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。......
2023-07-02
关键问题：开发自能式SF6断路器需解决的挑战
【摘要】：图8-68 操作力及压气缸截面积对灭弧室特性的影响图8-69 压气缸行程和压力特性自能式SF6断路器灭弧室的体积大小对开断过程中的气压特性影响很大，同时对燃弧区间的影响也很大。采用长喷口时，SF6气体在超声速状态下只有微弱的锥波，接近于均匀气流，所以对于断路器需采用长喷口。
如前所述，自能式SF6断路器由于简化了灭弧室结构，缩小了其尺寸，从而缩小了断路器体积，减小了操动机构的操作功，可用弹簧机构取代液压机构等，它将成为高压断路器的发展方向。各国研究者利用气流和电弧分析技术，电场分析技术等已做到有效地利用电弧热能形成高气压。为了制成高效灭弧室，人们都在探讨下列课题：
1.寻找压气缸截面积的最佳值
压气缸在压气时会产生反作用力，其驱动的操作力必须超过反作用力。为了减小操作功并缩小灭弧室体积，就要使用小直径压气缸以限制反作用力，同时既能吹灭电弧，又有较低的吹弧气压。压气缸的机械压力减小与电弧热膨胀产生的气压升高的大小、绝缘喷口的形状和压气缸截面积有很大的关系。
图8-68给出了为追求压气缸截面积最佳值时用模型断路器进行分析研究的结果。这是在开断电流为40kA、燃弧时间一个周波时，开断电流相对应于压气缸截面积的气缸内压强、运动件速度、喷口出口附近SF6气体温度。
压气缸的气压，因相对于压气缸的截面积在各种操作力下有最大值。若给出操作力、运动件的质量及喷口形状，便可得到压气缸内气压升高到最大值时压气缸的截面积。例如，既使将操作力减小到0.7pu，只要把压气缸截面积减为一半，便可使SF6气体压强、温度、运动件的速度与操作力为1pu情况时相同。
图8-69给出了两种压气缸直径时，行程和压气缸内压力特性的分析结果。由于压气缸直径减小后可限制压气缸的反作用力，减小了对运动件速度的影响。另外开断操作所必需的压气缸压强，在有效利用电弧热膨胀升高气压中可确保达到，在开断操作后期压气缸内可获得高气压。
图8-68 操作力及压气缸截面积对灭弧室特性的影响
图8-69 压气缸行程和压力特性
自能式SF6断路器灭弧室的体积大小对开断过程中的气压特性影响很大，同时对燃弧区间的影响也很大。
采用压气+热膨胀灭弧室，断路器开断容量小时，热膨胀室容积亦小；开断容量大时热膨胀室就大。一般热膨胀室的容积是压气室容积的2/3。并在热膨胀室设置一个单向阀片，使其在开断大电流时将压力保持在热膨胀室内，而发挥其优良的灭弧性能。
图8-70给出了热膨胀室内压强升高的时间与电弧电流的关系，吹弧压力持续时间稍长，很难发生电弧重燃，在开断大电流时既可具有优良的短路开断性能，在开断小电流时也不会因熄弧能力过强而发生操作过电压。
2.有效利用喷口堵塞现象
开断大电流时电弧会使喷口喉部发生堵塞现象，起初认为这会使压气缸内气压升高，成为增加操作力的因素，这是对断路器开断有害的现象。后来把它作为热膨胀的压力升高源，可用它来减小操作力并缩小断路器体积。
图8-70 压力升高的时间与电弧电流的关系
在缩小压气缸体积和改进绝缘喷口结构后，再利用电弧热膨胀升高吹弧气压，可提高吹弧速度，从而提高开断性能。
3.绝缘喷口的最佳形状
灭弧室绝缘喷口的最佳形状是与压气缸截面积的最佳值和有效利用喷口堵塞现象密切相关的，也是缩小灭弧室体积的一个重要课题，迄今为止已对电场和气流场进行了很多分析和实验研究。
断路器必须满足从小电流到大电流的全部开断条件。从开断性能来看，开断电流后几微秒期间取决于它的热开断性能，再以后就由电介质恢复速度来决定。前者是开断近区故障（SLF），后者是开断超前或迟后小电流和端子短路故障（BTF）时必要的性能。
绝缘喷口最重要的结构因素是喉部截面积。一般开断大电流时，喉部截面积越小，越可提高机械压缩效率和有效利用喷口堵塞现象，压气室可获得高气压，热开断性能提高。但是由于电极间电弧加热的高温气体排出滞后，故在BTF开断时的电介质恢复性能降低。开断小电流过程中，因触头附近的SF6气体密度低，故喷口形状很重要。喷口截面积缩小时，会使静弧触头的外径变小，从而使静弧触头前端电场升高，这是使电极间绝缘性能降低的主要因素。由此看来，绝缘喷口的结构必须针对各种开断条件而开发与其相适应的形状。
除了喷口截面积结构因素外，人们还对从压气室到喉部部分的上游侧容积和通道形状，从喉部部分起的下游侧未扩大部分的长度和锥形角及其形状等也进行过很多研究，总想开发出具有更好吹弧效率的喷口形状。曾报导过采用长绝缘喷口较好。因为分闸状态时静触头仍在喷口内部，开断小电流时在动、静触头之间保持着较高的气压，因而具有较高的介质恢复强度，可防止开断后电极间重击穿。
开断大电流时，因流经喷口的气流达到超声速，而SF6气体在达到超声速时的密度比和质量比远比空气小，长喷口可以减小超声速区，以保持适当的介质强度。还有在短喷口时，SF6在超声速时会产生强大的激波，而激波的存在在电流接近零时对熄弧不利。采用长喷口时，SF6气体在超声速状态下只有微弱的锥波，接近于均匀气流，所以对于断路器需采用长喷口。
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