高压断路器是高压配电网的关键元件,其断流容量可达几百到几千兆伏安,分断能力可达几千安。高压断路器以灭弧介质分类分为油断路器、真空断路器和SF6气体断路器。

(一)高压断路器的技术特性

高压断路器的主要技术参数有以下几项。

(1)额定电压。额定电压表示断路器在运行中能长期承受的工作电压。它不是所在系统的最高电压。比如0.4kV系统,设备额定电压为0.38kV;10kV系统设备额定电压为10kV。

(2)额定电流。额定电流表示断路器能够正常运行的负荷电流,为考虑其热稳定性,选取一个额定值,即经生产厂商优选配合确定的值,切不可误解为持续运行的负荷电流。

(3)额定短路开断电流。额定短路开断电流是指定额短路电流中的交流分量的有效值。

(4)额定短路关合电流。额定短路关合电流是指额定短路电流中最高峰值,它等于额定开断电流值2.5倍。

(5)额定短时耐受电流。额定短时耐受电流等于额定短路开断电流。

(6)额定峰值耐受电流。额定峰值耐受电流等于额定短路关合电流。当保护变压器时,为额定短路开断电流值的2.5倍。

(7)额定短路持续时间。不同电压等级的电网额定短路持续时间规定值不同。如:110kV及以下为4s;220kV及以上为2s,且与其容量有关。

另外,高压断路器尚有绝缘性能,分合闸时间等方面的技术参数。

(二)高压油断路器

高压油断路器的冷却灭弧介质是高纯度变压器油,由于绝缘油易于老化,分断一定次数短路电流后就得更换,增加了运行中的维护检修工作量。但在负荷小、线路短、短路事故发生的几率较低的一般的工矿企业中,仍可选用油断路器。

高压油断路器的典型代表为SN10-10少油断路器。SN10-10少油断路器由框架、油箱和传动部分组成。框架上装有分闸限位器,合闸缓冲、分闸弹簧及支撑绝缘子。传动部分由主轴、拐臂、绝缘拉杆及传动变直机构组成。其灭弧室为纵横吹和机械油吹联合灭弧。可配手动、直流电磁及弹簧机构。SN10-10少油断路器技术参数见表4-1。

表4-1　SN10-10技术参数

(三)真空断路器

真空是一种理想的绝缘介质。在很小的真空间隙中就具有很高的介电强度。10kV真空断路器的陶瓷灭弧室中,动静触头间的开距只有6～13mm。真空断路器在分断电路瞬间,由于两触头间电容的存在,使触头间绝缘击穿,产生真空电弧。由于触头形状和结构的原因,使得真空电弧柱迅速向弧柱体外的真空区域扩散,使电弧迅速熄灭,且电弧熄灭后的几微秒内,两触头间的真空间隙耐压水平迅速恢复。所以,真空断路器在电流过零以后,不会发生电弧重燃而被分断。

1.结构

真空断路器的关键部件是真空灭弧室,也称真空开关管。它由外壳、屏蔽罩、波纹管、动静触头和动导电杆组成。

(1)外壳。外壳是真空灭弧室的密封容器。一般采用硬质玻璃、高氧化铝瓷等无机绝缘材料。有的真空灭弧室外壳用金属材料做外部圆筒,以无机绝缘材料制成绝缘端盖。金属圆筒既起机械承力作用,又起屏蔽作用。

(2)屏蔽罩。屏蔽罩起到吸附真空电弧产生的金属蒸气分子作用。金属蒸气分子在罩壳上冷却并恢复为固体状态,灭弧后,灭弧室内的真空度得以迅速恢复。屏蔽罩体积越大,开断过程中金属蒸气分子吸附的越快,温升变化越小,冷凝速度越快,真空度恢复时间越短。

(3)波纹管。金属波纹管起着动触头运动时的真空密封作用。波纹管的一端固定在灭弧室的一个端面上。另一端与动触头的导电杆连接,则随导杆的运动而伸缩。真空灭弧室每分合一次,波纹管随着产生一次机械形变,其制造材料多以不锈钢最佳。

(4)触头。触头是真空灭弧室内最重要的元件。其动静触头是对接式的,动触头行程在6～12mm之间。真空断路器的开断能力由触头系统的结构决定,触头分为平板式、横向磁场和纵向磁场触头。我国应用较多的是纵向磁场触头式的灭弧室。其开断能力在10kV已提高到70kA,灭弧室的体积却逐渐缩小。

2.特性

真空断路器显示出它独有的特性和功能,越来越受到人们的重视。其特性表现在以下几项。

(1)真空断路器的触头是在真空中开断的,利用真空作为绝缘和灭弧介质。它具有以下优点。

1)灭弧能力强,燃弧时间短,全分断时间短。

2)触头开距小,机械寿命较长。

3)适合于频繁操作和快速切断,特别适合切断容性负荷电路。

4)体积小、质量轻,维护工作量小,真空灭弧室与触头不需要维修。

5)没有易燃、易爆介质,无爆炸和火灾危险。

(2)由于真空断路器结构上的特点,它也存在着如下缺点:

1)易产生操作过电压。主要是开断小电流时,产生截流过电压和高频多次重燃过电压。所以,采用真空开关一般应采取有效的抑制操作过电压措施。比如:避雷器与开关并联安装。

2)灭弧室的真空度在运行中还不能随时检查,只能通过专门耐压试验或使用专门仪器检查其真空度。如果真空度降低或不能使用时,只有更换真空灭弧室。

3.ZWG-12系列真空断路器

ZWG-12系列户外柱上干式真空断路器是一种新型真空断路器,主要用于10kV配电网或变电所作为分合负荷电流、过载电流及短路电流,也适用于操作频繁的场合,如石油、勘探、冶金等行业的电力设施。

ZWG-12系列户外柱上干式真空断路器采用三相立柱结构,由传动系统、操动机构及三相立柱(灭弧室)三部分组成,维护调试方便灵活,真空灭弧室为全工况大爬距陶瓷灭弧室,表面不另装绝缘层,稳定性强,断路器采用交流220V,弹簧储能机构。具有电动关合、电动开断、手动电动储能、手动关合、手动开断和过电流自动开断等多种功能。其技术参数见表4-2。(www.daowen.com)

(四)SF6高压断路器

SF6高压断路器采用惰性气体SF6做绝缘灭弧介质。SF6是一种负电性很强的气体,它具有吸收自由电子而成为负离子的特性,介质绝缘恢复强度高。SF6气体在一定压力下比热容比较高,因此,其对流散热的能力高,易于灭弧。所以,SF6气体具有良好的绝缘特性和灭弧性能。

表4-2　ZWG-12系列真空断路器技术参数

1.SF6断路器的灭弧室

高压断路器的核心元件是灭弧室。SF6高压断路器的灭弧室结构分为双压式灭弧室和单压式灭弧室。其中,双压式有高压和低压两个气压系统。

双压式SF6高压断路器配置了密封循环工作的气体压缩机,在分闸灭弧时,被压缩的高压SF6气体打开高气压系统的主阀,SF6气体从高压区经喷口吹向低压区。在低压区的灭弧室中,SF6气体与电弧发生能量交换,电弧温度下降,电弧在喷口和吹弧屏罩的控制和SF6气吹的作用下熄灭。

单压式SF6高压断路器取消了气体压缩机,只有一个气压系统。灭弧室中的导杆带有压缩气体的活塞。分闸时,活塞与气缸的相对运行压缩了SF6气体,短时间内灭弧室内的SF6气压升高,对电弧产生气吹作用,电弧温度下降,直至在过零时熄灭。

2.LW3-12系列SF6高压断路器

LW3-12系列SF6高压断路器适于10kV系统(最高电压11.5～12kV)。LW3-12系列SF6高压断路器三相共箱,结构紧凑。它采用电磁线圈及电动机储能操动转动式机构进行分合闸。其灭弧是采用环形电极、磁场线圈的磁场与电弧电流相互作用,电弧在不断旋转中加热SF6气体,使其温度升高,压力升高,形成高压气流,将电弧冷却。在介质强度恢复到一定程度,电流过零时,电弧被熄灭。LW3-12型SF6高压断路器的技术参数见表4-3。

LW3-12系列SF6断路器采用电动操作弹簧机构,带有机械和电气防跳装置,利用SF6气体做灭弧介质。该断路器灭弧单元结构见图4-30。

分闸时,启动电动机后,操作弹簧机构,带动绝缘操作杆、使动触头和与之相连的气缸中的活塞一起快速向下运行,气缸中的SF6气体被压缩;静触指与动触头分离的同时,电流转移到动、静弧触头上。

表4-3　LW3-12型SF6高压断路器的技术参数

图4-30　LW3-12系列SF6高压断路器灭弧单元结构

(a)合闸状态;(b)分闸状态
1—接线端子板;2—静触头座;3—静弧触头;4—静触指;5—喷口;6—动弧触头;7—活塞杆;8—中间法兰;9—滑动密封装置;10—吸附剂;11—灭弧室瓷套;12—动触头;13—SF6气体;14—压气缸;15—活塞;16—中间触指;17—支柱瓷套;18—绝缘操作杆子

随着动触头继续向下运行,动静弧触头分离时产生电弧。气缸中SF6气体虽被压缩,但其压力还较低时电弧在气缸喷口喉道内燃烧,将喉道喷口堵塞,使被压缩的SF6气体不能从喷口释放出来,电弧被气缸外气体压力压入空心活塞杆内。

当喷口喉道快速离开静弧触头时,被压缩的SF6压力达到0.4MPa以上的临界压力时以340m/s(音速)从喉道喷出,冷却电弧,恢复SF6的介电强度,电流过零瞬间电弧被熄灭。气体的继续吹喷,介电强度迅速增强,完全除去游离,电弧不会重燃。

(五)断路器的操动机构

1.电磁操动机构

电磁操动机构是利用合闸线圈中的电流产生电磁力驱动合闸铁芯,撞击合闸四连杆机构进行合闸的,其合闸能量完全取决于合闸电流的大小。因此,这种操动机构要求的合闸电流一般都很大,一般有68、97.5、98三种。该机构的主要优缺点如下所述。

(1)优点。结构简单,加工容易;可遥控操作和自动重合闸;机构输出特性与本体反力特性配合较好。

(2)缺点。合闸电流大,要求大功率的直流电源;一般辅助的开关、中间继电器触点等很难投切这么大的电流,因此,必须另配直流接触器,利用直流接触器的带消弧线圈的触点来控制合闸电流,控制合、分闸;动作速度低,合闸时间长,电源电压变动对合闸速度影响大。

另外,电磁操动机构耗费材料多,由于户外式变电站开关的本体和操动机构一般都组装在一起,这种一体式的开关一般只具备电动合、电动分和手动分的功能,而不具备手动合的功能,因此,当机构箱内出现故障面使断路器拒绝电动合闸时,就必须进行停电,打开机构箱进行处理,否则将无法正常送电。

尽管电磁操动机构存在以上缺点,但运行却非常稳定,由于其具有结构简单的优点,使得电磁操动机构箱内出现故障而使断路器拒绝电动合、分闸的情况很少发生。

2.弹簧操动机构

弹簧操动机构是利用弹簧拉伸和收缩储存的能量进行合、分闸控制的,其弹簧能量的储存是靠储能电动机传送的。而其合、分闸操作是靠合、分闸线圈控制的。由于合、分闸的能量取决于弹簧的弹力而不是电磁力,因此,合、分闸电流要求都不大,一般在1.5～2.5A。其主要优缺点如下所述。

(1)优点。合、分闸电流要求都不大,要求电源的容量也不大;既可远方电动储能,电动合、分闸,也可就地手动储能,手动合、分闸,在直流电源消失的情况下也可手动合、分操作;合、分闸动作快,且能快速自动重合闸。

(2)缺点。结构较复杂、冲力大、构件强度要求高;输出力特性与本体反力特性配合较差;零部件加工精度要求高。

(六)高压断路器的选用

高压断路器是高压配电网络最核心的设备。必须严格遵守《交流高压断路器》(GB 1984—2003);《高压开关设备通用技术条件》(GB11022—2011);《交流高压断路器参数选用导则》(DL/T615—2013)等标准。选用时应重点注意以下方面。

(1)应符合安装处的环境条件。尤其是污秽等级应符合环境条件要求。

(2)断路器的工作电压。高压断路器的额定电压与所在网络额定电压相同。最高工作电压应与所在网络最高电压一致。

(3)断路器开断、关合短路电流值应大于或等于所在网络短路电流的计算值。

(4)所选配的操作机构应与操作的断路器及其负荷等级相匹配。一般是室内选用电磁操作机构,室外选用弹簧机构为佳。

(5)选用国家质量认证的产品,且必须附有各种例行试验说明书和安装使用说明书。