1、第三节交流电弧熄灭的基本方法u 交流电弧电流在每一个半周内都通过零值，此时电弧的自然暂时熄灭，与电弧间隙的去游离程度无关。此后，由于电流反向，电弧又重新点燃。电弧能否熄灭，决定于电弧电流过零时，弧隙的介质强度恢复速度和恢复电压上升速度的竞争。u 加强弧隙的去游离或减小弧隙电压的恢复速度，都可以促使电弧熄灭。 弧隙介质强度恢复过程Ud(t)主要由断路器灭弧装置的结构和灭弧介质性质决定，而恢复电压Ur(t)的上升过程主要取决于系统电路的参数。u 这两种过程是相互有关系的，即恢复电压速度与弧隙的介质强度有关，而弧隙的介质强度又受电压恢复速度的影响。因此，应将它们看成一个复杂现象的两方面，虽然如此，有
2、条件地将恢复电压看成独立的现象，有助于更深刻地理解在开断不同形式的电路时，断路器中电弧的熄灭条件。长弧和短弧的熄灭有较显著的差异。图3-9 介质强度与恢复电压曲线 如图3-9所示，当恢复电压按Ur1变化时，在t1时间之后，由于恢复电压大于介质强度，电弧即重燃；如按Ur2 变化，则电弧就不会重燃。（1）短弧的熄灭 在电流经过零值后，阴极附近空间的介质强度立刻恢复的现象，即近阴极效应呈现的起始介质强度150250V， 就是220V以下低压开关电器中交流电弧容易熄灭的原因。 由于这种低电压开关电器的功率不大，在断路时，开关电器触头往往不大发热，因此电弧在电流第一次经过零值时即熄灭。只有当切断很大电流
3、，触头炽热时，才发生延时电弧。这种近阴极效应呈现的起始介质强度，也可用在380V以上的低电压开关电器的电弧熄灭。（2）长弧的熄灭 在几千伏或几万伏的高压断路器中灭弧，近阴极效应是无足轻重的。 有决定意义的是电弧间隙即弧柱中的去游离过程，同时降低恢复电压上升的速度、幅度，抑制恢复电压可能产生的高频振荡。广泛采用的灭弧方法：u 1.利用灭弧介质 电弧中的去游离程度，在很大程度上取决于电弧周围介质的特性，如介质的传热能力、介电强度、热游温度和热容量。这些参数的数值越大，则去游离作用越强，电弧就越容易熄灭。 空气的灭弧性能是各类气体中最差的，氢的灭弧能力是空气的7.5倍。用变压器油作灭弧介质，使绝缘油
4、在电弧的高温作用下分解出氢气和其他气体来灭弧。六氟化硫（SF6）气体的灭弧能力比空气约强100倍。真空的介质强度比空气约大15倍。 采用不同灭弧介质可以制成不同类型的断路器，如空气断路器、油断路器、SF6断路器、真空断路器等。由于空气灭弧性能差，而变压器油灭弧性能是依赖电弧电流产生的高温分解出氢气灭弧，有易燃易爆危险。因此，当前高压断路器主要采用真空介质及SF6气体介质，尤其是SF6气体具有无毒、不可燃、绝缘性能高和灭弧能力远超过一般介质的特点，因而SF6断路器几乎独占了110kV及以上电压等级的断路器份额。u 2.采用特殊金属材料作灭弧触头 采用熔点高、导热系数和热容量大的耐高温金属作触头材
5、料，可以减少热电子发射和电弧中的金属蒸气，抑制弧隙介质的游离作用。同时，触头材料还要求有较高的抗电弧、抗熔焊能力。常用的触头材料有铜、钨合金和银、钨合金等。u 3.采用灭弧介质或电流磁场吹动拉长与冷却电弧 在高压断路器中利用各种结构形式的灭弧室，使气体或油产生巨大的压力并有力地吹向弧隙，将使带电离子扩散和强烈地冷却而复合。空气断路器利用充入压力约为2.3MPa的干燥压缩空气作为吹动电弧的灭弧介质。SF6断路器利用压力为0.30.7MPa的纯净SF6气体作为灭弧介质在灭弧室吹动电弧，油断路器利用油和油在电弧作用下分解出的气体吹动电弧，真空断路器利用电弧电流产生的横向或纵向磁场吹动电弧使之冷却。
6、吹动方向与弧柱轴线平行的称为纵吹，它使电弧冷却变细；吹动方向与弧柱轴线垂直的称为横吹，它使电弧拉长，表面积增大并加强冷却。在断路器更多地采用纵、横混合吹弧或环吹方式，其熄弧效果更好。u 4.采用多断口熄弧 每相采用两个或更多的断口串联，在断路器分闸时，由操动机构将断路器各个串联断口同时拉开，断口把电弧分割成多个小电弧段，把长弧变成短弧。在相等的触头行程下，多断口比单断口的电弧拉得长，而且电弧被拉长的速度也增加，加速了弧隙电阻的增大。同时，由于加在每个断口的电压降低，使弧隙恢复电压降低，亦有利于熄灭电弧。 多个灭弧装置串联的积木式结构的断路器在开断位置及开断过程中，由于灭弧装置的导电部分与断路器
7、底座和大地间分布电容的存在，每一个断口在开断位置的电压分配和开断过程中的恢复电压分配将出现不均匀现象，影响到整个断路器的灭弧能力。 通常在断路器的多断口上加装并联电容，只要电容量足够大断口上的电压分布就接近相等，从而保证了断路器的灭弧能力。 如图3-10所示，断路器开断接地故障之后，U为电源电压，U1和U2 分别为两个断口电压，CQ为断口触头之间形成的电容，C0为断路器整个带电灭弧室部分通过绝缘支架之间形成的电容，通常C0远大于CQ。可见，靠近接地端的断口电压U2由于CQ与C0并联作用，必远远小于电源端的断口电压U1。为此，在两个断口并入比C0与CQ大得多的电容，这个电容称为均压电容，可使两断
8、口上的电压分布近于相等，以确保断路器的灭弧性能。图3-10 断路器加装并联电容(a)断路器中电容分布 (b)断口电压分布计算图u 5.提高断路器触头的分离速度 迅速拉长电弧，可使弧隙的电场强度骤降，同时使电弧的表面突然增大，有利于电弧的冷却和带电质点向周围介质中扩散和离子复合。为此，在高压断路器中都装有强有力的分闸操动机构，以加快触头的分断速度。u 6.断路器加装并联电阻u 上述几种方法，着重于提高断路器介质强度的恢复上升速度。而系统恢复电压上升的速度及幅值，对交流电弧的熄灭具有决定性影响。为了降低恢复电压上升速度及熄弧时的过电压，通常在大容量发电机出口断路器及110kV以上的高压断路器，特别
9、是特高压断路器上的断口处加装并联电阻，如图3-11所示。图3-11 分、合闸并联电阻滞后分断和提前关合的动作原理u 分闸时，主触头先打开，由于有并联电阻接入，不仅使主触头间产生的电弧容易熄灭，而且使恢复电压的数值及上升速度都降低，并联电阻对电路的振荡过程起阻尼作用，可能使振荡过程变成非周期振荡过程，从而抑制了过电压，当主触头间电弧熄灭后，辅助触点打开，完全开断电路。合闸时，顺序相反，辅助触点先合，让其预合在电阻性负荷上，然后合上主触头，避免合闸过电压。第五节特高压断路器和智能断路器一、特高压断路器 特高压断路器是指用于额定电压超过750kV电压等级的更高一级电压电网，通常为1000kV电压等级
10、电网的断路器。 由于SF6气体具有优异的灭弧与绝缘性能，使得SF6断路器具有许多优点，如断口电压高、开断能力强，可频繁操作和连续开断故障电流，以及开断容性电流不重燃等。因而，当前SF6断路器在特高压领域完全取代了空气断路器，同时广泛采用GIS（封闭组合电器）结构，与开敞式布置结构相比大幅度缩小占地面积，减少高电压的电磁污染，大大延长了设备检修周期。u 特高压断路器首先要求应能满足特高压电网大容量短路电流的开断能力，保证能安全可靠运行的电气绝缘性能，同时必须具有比一般高压断路器更高的技术要求。u 1.降低开断和关合时的操作过电压 特高压断路器采用了加装分闸和合闸电阻措施，以降低断路器操作过程中的
11、系统恢复电压。为降低操作过电压，通常要求合闸电阻较低，分闸电阻较高，且对分闸电阻的热容量要求也很高。 如图3-23所示，为国产1100kV四断口断路器，灭弧室与电阻共用一台操动机构，采用连杆传动分别动作。 断路器在合闸过程中，电阻断口先接通，同时活塞推动活塞筒中的储能弹簧压缩。当断路器位于合闸位置时，弹簧处于被压缩状态；分闸时，电阻开关动触头在液压机构的带动下，快速分离，静触头在压缩弹簧及活塞筒中气体阻尼的共同作用下慢速恢复，从而实现了电阻系统的先合先分。取消分闸电阻后，分闸时可能出现的操作过电压，由电力系统安装的避雷器限制。图3-23 带独立合闸电阻的四断口1100kV断路器u 2.提高GI
12、S中的SF6气体绝缘性能 特高压GIS中，高额定电压及各种过电压值要求SF6 绝缘间隙和内部设备尺寸都较大。图3-24中的曲线为不同压力下的气体击穿电压特性。工程应用中一般采用增加气体压力的方法，提高GIS间隙的击穿场强，缩小GIS内部电气设备的体积。然而，高的SF6气压加大了GIS密封技术的难度，而且使SF6在西北等高寒地区易液化，导致其绝缘能力减弱。图3-24 不同压力下的气体击穿电压特性u SF6气体是一种具有潜在（目前全球SF6排放量还很少）温室效应的气体，它的全球变暖系数为二氧化碳的23900倍，大气中的寿命为3200年。同时，存在高寒条件下易液化的缺点。长期以来，各国都在不断寻找替
13、代介质，现已发现的三氟碘甲烷（CF3I）气体绝缘性能很好，在均匀电场中的绝缘水平是SF6的1.2倍，其特性见表3-2。然而，CF3I气体虽然有良好的绝缘与环保特性，但有较高的液化温度，加之价格为SF6的100倍，因而要取代SF6介质在断路器中的地位是不现实的。当前SF6仍然是唯一可选的介质。表3-2 CF3I气体特性 SF6气体中加入少量的N2气体，SF6/N2的配比如不低于50%/50%，其混合气体的绝缘强度与纯SF6气体相差很小，但可以降低GIS在较高的气体压力下的液化浓度，适用于高寒地区。此外，SF6/N2混合气体还能降低纯SF6气体放电电压对电场均衡的影响，降低金属微粒及电极表面的粗糙
14、度，同时可降低SF6排放量，符合全球对环保的关注，具有良好的应用前景。u 3.提高单个断口电压 断路器的灭弧室由若干个断口组成，每个断口承受一定的电压，以积木式组成整个灭弧室。在特高压断路器内减少断口数目，可极大地改善每个断口在开断位置的电压分配和开断过程中的恢复电压分配不均现象，减少断口之间的并联均压电容数量，简化断路器结构，降低造价。目前，1000kV 的断路器有两个断口和四个断口两种。 为提高特高压断路器的单个断口开断能力，两断口断路器通常采用混合灭弧方式。也就是在压气基础上，利用电弧能量加热SF6气体，增加压力室的压力，形成强烈的双向吹弧，缩短开断时间；同时采用混合压气式原理，优化压气
15、缸尺寸，利用电弧能量提高压气室内气体压力，从而降低了机构操作功，具有较强的短路开断能力。u图3-25所示为混合压气式灭弧室原理示意图。 在开断初期图3-25（a）电弧加热气体的一部分，返回到压力室，提高了压力室的压力。在开断过程中图3-25（b）压气缸继续加大压力，形成强烈的双向吹弧。在这种混合压气式灭弧室中，压气和热膨胀同时发生在一个灭弧室内，压气的灭弧效力得到热膨胀的增强，从而提高了灭弧效能与开断能力。图3-25 混合压气式灭弧室原理示意图（a）开断初期；（b）开断过程中u 4.配置大功率高性能的操动机构 由于特高压断路器灭弧室运动质量大，且要求分闸速度高，操作过程中传动及支撑部分都受到较
16、大冲击力，并且要满足5000次机械寿命要求。因而，操动机构必须大功率、平稳可靠。为满足特高压电网对开断的系统稳定性及操作过电压水平的要求，操动机构还必须能快速响应，同时分、合闸速度具有可调性能。二、智能断路器u 智能断路器的定义为“具有较高性能的断路器和控制设备，配有电子设备、传感器和执行器，不仅具有断路器的基本功能，还具有附加功能，尤其是在监测和诊断方面。” 智能控制单元通常由数据采集、智能识别和调节装置三个基本模块组成。 智能断路器的基本工作模式是根据监测到的不同故障电流，自动选择操动机构和灭弧室预先选定的工作条件。 断路器的智能化操作要求其操动机构的动作时间具有可控性，但目前断路器常用的
17、气动操动机构、液压操动机构、电磁操动机构和弹簧操动机构由于中间介质等因素，控制时间离散值大，其运动特性很难达到理想的可控状态。因此，智能断路器及满足要求的操动机构，特别是在高电压领域尚处于研究开发阶段。 第六节高压断路器操动机构u 操动机构是驱动断路器分合闸的重要配套设备，断路器的工作可靠性在很大程度上依赖于操动机构的动作可靠性。断路器的合闸、分闸动作是由操动机构和与此相互联系的传动机构来完成。一、对操动机构的要求u 1.具有足够的合闸功率 在电网正常工作时，用操动机构使断路器关合的是工作电流，关合是较容易的。但在电网事故情况下，如断路器关合到有预伏短路故障的电路时，短路电流可达几万安以上，断
18、路器导电回路受到的电动力可达几千牛，从断路器导电回路的布置以及触头的结构来看，电动力的方向又常常是阻碍断路器关合的。因此，在关合有预伏短路故障的电路时，由于电动力过大，断路器有可能出现触头不能迅速、可靠地实现关合，从而引起触头严重烧伤。因此，操动机构必须具有足够的合闸功率，才能具有关合短路故障的能力。u 2.接到分闸命令后应迅速可靠地分闸 操动机构对断路器的分闸功率通常可以满足，这是由于断路器导电回路通过短路电流及触头结构所呈现的电动力方向，对于断路器的分闸起到加速作用。u 3.具有自由脱扣装置与防跳跃措施 操动机构中自由脱扣装置的作用是，断路器合闸过程中，若操动机构又接到分闸命令，则操动机构
19、不应继续执行合闸命令而应立即分闸，并保持在分闸位置。u 4.复位与闭锁功能 断路器分闸后，操动机构中的各个部件应能自动地或通过简单的操作后，回复到准备合闸的位置，以保证操动机构的动作可靠。 同时，要求操动机构应具有以下的闭锁装置： （1）分合闸位置连锁。保证断路器在合闸位置时，操动机构不能进行合闸操作；断路器在分闸位置时，操动机构不能进行分闸操作。 （2）低气（液）压与高气（液）连锁。对于气动或液压操动机构，当气体或液体压力低于或高于额定值时，操动机构不能进行分、合闸操作。 （3）弹簧操动机构中的位置连锁。弹簧储能不到规定要求时，操动机构不能进行分、合闸操作。二、操动机构的类型 根据所提供能源
20、形式的不同，操动机构可分为手动操动机构（CS）、电磁操动机构（CD）、弹簧操动机构（CT）、气动操动机构（CQ）、液压操动机构（CY）等几种。其中，手动、电磁操动机构属于直动机构，弹簧、气动、液压操动机构属于储能机构。在高压乃至特高压SF6断路器中，配用的操动机构有三种：液压、气动、弹簧操动机构。u1.电磁操动机构 电磁操动机构是直接依靠电磁力合闸，可进行远距离控制和重合闸。其优点是结构简单、零件数少、工作可靠、制造成本低。其缺点是合闸线圈消耗的功率太大，合闸电流可达数百安，而且对二次操作电源可能形成一定冲击；要求配用220/110V的大容量直流电源,因而辅助设施投资大，维护费用高；机构本身笨
21、重，由于电磁时间常数影响，使合闸时往往有一定延迟，故在真空断路器中使用已逐渐减少。u 2.弹簧操动机构 弹簧操动机构是以弹簧作为储能元件的机械式操动机构。 弹簧操动机构不需要专门的操作电源，储能电动机功率小，交直流两用，同时合闸弹簧的储能还可以通过人工手动完成，使用方便；但弹簧操动机构结构比较复杂，零件数量较多，通常约为200个，成本较高，传动环节有出现故障的概率。u 3.气动操动机构 单一的压缩空气作动力的气动操动机构已淘汰，断路器当前采用的是以压缩空气作动力进行分闸操作，辅以合闸弹簧作为合闸储能元件的气动操动机构。u 气动操动机构的缺点是体积较大，零部件的加工准确度比电磁操动机构还高，同时
22、需要配备压缩空压装置及压缩空气罐，对空气的气密性要求很高，因此活塞和气缸维护的要求高。加之气动操动机构中能量的传递是压缩空气，操作过程中会发生动作延迟，因而在特高压断路器上较少使用。u 4.液压操动机构 液压操动机构将储存在储能器中的高压油作为驱动能传递媒体。 液压操动机构具有操作平稳，无噪声、且需要控制的能量小，在不大的机构尺寸下就可以获得能量强大的操作力，以及液压元件质量轻且反应速度快，容易实现自动控制与各种保护，暂时失去电源时仍能操作多次，动作可靠等一系列优势，特别适用于126kV及以上的高压，超高压和特高压断路器。三、断路器操动机构的发展趋势 目前，上述四种基本型式的操动机构都在不断改
23、型，出现了不同原理的组合，如气动弹簧操动机构和液压弹簧操动机构，充分发挥了气动和弹簧、液压和弹簧两者的优势。 近年来，为了解决传统液压操动机构储能器气体泄漏造成储能功能下降，影响能量输出而造成断路器的慢分和慢合的隐患，出现了新型液压弹簧操动机构。它是在液压操动机构基础上发展起来的，主要的改进是用碟簧储能取代氮气储压筒储能，实现模块化，集装板块结构，集成液压和弹簧操动机构的优点为一体，操作平稳，但制造难度较大，成本较高；同时，采用高集成的液压技术和先进的密封技术；使液压传递回路达到几乎完全密封的状况；不断改进液压操动机构，在设计中，合闸一级、二级阀和供排三级之间无管路连接，减少了漏油的环节，使产
24、品结构更加紧凑，布置更趋合理。 此外，弹簧操动机构出现了新的型式，从原来以螺旋弹簧为动力源的四连杆驱动方式，变成以盘簧（涡卷弹簧）为动力源的凸轮驱动方式。除了上述几种基本型操动机构，还出现了新型的电动机操动机构、永磁操动机构。（1）电动机操动机构。 这种新颖的机构是利用先进的数字技术与简单、可靠、成熟的电动机相结合，不仅满足断路器操动机构的所有核心要求，而且在性能和功能方面具有简单可靠（只有一个运动件）、先进的监视平台、可优化的预设定行程曲线等很多优势。如图3-26所示,为电动机操动机构的基本单元的连接。图3-26 电动机操动机构各单元之间的连接 主要包括能量缓存单元、充电单元、交换器单元、控制单元、电动机与解算器单元及输入/输出（I/O）单元。电动机由能量缓存单元经变换器供电，能量缓存单元由充电单元来充电。基于微处理器的控制单元控制速度并进行监视。电动机操动机构的操动通过输入/输出单元来实现。（2）永磁操动机构。 在中压断路器操动机构方面，继电磁操动机构和弹簧操动机构之后，出现了永磁操动机构。它是一种崭新的操动机构，利用电磁铁操动，永久磁铁锁扣，电容器储能，电子器件控制。永久磁铁用来产生锁扣力，不需任何机械能就可将真空断路器保持在合、分闸位置上。 永磁操动机构还处于发展阶段，未来会有更大的发展空间。目前，其少量用于中小容量的真空断路器，而更多的用于需要频繁操作的重合器和接触器。
