分合閘斷路器滅弧機(jī)械特性

1、1高壓電路中電弧的特性及形成過程隨著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展和電力工業(yè)需求的增長,對(duì)高壓開關(guān)性能要求也越來越高,它能否正常工作直接關(guān)系電力系統(tǒng)的安全與穩(wěn)定。斷路器起著控制和保護(hù)電力系統(tǒng)的雙重作用,能在有載、無載及各種短路工況下完成規(guī)定的合分或操作循環(huán)任務(wù),特別是在高壓強(qiáng)電流的條件下開斷電路并不是件容易的事,開斷過程產(chǎn)生的電弧不熄滅,電路就不能被開斷。由于電力系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí),產(chǎn)生的電流比正常負(fù)載電流要大得多,這時(shí)開斷電路的斷路器在觸頭分離后,觸點(diǎn)之間將會(huì)出現(xiàn)電弧,電弧的存在對(duì)高壓電路來說是一個(gè)不可忽視的安全隱患,因此高壓電路上明確規(guī)定,只有電弧熄滅,電路的斷開任務(wù)才算完成,而斷開的時(shí)間很短,因此要求很高。電

2、弧快速熄滅能及時(shí)根除安全隱患,為將財(cái)產(chǎn)損失減到最小贏得時(shí)間。斷路器的開斷要快速、可靠、穩(wěn)定。在運(yùn)行中,開斷能力是標(biāo)志性能的基本指標(biāo)。所謂開斷能力,就是指斷路器在切斷電流時(shí)熄滅電弧,順利地切、分電流的任務(wù)的能力。在電力系統(tǒng)中,開斷能力的參數(shù)通常是以額定短路開斷電流為標(biāo)志的,符號(hào)為Ib,單位kA。電弧是一種能量集中、溫度高、亮度大的氣體放電現(xiàn)象,是一種電離的氣體,質(zhì)量極輕,發(fā)出耀眼的光芒,在外力作用下迅速移動(dòng)、卷縮和伸長。在操作電力開關(guān)分?jǐn)嚯娐返倪^程中,當(dāng)開關(guān)的觸頭即將分離時(shí),由于觸頭的接觸面突然減小,使得觸頭接觸處的電阻猛增,同時(shí)電路上被消耗的電能將產(chǎn)生上千度的高溫,使觸頭產(chǎn)生熱電子發(fā)射,這與人

3、們?cè)陔娮庸苤杏^察到的熱電子發(fā)射情況類似,只不過這時(shí)觸頭表面的溫度比電子管內(nèi)燈絲的溫度要高得多,發(fā)射的熱電子強(qiáng)度也大得多。同時(shí)在開關(guān)觸頭分離的瞬間,電路加在觸頭上的電壓將在觸頭間極小的間隙內(nèi)形成很強(qiáng)的電場,它將在高溫作用下觸頭發(fā)射的熱電子迅速加速,這些高速運(yùn)動(dòng)的熱電子碰撞其周圍的氣體分子而產(chǎn)生自由電子和正離子,被電離出來的自由電子在高溫和強(qiáng)電場的作用下繼續(xù)加速,又碰撞其附近的其它氣體分子,如此繼續(xù),形成連鎖反應(yīng),使開關(guān)觸頭間的氣體在極短的時(shí)間發(fā)生雪崩似的電離,接通電路,發(fā)出耀眼的亮光,這就是人們看到的電弧。電弧產(chǎn)生以后,觸頭間隙周圍的溫度隨之升高到4 000以上,大量的金屬蒸氣和氣體原子在高溫下

4、繼續(xù)電離為自由電子和正離子,以維持電弧的穩(wěn)定和電路的導(dǎo)通。電子學(xué)理論認(rèn)為68,在電弧的形成過程中,高溫和電場不僅使氣體分子、原子和熾熱的金屬蒸氣發(fā)生電離,同時(shí)還使已電離的自由電子和正離子重新復(fù)合成中性原子、分子。電弧形成過程示意圖見圖1。 電弧形成機(jī)制包括兩種6 10 ,場致電子發(fā)射和熱電子發(fā)射。場致電子發(fā)射機(jī)理:當(dāng)材料表面外加很強(qiáng)的電場時(shí),勢(shì)壘的高度顯著降低,同時(shí)勢(shì)壘的寬度變窄,這時(shí)電子不需要額外獲得能量就會(huì)由于隧道效應(yīng)而有一定穿越勢(shì)壘的幾率,產(chǎn)生場致電子發(fā)射。有文獻(xiàn)表明810, Fowler和Nordheim于1928年計(jì)算了這種場致發(fā)射的電流密度與外加電場的關(guān)系得出在0 K時(shí)發(fā)射的電流密

5、度為:式中,E為電場強(qiáng)度;為材料的逸出功,v(y)和t(y)可通過查表得到。熱電子發(fā)射需將陰極加熱到約2 500 K以上,這時(shí)便在熱作用下發(fā)射電子。電子經(jīng)施加在兩極間的電場加速,向陽極運(yùn)動(dòng)。由于熱電子發(fā)射需要的溫度高,故只有少數(shù)幾種難熔金屬(如W、Zr、Hf等)才可能產(chǎn)生熱電子發(fā)射。熱電子發(fā)射符合Richardson_Dushman方程:式中,js為電流密度;A為常數(shù);K為Boltzmann常數(shù);T為電極溫度;是逸出功。式(2)表明熱電子發(fā)射與發(fā)射體溫度、電子逸出功有密切關(guān)系。比較式(1)、(2)可知,對(duì)弧觸頭,無論是場致電子發(fā)射還是熱電子發(fā)射,其發(fā)射電流都直接依賴于觸頭材料的逸出功。提高材料

6、的逸出功可顯著降低動(dòng)靜弧觸頭間的電子發(fā)射能力。同時(shí),在熱電子發(fā)射工作狀態(tài)下,提高逸出功可使電極在較高的溫度下達(dá)到所需要的電流,能有效改善弧觸頭材料的抗燒蝕能力。2熄滅電弧的方法電弧的產(chǎn)生直接影響著電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行,快速、可靠、穩(wěn)定地熄滅電弧對(duì)高壓電路起著舉足輕重的作用。必須要指出的是,很多場合熄滅電弧,工作人員錯(cuò)誤的單純采用體積大的斷路器或閘刀,人為拉長電弧的長度和電弧存在的時(shí)間,這對(duì)于熄滅小電弧是可行的。但電弧是一種自持放電現(xiàn)象,采用體積大的斷路器或閘刀控制,拉長電弧,僅僅是熄滅這類電弧的充分條件。眾所周知，我們所討論的電弧現(xiàn)象大多是基于交流電流的情況。隨著正弦交流電流的周期性變化,交流電

7、弧也將隨之每半周要過零一次。電弧能否熄滅,決定于電弧電流過零時(shí),弧隙的介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)速度和系統(tǒng)恢復(fù)電壓上升速度的競爭。加強(qiáng)弧隙的去游離或減小弧隙電壓的恢復(fù)速度,都可以促進(jìn)電弧熄滅。前已指出，交流電弧的熄滅條件是在零休期間不發(fā)生熱擊穿，同時(shí)在此之后弧隙介質(zhì)恢復(fù)過程總是勝過電壓恢復(fù)過程，也即不發(fā)生擊穿。但從滅弧效果來看，零休期間是最好的滅弧時(shí)機(jī)：一則這時(shí)弧隙的輸入功率近乎等于零，只要采取適當(dāng)措施加速電弧能量的散發(fā)以抑制熱電離，即可防止因熱擊穿引起電弧重燃；二則這時(shí)線路所儲(chǔ)能量很小，需借電弧散發(fā)的能量不大，不易因出現(xiàn)較高的過電壓而引起電擊穿。反之，若滅弧非常強(qiáng)烈，在電流自然過零前就“截流”，強(qiáng)迫電弧熄

8、滅，則將產(chǎn)生很高的過電壓，即使不致影響滅弧，對(duì)線路及其中的設(shè)備也很不利。因此，除非有特殊要求，交流開關(guān)電器多采用滅弧強(qiáng)度不過強(qiáng)的滅弧裝置，使電弧是在零休期間，而且是在電流首次自然過零時(shí)熄滅實(shí)際上交流電弧未必均能于電流首次自然過零時(shí)熄，有時(shí)需經(jīng)23個(gè)半周才熄滅。如圖2所示，觸頭剛分（tt0）時(shí)，弧隙甚小，uh也不大。故電流在首次過零tt1）前，其波形基本上仍屬正弦波，且在電流過零處電源電壓滯后約為90°。這時(shí)，介質(zhì)強(qiáng)度ujf不大，恢復(fù)電壓uhf于不久后上升到大于燃弧電壓ub1時(shí)，弧隙擊穿，電弧重燃。 圖 2 在第二個(gè)半周，弧隙增大，弧隙增大了，uh和ujf均增大，電流再過零（tt2）時(shí)

9、的滯后角21。由于ujf仍不夠大，在uhfujf2時(shí)，弧隙再次被擊穿，電弧仍重燃。此后，因弧隙更大，當(dāng)tt3、即電流第三次過零時(shí)，32，且ujf始終大于uhf，電弧不再重燃，電弧終被熄滅，交流電路也完全切斷了。在現(xiàn)代高壓開關(guān)電器中,以下幾種方法是被廣泛采用的。2.1采用不同的滅弧介質(zhì)熄滅電弧實(shí)驗(yàn)得知,電弧的去游離強(qiáng)度,在很大程度上取決于電弧周圍介質(zhì)的傳熱能力、介電強(qiáng)度、熱游離溫度和熱容量,它們的數(shù)值越大,則去游離作用越強(qiáng),電弧就越容易熄滅。一類是利用減少碰撞游離的可能性來滅弧,如經(jīng)常采用的真空滅弧法;另類是增強(qiáng)介質(zhì)的滅弧能力來滅弧,如利用滅弧能力約為空氣的100倍的SF6,采用可產(chǎn)生滅弧能力是

10、空氣7.5倍的H2的滅弧介質(zhì),如變壓器油或斷路器油。2.2采用特殊的金屬材料制作滅弧觸頭觸頭材料在很大程度上決定著電弧中的去游離強(qiáng)度。從前文可知金屬蒸氣熱游離可以維持電弧燃燒,因此采用熔點(diǎn)高、導(dǎo)熱系數(shù)大、熱容量大、抗電弧能力較強(qiáng)的耐高溫金屬作為觸頭的材料,可以減少熱電子發(fā)射和電弧中的金屬蒸氣,能更好地抑制游離作用。銅、鎢合金等都是常用的觸頭材料。2.3利用氣體或油的吹動(dòng)滅弧讓電弧柱拉長變細(xì),可以使得電弧在氣流或油流中迅速地冷卻,再加上吹弧,將更快地促使電弧變細(xì)和帶電離子的擴(kuò)散。滅弧過程中,氣體或油的流速越大,其冷卻作用越強(qiáng)。在高壓斷路器中利用各種結(jié)構(gòu)形式的滅弧室,使氣體產(chǎn)生巨大的壓力并有力地吹

11、向弧隙,使電弧熄滅。如空氣斷路器利用充入壓力約2.3MPa(20atm)的干燥壓縮空氣作為吹動(dòng)電弧的滅弧介質(zhì)。2.4采用多斷口滅弧在高壓斷路器中,經(jīng)常是一相采用兩個(gè)以上的斷口串聯(lián),在滅弧時(shí),串聯(lián)的多個(gè)斷口把電弧分割成多段小電弧,相當(dāng)于多斷口拉長了等行程的單斷口的電弧,既增大了弧隙電阻(相當(dāng)于弧隙電阻值增大加速),又加快了電弧被拉長的速度(相當(dāng)于觸頭分離的速度增加), 這樣,也增大了介質(zhì)強(qiáng)度的恢復(fù)速度,使得斷路器更可靠、快速的滅弧。況且,加在每個(gè)斷口的電壓降低,使弧隙恢復(fù)電壓降低,也有利于滅弧。在低壓開關(guān)電器中,廣泛采用滅弧柵裝置,也就是應(yīng)用把長弧變成短弧的多斷口滅弧裝置。2.5拉長電弧并增大斷

12、路器觸頭的分離速度迅速拉長電弧,可使弧隙的電場強(qiáng)度驟降,同時(shí),使電弧的表面突然增大,有利于電弧的冷卻和帶電質(zhì)點(diǎn)向周圍介質(zhì)中擴(kuò)散,使熱游離作用削弱,加強(qiáng)離子的復(fù)合速度,加速電弧的熄滅。為此,經(jīng)常在高壓斷路器中裝設(shè)強(qiáng)有力的斷路彈簧,以加快觸頭的分離速度。我們經(jīng)常將這種方法與其它滅弧方法結(jié)合使用。2.6截流滅弧包含電弧在內(nèi)的電路,在一定條件下是動(dòng)態(tài)不穩(wěn)定系統(tǒng),在外界的干擾下,電弧燃燒不穩(wěn)定,出現(xiàn)自激的高頻振蕩,最后使得電弧電流降到零導(dǎo)致滅弧。通常,電弧中振蕩的頻率很高,可達(dá)幾百千赫茲,在頻率響應(yīng)較差的示波器顯示的示波圖(如圖3)中我們可發(fā)現(xiàn),電流會(huì)出現(xiàn)突然被截?cái)嗟默F(xiàn)象,使電弧因不穩(wěn)定而熄滅。 圖 3

13、2.7強(qiáng)迫滅弧使電源電壓不能維持很高的電弧電壓,電弧電流很快減小到零而熄滅,所以這種方法又被稱為過零滅弧。它通常要求使用特殊材料制成的高壓斷路器,如在開斷交流短路電流時(shí)會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)迫滅弧現(xiàn)象的石英砂熔斷器。這種熔斷器熔絲很長,熔絲周圍填充石英砂,利用石英砂很強(qiáng)的散熱能力和熔絲很細(xì)的特點(diǎn),當(dāng)電弧電壓超過電源電壓,電弧電流不能維持而急劇減小導(dǎo)致滅弧。3 斷路器的分類按照不同的標(biāo)準(zhǔn)，高壓斷路器有不同的分類方法，這里只按照斷路器滅弧介質(zhì)進(jìn)行分類。（1）油斷路器：觸頭在變壓器油（斷路器油）中開斷，利用變壓器油（斷路器油）作為滅弧介質(zhì)的斷路器。（2）壓縮空氣斷路器：以壓縮空氣作為滅弧介質(zhì)和絕緣介質(zhì)的斷路器，吹

14、弧所用的空氣壓力一般在10134052kPa（1040atm）的范圍內(nèi)。（3）斷路器：以氣體作為滅弧介質(zhì)或兼作絕緣介質(zhì)的斷路器。（4）真空斷路器：觸頭在真空中開斷，利用真空作為絕緣介質(zhì)和滅弧介質(zhì)的斷路器，真空斷路器需求的真空度在Pa以上。還有磁吹斷路器，固體產(chǎn)氣斷路器等類型。4 高壓斷路器的滅弧特性4.1六氟化硫斷路器SF6斷路器是以SF6氣體作為電器絕緣和滅弧介質(zhì)的電氣設(shè)備，它具有油斷路器，壓縮空氣斷路器不可比擬的滅弧能力。由于SF6斷路器具有優(yōu)異的滅弧能力，使其燃弧時(shí)間很短，電流開斷能力大，觸頭的燒損腐蝕輕微，觸頭能在比較高的溫度下運(yùn)行而不劣化。此外，SF6氣體優(yōu)越的絕緣特性，使電氣絕緣距

15、離可以大幅度下降，結(jié)構(gòu)更為緊湊，節(jié)省空間，而且操作功率小，噪音小。SF6高壓斷路器以良好的絕緣性能及優(yōu)越的滅弧介質(zhì)而被廣泛的應(yīng)用于電力系統(tǒng)的各類電壓等級(jí)的開斷設(shè)備中。正是因?yàn)镾F6斷路器具有以上優(yōu)點(diǎn)，所以其發(fā)展速度非常之快，已成為目前最有發(fā)展前途的電力控制設(shè)備。4.1 SF6斷路器的結(jié)構(gòu)及其發(fā)展由于SF6氣體具有優(yōu)異的滅弧和絕緣性能，從二十世紀(jì)60年代起，SF6成功地用作高壓開關(guān)及其設(shè)備的絕緣和滅弧介質(zhì)。目前，在高壓、超高壓及特高壓領(lǐng)域，SF6氣體幾乎成為斷路器和GIS的唯一絕緣和滅弧介質(zhì)。從世界范圍來看，高壓斷路器的發(fā)展經(jīng)歷了雙壓式(2O世紀(jì)60年代)一單壓式(20世紀(jì)70年代)一自能式(2

16、0世紀(jì)80年代)一二次技術(shù)智能化(20世紀(jì)90年代)四個(gè)階段。雙壓式SF6斷路器有高壓和低壓兩個(gè)壓力系統(tǒng)，低壓系統(tǒng)用于斷路器內(nèi)部絕緣介質(zhì)，高壓系統(tǒng)用于滅弧。雙壓式sF6斷路器工作性能雖然良好，但必須配備一臺(tái)氣體壓縮機(jī)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，已經(jīng)被淘汰?，F(xiàn)在所運(yùn)行的SF6斷路器主要用單壓式滅弧方式，單壓式的滅弧特點(diǎn)是利用開斷過程中壓縮SF6氣體來熄弧，結(jié)構(gòu)簡單，開斷能力強(qiáng)。單壓式斷路器在外形結(jié)構(gòu)上分為支柱式斷路器和罐式斷路器:支柱式斷路器耐壓水平高，結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行部件少，系列性好;罐式斷路器重心低、抗震性能好，外絕緣部件少，可用于多地震地區(qū)以及高原和環(huán)境污穢地區(qū)。在滅弧結(jié)構(gòu)上呈現(xiàn)兩種不同形式:一種為壓氣式定

17、開距滅弧室結(jié)構(gòu)，另一為壓氣式變開距單向吹弧滅弧室結(jié)構(gòu)。定開距滅弧室結(jié)構(gòu)具有開斷電流大的優(yōu)勢(shì)，而變開距滅弧室結(jié)構(gòu)則有斷口電壓高的優(yōu)勢(shì)。單壓式目前單斷口開斷能力達(dá)到550kV，開斷電流最大為63kA。自能式SF6斷路器是近年來出現(xiàn)的新型斷路器，它最大限度利用電弧自身的能量，加熱膨脹室或滅弧室建立起氣吹所必需的壓力，不需要操動(dòng)機(jī)構(gòu)提供很大的能量，故可采用低操作功的彈簧機(jī)構(gòu)，從而大大提高了斷路器的機(jī)械可靠性，斷路器整體體積也大大減少。自能式SF6斷路器現(xiàn)在做到 110一245kV級(jí)，正向420kV努力。二次技術(shù)智能化集微電子技術(shù)、傳感技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等于一體，實(shí)現(xiàn)開關(guān)智能控制和保護(hù)，變“定期維護(hù)”為“

18、狀態(tài)維護(hù)”。我國對(duì)SF6斷路器的研究始于上世紀(jì)70年代， 1973年西安高壓開關(guān)廠生產(chǎn)出我國首臺(tái) 126kVGIS。80年代后，為了快速提高我國SF6斷路器生產(chǎn)制造水平，我國大量引進(jìn)國外的先進(jìn)制造技術(shù)，吸收國外先進(jìn)的設(shè)計(jì)技術(shù)，生產(chǎn)技術(shù)，使我國SF6斷路器的設(shè)計(jì)水平進(jìn)入一個(gè)新的臺(tái)階。目前國內(nèi)高壓開關(guān)廠基本可以生產(chǎn)220kV單斷口和500kV雙斷口SF6斷路器能力。西安西開高壓電氣股份有限公司2004年7月SO0kV單斷口新.產(chǎn)品在荷蘭 KEMA試驗(yàn)站通過型式試驗(yàn)，這種新產(chǎn)品的技術(shù)水平在國際也是領(lǐng)先的。河南平高電氣股份有限公司引進(jìn)法國的LW6系列產(chǎn)品可以做到了全部元器件國產(chǎn)化。并在40.5一soo

19、kV各電壓等級(jí)全部通過荷蘭KEMA試驗(yàn)站試驗(yàn)。這些都是我國引進(jìn)吸收國外先進(jìn)技術(shù)后的成果，但我國的SF6斷路器生產(chǎn)設(shè)計(jì)的總體水平與國外存在差距。在電力系統(tǒng)發(fā)達(dá)國家，SF6斷路器研究較早。日本的日立公司、東芝公司、三菱公司，ABB公司等在上世紀(jì)九十年代初就成功開發(fā)出SO0kV單斷口SF6斷路器產(chǎn)品。三菱公司開發(fā)研制的 1100kV、63kA雙斷口sF6斷路器在1997年就投入電網(wǎng)中運(yùn)行。目前國外正在運(yùn)行的最高電壓等級(jí)為11ookv、 63kA雙斷口sF6斷路器。東芝公司1992年設(shè)計(jì)的550kV、63kA單斷口SF6斷路器。它有兩個(gè)主要特點(diǎn)，一是采用混合滅弧方式，在壓氣的基礎(chǔ)上巧妙利用電弧能量加熱

20、SF6氣體，使壓氣室壓力比純機(jī)械壓氣的壓力約高 1.3一1.5倍。另一特點(diǎn)是采用雙向的操動(dòng)機(jī)構(gòu)，使動(dòng)靜觸頭同時(shí)反相運(yùn)動(dòng)，大大縮短了開斷時(shí)間。與雙斷口斷路器相比，單斷口斷路器充氣量減至60%，重量減至70%，零件減至70%。4.2 SF6斷路器的滅弧方式 六氛化硫斷路器是利用高壓力的SF6氣體，流向低壓力區(qū).在噴口，觸頭間形成氣流來吹熄電弧的。因此它在結(jié)構(gòu)上有單向縱吹，雙向縱吹等不同的噴口結(jié)構(gòu)形式。六氟化硫斷路器絕緣通常是靠低氣壓的SF6氣體保證，壓力為3-5個(gè)大氣壓，而吹弧的壓力較高，一般在1015個(gè)大氣壓。按照高壓力氣體的獲得方式不同，SF6斷路器有二種結(jié)構(gòu)類型。（1）雙壓式SF6斷路器，在

21、斷路器內(nèi)設(shè)置二個(gè)SF6氣體系統(tǒng)(高壓系統(tǒng)與低壓系統(tǒng))，只是在分閘過程，才通過控制吹氣閥門使高壓室SF6流向低壓室形成高壓氣流。分?jǐn)嗤戤?，吹氣閥門關(guān)閉。其滅弧室原理，在高壓室與低壓室間.有壓氣泵、管道相聯(lián)，當(dāng)高壓室氣壓降低或低壓室氣壓升高到一定限度時(shí)，壓氣泵啟動(dòng)，把低壓室的SF6氣體打到高壓室，形成氣體的自動(dòng)封閉循環(huán)系統(tǒng)。(2)單壓式SF6斷路器，又稱壓氣式。在斷路器內(nèi)只有一個(gè)壓力系統(tǒng)，即35大氣壓的較低壓力的SF6氣體，以維持絕緣需要。在開斷過程中，利用觸頭及活塞的運(yùn)動(dòng)形成壓氣作用，好像打氣筒的作用一樣，在噴口的觸頭間產(chǎn)生氣流吹熄電弧，一當(dāng)分?jǐn)鄤?dòng)作完畢，壓力作用即停止，觸頭間又恢復(fù)低壓力的氣體

22、狀態(tài)。單壓式(壓氣式)的滅弧室結(jié)構(gòu)原理。合閘時(shí)噴咀，氣壓罩與動(dòng)觸頭的位置。這三個(gè)部分另件是機(jī)械上聯(lián)接在一起的，分閘時(shí)都由操動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)，向下運(yùn)動(dòng)，壓氣腔內(nèi)的氣體受到壓縮.壓力增大，于是在噴咀處形成氣流.向噴咀外低壓力區(qū)噴出，產(chǎn)生與雙壓類似的吹弧效果。近20多年來自能滅弧式SF6斷路器得到了快速發(fā)展和應(yīng)用.自能滅弧包括旋弧式、熱膨脹式和混合式.旋弧式利用電弧電流通過線圈產(chǎn)生磁場,在磁場的驅(qū)動(dòng)下電弧高速旋轉(zhuǎn),在旋轉(zhuǎn)過程中不斷接觸新鮮SF6氣體,使電弧冷卻而熄滅.熱膨脹式則用電弧本身能量,加熱SF6氣體,產(chǎn)生高壓力,形成壓差,通過高壓力的SF6氣體在噴口形成高速氣流來熄滅電弧.這樣不需要操動(dòng)機(jī)構(gòu)提供很

23、大的壓縮功,大大減小機(jī)構(gòu)的負(fù)擔(dān).這種方式可選用輕型、高可靠的彈簧機(jī)構(gòu)來代替大容量液壓機(jī)構(gòu)(在同等可靠性的前提下,彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)因結(jié)構(gòu)簡單、零部件少、體積小而被更多使用),同時(shí)也簡化滅弧室的結(jié)構(gòu),縮小了尺寸.采用2種或2種以上滅弧原理可組合成混合式斷路器以提高滅弧效能.新出現(xiàn)的自能滅弧式高壓SF6斷路器滅弧室多采用混合式滅弧,如用“膨脹+助吹”的方式來解決開斷大電流和小電流的問題,其分閘過程如圖所示. 圖4 熱膨脹+助吹SF6斷路器分閘過程示意圖斷路器分閘時(shí),動(dòng)主觸頭、動(dòng)弧觸頭和拉桿等組成的剛性運(yùn)行部件在分閘彈簧的作用下向下運(yùn)動(dòng).在運(yùn)動(dòng)過程中,動(dòng)主觸頭先與靜主觸頭分離,電流轉(zhuǎn)移到仍閉合的動(dòng)靜弧觸頭

24、上,隨后兩弧觸頭分離形成電弧.在開斷短路電流時(shí),由于開斷電流較大,弧觸頭間的電弧能量也大,被電弧加熱的SF6氣體流入熱膨脹室,在熱膨脹室內(nèi)與原有的冷氣體進(jìn)行熱交換,形成低溫高壓氣體.由于熱膨脹室壓力大于輔助壓力室,單向閥關(guān)閉,當(dāng)噴口打開時(shí),高壓氣體吹至噴口并在電流過零時(shí)熄滅電弧.在分閘過程中,輔助壓力室內(nèi)的氣壓開始時(shí)是被壓縮的,但達(dá)到一定的氣壓值后,底部的彈性釋壓閥打開放氣,使機(jī)構(gòu)不必克服更多的壓氣反力,從而大大降低操作功,如圖的b)圖.在開斷小電流時(shí),由于電弧能量小,熱膨脹室內(nèi)產(chǎn)生的壓力小,不能滿足滅弧的需求,需要利用輔助壓力室的氣體.分閘過程中,動(dòng)觸頭系統(tǒng)向下移動(dòng),在輔助壓力室內(nèi)建立起壓力

25、;當(dāng)電流過零時(shí),輔助壓力室內(nèi)的壓力大于熱膨脹室壓力,單向閥打開,被壓縮的氣體向噴口吹去,形成熄滅小電流電弧的助吹,增強(qiáng)了開斷小電流的能力,如圖的c)圖.4.3真空斷路器真空電弧的形成 不管觸頭表面如何平整，微觀上看總是凹凸不平的。兩觸頭接觸時(shí)只有少數(shù)表面突起部分接觸，通過電流。接觸點(diǎn)的多少和接觸面積的大小與接觸壓力有關(guān)。當(dāng)觸頭在真空中開斷電流時(shí)，隨著觸頭分開，接觸壓力減小，接觸點(diǎn)的數(shù)量和接觸面積也隨之減少。電流集中在愈來愈少的少數(shù)接觸點(diǎn)上，損耗增加，接觸點(diǎn)溫度急劇上升，出現(xiàn)熔化。隨著觸頭繼續(xù)分開，熔化的金屬橋被拉長變細(xì)并最終斷裂產(chǎn)生金屬蒸氣。金屬蒸氣的溫度很高，部分原子可能產(chǎn)生熱電離，加上觸頭

26、剛分離時(shí)，間隙距離很短，電場強(qiáng)度很高，陰極表面在高溫強(qiáng)電場的作用下又會(huì)發(fā)射出大量電子，這樣觸頭間的放電將變?yōu)樽猿值恼婵针娀∽?。由此可見，維持真空電弧的是金屬蒸氣而不是氣體分子，真空電弧實(shí)為金屬蒸氣電弧。電弧中金屬蒸氣的壓力可達(dá)到0.01MPa0.1MPa。 真空斷路器的主要特點(diǎn) 真空的絕緣特性 真空具有很強(qiáng)的絕緣特性，在真空斷路器中，氣體非常稀薄，氣體分子的自由行程相對(duì)較大，發(fā)生相互碰撞的幾率很小，因此，碰撞游離不是真空間隙擊穿的主要原因，而在高強(qiáng)電場作用下由電極析出的金屬質(zhì)點(diǎn)才是引起絕緣破壞的主要因素。真空間隙中的絕緣強(qiáng)度不僅與間隙的大小、電場的均勻程度有關(guān)，而且受電極材料的性質(zhì)及表面狀況的

27、影響較大。真空間隙在較小的距離間隙（23mm）情況下，有比空氣與SF6氣體高的絕緣特性，這就是真空斷路器的觸頭開距一般不大的原因。電極材料對(duì)擊穿電壓的影響主要表現(xiàn)在材料的機(jī)械強(qiáng)度（抗拉強(qiáng)度）和金屬材料的熔點(diǎn)上。抗拉強(qiáng)度和熔點(diǎn)越高，電極在真空下的絕緣強(qiáng)度越高。實(shí)驗(yàn)表明，真空度越高，氣體間隙的擊穿電壓越高，所以，要保證真空滅弧室的絕緣強(qiáng)度。 真空中電弧的形成與熄滅真空電弧和我們以前學(xué)習(xí)的氣體電弧放電現(xiàn)象有很大的差別，氣體的游離現(xiàn)象不是產(chǎn)生電弧的主要因素，真空電弧放電是在觸頭電極蒸發(fā)出來的金屬蒸汽中形成的。同時(shí)，開斷電流的大小不同，電弧表現(xiàn)的特點(diǎn)也不同，所以，我們一般把它分為小電流真空電弧和大電流真

28、空電弧。小電流真空電弧觸頭在真空中開斷時(shí)，產(chǎn)生的電流和能量集聚在陰極斑點(diǎn)，從陰極斑點(diǎn)上大量的蒸發(fā)金屬蒸汽，其中的金屬原子和帶電質(zhì)點(diǎn)的密度都很高，電弧就在其中燃燒。同時(shí)，弧柱內(nèi)的金屬蒸汽和帶電質(zhì)點(diǎn)不斷的向外擴(kuò)散，電極也不斷的蒸發(fā)新的質(zhì)點(diǎn)來補(bǔ)充。在電流過零時(shí)，電弧的能量減小，電極的溫度下降，蒸發(fā)作用減小，弧柱內(nèi)的質(zhì)點(diǎn)密度降低，最后，在過零時(shí)陰極斑消失，電弧熄滅。有時(shí)，蒸發(fā)作用不能維持弧柱的擴(kuò)散速度，電弧將突然熄滅，發(fā)生截流現(xiàn)象。 大電流真空電弧在觸頭斷開大的電流時(shí)，電弧的能量增大，陽極也嚴(yán)重發(fā)熱，形成很強(qiáng)的集聚型弧柱。同時(shí)，電動(dòng)力的作用也更加明顯了，因此，對(duì)于大電流真空電弧，觸頭間的磁場分布就對(duì)電

29、弧的穩(wěn)定性和熄弧性能有決定性的影響。如果電流太大，超過了極限開斷電流，就會(huì)造成開斷失敗。此時(shí)，觸頭發(fā)熱嚴(yán)重，電流過零以后仍然蒸發(fā)，介質(zhì)恢復(fù)困難，不能斷開電流。高壓真空斷路器的結(jié)構(gòu)簡介高壓斷路器由以下五個(gè)部分組成：通斷元件，中間傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，操動(dòng)機(jī)構(gòu)，絕緣支撐件和基座。通斷元件是斷路器的核心部分，主電路的接通和斷開由它來完成。主電路的通斷，由操動(dòng)機(jī)構(gòu)接到操作指令后，經(jīng)中間傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳送到通斷元件，通斷元件執(zhí)行命令，使主電路接通或斷開。通斷元件包括有觸頭、導(dǎo)電部分、滅弧介質(zhì)和滅弧室等，一般安放在絕緣支撐件上，使帶電部分與地絕緣，而絕緣支撐件則安裝在基座上。如圖6所示： 圖5 高壓真空斷路器的結(jié)構(gòu)圖真空斷

30、路器機(jī)械特性.1.分、合閘速度真空斷路器對(duì)分閘速度是有一定要求的,因?yàn)樗绊懭蓟r(shí)間和弧后介質(zhì)強(qiáng)度的恢復(fù)速度。不同型號(hào)的真空斷路器速度特性曲線形狀有差別,但變化大致相同,而且其曲線是唯一的。由于加工質(zhì)量和裝配中的差異,同種真空斷路器合閘前段和分閘后段會(huì)有不同,但合閘后段和分閘前段應(yīng)當(dāng)差異很小。凸輪被空轉(zhuǎn)儲(chǔ)能簧拉動(dòng)直至與滾子接觸前的一段,這一段是空轉(zhuǎn)。理論上如無空轉(zhuǎn)則真空滅弧室運(yùn)動(dòng)端速度從零開始(實(shí)際中為保證機(jī)構(gòu)出力特性都有空轉(zhuǎn)角度)。按照動(dòng)量守恒定律,空轉(zhuǎn)角度變大初速度提高。如CT19空轉(zhuǎn)角度在8.396°-17.135°之間。盡管對(duì)初速度影響不大,但對(duì)全行程所用時(shí)間影響卻

31、不小。因?yàn)樽哌^前12 mm空程所用時(shí)間占全行程時(shí)間的30%-40%。對(duì)于分閘后段的速度差異則視緩沖特性而定。其中分閘彈簧在全部分閘過程中都起作用,不僅影響斷路器的剛分速度,而且還影響最大分閘速度分閘彈簧的力越大,釋放能量越多,則剛分速度和最大速度越大。觸頭彈簧只在超行程階段起作用,因此對(duì)剛分速度有直接影響。而且,觸頭本身的彈性及靜觸頭系統(tǒng)的支撐部分的剛性也對(duì)分閘速度尤其是剛分速度有很大影響。通常,具體速度的大小是通過試驗(yàn)進(jìn)行測定的。.2合閘彈跳目前,真空斷路器均采用對(duì)接式觸頭,且合閘速度較高,觸頭在合閘時(shí)就可能產(chǎn)生彈跳。由于彈跳不但會(huì)使觸頭熔焊,產(chǎn)生過電壓,而且還會(huì)使波紋管受強(qiáng)迫振動(dòng)而出現(xiàn)裂紋

32、,導(dǎo)致滅弧室漏氣,所以合閘彈跳越小越好。(1)合閘彈跳定義斷路器在合閘時(shí)觸頭剛接觸直至觸頭穩(wěn)定接觸瞬間為止的時(shí)間。所有直讀數(shù)據(jù)的開關(guān)特性測試儀都是按照這個(gè)定義來設(shè)計(jì)制造的。影響滅弧室電壽命的是電弧,而電弧只有在動(dòng)靜觸頭不接觸時(shí)才會(huì)產(chǎn)生,在動(dòng)靜觸頭接觸時(shí)不會(huì)產(chǎn)生。大量實(shí)踐及理論分析均表明,真正對(duì)真空的電壽命有影響的因素是:合閘過程中,觸頭剛接觸直至觸頭穩(wěn)定接觸瞬間為止,這期間的觸頭斷開時(shí)間。(2)合閘彈跳的危害合閘彈跳是真空斷路器機(jī)械特性的一種重要參數(shù),在合閘彈跳過程中,觸頭斷開距離小,電弧不會(huì)熄滅,導(dǎo)致觸頭電磨損加重,從而影響滅弧室的電壽命,但由于其存在時(shí)間較短,遠(yuǎn)小于合閘過程中電弧燃燒時(shí)間。

33、在一定范圍內(nèi)的彈跳最主要的危害在于加速了滅弧室觸頭的摩損,從而導(dǎo)致滅弧室電壽命的縮短。(3)解決合閘彈跳的對(duì)策彈跳對(duì)真空滅弧室電壽命的危害到底有多大?在合閘過程中,由于動(dòng)靜觸頭的非彈性碰撞引起彈跳,彈跳值大小與諸多因素有關(guān),如觸頭彈簧的彈力、合閘速度、開距以及真空斷路器的觸頭材料等等,安裝、調(diào)試質(zhì)量、零部件如鋁支座、滅弧室、軸銷、換向器的加工精度都影響真空斷路器合閘彈跳時(shí)間的長短。為了把合閘彈跳減小到規(guī)定范圍內(nèi),通常采取以下措施:(a)提高配件的加工精度,使鋁支座與軸、換向器與鋼銷、軸等緊密配合,減小間隙。(b)加強(qiáng)裝配工藝質(zhì)量控制,提高裝配工藝質(zhì)量,在真空斷路器裝配過程中,注意安裝合理,不使

34、真空滅弧室受到額外應(yīng)力,調(diào)整導(dǎo)向管的位置,使滅弧室動(dòng)觸頭運(yùn)動(dòng)軌跡,在滅弧室的軸心上,真空滅弧室動(dòng)觸頭活動(dòng)自如,無任何卡澀現(xiàn)象。(c)適當(dāng)加大觸頭超程彈簧預(yù)壓力。通過采取以上措施,可以基本上有效地控制彈跳時(shí)間。.3合、分閘時(shí)間從定義來看，合閘時(shí)間是指從接到合閘指令瞬間起到所有極觸頭都接觸瞬間的時(shí)間間隔定義為高壓斷路器合閘時(shí)間。而分閘時(shí)間則定義為從開關(guān)分閘操作（即接到分閘指令瞬間）起到所有極觸頭分離瞬間的時(shí)間間隔。這對(duì)系統(tǒng)的繼電保護(hù)的設(shè)置提供了可*的保證。這在的產(chǎn)品中基本上都能夠達(dá)到產(chǎn)品的技術(shù)條件標(biāo)準(zhǔn)。但也有例外，一般是機(jī)構(gòu)裝配中產(chǎn)生的問題如：大軸卡澀、合閘輔助開關(guān)行程過長或角度調(diào)整在死點(diǎn)等。總的

35、來說時(shí)間問題這塊相對(duì)穩(wěn)定些。.4同期同期；定義為三相動(dòng)觸頭與靜觸頭最先合與最后合或最先分與后分之間的時(shí)間間隔。如果不同期大，會(huì)嚴(yán)重影響真空斷路器開斷過電流的能力，影響斷路器的壽命，嚴(yán)重時(shí)能引起斷路器爆炸。不同型號(hào)的開關(guān)的不同期盡不相同，在常見的產(chǎn)品的不同期 2ms，其具體的處理方法有：     (1) 在保證行程、超行程的前提下，通過調(diào)整三相絕緣拉桿的長度使同期、彈跳測試數(shù)據(jù)在合格范圍內(nèi)；     (2) 如果通過調(diào)整無法實(shí)現(xiàn)，則必須更換數(shù)據(jù)不合格相的真空泡，并重新調(diào)整到數(shù)據(jù)合格。.5反彈真空斷路器反彈對(duì)滅弧室的影響。真空斷路器的觸頭多為對(duì)接式結(jié)構(gòu)，在分合操作中可能產(chǎn)生不同程度的反彈現(xiàn)象。不論分閘反彈還是合閘反彈都會(huì)給運(yùn)行帶來危害。反彈可能導(dǎo)致：（1）觸頭燒損嚴(yán)重，甚至