浅析高压断路器发展概况及特点

浅析高压断路器发展概况及特点

摘要：工矿企业中3kV及以上电力系统中使用的断路器称为高压断路器，它是工矿企业配电系统中最重要的电气设备之一，高压断路器能够开断、关合及承载运行线路的正常电流，也能在规定时间内承载、关合及开断规定的异常电流，如过载电流和短路电流。本文将对高压断路器的分类，性能及特点做详细的描述，供相关人员参考。

关键词：断路器 高压 灭弧 SF6 绝缘 真空

高压断路器被广泛使用于电力系统及工业企业中。概括的讲，高压断路器在供配电系统中起着两方面的作用：第一，控制作用。根据电网运行需要，高压断路器把一部分电力设备或线路投入或退出运行，这种作用称为控制。第二，保护作用。高压断路器还可以在电力线路或设备发生故障时将故障部分从电网快速切除，保证电网中的无故障部分正常运行，这称之为保护作用。总之，高压断路器根据控制、保护的对象不同，可以分为以下几种类型：

1、 发电机断路器――控制、保护发电机用的断路器。

2、 输电断路器――用于110（63）kV 及以上输电系统中的断路器。

3、 配电断路器――用于35（63）kV 及以下的配电系统中的断路器。

4、 控制断路器――用于控制、保护需要经常起停的电力设备的断路器。

如果按断路器灭弧介质及作用原理来划分，则可以分为油断路器（多油和少油）、压缩空气断路器、六氟化硫断路器、真空断路器、磁吹断路器和产气断路器。以上各类高压断路器在原理、结构上差别很大。20 世纪50 年代以来，高压断路器的发展取得了巨大进展。原先高压和超高压电力系统中的多油和少油断路器几乎全部被SF6 断路器所取代。10kV～35kV 电网中的多油和少油断路器大有被真空断路器取代的趋势，特别在10kV 电压等级中更是如此。取得这些成绩主要归功于以下因素：新介质的应用（SF6）、新型触头材料的研制（真空断路器的发展与之有密切关系）、理论研究的提高和制造工艺水平的提高。本文将按照灭弧介质划分的方法来逐一介绍以上几种高压断路器，并介绍各自的性能及特点。

油断路器：

早在1930 年以前，用油作为灭弧介质来提高断路器的开断能力是最有成效的方法，在上个世界80年代开始就广泛使用这种断路器。油断路器中通常采用的是矿物油（如变压器油），它具有较高的介质强度和较强的熄灭电弧的能力。其熄弧原理是：当触头在油中分断电流时，将在油中产生电弧。电弧的能量大约有25～30％用于油的分解，从而产生大量的气体，在电弧周围形成气泡。

气泡中氢气占70～80％，其余的气体为乙炔、甲烷等。氢气具有很高的导热率，电弧经热传导而冷却。因油不断被分解使产生的气体量增加，气泡的体积膨胀，推动油层迅速向四周运动，但因受到箱壁及气泡上面油层惯性的阻碍，膨胀受到限制，从而使气泡中的压力维持在 0.5～1MPa 之间。气泡内由于温度和压力差而产生剧烈的扰动，加强了弧柱的冷却。随着触头间距的增加，电弧被拉长，在某一次电流过零后，电弧被熄灭而不再重燃。。因这种分断装置依靠电弧自身能量所分解的气体来熄灭电弧，故称作自能式灭弧。因此，现代油断路器都装有灭弧室，使之形成气吹型的油中电弧。气吹型油中电弧已不仅是利用氢气的良好热传导性使其冷却，而主要是利用氢气等离子体的等熵冷却使其熄灭。油断路器按对地绝缘介质的不同，可分为接地箱壳多油断路器（简称多油断路器）和带电箱壳少油断路器（简称少油断路器）两种。多油断路器其灭弧室通常用油量较多，油既用作灭弧介质又用作对地绝缘。多油断路器结构简单，性能可靠，可以制成超高压等级（如362kV），并可方便地带电流互感器，配套性强，户外使用时受大气条件的影响小。但多油断路器也有很多的缺点，特别是在超高压等级时，体积庞大，消耗大量的钢材和变压器油，运输和安装均有较大困难，引起爆炸和火灾的危险性大，所以多油断路器已趋于淘汰。

少油断路器的突出特点是结构简单，易于制造和维修、价格低、使用方便。与多油断路器相比，少油断路器体积小、重量轻、用油量少，能采用积木式组装成超高压少油断路器，并在电力系统中被广泛应用。其缺点是燃弧时间长，动作较慢，检修周期短，维修工作量大，受单元断口的电压限制，发展特高压等级有困难等。目前我国生产的高压油断路器主要是少油断路器。

（二）压缩空气断路器

压缩空气断路器是以压缩空气作为灭弧介质的断路器，此种介质防火、防爆、无毒、无腐蚀性，取用方便。其工作时，高速气流吹弧对弧柱产生强烈的散热和冷却作用，使弧柱热电离，并迅速减弱以至消失。电弧熄灭后，电弧间隙即由新鲜的压缩空气补充，介电强度迅速恢复。压缩空气断路器的主要构成部分是灭弧室。按压缩空气吹弧方式，断路器灭弧室分为横吹和纵吹两种。在实际应用中，通常是两种吹弧方式同时存在，但以一种吹弧方式为主。压缩空气断路器自40 年代问世以来，在50、60 年代迅速发展，广泛用于高压和超高压的电力系统中。其主要特点是：动作快，开断时间短，这在很大程度上提高了电力系统的稳定性；具有较高的开断能力，可以满足电力系统所提出的较高额定参数和性能要求；可以采用积木式结构，系列性强。但其结构复杂，工艺要求高，有色金属消耗量多。后来，由于出现了灭弧性能良好、电寿命长的SF6 断路器，使得压缩空气断路器的使用范围缩小。但在北欧等一些高寒地区，由于SF6 气体液化和开断能力降低（降低20％左右）等原因，有些国家在高压、超高压电网中还在使用压缩空气断路器。此外，大容量发电机断路器，要求开断容量大，动作迅速，现在还广泛应用压缩空气断路器。

（三）六氟化硫断路器

采用具有优良灭弧性能和绝缘性能的SF6 气体作为灭弧介质的断路器

称为SF6 断路器。它与压缩空气断路器同属于气吹断路器，不同之处在于：SF6 断路器工作气压较低；在吹弧过程中，气体不排向大气，而在封闭系统中循环使用。

SF6 用作断路器中的灭弧介质始于20 世纪50 年代初。由于这种气体的优异特性，使这种断路器单断口在电压和电流参数方面大大高于压缩空气断路器和少油断路器，并且不需要高的气压和相当多的串联断口数。80 年代后已研制成功36kV单断口、550 kV双断口和额定开断电流达80、100 kA的SF6 断路器。SF6 断路器的灭弧原理大致可以分为三种类型：压气式、自能吹弧式和混合式。压气式开断电流大，但操作功大；自能吹弧式开断电流较小，操作功亦小；混合式是两种或三种原理的组合，主要是为了增强灭弧性能，增大开断电流，同时又能减小操作功。SF6 气体具有很好的负电性，它的分子能迅速捕捉自由电子而形成负离子。这些负离子的导电作用十分迟缓，有很好的灭弧性能。SF6 气体优良的绝缘和灭弧性能，使SF6 断路器具有如下优点：体积小，开断能力强，断口电压便于做得较高，允许连续开断次数较多，适用于频繁操作，噪音小，无火灾危险，机电磨损小等，是一种性能优异的“无维修”断路器。近年来SF6 断路器发展很快，尤其以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。但同时SF6 断路器也有其缺点。必须指出的是，在正常情况下，SF6 是一种不燃、无臭、无毒的惰性气体，密度约为空气的2 倍。但SF6 气体在电弧作用下，生成一些有毒的低氟化物，如SOF2、SF4、SOF4 和SO2F2 等，对人体健康有害，同时对金属部件也有腐蚀和劣化作用。另外，若SF6 气体的含水量较高，则将使绝缘水平大大下降，接触电阻急剧增加，在运行过程中易发生损坏或爆炸事故。因SF6 的电气性能受电场均匀程度及水分等杂质影响特别大，故对SF6 断路器的密封结构、元件结构及SF6 气体本身质量的要求相当严格。此外，SF6 断路器的结构较复杂，有色金属消耗量大，价格较昂贵。

（ 五）真空断路器

高压真空断路器是利用“真空”（气压为10-2～10-6 帕）灭弧的一种断路器，其触头装在真空灭弧室内。但在感性电路中，灭弧速度过快，瞬间切断电流i 将使di/dt 极大，从而使电路出现过电压（UL=Ldi/dt），这对供电系统是不利的。因此，这种“真空”不能是绝对的真空，实际上能在触头断开时因高电场发射和热电发射产生一点电弧，称之为“真空电弧”，它能在电流第一次过零时熄灭。这样，既能使燃弧时间很短（至多半个周期），又不致产生很高的过电压。这种整体型布局，可使操动机构的操作性能与真空灭弧室开合所需的性能更为吻合，减少不必要的中间传动环节，降低了能耗和噪声。触头具有电磨损速率小、电寿命长、耐压水平高、介质绝缘强度稳定且弧后恢复迅速、截流水平低、开断能力强等优点。真空断路器按真空灭弧室的布置方式可分为落地式和悬臂式两种。总的来说，真空断路器具有下列特点：①熄弧能力强，燃弧时间短，全分断时间也短。②触头电磨损小，电寿命长，触头不受外界有害气体的侵蚀。③触头开距小，减小了操动机构的操作功，机械寿命长。④结构简单，维修工作量小，真空灭弧室和触头不需检修。⑤体积小、重量轻。⑥环境污染小，电流分断在密闭容器内进行，电弧生成物不会污染周围环境，操作时也没有严重噪音，没有易燃易爆介

质，无爆炸和火灾危险。⑦适合于频繁操作和快速切断，特别适合于切断电容性负载电路。

随着计算机技术、电子技术、通讯技术和传感器技术的迅速发展，真空断路器在电力行业已被广泛应用。高压开关设备的智能化水平日益提高，真空断路器在产品制造过程中，应不断完善产品结构设计、提高制造工艺水平、保证装配质量、提高设备运行的可靠性。高压真空断路器在智能化选型、优化设备状态检修、降低运行维护费用、加速电力系统自动化控制、建立科学合理的状态评估系统中产生积极的促进作用，应用的前景是比较乐观的。

结束语：通过以上探讨，我们了解了高压断路器发展至今所产生的一些基本类型、灭弧原理以及他们各自的优缺点。用户可根据各自的生产情况、工艺要求等方面选择合适的断路器。目前在用户配电系统中，应用范围最广的主要还是真空断路器和六氟化硫断路器。

参考文献：

[1]电气工程师手册中国电力出版社

[2]工业与民用配电设计手册中国电力出版社

[3]崔景春，袁大陆，杜彦明 SF6 断路器操作机构的运行可靠性和选型探讨[J]。 高压电器，2001

[4]吴伟光，马履中. 断路器操作机构的性能分析与研究[J]. 机械研究与应用，2000。