高壓電器與開關(guān)設(shè)備.ppt

第二章 高壓電器與開關(guān)設(shè)備,第一節(jié) 高壓電器的作用及分類,在高壓系統(tǒng)中，用來對電路進(jìn)行開、合操作，切除和隔離事故區(qū)域?qū)﹄娐愤M(jìn)行運(yùn)行情況監(jiān)視、保護(hù)及數(shù)值測量的量測設(shè)備，統(tǒng)稱為高壓電器。 按照用途，高壓電器可以分成下列幾類： (1)開關(guān)電器，用來關(guān)合和開斷電路的電器。包括： 斷路器(DL)：用來在電路正常工作和發(fā)生故障(例如發(fā)生短路)時(shí)關(guān)合和開斷電路。 隔離開關(guān)(G)：主要用于將高壓設(shè)備與電源隔離，以保證檢修工作人員的安全。 熔斷器(RN)：用來在電路發(fā)生過載或短路時(shí)依靠熔件的熔斷開斷電路。,負(fù)荷開關(guān)(FW)：用來在電路正常工作成過載時(shí)關(guān)合和開斷電路，不能開斷短路電流。 (2)限制電器，用來限制電路中電壓或電流的電器。它包括： 電抗器(L)：主要用來限制電路中的短路電流。某些類型的熔斷器也有限制短路電流的作用。 避雷器(BL)：用來限制電路中出現(xiàn)的過電壓。 (3)變換電器，用來變換電路中的電壓和電流使之便于檢測的電器。它包括： 電流互感器(LH)：用來變換電路中的電流，以便供電給測量儀表、繼電器或自動(dòng)裝置，并使之與高壓電路隔離。 電壓互感器(YH)：用來變換電路中的電壓，以便供電給測量儀表、繼電器或自動(dòng)裝置，并使之與高壓電路隔離。,(4)組合電器。將上述某幾種電器，按一定的線路裝配成一個(gè)整體的電器組合。 按照安裝地點(diǎn)，高壓電器可以分為： (1)戶內(nèi)式。裝在建筑物內(nèi)不具有防風(fēng)、雨、雷、灰塵、露、冰、濃霜等性能。戶內(nèi)式高壓電器的工作電壓一般為35kv及以下的電壓等級。 (2)戶外式。適于安裝在露天，能承受風(fēng)、雨、雷、灰塵、露、冰、濃霜等作用。戶外式高壓電器的工作電壓一般都在35kv及以上電壓。 按照電流制式，高壓電器可以分為： (1)交流電器。工作于三相或單相工頻交流制的電器，極少數(shù)工作在非工頻系統(tǒng)。 (2)直流電器。工作于直流制系統(tǒng)。,對于電氣化鐵道及城市交通系統(tǒng)，交流電器是交流制電氣化鐵道及城市地鐵供電系統(tǒng)中大量應(yīng)用的電器；直流電器則是直流制電氣化鐵道、城市地鐵及輕軌交通供電系統(tǒng)中大量使用的電器。 按照高壓電器工作條件及所起作用的不同，其結(jié)構(gòu)和工作性能應(yīng)具有不同特點(diǎn)。高壓電器應(yīng)能可靠地在規(guī)定的工作電壓及電流下工作，因此，應(yīng)具有足夠的絕緣強(qiáng)度和載流能力；用于切斷載流電路的開關(guān)設(shè)備，應(yīng)具有足夠的熄滅電弧的能力；對電路運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視、測量的電器元件(例如電壓、電流互感器)應(yīng)能滿足測量精度的要求；對電路運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行保護(hù)用的電壓、電流互感器，除了應(yīng)能滿足測量精度的要求外、還應(yīng)在高電壓或大電流作用下不至于飽和。所有的高壓電器都應(yīng)滿足運(yùn)行可靠、工作靈活的要求，同時(shí)還必須考慮經(jīng)濟(jì)條件。,第二節(jié) 交、直流電弧的形成及熄弧原理與方法,研究和使用高壓電器，尤其是高壓斷路器，要使它們可靠地工作，必須對開關(guān)設(shè)備在開斷電路的過程中，其觸頭間產(chǎn)生電弧的性質(zhì)有一個(gè)清楚的了解，以便掌握現(xiàn)代高壓電器設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，正確地進(jìn)行選擇和使用。 開關(guān)設(shè)備一般由導(dǎo)電體、觸頭和絕緣介質(zhì)組成。介質(zhì)由絕緣狀態(tài)變?yōu)閷?dǎo)電狀態(tài)，使電流得以通過的現(xiàn)象，叫做放電。在一定的光、熱和電場的作用下，介質(zhì)中的中性的、不導(dǎo)電的質(zhì)點(diǎn)將產(chǎn)生自由電子、正離子和負(fù)離于，從而形成游離。當(dāng)介質(zhì)達(dá)到一定的游離程度時(shí)。介質(zhì)將被擊穿而產(chǎn)生電弧。因此，研究電弧的形成必須掌握介質(zhì)的游離過程。介質(zhì)游離的過程如下。,（一）表面發(fā)射 由金屬電極(觸頭)表面發(fā)射電子、叫表面發(fā)射。 (1)強(qiáng)場發(fā)射。當(dāng)金屬表面存在較高的電場強(qiáng)度(大干107Vmm)時(shí)，自由電子可能逸出金屬，這種過程叫強(qiáng)場發(fā)射。斷路器觸頭剛分離時(shí)，強(qiáng)場發(fā)射占主導(dǎo)地位。 (2)熱發(fā)射。當(dāng)金屬溫度升高列2000一5000 K，金屬表面的自由電子可能獲得足夠的動(dòng)能，克服將電子滯留在金屬內(nèi)部的力量而逸出金屬，這種過程叫熱發(fā)射。斷路器觸頭分離后期，熱發(fā)射較強(qiáng)烈。 (3)光發(fā)射。當(dāng)紅外線、紫外線及其他射線照射列金屬表面時(shí)，引起電子從金屬表面逸出的過程，叫光發(fā)射。光波越短，引起光發(fā)射的能力越強(qiáng)。觸頭分離過程中，隨著電弧燃燒，存在著光發(fā)射現(xiàn)象。,(4)二次發(fā)射。當(dāng)正離子在電場作用下高速撞擊陰極，或者自由電子高速撞擊陽極時(shí)。也可能使金屬電極表面發(fā)射出電子，此過程叫二次發(fā)射。在氣壓較高的放電間隙中，通常陰極表面附近電場強(qiáng)度較高，所以陰極表面二次發(fā)射較強(qiáng)，并在氣體放電過程中起重要作用。 (二)空間游離 電極(觸頭)間的介質(zhì)在外界力量的影響下，其分子及原子分裂成自由電子和正離子的過程，叫空間游離。 (1)光游離。中性粒子受到光的照射，當(dāng)光子的能量大于介質(zhì)原于或分子的游離能時(shí)，在空間就產(chǎn)生光游離。光的波長越短，游離作同越強(qiáng)，可見光幾乎不能引起氣體游離。 (2)碰撞游離。由表面發(fā)射或光游離所產(chǎn)生的帶電粒子，在觸頭間電場作用下被加速而獲得動(dòng)能。,若運(yùn)動(dòng)中的電子從電場中獲得的動(dòng)能足夠大，當(dāng)它與中性質(zhì)點(diǎn)碰撞時(shí)，能從其中打出一個(gè)或幾個(gè)電子，使失去電子的中性質(zhì)點(diǎn)變成正離子。從中性質(zhì)點(diǎn)中打出的電子在向陽極運(yùn)動(dòng)的過程中又與其他中性質(zhì)點(diǎn)發(fā)生碰撞，造成新的中性質(zhì)點(diǎn)的游離。這樣的連鎖反應(yīng)，使大量的電子產(chǎn)生，移向陽極，并使電極(觸頭)間的介質(zhì)迅速大量游離。斷路器觸頭分離初期，碰撞游離起主導(dǎo)作用。 (3)熱游離。當(dāng)氣體溫度達(dá)到3000 一4000K以上時(shí)，氣體中的中性原子或分子由于高速的熱運(yùn)動(dòng)而相互碰撞，產(chǎn)生明顯的熱游離。在相同的溫度下，由于金屬蒸氣的游離電位小于一般氣體的游離電位，所以金屬蒸氣更存易產(chǎn)生熱游離。斷路器觸頭分離后期，熱游離起主導(dǎo)作用。,開關(guān)設(shè)備在開斷電路過程中，觸頭間介質(zhì)達(dá)到一定游離程度時(shí)，觸頭間隙被擊穿而產(chǎn)生電弧。產(chǎn)生電弧的條件是電路內(nèi)的電流不小于80mA，觸頭間的電壓不小于10 V一20V。 應(yīng)當(dāng)指出：光游離、熱游離及碰撞游離可能同時(shí)進(jìn)行，但在觸頭分離的不同階段，各種游離所起的作用可能各不相同。在觸頭分離初期，開距小，電場強(qiáng)度高，碰撞游離作用明顯；在觸頭分離后期，開距大，電場強(qiáng)度減小，但電弧溫度較高(表面溫度可達(dá)4000度一5000度，弧柱中心溫度可高達(dá)10000度)，熱游離作用加強(qiáng)，使電弧得以維持；在熱游離和碰撞游離的同時(shí)，電子與正離子復(fù)合時(shí)釋放的能量以光量子的形式輻射給周圍中性粒子使中性粒子游離。,二、電弧的特點(diǎn) (1)電弧是強(qiáng)功率的放電現(xiàn)象。在開斷幾十千安短路電流時(shí)以焦耳熱形式發(fā)出的功率可達(dá)10000 kw。與此有關(guān)，電弧可具有上萬攝氏度或更高的溫度及強(qiáng)輻射，在其作用下，任何固體、液體或氣體都會產(chǎn)生強(qiáng)烈的物理及化學(xué)變化。在有的開關(guān)中，電弧燃燒時(shí)間比正常情況只多10ms-20ms，開關(guān)就會出現(xiàn)嚴(yán)重?zé)龎?，甚至爆炸?(2)電弧是一種自持放電現(xiàn)象。不用很高的電壓就能維持相當(dāng)長的電弧穩(wěn)定燃燒而不熄滅。例如：在大氣中，每厘米長電弧的維持電壓只需15V左右，在100 kV電壓下開斷僅5A的電流時(shí)，電弧長度可達(dá)7m電流更大時(shí)，可達(dá)30m。因此單純采用拉長電弧的方法來熄滅電弧是不可取的。,(3)電弧是等離子體，質(zhì)量極輕，極易改變形狀（電孤區(qū)內(nèi)氣體的流動(dòng)包括自然對流及外界甚至電弧電流本身產(chǎn)生的磁場都會使電弧受力，改變形狀，有的時(shí)候運(yùn)動(dòng)速度可達(dá)每秒幾百米）。因此，可利用這一特點(diǎn)來快速熄弧并預(yù)防電弧的不利影響及破壞作用。 三、電弧熄滅的物理過程 在電弧存在的過程中，介質(zhì)發(fā)生游離過程的同時(shí)也存在著帶電離子消失的去游離過程。如果在單位時(shí)間內(nèi)，電弧中產(chǎn)生的帶電離子數(shù)和消失約帶電離子數(shù)相等，則通過電弧的電流不變，電弧燃燒是穩(wěn)定的；如果離子消失的數(shù)量各多于產(chǎn)生的數(shù)量，則電弧電流減弱，直至最后熄滅。,游離氣體的去游離作用由下述因素造成： (1)復(fù)合。帶電粒子在弧隙中運(yùn)動(dòng)時(shí)，如果正負(fù)兩種帶電質(zhì)點(diǎn)相互接觸，交換各自多余的電荷，則形成中性質(zhì)點(diǎn)。在弧柱內(nèi)復(fù)合的是不同極性的離子，電子和正離子直接復(fù)合的機(jī)會極小，這是因?yàn)殡娮舆\(yùn)動(dòng)的速度幾乎高出正離子100倍的緣故。復(fù)合強(qiáng)度與電場強(qiáng)度成反比、電場強(qiáng)度低時(shí)，離子運(yùn)動(dòng)的速度低，則進(jìn)行復(fù)合的概率增加。當(dāng)觸頭間電壓接近零時(shí)，復(fù)合特別強(qiáng)烈。復(fù)合強(qiáng)度也與電弧溫度有關(guān)，溫度越低，弧柱截面越小，則復(fù)合越烈。 (2)擴(kuò)散?；≈械膸щ娰|(zhì)點(diǎn)由于弧柱與周圍氣體介質(zhì)間的溫差很大，并且質(zhì)點(diǎn)的濃度差也很大，因而大量地?cái)U(kuò)散到周圍的氣體介質(zhì)中去，與氣體中的自由電子或負(fù)離子復(fù)合而失去電荷。擴(kuò)散使電弧內(nèi)的正離子數(shù)目減少，使電弧的電導(dǎo)變小，加強(qiáng)電弧的去游離。,(3)氣體分離。氣體分子落列電弧高溫區(qū)內(nèi)時(shí)，產(chǎn)生極快的熱運(yùn)動(dòng)，如果氣體溫度足夠高，使氣體分子的運(yùn)動(dòng)速度極高，在分子相互碰撞之下，會使其分離成原子。分子在分離成原子時(shí)，吸收大量的能量(熱能)。這些原子從電弧區(qū)域擴(kuò)散到周圍氣體介質(zhì)中，然后再結(jié)合成分子而釋放分解時(shí)吸收的熱能。如此周而復(fù)始，使電弧的冷卻加速，熱游離減弱而加強(qiáng)復(fù)合。 四、電弧電壓分布 離子的去游離也發(fā)生在電極附近，弧柱中的正離子移向陰極，在離開陰極很近的地方(約103mm)，正離于的濃度最大，形成正體積電荷。正體積電荷在陰極表面形成很強(qiáng)的電場，其強(qiáng)度足以形成強(qiáng)場發(fā)射。同時(shí)該強(qiáng)電場也可以把帶電正離子加速，使其和陰極表面碰撞，從陰極打出自由電子。從陰極拉出的電子，由于陰極區(qū)有大量正離子堆積，一部分消耗在與正離子的復(fù)合方面，一部分被電場推向陽極。,出離于復(fù)合而形成的中性質(zhì)點(diǎn)，由于慣性繼續(xù)向陰極運(yùn)動(dòng)，并碰撞陰極表而，結(jié)果陰極表面發(fā)熱，觸頭的金屬發(fā)生熔化和噴散現(xiàn)象。陰極表面最熱的部分稱為陰極斑點(diǎn)，在陰極斑點(diǎn)處也可以產(chǎn)生熱電子發(fā)射現(xiàn)象。 在靠近陰極的“陰極區(qū)”內(nèi)，正離了不斷地消失，使電弧在這一區(qū)域內(nèi)的電導(dǎo)變小，形成陰極區(qū)電壓降。 弧柱內(nèi)形成的負(fù)離子，一部分與正離子復(fù)合，一部分移向陽極。在離開陽極不遠(yuǎn)處，電子從負(fù)離于脫出而進(jìn)入陽極，所形成的中性質(zhì)點(diǎn)，由于慣件而繼續(xù)向陽極運(yùn)動(dòng)，并沖擊陽極。因此，在靠近陽極的空間內(nèi)，離子的密度也是不大的，形成陽極區(qū)電壓降。,在陰極區(qū)和陽極區(qū)以外的弧柱部分，正負(fù)電荷的數(shù)量大約相等，其電導(dǎo)近似為一不變的常數(shù)。 沿電弧的電壓分布如圖2.1所示。在陰極區(qū)lo內(nèi)，集中著正體積電荷，陰極區(qū)電壓降uk達(dá)10 -20V。陽極區(qū)電壓降ua略小些。 顯然，只有當(dāng)加列電極上的電壓總是大于陰極區(qū)電壓降時(shí)，才會產(chǎn)生電弧。在低壓短電弧情況下，陰極區(qū)電壓降具有重大意義，因?yàn)樗茧娀∩想妷航祏H的比重較大；而在高壓長電弧的情況下，陰極區(qū)電壓降與弧柱電壓降uhz相比則是較小的。,五、直流電弧的熄滅條件 從電路的角度看，電弧是一個(gè)非線性電阻，其阻值隨電流以及其他因素而變化。對于如圖22(a)所示的具有電弧的RL直流電路，當(dāng)燃弧后其電壓平衡方程式為：,式中：E為電源電壓；iR為電阻壓降；Ldi/dt為電感壓降；uh為電弧壓降。 當(dāng)游離與去游離處于動(dòng)平衡狀態(tài)，電弧穩(wěn)定燃燒，di/dt=0時(shí)，由(2.1)式有,若將f(i)E-iR定義為電路的伏安持性，uh定義為電弧的靜伏安特性。 如圖所示，兩曲線的交點(diǎn)A和B能滿足(22)式A點(diǎn)與B點(diǎn)是電弧的穩(wěn)定燃燒點(diǎn)。 R點(diǎn)為穩(wěn)定燃燒點(diǎn)，這是因?yàn)椋蝗绻鹖2略有增加則E一iRuh，電源電壓減去電阻壓降不足補(bǔ)償電弧燃燒所需,壓降，那么，電流自然又減小至i2值；如果i2略有減小，則因EiRuh，使電流又回升到i2值。 A點(diǎn)為視在穩(wěn)定燃燒點(diǎn)，這是因?yàn)椋喝鬷l略有減少，因E一iRuh，則電弧電流繼續(xù)減小至電弧熄滅；若i1略有增加，則EiRuh，電流將繼續(xù)增加最后穩(wěn)定在i2值。 在使用開關(guān)電器開斷或閉合電路時(shí)。人們自然不希望電弧穩(wěn)定燃燒，而是力求其熄滅。從圖2.2(b)來分析，若將電弧靜伏安特性提高到虛線位置，使兩條曲線沒有交叉點(diǎn)、則電弧熄滅。即直流電弧的熄滅條件為,六、交流電弧的熄滅條件與熄滅過程 （一）交流電弧的熄滅條件 交流電弧與直流電弧有所不同，交流電流限時(shí)值隨時(shí)間變化，每周期內(nèi)有兩次通過零點(diǎn)。因此，交流電弧一直處于動(dòng)態(tài)過程，并且在電流過零時(shí)電弧自行熄滅，以后在一定條件下又重燃。 如圖2.3(a)所示的交流電路，當(dāng)電路處于穩(wěn)定狀態(tài)，且電弧長度不變時(shí)，其伏安特性如圖2.3(b)所示。從圖2.3(b)可以看出：電流由負(fù)位過零瞬間，電弧暫時(shí)熄滅，此時(shí)，電源電壓加于觸頭之間。當(dāng)觸頭間電壓上升到電弧點(diǎn)燃電壓udr時(shí)，重新燃弧。出于電弧的熱游離相當(dāng)強(qiáng)，特性曲線AB段是下降的。從B點(diǎn)以后，電流由峰值逐漸減小，電弧電壓相應(yīng)地回升，但因弧柱存在熱慣性，因此，BC段低于AB段。當(dāng)電弧趨近于零，C點(diǎn)電壓通常稱為熄弧電壓uxm。,電弧過零后，又反向重燃，伏安特性與正半周對稱。從電弧電流在前半周熄滅時(shí)起，到后半周重新燃弧時(shí)止的一段時(shí)間，稱為零休期間。在零休期間，弧隙中的介質(zhì)恢復(fù)過程與電壓恢復(fù)過程是同時(shí)進(jìn)行的，并且互有影響。電弧是否重燃，取決于兩個(gè)過程的“競賽”。 如圖24(a)中，介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)曲線ujf上升較為緩慢，一段時(shí)間后恢復(fù)電壓曲線uhf就超過了曲線ujf，電弧重燃。 圖2，4(b)中，由于介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度曲線ujf高于電壓恢復(fù)曲線uhf，兩曲線沒有交點(diǎn)，所以電弧不會重燃。 (二)交流電弧的熄滅過程 1純電阻負(fù)載時(shí)，交流電弧的熄滅 圖25表示開斷電阻電路時(shí)交流電弧電壓疆uh及電弧電流i 的波形。,(1)設(shè)在to時(shí)刻，觸頭分開起弧，當(dāng)弧電流小到一定程度后，電弧就在t1時(shí)刻暫時(shí)熄滅了。 (2)在零休期間(t1t2)，觸頭間有兩種矛盾著的因素在“競賽”。一為弧隙游離狀態(tài)逐漸消失，向介質(zhì)狀態(tài)轉(zhuǎn)化。圖中ujf代表電流第一次過零后弧隙介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)曲線。另一種“競賽”因素為觸頭兩端電壓不斷交化。在純電阻負(fù)載時(shí)，觸頭兩端恢復(fù)電壓變化曲線uhf即為電源電壓u。由于曲線ujf1與電源電壓u有交點(diǎn)，所以在t1時(shí)電弧重燃，此時(shí)ujf1uhf。當(dāng)電流第二次過零時(shí)(t2)，此時(shí)觸頭間距離更大了，去游離作用更強(qiáng)烈，所以弧隙介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)曲線ujf2高于電源電壓曲線u，電弧不會重燃。 2電感性電路中，交流電弧的熄滅 在電感性電路中，電壓超前于電流，如圖26所示，設(shè)在t0時(shí)觸頭分開起弧，在電流第一次過零后，兩種因素“競賽”的結(jié)果，電弧重燃。,在第二次過零后由于同樣原因又重燃。在第三次過零時(shí)，由于介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度曲線高于恢復(fù)電壓曲線uhf，電弧熄滅。由圖可見在各半波中電流波形畸變越來越嚴(yán)重，在t3時(shí)刻電弧雖然熄滅，觸頭間還有剩余電流is。,七、熄滅電弧的基本方法 在現(xiàn)代高壓開關(guān)電器中，除在觸頭間隙采用不同滅弧介質(zhì)外(如空氣、油、SF6、真空等介質(zhì))，廣泛采用的基本滅孤方法可以歸納為下列幾種： (1)加速觸頭的分離速度，迅速拉長電弧。這措施是通過在斷路器的操動(dòng)機(jī)構(gòu)中安裝強(qiáng)力而靈敏的分閘彈簧來實(shí)現(xiàn)的。 (2)采用未游離的流體(如油或壓縮空氣等)吹動(dòng)電弧。當(dāng)流體與電孤接觸后，電弧表面或內(nèi)部的帶電粒子被不斷吹走，擴(kuò)散作用增強(qiáng)；同時(shí)電弧受冷卻作用，熱游離減弱而復(fù)合作用有所加強(qiáng)。吹動(dòng)方式可以是沿電弧的縱向吹動(dòng)，也可以是垂直于電弧的橫向吹動(dòng)及縱、橫向混合吹動(dòng)，如圖27、圖28、圖29所示。吹弧能源可以是如圖28所示的油斷路器自能式吹孤，也可以是如圖29所示的空氣斷路器外能式吹弧。,(3)用磁吹法滅弧。按左手定則，當(dāng)電弧電流垂直于外磁場方向通過時(shí)、將受到力的作用。外磁場可以由互為反向的電弧電流建立(如圖210所示)，亦可使電流通過安裝于觸頭外側(cè)或觸頭兩側(cè)的線圈產(chǎn)生(如圖211所示)。因211的線圈安裝方法是使其產(chǎn)生的磁場垂直于通過觸頭的電弧電流，且其磁吹力向上。磁吹法熄弧多用于直流斷路器中，交流真空斷路器也采用磁吹法滅弧，在本章第四節(jié)將給以介紹。,(4)把長電弧分成短電弧。當(dāng)電弧被分短以后，每段短弧在新的陰極和陽極區(qū)都要產(chǎn)生新的陰極壓降和陽極壓降，當(dāng)兩觸頭問的電壓不變時(shí)，這許多短弧無疑增加了觸頭間總的壓降，如果這個(gè)壓降值大于觸頭端電壓，則電弧即行熄滅。增加高壓斷路據(jù)斷口的數(shù)目(圖2.13)及在觸頭外側(cè)加設(shè)金屬熄弧柵(圖213)，都可將長電弧分成短弧，達(dá)到快速熄弧的目的。,圖213(b)中，電弧在缺口鋼片(柵片)A處流動(dòng)。在A處的電弧電流于鋼片中建立的磁場可以把電弧電流拉向B點(diǎn)，迫使電孤進(jìn)入熄弧柵中，這較冷的熄弧柵，除了把長弧分成短弧外，還有幫助電弧散熱，增加復(fù)合面的多重作用。一旦電弧進(jìn)入熄弧柵，就易于熄滅。這種方法也多用于交直流開關(guān)設(shè)備中。 此外，還可利用把電弧分成許多支并聯(lián)細(xì)電弧或增大復(fù)合表面等方法強(qiáng)制熄弧。這里就不一一贅述了。,第三節(jié) 斷路器開斷短路電流的 工作狀態(tài)及暫態(tài)分析,斷路器要能閉合和開斷各種性質(zhì)的電路。以單相電路為模型，電力系統(tǒng)中常遇到的電路有如下幾種：圖214(a)為電阻性電路，圖214(b)為電感性電路(感性小電流)，圖214(c)為電容性電路(容性電流)，圖214(d)為系統(tǒng)短路時(shí)的電路(感性大電流)。除電阻性電路外，開斷和閉合其他性質(zhì)的電路時(shí)均將在系統(tǒng)中引起暫態(tài)過程，出現(xiàn)異常的電壓和電流，危害設(shè)備的安全運(yùn)行。因此，對斷路器觸頭在開斷電路時(shí)的恢復(fù)電壓進(jìn)行暫態(tài)分析，不但可以使我們了解在不同電路參數(shù)下觸頭恢復(fù)電壓的建立過程，而且為改善斷路器的滅弧能力，提高開斷容量，保證電力系統(tǒng)供電的可靠性提供了科學(xué)依據(jù)。,現(xiàn)以圖2.14(d)斷路器開斷單相接地故障為例，說明弧隙電壓的恢復(fù)過程，圖2.14(d)的等值電路如圖2.15所示。 圖214(d)中L和R為電源電感和電阻：DL為斷路器；Zf為負(fù)荷阻抗。當(dāng)在斷路器出口發(fā)生單相短路時(shí)，Zf被短接，斷路器中通過單相短路電流id1，其波形如圖2.16所示，其中u為電源電壓。,在t1時(shí)，斷路器觸頭分?jǐn)喽l(fā)生電弧，斷口兩端電壓為uh。t2時(shí)電流過零，電弧熄滅，電壓恢復(fù)過程開始，電源電壓u逐漸加到斷路器兩端。電源側(cè)對地電容C恰好與斷路器斷口并聯(lián)，如圖215所示。因此斷路器DL斷口電壓恢復(fù)過程，就是交流電壓u通過R、L對電容C充電的過程。,從熄弧角度看，電弧是否重燃，主要決定于電流過零后很短時(shí)間內(nèi)的電壓恢復(fù)過程。在這短時(shí)間內(nèi)，電源電壓變動(dòng)很小，因此在分析電壓恢復(fù)過程時(shí)，可以近似地把交流電源簡化為直流電源，其電壓取值為交流恢復(fù)電壓u0。于是，斷路器DL電壓的恢復(fù)過程，相當(dāng)于電壓為u0的直流電源和電感L，電阻R及電容C組成的串聯(lián)電路，在突然合閘時(shí)電容C兩端的電壓變化過程。這樣可以用圖217的電路來分析電壓恢復(fù)過程。,當(dāng)t0時(shí)，相當(dāng)于開關(guān)K突然閉合，電路中有電流ic通過。假設(shè)斷路器弧隙電阻在電流過零時(shí)為無限大，則電路的回路方程式為,則得：,通常R值很小，可以忽略不計(jì)，當(dāng)忽略Ric部分時(shí)，則上式等于,式中：u0為微分方程的特解，或稱穩(wěn)態(tài)解。,為相應(yīng)的齊次方程的通解，或稱為暫態(tài)解。a1a2為待定常數(shù)，由初始條件決定。,1初始條件即電路電流過零時(shí)的狀態(tài) (1)t0時(shí)電容器電壓uc即為電弧電壓uh0。 即 t0，ucuh0 將代入(28)式得,(2)t0時(shí)，電流過零，由于電路中存在電感，電流不能跳變，因此,根據(jù)(2.16)式，可以畫出恢復(fù)電壓波形圖如圖2.18，它是圍繞u0的振蕩電壓波，振蕩頻率為f0。因此u0相當(dāng)于恢復(fù)電壓的穩(wěn)態(tài)值，即相當(dāng)于工頻恢復(fù)電壓。當(dāng)tm1/2f0時(shí)，恢復(fù)電壓達(dá)最大值，等于電流過零時(shí)電源電壓的兩倍。 實(shí)際電路中，恢復(fù)電壓最大值ushm達(dá)不列電源電壓的兩倍。一般在u0的1.31.6倍以下(圖2.19)。由圖2.19也可看出，恢復(fù)電壓由兩部分組成，瞬態(tài)部分和工頻部分。瞬態(tài)部分即瞬態(tài)恢復(fù)電壓以高頻振蕩形式出現(xiàn)，其振蕩頻率與電網(wǎng)參數(shù)省關(guān)。在實(shí)際電路中，這個(gè)瞬態(tài)部分衰減很快，持續(xù)時(shí)間很短。工頻部分就是交流50 Hz正弦電壓ugh。,第四節(jié) 高壓斷路器的構(gòu)造及工作原理,在電力系統(tǒng)中，高壓斷路器是一種重要的控制和保護(hù)電器，高壓斷路器一般由下列各部分組成： (1)觸頭。用來實(shí)現(xiàn)電路通斷的重要部件，觸頭閉合則電路關(guān)合，觸頭分離則電路開斷。斷路器中的觸頭分動(dòng)觸頭和靜觸頭兩種，有時(shí)為了增加斷口數(shù)目，還設(shè)置中間觸頭。動(dòng)觸頭由運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)，而靜觸頭則固定在斷路器的一端。 (2)滅弧室。在動(dòng)靜觸頭間隙發(fā)生電弧時(shí)，一般被限制在具備滅弧裝置的滅弧室中，電弧在滅弧室中被縱向或橫向吹長、冷卻而熄滅。滅弧空的結(jié)構(gòu)必須滿足斷路器一定開斷容量下滅弧的要求。,按照絕緣和滅弧介質(zhì)的不同，高壓斷路器可以分成油斷路器、SF6斷路器、真空斷路器等，本節(jié)將分別予以介紹。 一、對高壓斷路器的技術(shù)要求及其基本參數(shù) 電力系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)、負(fù)荷的性質(zhì)是多種多樣的，作為控制、保護(hù)元件的高壓斷路器，為了保證電力系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行對其要求是多方面的、分述如下。 (一)開斷、關(guān)合電路方面 1開斷負(fù)荷電路和短路故障 斷路器在開斷電路時(shí)，主要的困難是熄滅電弧。除了要求斷路器能開斷工作電路外，尤其要求斷路器能開斷各種形式的短路故障電路，因?yàn)槎搪冯娏饕日Ｘ?fù)荷電流大得多，這時(shí)電路最難開斷。 標(biāo)志高壓斷路器開斷短路故障能力的主要參數(shù)是：,額定電壓Ue(kv)； 額定開斷電流Iek（kA）； 額定斷流容量Sed(MVA)，現(xiàn)在很少采用。對于三相電路，Sed的計(jì)算公式是,例如：ue220kV，Iek為21kA的斷路器。額定斷流容量為；,選擇斷路器時(shí)，首先要校核的參數(shù)就是斷路器開斷短路故障電路的能力。 2快速開斷 電力系統(tǒng)發(fā)生短路故障后，要求繼電保護(hù)系統(tǒng)動(dòng)作越快、斷路器開斷越快越好。這樣可以縮短系統(tǒng)的故障時(shí)間，減輕故障對電氣設(shè)備及線路的危害并提高系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。,(3)絕緣介質(zhì)?？梢苑譃闇缁∮媒^緣介質(zhì)及支持用絕緣介質(zhì)。滅弧用絕緣介質(zhì)可以是變壓器油、專用開關(guān)油、SF6氣體、壓縮空氣或真空等。支持用絕緣介質(zhì)可以是電工瓷、環(huán)氧樹脂或玻璃鋼等。 (4)殼體結(jié)構(gòu)。把觸頭、滅弧室、絕緣介質(zhì)等組裝在一起，用以實(shí)現(xiàn)斷路器工作的目的。它多由鋼材、電工瓷、密封緊固件等組成，殼體構(gòu)架必須滿足斷路器在電氣絕緣方面、機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)方面以及工作環(huán)境的各種要求。,(5)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。是使可動(dòng)觸頭在規(guī)定范圍內(nèi)動(dòng)作的聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)，多由具有絕緣性能和一定材觸強(qiáng)度的連桿機(jī)構(gòu)組成，如在少油斷路器戶用得最多的橢圓直線連桿運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)可以直接和斷路器的操動(dòng)機(jī)構(gòu)連接。執(zhí)行操動(dòng)機(jī)構(gòu)對斷路器的操作。,標(biāo)志斷路器開斷過程快慢的參數(shù)是開斷時(shí)間tg(s)，tg是從斷路器接到開斷信號到短路電流終止(電弧熄滅)的全部時(shí)間，它又分為：1.固有分閘時(shí)間tgf(s)：它是從斷路器接到分閘命令到滅弧觸頭完全分離的時(shí)間；2.燃弧時(shí)間trh(s)：它是從觸頭分離到電弧全部熄滅的時(shí)間。 低速動(dòng)作斷路器tg0.12s 中速動(dòng)作斷路器 tg0.080.12s 高速動(dòng)作斷路器 tg0.08s 3關(guān)合短路故障 電力系統(tǒng)中的電器設(shè)備或輸電線路有可能在末投入運(yùn)行前就已存在絕緣故障，甚至處于短路狀態(tài)，這種故障稱為“預(yù)伏故障”。當(dāng)斷路器關(guān)合有預(yù)伏故障的電路時(shí)在關(guān)合過程中，通常在動(dòng)、靜觸頭尚未機(jī)械接觸前，,觸頭間隙在電壓作用下即被擊穿(稱為預(yù)擊穿)，隨即出現(xiàn)短路電流，短路電流產(chǎn)生的電動(dòng)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(dòng)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(yīng)具有足夠的關(guān)合短路電流的能力。標(biāo)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。,4.自動(dòng)重合閘 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(shí)性故障，對此，自動(dòng)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(shí)，斷路器開斷，然后，經(jīng)很短時(shí)間再重新關(guān)合。如瞬時(shí)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(dòng)重合閘的斷路器，其重合閘隔時(shí)間一般為1s左右。要在很短的時(shí)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(fù)擔(dān)。 5分合各種空載和負(fù)載電路 在電網(wǎng)運(yùn)行過程中，斷路器有時(shí)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(dòng)機(jī)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(yīng)可以承受這種過電壓。標(biāo)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(yīng)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(biāo)準(zhǔn)，一般斷路器允許空載分合次數(shù)(也稱機(jī)械壽命)為2000次?？刂齐娙萜鹘M、電動(dòng)機(jī)等經(jīng)常操作的斷路器，其允許分合次數(shù)應(yīng)當(dāng)更多。,為了加長斷路器的檢修周期，斷路器還應(yīng)有足夠的電壽命(允許連續(xù)分合短路電流或負(fù)荷電流的次數(shù))。一般說來，斷路器應(yīng)有盡可能長的分合短路電流的電壽命。對用于保護(hù)、控制的經(jīng)常操作的斷路器，更應(yīng)有連續(xù)分合幾千次以上負(fù)荷電流的電壽命。電壽命也可用累計(jì)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(shè)在電力系統(tǒng)中，就應(yīng)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(yīng)能長期承受相應(yīng)的最大工作電壓，而且還要求能承受相應(yīng)的大氣過電壓及內(nèi)部過電壓的作用。 標(biāo)志這方面性能的參數(shù)是：最大工作電壓、工頻試驗(yàn)電壓、全波和截波沖擊實(shí)驗(yàn)電壓、操作波試驗(yàn)電壓。試驗(yàn)電壓值可參看有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。,2電流 斷路器在長期通過工作電流時(shí)，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(biāo)準(zhǔn)中都有規(guī)定。斷路器在通過短路電流時(shí)，不應(yīng)因電動(dòng)力而受到損壞，各部分溫度也不允許超過短時(shí)工作的允許值，觸頭不應(yīng)發(fā)生焊接或損壞。 標(biāo)志這方面性能的參數(shù)是：額定電流Ie、額定動(dòng)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(shí)間tre(2s或4s)。 對斷路器來說，額定動(dòng)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(shí)刻出現(xiàn)的電流有效值或峰值。斷路器標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的各電流額定值的關(guān)系如圖2.22所示。,(三)自然環(huán)境方面 斷路器在周圍各種環(huán)境條件下，都應(yīng)可靠地工作，這些條件略述如下； 1.海拔高度 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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行耐壓試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)電壓應(yīng)該提高。其試驗(yàn)電壓為標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值乘以修正系數(shù),式中：H為安裝地點(diǎn)的海拔高度(m)，1000H3500。 (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(yīng)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(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，一般電器設(shè)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(biāo)準(zhǔn)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(shè)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(shè)備的漏氣漏油。溫度過高，可能造成導(dǎo)電部分過熱及電容套管的密封膠滲出等。特別是裝設(shè)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(biāo)準(zhǔn)建議，周圍環(huán)境溫度每增加1C，額定電流應(yīng)減少1.8；每降低1度，額定電流可增加0.5%，但最大不得超過20。溫度過高，空氣絕緣性能也會降低。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，用于高溫地區(qū)的高壓電器在常溫地區(qū)進(jìn)行耐壓試驗(yàn)時(shí)、試驗(yàn)電壓要適當(dāng)提高。從40度開始，每超過3度，試驗(yàn)電壓提高1。此外還應(yīng)考慮環(huán)境濕度、風(fēng)、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6.16.3。,二、少油斷路器 (一)電弧在油中的燃燒與熄滅 當(dāng)觸頭間發(fā)生電弧時(shí)，在電弧高溫(5000 K13000 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(gè)氣泡體積的60，油蒸氣占40。氣體組成大致如下：氫氣7080，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(dǎo)熱性能，最小的粘度，擴(kuò)散作用也比較強(qiáng)。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(kuò)散到弧柱區(qū)域，使電弧間隙強(qiáng)烈地冷卻和去游離。特別是在交流電弧電流過零時(shí)，這種作用更為強(qiáng)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(qiáng)，氣體的介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)加快，這有助于電弧的熄滅。,圖223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(dòng)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(dāng)壓力超過油的容器和滅弧裝置的機(jī)械強(qiáng)度時(shí)，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(shí)，為加強(qiáng)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：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(dòng)油氣或油進(jìn)行吹弧。外能吹弧火弧裝置。利用外界能量(通常是關(guān)合斷路器時(shí)儲藏在彈簧中的能量)推動(dòng)活塞，提高滅弧裝置中的壓力以驅(qū)動(dòng)油進(jìn)行滅弧。3綜合吹弧滅弧裝置。兼用上述兩種能量來進(jìn)行滅弧。,1縱橫吹滅弧室 圖2.24為10 kv SN1010I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(dāng)動(dòng)、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(dǎo)電桿的向下運(yùn)動(dòng)，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(gè)橫吹口和縱吹囊排出，產(chǎn)生強(qiáng)烈的橫吹與縱吹效應(yīng)。電弧被拉長和強(qiáng)烈去游離，稱為縱吹橫吹階段。另一方面，出于導(dǎo)電桿迅速向下運(yùn)動(dòng)，排擠出與導(dǎo)電桿同體積的變壓器油(通過附加油流通道)進(jìn)入滅弧室的第一橫吹孤道口，對電弧形成類似機(jī)械油吹作用(又稱泵效應(yīng))。也有利于滅弧。,這種滅弧室采用橫吹、縱吹和機(jī)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(shí)，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(shí)，由附加油流速道的機(jī)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(shí)間均不超過2個(gè)周波。,2縱吹滅弧室 圖2.25為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(dòng)觸頭(導(dǎo)電桿)向下運(yùn)動(dòng)，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(dòng)觸頭向下運(yùn)動(dòng)，高壓力氣體通過滅弧片中間的圓孔向上對電弧進(jìn)行縱吹。待動(dòng)、靜觸頭之間的距離足夠長時(shí)，電弧即能熄滅。采用縱吹滅弧室的少油斷路器有SW235、SW6110與SW6220等。,3環(huán)吹滅弧室 環(huán)吹滅弧室出現(xiàn)于20世紀(jì)60年代，在10 kv少油斷路器中應(yīng)用，滅弧效果良好。 滅弧室的結(jié)構(gòu)原理如圖2.26。在圖2.26(a)中，上部為靜觸頭1，動(dòng)觸頭2為管狀，側(cè)面有小孔。與一般斷路器不同，動(dòng)觸頭端部是絕緣材料制成的。分?jǐn)鄷r(shí)，動(dòng)觸頭向下運(yùn)動(dòng)，動(dòng)、靜觸頭間產(chǎn)生電弧。動(dòng)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(dòng)變壓器油按照圖2.26(b)的方向運(yùn)動(dòng)，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(gè)優(yōu)點(diǎn)： (1)開斷大電流時(shí)，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(shí)氣吹效果很強(qiáng)，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(yán)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(shí)驗(yàn)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(shí)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(jī)構(gòu)箱隔開。當(dāng)管狀動(dòng)觸頭向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于油不可壓縮，下部機(jī)構(gòu)箱中的油被迫從管狀動(dòng)觸頭的內(nèi)孔由下向上流動(dòng)，經(jīng)過管狀動(dòng)觸頭的側(cè)面小孔噴向，包弧區(qū)(圖2.26b)，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(shí)間與大電流相同，在10 kv斷路器中燃弧時(shí)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(diǎn)，就是存在臨界開斷電流現(xiàn)象。為了減少熄滅小電流時(shí)的熄弧時(shí)間，消滅臨界開斷電流現(xiàn)象，提出了利用活塞壓油的機(jī)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(dòng)、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(dān)，故需油量較小。多油斷路器體積龐大，占地較寬，運(yùn)輸安裝都不方便，,特別是容易引起嚴(yán)重的火災(zāi)。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(yùn)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)。,1SN1010少油斷路器 這是我國當(dāng)前生產(chǎn)10 kv電壓級斷路器的主要品種。圖2.27示出其本體的一相剖視圖(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(dǎo)電桿11，流動(dòng)式中間觸頭12到下接線板13，形成導(dǎo)電回路。,分閘時(shí)，在操動(dòng)機(jī)構(gòu)中的分閘電磁鐵作用下，解開合閘保持機(jī)構(gòu)的鉤鉸，由于分閘彈簧的作用，主軸4轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)四連桿機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)斷路器各相的轉(zhuǎn)軸14，將導(dǎo)電桿11向下拉動(dòng)，動(dòng)、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(shí)，油緩沖器活塞桿15插入導(dǎo)電桿底部鋼管中進(jìn)行分閘緩沖。合閘時(shí)，操動(dòng)機(jī)構(gòu)中的合閘機(jī)構(gòu)動(dòng)作，使主軸4向與分閘時(shí)相反的方向旋轉(zhuǎn)，一方面使導(dǎo)電桿11向上運(yùn)動(dòng)，靜、動(dòng)觸頭閉合，一方面拉伸分閘彈簧l，使之儲能，以備分閘時(shí)用。,當(dāng)導(dǎo)電桿11接近合閘位置時(shí)，合閘緩沖彈簧被壓縮，進(jìn)行合閘緩沖。被壓縮的合閘緩沖彈簧，在分閘過程中釋放能量，有利于提高開斷速度。為了在分閘過程中能得到較平緩的速度一行程曲線，在最新的別SN1010少油斷路器中加用了在分閘過程中的彈簧緩沖器。 對SN10-10I型少油斷路器的滅弧室，圖2.24作了較為詳盡的介紹。 2SW110型斷路器 SW110型斷路器由三個(gè)獨(dú)立的Y形單元組成，每個(gè)Y形單元構(gòu)成一相的斷路單元。每個(gè)單元的外形圖如圖2.28所示。它由底座1、支持瓷瓶3、中間機(jī)構(gòu)箱5，以及安裝觸頭和滅弧寶的兩個(gè)斜立瓷瓶6等主要部件組成。,SW-110型斷路器的滅弧室通常采用單筒或雙筒縱吹滅弧室，圖2.29所示滅弧室為SW3110型少油斷路器的滅弧室。它由多個(gè)隔弧片組成多級油囊，當(dāng)動(dòng)觸頭與靜觸頭分離向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，在滅弧片中心孔部位燃燒。由于油囊的作用，油被蒸發(fā)和分解，產(chǎn)生高壓力迫使氣體順著電弧方向，經(jīng)滅弧室與靜觸頭間引弧區(qū)吹向上部鋁帽(圖中沒有畫出)內(nèi)的空氣室，迫使電弧冷卻和熄滅。這種滅弧室稱為單筒縱吹滅弧室，與圖2.25所示的雙筒縱吹滅弧室比較，由于采用了回油道，省去了一個(gè)高強(qiáng)度絕緣筒。 在SW3110型少油斷路器中，滅弧室、中間機(jī)構(gòu)三角箱以及下面支柱瓷瓶內(nèi)的油是連通的，沒有互相隔絕。這樣，簡化了結(jié)構(gòu)，減少了斷路器漏油的幾率。,三、氣體斷路器 六氟化硫(SF6)斷路器和壓縮空氣斷路器(簡稱空氣斷路器)都屬于氣體斷路器。空氣斷路器是一種以壓縮空氣作為滅弧、絕緣和傳動(dòng)介質(zhì)的斷路器，為高壓斷路器的主要品種之一。近二十年來，由于SF6斷路器的發(fā)展，空氣斷路器已大量被SF6斷路器所取代，而且發(fā)展為全封閉組合電器，成為超高壓等級斷路器的最主要品種。在20世紀(jì)70年代，SF6斷路器已用于電氣化鐵道各種配電設(shè)備中。本節(jié)主要介紹SF6斷路器。 （一）六氟化硫的特性 1物理性能 SF6是一種無色、無臭、無毒、不可燃的惰性氣體，比空氣重5倍，常壓下，液化溫度為一63.8度；其熱傳導(dǎo)率隨溫度變化而變化，例如在2000度時(shí)，具有極強(qiáng)的導(dǎo)熱能力而在5000度時(shí)，其導(dǎo)熱能力很差，正是這種導(dǎo)熱特性，對電弧的熄滅起著極為重要的作用。,2化學(xué)性能 SF6在常溫下是極為穩(wěn)定的氣體，其惰性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過氮?dú)?。它不溶解于水和變壓器油中；它與氧、氫、鋁以及其他許多物質(zhì)不發(fā)生作用；熱穩(wěn)定性高，在500度時(shí)還不分解。 SP6在電弧的作用下能分解少量氣體，這些低氟化物(SF4等)由于氣體中微量水分參與作用，對金屬和絕緣材料都有很大的腐蝕性，并危及人身健康和生命安全；但大部分不純物在極短的時(shí)間內(nèi)能重新結(jié)合成SF6，剩下的微量不純物經(jīng)過吸附劑（分子篩、活性氧化鋁等)過濾后可以除去。 3絕緣性能 由實(shí)驗(yàn)得知，在三個(gè)大氣壓時(shí)，它與變壓器油的絕緣強(qiáng)度相等，壓力越高絕緣性能越好。在均勻電場中及在相同壓力下，它的絕緣性能為空氣的23倍。,經(jīng)研究認(rèn)為SF6氣體中空氣的含量大于50以上時(shí)，其絕緣能力下降；含量等于50時(shí)，與純SF6氣體絕緣能力相同；若含量小于50時(shí)，其絕緣能力反而比純SF6氣體為高。因此有人提出，在純SF6氣體中充以氮?dú)鈦硖岣呓^緣性能和降低成本。 SF6氣體中混入水分，如果水分僅以氣體形式存在，SF6氣體與固體的分界面的絕線性能幾乎不受影響。當(dāng)水分含量過多，在固體表面產(chǎn)生凝結(jié)時(shí)，其表面絕緣性能將會下降。 4滅弧性能 SF6具有很強(qiáng)的滅弧能力，在自由開斷的情況下，它的滅弧能力要比空氣大100倍左右。當(dāng)用SF6氣體吹弧時(shí)，采用不高的壓力和不太大的吹弧速度，就能在高電壓下開斷相當(dāng)大的電流。這是因?yàn)椋?(1)散熱能力強(qiáng)。SF6的散熱主要是靠對流與傳導(dǎo)。其對流散熱能力為空氣的2.5倍。SF6斷路器和空氣斷路器一樣，都是通過氣體的高速流動(dòng)帶走電弧的熱能，不過SF6氣體所帶走的能量是隨SF6氣體溫度的增加而增加的。 (2)電弧壓降小，弧柱細(xì)。SF6氣體的熱傳導(dǎo)特性十分奇異，在5000度以上時(shí)，導(dǎo)熱率十分低，使得弧心部分熱量難以傳導(dǎo)出來，弧心溫度特別高，氣體的熱游離充分，所以導(dǎo)電率高，弧壓降下(只有壓縮空氣的l3左右，少油斷路器的l10左右)。由于SF6斷路器的電弧電壓梯度較低，在相同的工作電壓及開斷電流條件下，電弧能量小，所以易于滅弧。 在電弧周圍溫度低處(2000度)，其導(dǎo)熱率又十分高，所以弧柱細(xì)，含熱量少，使得電弧電流過零時(shí)，電子密度減少得快，這就提高了介質(zhì)耐壓強(qiáng)度的恢復(fù)速率。,(3)負(fù)電性能對電弧電流過零后的去游離極為有利。一方面，自由電子被大量吸附；另一方面，SF-6吸附電子后形成負(fù)離子SF-6，它的運(yùn)動(dòng)速率比電子小得多，易于與SF+6復(fù)合為中性分于(SF-6十SF+6-2SF6)。由于吸附與復(fù)合的綜合作用，使弧隙帶電質(zhì)點(diǎn)密度急劇減小，在電弧電流過零時(shí)，去游離過程格外迅速，5F6氣體的介質(zhì)耐壓強(qiáng)度恢復(fù)速率為空氣的100倍以上，所以，能承受各種恢復(fù)電壓的作用，保證優(yōu)異的開斷性能。 SF6氣體是目前所知的最理想的絕緣和滅弧介質(zhì)，優(yōu)于其他介質(zhì)乃至真空。 (二)六氟化硫氣吹滅弧裝置 氣體斷路器以六氟化硫作為絕緣和滅弧介質(zhì)后，滅弧裝置的性能和結(jié)構(gòu)與壓縮空氣斷路器、少油斷路器等有極大的不同，并有下列優(yōu)點(diǎn)：,(1)可以提高單斷口的額定電壓和開斷電流。目前已分別能達(dá)到420 kV和80 kA。這樣不僅提高了斷路器在電網(wǎng)中工作的可靠性，而且為發(fā)展更高電壓等級(例如1000kV以上)的輸電線路創(chuàng)造了條件。 (2)切斷小電感電流時(shí)較少發(fā)生截流現(xiàn)象；切斷空載架空線時(shí)不會發(fā)生多次重?fù)舸?。能承受快速上升的瞬態(tài)恢復(fù)電壓，尤其適宜于切斷近區(qū)故障。 (3)由于六氟化硫氣體的分解物內(nèi)不含氧，所以燃弧時(shí)觸頭不會被氧化，而且磨損和燒蝕作用也不顯著。此外，分解后的六氟化硫氣體又能自行迅速復(fù)合，這樣斷路器的滿容量開斷次數(shù)增加，相應(yīng)地檢修周期就可以延長。 (4)可以集合成全封閉氣體絕緣變電站。它結(jié)構(gòu)緊湊，設(shè)備占地面積小，污染和噪聲小，又無爆炸和導(dǎo)致火災(zāi)的危險(xiǎn)。,這些優(yōu)點(diǎn)使得六氟化硫斷路器在高壓和超高壓電力系統(tǒng)中取代壓縮空氣和少油斷路器，在中、低壓配電系統(tǒng)中也正和其他形式的斷路器展開激烈的競爭。 綜合六氟化硫氣吹滅弧裝置的發(fā)展歷程和現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)，基本上分兩大類：縱向氣吹和橫向氣吹?？v向氣吹滅弧方式歸納起來有4種，如圖2.30所示。簡單開斷方式，如圖(a)中所示。它完全依靠自然對流和傳導(dǎo)散熱冷卻電弧，因此開斷能力極小，目前已不用。2雙壓力式吹弧，如圖中(b)所示。這種吹弧方式須在斷路器內(nèi)設(shè)置兩種氣壓，上部為高氣壓室，下部為低氣壓室。當(dāng)觸頭分開時(shí)，開啟控制閥門，使高壓氣流通過噴口絕熱膨脹，并形成高速氣流，以此來吹熄電弧。熄死后關(guān)閉閥門，停止氣吹。低壓氣體經(jīng)吸附過濾裝置后用壓氣泵重新打入高氣壓室，以備下次使用。這種方式曾在六氟化硫斷路器發(fā)展初期為提高開斷容量而采用過，隨著單壓力氣吹滅弧裝置的完善，已逐漸被淘汰。,3單壓力式吹弧，如圖中(c)所示。它僅設(shè)置一種氣壓，即在滅弧室內(nèi)充有一定壓力(一般為0.4MPa0.7MPa氣壓)的六氟化硫氣體。可動(dòng)部分(即動(dòng)觸桿)裝有壓氣裝置(常稱壓氣罩)。當(dāng)動(dòng)觸桿向下運(yùn)動(dòng)時(shí)使罩內(nèi)氣體被壓縮，壓力升高。當(dāng)動(dòng)、靜觸頭分離，接著噴口開啟時(shí)，壓氣罩內(nèi)被壓縮的高壓氣體通過噴口作絕熱膨脹，形成高速氣流，縱吹電弧。熄弧后的滅弧室內(nèi)氣體又處于同一氣壓下。這種滅弧方式較為簡單，不需要外設(shè)壓氣泵等附屬設(shè)備。因此，目前已在輸變電斷路器中廣泛應(yīng)用。在實(shí)際裝置中它又分單向(即單噴口)和雙向(兩個(gè)噴口)兩種吹弧方式，后者是縱橫吹兼而有之。此外，依據(jù)在開斷過程中斷口間絕緣距離是否改變又分定開距和變開距兩種不同的結(jié)構(gòu)形式。自生壓力式吹弧，如圖中(d)所示。它利用上部電弧自身的能量加熱氣體，使壓力升高去吹熄下部的電弧。目前，這種方式已有較大的改進(jìn)，即不僅采用縱吹方式，還加入橫吹，以提高滅弧性能。,典型的橫向氣吹滅弧裝置如圖2.3l所示。它是利用電弧電流通過磁場線圈，在其周圍產(chǎn)生磁場，以此驅(qū)動(dòng)電弧在六氟化硫氣體中做快速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，使弧柱受到橫向氣流的吹拂、散熱、冷卻而達(dá)到滅弧的目的。 上述各種滅弧方式若按滅弧過程所施加的能量分，一類是外能滅弧。如圖2.30中的(b)、(c)兩種。它是依靠外界能量(非電弧自身的)壓縮氣體，然后氣吹。另一類是自能滅弧。如圖2.30中的(b)、(d)和圖2.31中所示的滅弧裝置。它完全依靠電弧自身的能量滅弧。目前，正在把這兩種滅弧方式在滅弧過程中恰當(dāng)?shù)亟Y(jié)合起來，充分而合理地利用能量形成新的滅弧裝置。,1縱向氣吹滅弧裝置 縱向氣吹滅弧裝置一般用于輸電網(wǎng)絡(luò)中的同壓和超高壓斷路器中。下面簡要介紹單壓力單向氣吹滅孤寶的工作情況。 圖2.32所示為其工作原理固。虛