续时间

热稳定电流也是表征断路器通过短时电流能力的参数，但它反映的是断路器承受短路电流热效应的能力。热稳定电流是指断路器处于合闸状态下，在一定的持续时间内，所允许通过电流的最大周期分量有效值，此时断路器不应因短时发热而损坏。国家标准规定：断路器的额定热稳定电流等于额定开断电流。额定热稳定电流的持续时间为2 s，需要大于2 s时，推荐4 s。

（7）合闸时间与分闸时间

这是表征断路器操作性能的参数。各种不同类型的断路器的分、合闸时间不同，但都要求动作迅速。合闸时间是指从断路器操动机构合闸线圈接通到主触头接触的这段时间，断路器的分闸时间包括固有分闸时间和熄弧时间两部分。固有分闸时间是指从操动机构分闸线圈接通到触头分离的这段时间，熄弧时间是指从触头分离到各相电弧熄灭为止的这段时间。

（8）操作循环

操作循环也是表征断路器操作性能的指标。架空输电线路的短路故障，大多数是雷害、鸟害等临时性故障。因此，为了提高供电的可靠性并增加电力系统的稳定性，线路保护多采用快速自动重合操作的方式，即输电线路发生短路故障时，根据继电保护发出的信号，断路器开断短路故障，然后经很短时间又再次自动关合。断路器重合后，如故障并未消除，断路器必须再次开断短路故障。在有些情况下，由运行人员在断路器第二次开断短路故障后经过一定时间（例如180 s），再令断路器关合电路，称作“强送电”。强送电后，故障如仍未消除，断路器还需第三次开断短路故障。上述操作顺序称为快速自动重合闸断路器的额定操作顺序，操作顺序为：

分—θ —合分—t—合分

其中　分指分闸操作；

合分指断路器合闸后无任何有意延时就立即进行分闸操作；

θ 指无电流间隔时间，即断路器开断时从所有相中电弧均已熄灭起到重新关合时任意一相中开始通过电流时的时间间隔，对快速自动重合闸的断路器，取0.3 s；t指运行人员“强送电”时间，一般时间为180 s；采用快速自动重合闸的断路器，在上述很短的时间内应该能可靠地多次连续关合、开断短路故障。对于断路器来说，这种连续多次开合短路电流比只开断一次短路电流的负担要沉重得多。

二、真空断路器的结构、原理

利用真空度为10－4 Pa的高真空作为触头间的绝缘与灭弧介质的断路器称为真空断路器。一般气体稀薄的空间，凡是绝对压力低于正常大气压力的状态都可称为真空状态，绝对压力等于零的气体称为绝缘真空，这才是真正的真空或理想的真空。真空度就是气体的绝对压力与大气压的差，表示气体稀薄的程度，气体的绝对压力值越低，真空度就越好。

1. 真空中的电弧

真空间隙的气体稀薄，分子的自由行程大，发生碰撞的几率小，因此，碰撞游离不是真空间隙击穿产生电弧的主要因素。真空中电弧是在触头电极蒸发出来的金属蒸汽中形成的。

不管触头表面如何平整，微观上看总是凸凹不平的。两触头接触时，只有表面突起的部分相接触，接触点的多少和接触面积的大小、接触压力等有关。当触头在真空中开断电流时，随着触头分离，接触压力减小，接触点的数量和接触面积也随之减少。电流集中在越来越少的少数接触点上，损耗增加，接触点温度急剧升高，出现熔化。随着触头继续分开，熔化的金属桥被拉长变细并最终断裂产生金属蒸汽。金属蒸汽的温度很高，部分原子可能产生热电离，加上触头刚分离时，间隙距离很短，电场强度很高，阴极表面在高温、强电场的作用下又会发射出大量电子，并很快发展成温度很高的阴极斑点。而阴极斑点又会蒸发出新的金属蒸汽和发射电子，这样触头间的放电将转变为自持的真空电弧。由此可见，维持真空电弧的是金属蒸汽而不是气体分子。金属蒸汽来自触头材料的蒸发，因此，影响真空间隙击穿的主要因素除真空度外，还与电极材料、电极表面状况、真空间隙长度等有关。

电弧中的离子与周围高真空比较起来，形成局部的高压力和高密度，因而电弧中的离子迅速向周围扩散。当电弧电流到达零值时，由于电流减小，从而向电弧供给的能量减少，电极的温度随之降低，当触头间的离子因扩散而消失的数量超过产生的数量时，电弧便不能维持而熄灭。

2. 真空灭弧室结构

真空灭弧室的结构示意图如图4.24所示。它主要由绝缘外壳、波纹管、动静触头和屏蔽罩等组成。外壳是由绝缘筒1、静端盖板2、动端盖板7和波纹管8所组成的真空密封容器。灭弧室内的静触头3固定在静导电杆9上，静导电杆穿过静端盖板2并与之焊成一体。动触头4固定在动导电杆10的一端，动导电杆的中部与波纹管8的一个端口焊在一起，波纹管的另一端口与动端盖板7的中孔焊接，动导电杆从中孔穿出外壳。在动、静触头和波纹管周围分别装有屏蔽罩5和6。由于波纹管在轴向上可以伸缩，因而这种结构既能实现从灭弧室外操动动触头的分合运动，又能保证外壳的密封性。

图4.24　真空灭弧室结构示意图
1—绝缘筒；2、7—盖板；3—静触头；4—动触头；5—主屏蔽罩；6—波纹管屏蔽罩；8—波纹管；9—静导电杆；10—动导电杆

由于大气压力的作用，灭弧室在无机械外力作用时，其动静触头始终保持闭合位置，当外力使动导电杆向外运动时，触头才分离。

（1）绝缘外壳

绝缘外壳的作用是构成一个真空密封容器，同时容纳和支持真空灭弧室内的各个零件。为保证真空灭弧室工作的可靠性，对外壳的密封性要求很高，其次是要有一定的机械强度。

绝缘筒用硬质玻璃、高氧化铝陶瓷或微晶玻璃等绝缘材料制成。外壳的端盖常用不锈钢、无氧铜等金属制成。

（2）波纹管

波纹管的功能是用来保证灭弧室完全密封，同时使操动机构的运动得以传到动触头上。波纹管常用的材料有不锈钢、磷青铜等，其中以不锈钢性能最好，有液压成形和膜片焊接两种形式。波纹管允许伸缩量应能满足触头最大开距的要求。触头每分合一次，波纹管的波状薄壁就要产生一次大幅度的机械变形，很容易使波纹管因疲劳而损伤。通常，波纹管的疲劳寿命也决定了真空灭弧室的机械寿命。

（3）屏蔽罩

主屏蔽罩的主要作用是：防止燃弧过程中电弧生成物喷溅到绝缘外壳的内壁上，引起其绝缘强度降低；冷凝电弧生成物，吸收部分电弧能量，以利于弧隙介质强度的快速恢复；改善灭弧室内部电场分布的均匀性，降低局部场强，促进真空灭弧室小型化；保护波纹管免遭电弧生成物的烧损，防止电弧生成物凝结在其表面上。

屏蔽罩采用导热性能好的材料制成，常用的材料为无氧铜、不锈钢和玻璃，其中铜是最常用的。在一定范围内，金属屏蔽罩厚度的增加可以提高灭弧室的开断能力。

（4）触头

一般断路器的触头只是用来承载和开、合电流，电弧的熄灭另由专门的灭弧装置来完成。真空断路器则不同，为了保持由玻璃、陶瓷或微晶玻璃制成的绝缘外壳内高的真空度，外壳内除了必要的动静触头外，不可能再配置结构复杂的灭弧装置。

触头是真空灭弧室最为重要的元件，真空灭弧室的开断能力和电气寿命主要取决于触头状况。真空触头具有三种典型的结构型式：平板触头［见图4.25（a）］、横磁场触头［见图4.25（b）、（c）］、纵磁场触头［见图4.25（d）、（e）］。

图4.25　各种触头结构形状

① 平板触头。最初的真空灭弧室采用简单的平板触头。要增大开断电流，就得增大触头截面积。当电流超过10 kA时，真空电弧聚集，并停滞在局部地方，随着电弧温度的上升，产生严重熔焊的斑点。因此，平板电弧一般用于开断8 000 A以下电流。

② 横磁场触头。为了防止触头局部熔焊，利用电弧沿特殊路径流过触头产生横磁场而驱动电弧在触头表面上运动。这种横磁场触头可分为螺旋触头和杯状触头两种。其开断能力可达40 kA。

③ 纵磁场触头。纵磁场触头沿正极性真空弧柱的轴向施加一磁场，使之熄弧更为强烈。其开断电流在实验室已高达200 kA。

3. 真空断路器的结构

真空断路器的结构主要由操动机构、支撑用的绝缘子和真空灭弧室、支持套管、支架等构成，其基本结构如图4.26所示。

图4.26　真空断路器的基本结构
1—操动机构；2—支持套管；3—隔离插头；4—灭弧室；5—支持绝缘子；6—保护套管；7—绝缘拉杆；8—底座

4. 开关柜断路器的类型

城市轨道交通供电系统中，中压柜型开关柜通常采用真空断路器，其外形如图4.27所示。

图4.27　真空断路器的外形图
1—面板；2—机械式ON按钮；3—机械式OFF按钮；4—机械式操作次数计数器；
5—机械式位置指示器；6—储能杆传动件；7—机械式储能状态指示器；
8—断路器操动机构；9—两侧的吊孔；10—电极绝缘套管；
11—断路器电极；12—安装板

真空断路器的结构如图4.28所示，断路器本体呈圆柱状，垂直安装在做成托架状的断路器操动机构外壳1的后部。断路器本体为组装式，导电部分设置在用绝缘材料制成的极柱套筒4内，使得真空灭弧室免受外界影响和机械的伤害。

断路器在合闸位置时主回路的电流路径是：从上出线端子3经固定在极柱套筒4上的灭弧室支撑座，到位于真空灭弧室5内部的静触头，而后经过动触头及滚子触头7，至下部接线端子6。真空灭弧室的开合是依靠绝缘拉杆9与触头压力弹簧8推动的。

图4.28　真空断路器结构图
1—断路器操动机构外壳；2—可拆卸的面板；3—上部接线端子；4—极柱绝缘套筒；
5—真空灭弧室；6—下部接线端子；7—滚子触头；8—触头压力弹簧；
9—绝缘拉杆；10—分闸弹簧；11—拨叉

5. 真空断路器的特点

真空断路器具有体积小、占地面积小、使用安全、维护简单的特点。真空灭弧室是密封的，工作状态与外界大气条件无关，真空灭弧室开断性能不受外部环境的影响，在开断短路电流时不会产生喷油、排气，不会给外界带来污染。

真空断路器在使用中，灭弧室无需检修；开断过程中不会产生很高的压力，爆炸危险性小；开断短路电流时也没有很大的噪声，可以频繁操作，因此特别适合配电系统使用。

三、SF6断路器的结构、原理

SF6断路器是以SF6气体作为灭弧介质和绝缘介质的一种断路器。SF6气体具有良好的绝缘性能和灭弧能力，因此在断路器中的应用得到迅速发展。

1. SF6气体的性能

SF6气体是无色、无臭、无毒、不燃的惰性气体，并且容易液化。其化学性质非常稳定，在允许运行温度范围内，SF6气体对设备中常用的铜、钢、铝等金属材料不起化学作用。在200 °C以上时，对铜和铝的腐蚀也是极微弱的。一般来说，SF6气体对断路器的材料没有腐蚀作用，因此断路器的检修周期长，检修工作量少。

2. SF6断路器灭弧室工作原理

SF6断路器灭弧室有双压式和单压式两种结构。双压式灭弧室设有高压和低压两个气压系统。低压系统主要用作灭弧室的绝缘介质，高压系统只在灭弧过程中才起作用。这种灭弧室具有吹弧能力强、开断容量大、动作快、燃弧时间短等优点。所以，早期的SF6断路器都采用这种灭弧室。但其存在结构复杂、所用辅助设备多、维护不方便等明显缺点，已逐渐被单压式灭弧室所取代。

单压式灭弧室是根据活塞压气原理工作的，又称压气式灭弧室。平时灭弧室中只有一种压力的SF6气体，起绝缘作用。开断过程中，灭弧室所需的吹气压力由动触头系统带动压气缸对固定活塞做相对运动，产生短时高压气体，从而吹弧并熄弧。其SF6气体同样是在封闭系统中循环使用，不能排向大气。这种灭弧室结构简单、动作可靠。我国研制的SF6断路器均采用单压式灭弧室，其按电弧是否被拉长可分为定开距和变开距两种。定开距是指开关在灭弧过程中弧触指位置始终不变，而变开距的弧触指是移动的，电弧随触指的运动改变长度。两者共同的特点是都要通过压气缸预压缩，在电弧形成后对电弧进行吹弧。

（1）定开距灭弧室

如图4.29所示为定开距灭弧室结构示意图（合闸状态）。断路器的触头由两个带喷嘴的空心静触头3、5和动触头2组成。断路器弧隙由两个静触头保持固定的开距，故称为定开距灭弧室。由于SF6的灭弧和绝缘能力强，所以开距一般不大。动触头与压气缸1连成一体，并与拉杆7连接，操动机构可通过拉杆带动动触头和压气缸左右运动。固定活塞由绝缘材料制成，它与动触头、压气缸之间围成压气室4。

图4.29　定开距灭弧室结构示意图
1—压气缸；2—动触头；3、5—静触头；4—压气室；6—固定活塞；7—拉杆

定开距灭弧室动作过程示意图如图4.30所示，图4.30（a）为断路器处于合闸位置，这时动触头跨接于两个静触头之间，构成电流通路；分闸时，操动机构可通过拉杆带动动触头和压气缸向右运动，使压气室内的SF6气体被压缩，压力提高1倍左右，这一过程被称为压气过程或预压缩过程，如图4.30（b）所示；当动触头离开静触头时，产生电弧，同时将原来被动触头所封闭的压气缸打开，高压SF6气体迅速向两静触头内腔喷射，对电弧进行强烈的双向纵吹，如图4.30（c）所示；当电弧熄灭后，触头处在分闸位置，如图4.30（d）所示。

图4.30　定开距灭弧室动作过程示意图

这种灭弧室的特点：开距较短，电弧长度短，能量小易熄灭，开断电流大，电场的分布比较均匀，气流状态好，喷口可以用耐弧的合金做成，烧损轻微，但压气室的气体利用率较低，行程大，动作时间长。

（2）变开距灭弧室

变开距灭弧室结构示意图 （分闸状态）如图4.31所示，其触头系统包括主静触头1、弧静触头2、主动触头5、弧动触头4及中间触头10，主触头（即工作触头）和中间触头装在外侧，以改善散热条件，提高断路器的热稳定性。喷嘴3由耐高温的绝缘材料制成，并与弧动触头4、主动触头5及压气缸6连成一体，构成灭弧室的可动部分。压气室8由通道通向喷嘴3，在固定活塞9上有逆止阀7。合闸时操动机构通过拉杆使可动部分向左运动，压气室压力降低，逆止阀打开，SF6气体从活塞上的小孔经逆止阀冲入压气室，不致使压气室内形成负压，影响合闸速度。

图4.31　变开距灭弧室结构示意图
1—主静触头；2—弧静触头；3—喷嘴；4—弧动触头；5—主动触头；6—压气缸；7—逆止阀；8—压气室；9—固定活塞；10—中间触头

变开距灭弧室动作过程示意图如图4.32所示，图4.32（a）断路器处于合闸位置，这时由主静触头、主动触头、压气缸、中间触头构成电流通路；分闸时，操动机构通过拉杆带着可动部分向右运动，使压气室内的SF6气体被压缩，逆止阀关闭，压气室压力增加，主动触头、静触头首先分离，如图4.32（b）所示；当弧动、静触头分离时，产生电弧，同时压气室高压气流向弧动、静触头内腔喷射，对电弧进行强烈的双向纵吹，如图4.32（c）所示；当电弧过零时熄灭，触头处在分闸位置，弧柱的热能被排入灭弧室钢筒外壳，新鲜冷态的SF6气体重新充入弧隙，保证断口的绝缘，如图4.32（d）所示。

图4.32　变开距灭弧室动作过程示意图

这种灭弧室的特点：气吹时间长，气体利用率较高，可利用弧柱对弧道的堵塞效应加强电弧过零前后的气流量，但开距较长，弧压高弧能大，不易提高开断容量。

3. 开关柜中断路器的类型

高压开关柜通常采用SF6断路器，其结构如图4.33所示，断路器由装于上部的弹簧操动机构1和下部的断路器本体两大部分组成。

断路器本体由支持件2、连动杆3、支持绝缘件4、导体5、灭弧室6等组成，主导电回路通过盆式绝缘子7引入（引出）并固定在壳体9上；弹簧机构的操作能通过连动杆转化为三个灭弧室的操作能，灭弧室与壳体之间通过支持绝缘件绝缘，断路器的壳体在工作状态始终处于低电位，壳体内部充额定压力的SF6气体用于灭弧和相间、导电部位与接地的壳体之间的绝缘。

图4.33　SF6断路器的结构
1—弹簧机构；2—支持件；3—连动杆；4—支持绝缘件；5—导体；6—灭弧室；7—盆式绝缘子；8—吸附剂；9—壳体

吸附剂8用来吸收SF6气体中的微量水分和断路器开断时SF6气体的分解物，是SF6气体的重要组成部分，也是保证断路器的绝缘性能和开断能力的重要材料。