第三章滅弧原理及主要開關電器 3 5

1、第三節(jié)交流電弧熄滅的基本方法 u 交流電弧電流在每一個半周內都通過零值，此時電弧的自然暫時熄滅，與電弧間 隙的去游離程度無關。此后，由于電流反向，電弧又重新點燃。電弧能否熄滅，決定 于電弧電流過零時，弧隙的介質強度恢復速度和恢復電壓上升速度的競爭。 u 加強弧隙的去游離或減小弧隙電壓的恢復速度，都可以促使電弧熄滅。 弧隙介質強度恢復過程Ud(t)主要由斷路器滅弧裝置的結構和滅弧介質性質決定， 而恢復電壓Ur(t)的上升過程主要取決于系統(tǒng)電路的參數。 u 這兩種過程是相互有關系的，即恢復電壓速度與弧隙的介質強度有關，而弧隙的 介質強度又受電壓恢復速度的影響。因此，應將它們看成一個復雜現象的兩方面

2、，雖 然如此，有條件地將恢復電壓看成獨立的現象，有助于更深刻地理解在開斷不同形式 的電路時，斷路器中電弧的熄滅條件。長弧和短弧的熄滅有較顯著的差異。 圖3-9 介質強度與恢復電壓曲線 如圖3-9所示，當恢復電壓按Ur1變化 時，在t1時間之后，由于恢復電壓大于介 質強度，電弧即重燃；如按Ur2 變化，則 電弧就不會重燃。 （1）短弧的熄滅 在電流經過零值后，陰極附近空間的介質強度立刻恢復的現象，即近陰極效應呈 現的起始介質強度150250V， 就是220V以下低壓開關電器中交流電弧容易熄滅的 原因。 由于這種低電壓開關電器的功率不大，在斷路時，開關電器觸頭往往不大發(fā)熱， 因此電弧在電流第一次經

3、過零值時即熄滅。只有當切斷很大電流，觸頭熾熱時，才發(fā) 生延時電弧。這種近陰極效應呈現的起始介質強度，也可用在380V以上的低電壓開 關電器的電弧熄滅。 （2）長弧的熄滅 在幾千伏或幾萬伏的高壓斷路器中滅弧，近陰極效應是無足輕重的。 有決定意 義的是電弧間隙即弧柱中的去游離過程，同時降低恢復電壓上升的速度、幅度，抑制 恢復電壓可能產生的高頻振蕩。 廣泛采用的滅弧方法： u 1.利用滅弧介質 電弧中的去游離程度，在很大程度上取決于電弧周圍介質的特性，如介質的傳熱 能力、介電強度、熱游溫度和熱容量。這些參數的數值越大，則去游離作用越強，電 弧就越容易熄滅。 空氣的滅弧性能是各類氣體中最差的，氫的滅弧

4、能力是空氣的7.5倍。用變壓器 油作滅弧介質，使絕緣油在電弧的高溫作用下分解出氫氣和其他氣體來滅弧。六氟化 硫（SF6）氣體的滅弧能力比空氣約強100倍。真空的介質強度比空氣約大15倍。 采用不同滅弧介質可以制成不同類型的斷路器，如空氣斷路器、油斷路器、SF6 斷路器、真空斷路器等。由于空氣滅弧性能差，而變壓器油滅弧性能是依賴電弧電流 產生的高溫分解出氫氣滅弧，有易燃易爆危險。因此，當前高壓斷路器主要采用真空 介質及SF6氣體介質，尤其是SF6氣體具有無毒、不可燃、絕緣性能高和滅弧能力遠 超過一般介質的特點，因而SF6斷路器幾乎獨占了110kV及以上電壓等級的斷路器份 額。 u 2.采用特殊金

5、屬材料作滅弧觸頭 采用熔點高、導熱系數和熱容量大的耐高溫金屬作觸頭材料，可以減少熱電子發(fā) 射和電弧中的金屬蒸氣，抑制弧隙介質的游離作用。同時，觸頭材料還要求有較高的 抗電弧、抗熔焊能力。常用的觸頭材料有銅、鎢合金和銀、鎢合金等。 u 3.采用滅弧介質或電流磁場吹動拉長與冷卻電弧 在高壓斷路器中利用各種結構形式的滅弧室，使氣體或油產生巨大的壓力并有力 地吹向弧隙，將使帶電離子擴散和強烈地冷卻而復合?？諝鈹嗦菲骼贸淙雺毫s為 2.3MPa的干燥壓縮空氣作為吹動電弧的滅弧介質。SF6斷路器利用壓力為0.3 0.7MPa的純凈SF6氣體作為滅弧介質在滅弧室吹動電弧，油斷路器利用油和油在電弧 作用下分

6、解出的氣體吹動電弧，真空斷路器利用電弧電流產生的橫向或縱向磁場吹動 電弧使之冷卻。 吹動方向與弧柱軸線平行的稱為縱吹，它使電弧冷卻變細；吹動方向與弧柱軸線 垂直的稱為橫吹，它使電弧拉長，表面積增大并加強冷卻。在斷路器更多地采用縱、 橫混合吹弧或環(huán)吹方式，其熄弧效果更好。 u 4.采用多斷口熄弧 每相采用兩個或更多的斷口串聯，在斷路器分閘時，由操動機構將斷路器各個串 聯斷口同時拉開，斷口把電弧分割成多個小電弧段，把長弧變成短弧。在相等的觸頭 行程下，多斷口比單斷口的電弧拉得長，而且電弧被拉長的速度也增加，加速了弧隙 電阻的增大。同時，由于加在每個斷口的電壓降低，使弧隙恢復電壓降低，亦有利于 熄滅

7、電弧。 多個滅弧裝置串聯的積木式結構的斷路器在開斷位置及開斷過程中，由于滅弧裝 置的導電部分與斷路器底座和大地間分布電容的存在，每一個斷口在開斷位置的電壓 分配和開斷過程中的恢復電壓分配將出現不均勻現象，影響到整個斷路器的滅弧能力。 通常在斷路器的多斷口上加裝并聯電容，只要電容量足夠大斷口上的電壓分布就接近 相等，從而保證了斷路器的滅弧能力。 如圖3-10所示，斷路器開斷接地故障之后，U為電源電壓，U1和U2 分別為兩個 斷口電壓，CQ為斷口觸頭之間形成的電容，C0為斷路器整個帶電滅弧室部分通過絕 緣支架之間形成的電容，通常C0遠大于CQ。可見，靠近接地端的斷口電壓U2由于 CQ與C0并聯作用

8、，必遠遠小于電源端的斷口電壓U1。為此，在兩個斷口并入比C0與 CQ大得多的電容，這個電容稱為均壓電容，可使兩斷口上的電壓分布近于相等，以 確保斷路器的滅弧性能。 圖3-10 斷路器加裝并聯電容 (a)斷路器中電容分布 (b)斷口電壓分布計算圖 u 5.提高斷路器觸頭的分離速度 迅速拉長電弧，可使弧隙的電場強度驟降，同時使電弧的表面突然增大，有利于 電弧的冷卻和帶電質點向周圍介質中擴散和離子復合。為此，在高壓斷路器中都裝有 強有力的分閘操動機構，以加快觸頭的分斷速度。 u 6.斷路器加裝并聯電阻 u 上述幾種方法，著重于提高斷路器介質強度的恢復上升速度。而系統(tǒng)恢復電壓上 升的速度及幅值，對交流

9、電弧的熄滅具有決定性影響。為了降低恢復電壓上升速度及 熄弧時的過電壓，通常在大容量發(fā)電機出口斷路器及110kV以上的高壓斷路器，特別 是特高壓斷路器上的斷口處加裝并聯電阻，如圖3-11所示。 圖3-11 分、合閘并聯電阻滯后分斷和提前關合的動作原理 u 分閘時，主觸頭先打開，由于有并聯電阻接入，不僅使主觸頭間產生的電弧容易 熄滅，而且使恢復電壓的數值及上升速度都降低，并聯電阻對電路的振蕩過程起阻尼 作用，可能使振蕩過程變成非周期振蕩過程，從而抑制了過電壓，當主觸頭間電弧熄 滅后，輔助觸點打開，完全開斷電路。合閘時，順序相反，輔助觸點先合，讓其預合 在電阻性負荷上，然后合上主觸頭，避免合閘過電壓

10、。 第五節(jié)特高壓斷路器和智能斷路器 一、特高壓斷路器 特高壓斷路器是指用于額定電壓超過750kV電壓等級的更高一級電壓電網，通常 為1000kV電壓等級電網的斷路器。 由于SF6氣體具有優(yōu)異的滅弧與絕緣性能，使得SF6斷路器具有許多優(yōu)點，如斷口 電壓高、開斷能力強，可頻繁操作和連續(xù)開斷故障電流，以及開斷容性電流不重燃等。 因而，當前SF6斷路器在特高壓領域完全取代了空氣斷路器，同時廣泛采用GIS（封閉 組合電器）結構，與開敞式布置結構相比大幅度縮小占地面積，減少高電壓的電磁污 染，大大延長了設備檢修周期。 u 特高壓斷路器首先要求應能滿足特高壓電網大容量短路電流的開斷能力，保證能 安全可靠運行

11、的電氣絕緣性能，同時必須具有比一般高壓斷路器更高的技術要求。 u 1.降低開斷和關合時的操作過電壓 特高壓斷路器采用了加裝分閘和合閘電阻措施，以降低斷路器操作過程中的系統(tǒng) 恢復電壓。為降低操作過電壓，通常要求合閘電阻較低，分閘電阻較高，且對分閘電 阻的熱容量要求也很高。 如圖3-23所示，為國產1100kV四斷口斷路器，滅弧室與電阻共用一臺操動機構， 采用連桿傳動分別動作。 斷路器在合閘過程中，電阻斷口先接通，同時活塞推動活塞筒中的儲能彈簧壓縮。 當斷路器位于合閘位置時，彈簧處于被壓縮狀態(tài)；分閘時，電阻開關動觸頭在液壓機 構的帶動下，快速分離，靜觸頭在壓縮彈簧及活塞筒中氣體阻尼的共同作用下慢速

12、恢 復，從而實現了電阻系統(tǒng)的先合先分。取消分閘電阻后，分閘時可能出現的操作過電 壓，由電力系統(tǒng)安裝的避雷器限制。 圖3-23 帶獨立合閘電阻的四斷口1100kV斷路器 u 2.提高GIS中的SF6氣體絕緣性能 特高壓GIS中，高額定電壓及各種過電壓值要求SF6 絕緣間隙和內部設備尺寸都較 大。圖3-24中的曲線為不同壓力下的氣體擊穿電壓特性。工程應用中一般采用增加氣 體壓力的方法，提高GIS間隙的擊穿場強，縮小GIS內部電氣設備的體積。然而，高的 SF6氣壓加大了GIS密封技術的難度，而且使SF6在西北等高寒地區(qū)易液化，導致其絕 緣能力減弱。 圖3-24 不同 壓力下的氣 體擊穿電壓 特性 u

13、 SF6氣體是一種具有潛在（目前全球SF6排放量還很少）溫室效應的氣體，它的全 球變暖系數為二氧化碳的23900倍，大氣中的壽命為3200年。同時，存在高寒條件下易 液化的缺點。長期以來，各國都在不斷尋找替代介質，現已發(fā)現的三氟碘甲烷（CF3I） 氣體絕緣性能很好，在均勻電場中的絕緣水平是SF6的1.2倍，其特性見表3-2。然而， CF3I氣體雖然有良好的絕緣與環(huán)保特性，但有較高的液化溫度，加之價格為SF6的100 倍，因而要取代SF6介質在斷路器中的地位是不現實的。當前SF6仍然是唯一可選的介 質。 表3-2 CF3I氣體特性 SF6氣體中加入少量的N2氣體，SF6/N2的配比如不低于50%

14、/50%，其混合氣體的 絕緣強度與純SF6氣體相差很小，但可以降低GIS在較高的氣體壓力下的液化濃度，適 用于高寒地區(qū)。此外，SF6/N2混合氣體還能降低純SF6氣體放電電壓對電場均衡的影 響，降低金屬微粒及電極表面的粗糙度，同時可降低SF6排放量，符合全球對環(huán)保的關 注，具有良好的應用前景。 u 3.提高單個斷口電壓 斷路器的滅弧室由若干個斷口組成，每個斷口承受一定的電壓，以積木式組成整 個滅弧室。在特高壓斷路器內減少斷口數目，可極大地改善每個斷口在開斷位置的電 壓分配和開斷過程中的恢復電壓分配不均現象，減少斷口之間的并聯均壓電容數量， 簡化斷路器結構，降低造價。目前，1000kV 的斷路器

15、有兩個斷口和四個斷口兩種。 為提高特高壓斷路器的單個斷口開斷能力，兩斷口斷路器通常采用混合滅弧方式。 也就是在壓氣基礎上，利用電弧能量加熱SF6氣體，增加壓力室的壓力，形成強烈的雙 向吹弧，縮短開斷時間；同時采用混合壓氣式原理，優(yōu)化壓氣缸尺寸，利用電弧能量 提高壓氣室內氣體壓力，從而降低了機構操作功，具有較強的短路開斷能力。 u圖3-25所示為混合壓氣式滅弧室原理示意圖。 在開斷初期圖3-25（a）電弧加熱氣體的一部分，返回到壓力室，提高了壓力 室的壓力。在開斷過程中圖3-25（b）壓氣缸繼續(xù)加大壓力，形成強烈的雙向吹弧。 在這種混合壓氣式滅弧室中，壓氣和熱膨脹同時發(fā)生在一個滅弧室內，壓氣的滅

16、弧效 力得到熱膨脹的增強，從而提高了滅弧效能與開斷能力。 圖3-25 混合壓氣式滅弧室原理示意圖 （a）開斷初期；（b）開斷過程中 u 4.配置大功率高性能的操動機構 由于特高壓斷路器滅弧室運動質量大，且要求分閘速度高，操作過程中傳動及支 撐部分都受到較大沖擊力，并且要滿足5000次機械壽命要求。因而，操動機構必須大 功率、平穩(wěn)可靠。為滿足特高壓電網對開斷的系統(tǒng)穩(wěn)定性及操作過電壓水平的要求， 操動機構還必須能快速響應，同時分、合閘速度具有可調性能。 二、智能斷路器 u 智能斷路器的定義為“具有較高性能的斷路器和控制設備，配有電子設備、傳感 器和執(zhí)行器，不僅具有斷路器的基本功能，還具有附加功能，

17、尤其是在監(jiān)測和診斷方 面。” 智能控制單元通常由數據采集、智能識別和調節(jié)裝置三個基本模塊組成。 智能斷路器的基本工作模式是根據監(jiān)測到的不同故障電流，自動選擇操動機構和 滅弧室預先選定的工作條件。 斷路器的智能化操作要求其操動機構的動作時間具有可控性，但目前斷路器常用 的氣動操動機構、液壓操動機構、電磁操動機構和彈簧操動機構由于中間介質等因素， 控制時間離散值大，其運動特性很難達到理想的可控狀態(tài)。因此，智能斷路器及滿足 要求的操動機構，特別是在高電壓領域尚處于研究開發(fā)階段。 第六節(jié)高壓斷路器操動機構 u 操動機構是驅動斷路器分合閘的重要配套設備，斷路器的工作可靠性在很大程度 上依賴于操動機構的動

18、作可靠性。斷路器的合閘、分閘動作是由操動機構和與此相互 聯系的傳動機構來完成。 一、對操動機構的要求 u 1.具有足夠的合閘功率 在電網正常工作時，用操動機構使斷路器關合的是工作電流，關合是較容易的。 但在電網事故情況下，如斷路器關合到有預伏短路故障的電路時，短路電流可達幾萬 安以上，斷路器導電回路受到的電動力可達幾千牛，從斷路器導電回路的布置以及觸 頭的結構來看，電動力的方向又常常是阻礙斷路器關合的。因此，在關合有預伏短路 故障的電路時，由于電動力過大，斷路器有可能出現觸頭不能迅速、可靠地實現關合， 從而引起觸頭嚴重燒傷。因此，操動機構必須具有足夠的合閘功率，才能具有關合短 路故障的能力。

19、u 2.接到分閘命令后應迅速可靠地分閘 操動機構對斷路器的分閘功率通?？梢詽M足，這是由于斷路器導電回路通過短路 電流及觸頭結構所呈現的電動力方向，對于斷路器的分閘起到加速作用。 u 3.具有自由脫扣裝置與防跳躍措施 操動機構中自由脫扣裝置的作用是，斷路器合閘過程中，若操動機構又接到分閘 命令，則操動機構不應繼續(xù)執(zhí)行合閘命令而應立即分閘，并保持在分閘位置。 u 4.復位與閉鎖功能 斷路器分閘后，操動機構中的各個部件應能自動地或通過簡單的操作后，回復到 準備合閘的位置，以保證操動機構的動作可靠。 同時，要求操動機構應具有以下的閉鎖裝置： （1）分合閘位置連鎖。保證斷路器在合閘位置時，操動機構不能進

20、行合閘操作；斷 路器在分閘位置時，操動機構不能進行分閘操作。 （2）低氣（液）壓與高氣（液）連鎖。對于氣動或液壓操動機構，當氣體或液體壓 力低于或高于額定值時，操動機構不能進行分、合閘操作。 （3）彈簧操動機構中的位置連鎖。彈簧儲能不到規(guī)定要求時，操動機構不能進行分、 合閘操作。 二、操動機構的類型 根據所提供能源形式的不同，操動機構可分為手動操動機構（CS）、電磁操動機 構（CD）、彈簧操動機構（CT）、氣動操動機構（CQ）、液壓操動機構（CY）等幾 種。其中，手動、電磁操動機構屬于直動機構，彈簧、氣動、液壓操動機構屬于儲能 機構。在高壓乃至特高壓SF6斷路器中，配用的操動機構有三種：液壓、

21、氣動、彈簧操 動機構。 u1.電磁操動機構 電磁操動機構是直接依靠電磁力合閘，可進行遠距離控制和重合閘。其優(yōu)點是結 構簡單、零件數少、工作可靠、制造成本低。其缺點是合閘線圈消耗的功率太大，合 閘電流可達數百安，而且對二次操作電源可能形成一定沖擊；要求配用220/110V的大 容量直流電源,因而輔助設施投資大，維護費用高；機構本身笨重，由于電磁時間常數 影響，使合閘時往往有一定延遲，故在真空斷路器中使用已逐漸減少。 u 2.彈簧操動機構 彈簧操動機構是以彈簧作為儲能元件的機械式操動機構。 彈簧操動機構不需要專門的操作電源，儲能電動機功率小，交直流兩用，同時合 閘彈簧的儲能還可以通過人工手動完成，

22、使用方便；但彈簧操動機構結構比較復雜， 零件數量較多，通常約為200個，成本較高，傳動環(huán)節(jié)有出現故障的概率。 u 3.氣動操動機構 單一的壓縮空氣作動力的氣動操動機構已淘汰，斷路器當前采用的是以壓縮空氣 作動力進行分閘操作，輔以合閘彈簧作為合閘儲能元件的氣動操動機構。 u 氣動操動機構的缺點是體積較大，零部件的加工準確度比電磁操動機構還高，同 時需要配備壓縮空壓裝置及壓縮空氣罐，對空氣的氣密性要求很高，因此活塞和氣缸 維護的要求高。加之氣動操動機構中能量的傳遞是壓縮空氣，操作過程中會發(fā)生動作 延遲，因而在特高壓斷路器上較少使用。 u 4.液壓操動機構 液壓操動機構將儲存在儲能器中的高壓油作為驅

23、動能傳遞媒體。 液壓操動機構具有操作平穩(wěn)，無噪聲、且需要控制的能量小，在不大的機構尺寸 下就可以獲得能量強大的操作力，以及液壓元件質量輕且反應速度快，容易實現自動 控制與各種保護，暫時失去電源時仍能操作多次，動作可靠等一系列優(yōu)勢，特別適用 于126kV及以上的高壓，超高壓和特高壓斷路器。 三、斷路器操動機構的發(fā)展趨勢 目前，上述四種基本型式的操動機構都在不斷改型，出現了不同原理的組合，如 氣動彈簧操動機構和液壓彈簧操動機構，充分發(fā)揮了氣動和彈簧、液壓和彈簧兩者的 優(yōu)勢。 近年來，為了解決傳統(tǒng)液壓操動機構儲能器氣體泄漏造成儲能功能下降，影響能 量輸出而造成斷路器的慢分和慢合的隱患，出現了新型液壓彈簧操動機構。它是在液 壓操動機構基礎上發(fā)展起來的，主要的改進是用碟