自能吹弧式SF6断路器：高效保护电网的新选择

2023-07-02 理论教育版权反馈

【摘要】：近年来，在高压断路器灭弧方式上取得了新的突破。因此，根据理论计算，自能式SF6断路器的操作功可降低为单压式的20%。下面将分别介绍一些结构的自能吹弧式SF6断路器。这种断路器是以电弧本身能量为主的热膨胀+助吹SF6断路器。自能式断路器的开断能力与开断电流大小极其相关。此室最大限度地利用电弧能量产生灭弧压力，因而它仅需要压气式断路器20%的操作功。图8-24给出了ABB公司自能吹弧EDG型SF6断路器一相柱中的开断过程。

近年来，在高压断路器灭弧方式上取得了新的突破。自能式灭弧原理即是最大限度地利用电弧自身的能量，加热膨胀室或压气室中的SF₆气体建立起高气压，形成压差，通过高压力SF₆膨胀，在喷口形成高速气流，与电弧发生强烈的能量交换，当电流过零时，达到熄灭电弧的目的。

图8-20 1100kV SF₆特高压断路器结构

1—分合闸电阻 2—电阻断口 3—主断口 4—盆式绝缘子 5—液压机构 6—绝缘支撑筒

图8-21 电阻体布置形式

1、4—屏蔽罩 2—电阻体 3—支柱绝缘子

由于利用电弧能量使灭弧室建立起气吹所必须的压力，不需要操动机构提供很大的压缩功；由于灭弧室气压是由电弧建立起来的，因而不需要高的压气分闸速度，也降低了机构操作功；在维持同等气吹压力的前提下，由于灭弧室压气缸直径减小，传动系统运动件质量减轻，使机构的操作功显著下降。因此，根据理论计算，自能式SF₆断路器的操作功可降低为单压式的20%。尽管在实际上由于电弧能量利用的不足和结构设计与制造的限制达到理想程度有许多困难，但是将操作功降低到25%～30%是很有可能的，并且已经实现。同时由于采用自能式原理，断路器整体体积也大大减小。

现代电力用户对供电质量的要求越来越高，而电力设备的运行安全可靠与否成为其保证。作为最重要的电力设备之一的高压断路器，其运行的高可靠和免维护就成为关键。对于高压断路器而言，尽管实现免维护功能需要从产品整体设计、制造入手，全方位综合考虑，但毫无疑问首要解决的问题是提高机械可靠性，或者说机械上的高可靠是免维护的基础。由于自能式断路器的操作功大大减小，可采用低操作功的操动机构（液压、气动和弹簧机构均可），必将大大提高断路器的机械可靠性。而随着设计技术、材料和工艺的技术进步，在同等可靠性的前提下，弹簧机构因结构简单、零部件少、体积小巧而被更多采用。

新出现的高压SF₆断路器，大多采用混合灭弧原理，即用膨胀+助吹或用压气+膨胀式，这样做均提高了灭弧效能和断路器性能。新型断路器与压气式断路器的灭弧室结构有很大的不同，体现了高压断路器技术的发展。

下面将分别介绍一些结构的自能吹弧式SF₆断路器。

图8-22给出了自能式SF₆断路器开断过程示意图。这种断路器是以电弧本身能量为主的热膨胀+助吹SF₆断路器。

图8-22 热膨胀+助吹SF₆断路器开断过程示意图

a）合闸位置 b）开断短路电流 c）开断小电流 d）分闸位置

1—静弧触头 2—绝缘喷口 3—静主触头 4—动弧触头 5—动主触头 6—热膨胀室 7—主触头 8—阀门 9—辅助压力室 10—气缸 11—阀门

这种断路器采用比较独特的结构很好地解决了开断大电流和小电流的问题。自能式断路器的开断能力与开断电流大小极其相关。在开断大电流时，由于电弧能量很强，灭弧室气压能够达到熄弧所需要的压力。而在开断小电流时有一临界开断电流区，在此区域内，由于电弧能量很弱，加热作用不充分，灭弧室气压不足，此时只靠电弧自身的能量不能使电弧熄灭，故而需要一种辅助的开断手段来开断临界值以下的电流，但还要保留自能式吹弧在开断大电流时具有的良好开能力这一优点。因此，自能式断路器在开断大电流时靠电弧本身的热膨胀吹弧，开断小电流时靠小的压气活塞形成助吹，达到开断小电流的目的。

这种断路器的熄弧过程为，当开断大电流时，触头分开时产生电弧，同时电弧加热周围气体，被电弧加热的气体通过气孔进入膨胀室，热气体与膨胀室中原有的冷气体混合，形成高压力低温气体。当喷口打开时，高压力气体吹至喷口，与电弧发生强烈的能量交换，当电流过零时熄灭电弧。在开断大电流时，由于电弧能量足以提高膨胀室的压力，所以在整个开断过程中，膨胀室和辅助压气室之间的上逆止阀门一直是关闭的，而辅助压气室的下逆止阀门一直是打开的，辅助压气室不起作用。

开断小电流时，由于电弧能量小，不足以产生灭弧所需压力，为此需要利用在压气室下面设置的辅助压气室。当动触头系统相对于固定活塞移动时，在辅助压力室内建立起压力。受膨胀室和辅助室内的压力所控制，辅助室的阀门动作。当小电流过零时，膨胀室内的压力低于辅助室内的压力，阀开启，形成熄灭小电流电弧的助吹，从而增强了开断小电流的能力。

为了达到膨胀室最佳设计，弄清气流随时间的空间分布和压力的建立至关重要。通过计算可以得到膨胀室内的温度分布。研究表明，电弧的热气体经过气道而进入膨胀室。热气流经过导板的导向而压缩室内的冷气体。这个冷气体经过进气道而流向断口，使断口在电流过零时去电离，从而熄灭电弧。由此可以看出，良好的气流设计是灭弧室设计的关键。

在研究气流的同时，研究者还在就压力的建立随时间的变化和触头的运动作了计算。根据计算结果，给出了导电杆从关合状态到开断状态随时间的变化。从图8-23中可以看出，在触头分离后，电弧能量在膨胀室内建立灭弧压力。灭弧压力在电流第一次过零时还不足以熄弧。等到第二次过零时才达到足够的压力，熄灭电弧。

然后，对计算确定的膨胀室进行试验。根据试验结果修正设计，使计算和试验结果逐步接近，最后设计出膨胀室。此室最大限度地利用电弧能量产生灭弧压力，因而它仅需要压气式断路器20%的操作功。由于大大减小了操作功，故可用简单而可靠的弹簧机构。此时，开断所需能量储存在弹簧内，能量无损耗。

图8-23 膨胀室内灭弧压力计算结果

尽管自能式断路器都是尽可能地利用电弧自身的能量来加热灭弧室气体，但世界各大公司都利用自己的研究开发优势，开发出了结构不同的自能式断路器。下面给出一些公司的产品结构。

图8-24给出了ABB公司自能吹弧EDG型SF₆断路器一相柱中的开断过程。该断路器也采用热膨胀+助吹灭弧原理。当开断小电流时，如图8-24b所示，用活塞产生的气流就够用了。而当开断大电流时，如图8-24c所示，电弧能量在活塞内产生高的气压，使活塞底部的气流阀关闭，而在环形喷口处形成强力气吹。

图8-24 EDG型SF₆断路器一相柱中的开断过程

a）关合位置 b）小电流灭弧位置 c）短路电流灭弧位置 d）开断位置

1—静触头 2—动触头 3—静弧触头 4—动弧触头 5—压气喷口 6—压气室 7—绝缘管

图8-25给出了Alstom公司开发的带助推活塞的热膨胀式灭弧室的灭弧过程。当动触头离开主触头时，电流转移到支弧触头。电弧的能量使得热膨胀容积V_t中的压力上升。该容积由静触头杆和灭弧喷嘴围成。当静触头离开灭弧喷嘴时，容积V_t内热压力释放出来，于电流过零前形成吹弧，熄灭电弧。于此同时，电弧周围的压力上升，作用于活塞上，运动件加快运动，从而降低了操作断路器所需要的能量。

图8-26给出了西门子公司开发的3AP1-FG型变开距热膨胀式灭弧室的开断过程。开断工作电流时，靠压气来熄弧；而开断大电流时，靠电弧加热SF₆气体，造成局部增压，产生压差，形成气流熄弧。