任务一 高压断路器的结构、原理及使用
认知1 高压开关电器的作用及分类
一、高压开关电器的作用
在高压电力系统中，用于接通或断开电路的电器称为高压开关电器。其作用如下：（1）正常工作情况下可靠地接通或断开电路，在改变运行方式时进行切换操作。（2）当系统中发生故障时迅速切除故障部分，以保证非故障部分的正常运行。（3）在设备检修时隔离带电部分，以保证工作人员的安全。
二、高压开关电器的分类
开关电器的种类很多，按不同的方法分类如下：
（1）按安装地点分类。开关电器分为户内式和户外式。
（2）按功能分类。开关电器分为断路器、隔离开关、负荷开关、自动重合器等。
认知2 高压断路器概述
一、高压断路器概念
额定电压在3kV及以上，能够关合、承载和开断运行状态的正常工作电流，并能够在规定的时间内关合、承载和开断规定的异常电流的开关电器，称为高压断路器。
二、高压断路器的作用
（1）控制作用。根据电力系统的运行要求，接通或断开工作电路。
（2）保护作用。当系统发生故障时，在继电保护装置的作用下，断路器迅速切除故障部分，防止事故扩大，以保证系统中无故障部分正常运行。
三、高压断路器的分类
根据灭弧介质和灭弧原理的不同进行分类，高压断路器分为油断路器、压缩空气断路器、六氟化硫（SF6）断路器和真空断路器等。
四、高压断路器的技术参数1.额定电压
额定电压是指断路器长时间运行时能承受的正常工作电压（线电压）。额定电压不仅决定了断路器的绝缘水平，而且在相当程度上决定了断路器的总体尺寸。
2.最高工作电压
考虑到线路始末端运行电压的不同及电力系统调压要求，断路器可能在高于额定电压下长期工作。因此，规定了断路器的最高工作电压。
3.额定电流
额定电流是指断路器在规定的环境温度下允许长期通过的最大工作电流的有效值。额定电流决定了断路器导体、触头等载流部分的尺寸和结构。
4.额定开断电流
额定开断电流是指断路器在额定电压下能正常开断的最大短路电流的有效值。它表征断路器的开断能力。
5.额定关合电流
在额定电压下，断路器能够可靠闭合的最大短路电流峰值。它反映断路器关合短路故障的能力，主要决定断路器灭弧装置的性能、触头结构及操动机构的形式。
6.额定热稳定电流
额定热稳定电流即额定峰值耐受电流，指断路器在规定的时间（通常为4s）内允许通过的最大短路电流有效值。它表明断路器承受短路电流热效应的能力。
7.额定动稳定电流
动稳定电流即额定峰值耐受电流，是指断路器在合闸位置时允许通过的最大短路电流
峰值。它表明断路器在冲击短路电流的作用下，承受电动力的能力。
8.合闸时间
合闸时间指断路器接到合闸命令（合闸回路通电）起到断路器触头刚接触时所经过的时间间隔，称为合闸时间。
9.分闸时间t
分闸时间指断路器接到分闸命令瞬间起到各相电弧完全熄灭为止的时间间隔，它包括固有分闸时间t1和灭弧时间t2。固有分闸时间是指断路器接到分闸命令瞬间到各相触头刚刚分
图52 断路器开断时间示意图
t0—继电保护动作时间；t1—固有分闸时间；
t2—灭弧时间；t—断路器分闸时间
离的时间。熄弧时间是指断路器触头分离瞬间到各相电弧完全熄灭的时间。
断路器开断电路的各个时间如图52所示。一般将分闸时间为0.06～0.12s的断路器，称为快速断路器。
10.额定操作顺序
操作顺序也是表征断路器操作性能的指标。断路器的额定操作顺序分为两大类。
（1）无自动重合闸断路器的额定操作顺序。无自动重合闸断路器的额定操作顺序有两种。一种是发生永久性故障断路器跳闸后两次强送电的情况，即分—180s—分合—180s—合分；另一种是断路器合闸在永久故障线路上跳闸后强送电一次的情况，即分合—15s—合分。
（2）能进行自动重合闸断路器的额定操作顺序。能自动重合闸断路器的额定操作顺序
为分—0.3s—分合—180s—合分。
五、高压断路器的型号
高压断路器的型号、规格一般由文字符号和数字按以下方式表示：
1
2
3
—4
5
/6
—7
1
产品名称：S—少油断路器；D—多油断路器；K—空气断路器；L—六氟化硫断路
器；Z—真空断路器；Q—自产气断路器；C—磁吹断路器。
2
安装地点：N—户内式；W—户外式。
3
设计序号：一般以数字表示。4
额定电压或最高工作电压（kV）。
5
其他补充工作特性标志：G—改进型；C—手车式；W—防污型；Q—防震型。
6
额定电流（A）。
7
额定开断电流（kA）。
例如，ZN2812/125025型，表示户内真空断路器、设计序号28、最高工作电压
12kV，额定电流1250kA，额定开断电流25kA。
认知3 真空断路器
一、真空断路器概述（一）真空断路器概念
真空断路器是指以真空作为灭弧介质和绝缘介质，在真空容器中进行电流开断和关合
的断路器。为满足绝缘强度要求，真空度一般要求在1.33×10—3～1.33×10—7Pa之间。
（二）真空断路器工作原理
真空灭弧室中电弧的点燃是由于真空断路器刚分瞬间，触头表面蒸发金属蒸气，并被游离而形成电弧造成的。真空灭弧室中电弧弧柱压差很大，质量密度差也很大，因而弧柱的金属蒸气（带电质点）将迅速向触头外扩散，加剧了去游离作用，加上电弧弧柱被拉长、拉细，从而得到更好的冷却，电弧迅速熄灭，介质绝缘强度很快得到恢复，从而阻止电弧在交流电流自然过零后重燃。
（三）真空断路器优、缺点
1.优点
电弧在密封的容器中燃烧，没有火灾和爆炸危险；熄弧时间短，电弧能量小，触头损耗小，开断次数多；动导电杆的惯性小，适用于频繁操作；触头部分完全密闭，不会因潮气、灰尘、有害气体等影响而降低性能；结构简单，维护工作量少且成本低。
2.缺点
开断感性负载或电容负载时，引起截流过电压、三相同时开断过电压及高频重燃过电压。真空断路器关、合闸时发生弹跳，不仅会产生较高的过电压影响整个电网的稳定性，更重要的是使触头烧损甚至熔焊，这在投入电容器组产生涌流时及短路关、合的情况下更加严重。
二、真空断路器结构
图53 真空灭弧室结构
1—动导电杆；2—绝缘外壳；
真空断路器主要由支架、真空灭弧室、操动机构3部分组成。支架是安装各种功能组件的架体。真空灭弧室是断路器的核心元件，主要由绝缘外壳、动静触头、屏蔽罩和波纹管组成，其结构如图53所示。
3—触头；4—波纹管；5—屏
蔽罩；6—动导电杆；7—动端盖板；8—静端盖板
真空断路器绝缘外壳既是真空容器，又是动、静触头间的绝缘体。其作用是支撑动静触头和屏蔽罩等金属部件，与这些部件气密地焊接在一起，确保灭弧室内的高真空度。
触头既是关合时的通流元件，又是开断时的灭弧元件。常用的触头材料主要有铜铋合金和铜铬合金。真空断路器触头一般采用对接式，分为平板触头、横向磁场触头和纵向磁场触头，如图54所示。动、静触头分别焊接在动、静导电杆上，用波纹管实现密封。动触头在机构驱动力作用下，能在灭弧室内沿着轴向移动，完成分、合闸。
图54 各种触头结构形式
（a）平板触头；（b）杯形触头（横磁场）；（c）螺旋触头（横向磁场）；（d）纵向磁场触头；（e）纵向磁场触头
屏蔽罩可采用铜或钢制成，要求具有较高的热导率和良好的凝结能力。其作用如下：（1）防止燃弧过程中触头间产生的大量金属蒸气和金属颗粒喷溅到绝缘外壳的内壁，
导致外壳的绝缘强度降低或闪络。
（2）改善灭弧室内部电场的均匀分布，降低局部电场强度，提高绝缘性能。
（3）吸收部分电弧能量，冷却和凝结电弧生成物，提高间隙介质强度的恢复速度。波纹管既要保证灭弧室完全密封，又要在灭弧室外部操动时使触头做分合运动。波纹
管的侧壁可在轴向上伸缩，其允许伸缩量决定了灭弧室所能获得的触头最大开距。波纹管是真空灭弧室中最容易损坏的部件，其金属疲劳度决定了真空灭弧室的机械寿命。
三、ZN28G 12型真空断路器
1.概述
ZN28G12型户内交流高压真空断路器是三相交流50Hz，最高工作电压为12kV的设备，作为电网设备、工矿企业动力设备的保护和控制用。该型真空断路器结构简单，体积小，既可单独使用，也可用于中置式开关柜和固定式开关柜。
2.技术参数
ZN28G 12型真空断路器技术参数见表51。
表5 1
ZN28G12型真空断路器技术参数
续表
3.断路器结构
断路器与操动机构为一体前后布置。操动机构、主轴、分闸弹簧、油缓冲器等部件安装在机构箱中。机构箱后面装有两块安装板，供开关柜内固定安装断路器用，安装板上水平装有6只绝缘子，上绝缘子固定动铝支架，下绝缘子固定静铝支架，动、静铝支架的左端作出线端子，真空灭弧室安装在动、静铝支架之间，通过绝缘拉杆、拐臂、导电杆连接。动、静铝支架之间装有两根绝缘杆将两者连成一个整体，提高整体刚度。
ZN28G 12型真空断路器结构如图55所示。
图55 ZN28G 12型真空断路器结构
1—安装支架；2—绝缘子；3—静铝支架；4—真空灭弧室；5—绝缘杆；6—动铝支架；
7—软连接；8—导电夹；9—导向板；10—导电杆；11—七字拐臂；12—绝缘拉杆；
13—压簧；14—主轴；15—调整片；16—连杆；17—油缓冲器；18—机构箱
认知4SF6 断 路 器
一、SF6概述
SF6断路器是指以SF6气体作为灭弧介质和绝缘介质。该类型断路器具有断口耐压高、操作过电压低、允许的开断次数多、开断电流大、灭弧时间短、操作时噪声小及寿命长等优点。
SF6气体是一种无色、无味、无毒、不可燃的惰性气体，具有优异的导热性能和冷却电弧特性。SF6气体具有非常稳定的化学效应，在正常温度范围内，与电气设备中常用的金属不发生任何反应，当温度大于500℃时，SF6易分解，形成硫的低氟化合物。
SF6气体是一种具有高介电强度的介质，在均匀电场作用下为同一气压时空气的2.5～3倍，在3个大气压时其介电强度与变压器油相当。SF6气体与水易发生化学反应产生氟化氢，这是一种有强腐蚀性和剧毒的酸类。
SF6断路器具有断口耐压高、运行可靠、操作过电压低、允许的开断次数多、检修周期长、开断电流大、灭弧时间短、操作时噪声小、寿命长、体积和占地面积小等优点。
二、SF6断路器的灭弧室
依据灭弧室结构和灭弧原理不同，SF6断路器的分为压气式、自能式两种。
（一）压气式SF6断路器的灭弧室
压气式SF6断路器灭弧室的可动部分带有压气装置，利用在开断过程中活塞和汽缸的相对运动，压缩SF6气体形成气体吹弧而熄灭电弧。压气式SF6断路器按照灭弧式结构可分为变开距灭弧室和定开距灭弧室。
图56 变开距灭弧室结构
1.变开距灭弧室
由于灭弧过程中触头的开距是变化的，故称为变开距灭弧室。变开距灭弧室如图56
1—主触头；2—弧静触头；3—喷嘴；4—弧动触头；5—主动触头；6—压汽缸；7—逆止阀；8—压气室；
9—固定活塞；10—中间触头
所示。触头系统由主（工作）触头、弧触头和中间触头组成。
为了使分闸过程中压气室的气体集中向喷嘴吹弧，而在合闸过程中不致在压气室形成真空，故设置了逆止阀7。在分闸时，逆止阀7堵住小孔，让SF6气体集中向喷嘴3吹弧。合闸时逆止阀7打开，使压气室与固定活塞9的内腔相同，SF6气体从活塞小孔充入压气室8，为下一次分闸做好准备。
2.定开距灭弧室
图57所示为定开距灭弧室结构。断路器的触头由两个喷嘴的空心静触头3、5和动触头2组成。在关合时，动触头2跨接于静触头3、5之间，构成电流通路；开断时断路器的弧隙由两个静触头保持固定的开距，故称为定开距结构。
由绝缘材料制成的固定活塞6和与动触头2连成一体的压气罩1之间围成压气室4。这
种结构的喷嘴采用耐电弧性能好的金属或石墨等导电材料制成。石墨耐高温，在电弧作用下直接由固态变成气态，逸出功大，表面烧损轻。
定开距灭弧室断口电场均匀，灭弧开距小，触点从分离位置到熄弧位置的行程很短，电弧能量较小、熄弧能力强、燃弧时间短，可以开断很大的短路电流，但是压气室的体积较大。
图57 定开距灭弧室结构
（二）自能式SF6断路器
1—压气罩；2—动触头；3、5—静触头；
4—压气室；6—固定活塞；7—拉杆
自能式SF6断路器要利用操动机构带动汽缸与活塞做相对运动来压气熄弧，因而操动机
构负担很重，要求操动机构的操作功率大。自能式SF6断路器按灭弧原理可分为旋弧式、热膨胀式和混合吹弧式。
1.旋弧式
旋弧式是利用设置在静触头附近的磁吹线圈在开断电流时自动地被电弧串接进回路，被开断的电流流过线圈，在动、静触头之间产生磁场，电弧在磁场的驱动下高速旋转，电弧在旋转过程中不断地接触新鲜的SF6气体，使电弧受到冷却而熄灭。按磁吹和电弧的运动方式不同可分为径向旋弧式和纵向旋弧式。
旋弧式灭弧室结构简单，不需要大功率的操动机构，电弧高速旋转，触头烧损轻微，寿命长，在中压系统中使用比较普遍。
2.热膨胀式
热膨胀式是利用电弧本身的能量，加热灭弧室内的SF6气体，建立高压力，形成压力差，并通过喷嘴释放，产生强力气流吹弧，从而达到冷却和吹灭电弧的目的。
图58 热膨胀式灭弧室结构
1—灭弧室；2—静触头；3—旋弧线圈；
4—触指；5—环状电极；6—喷嘴；
7—动触头；8—密闭间隔；9—辅
助吹气装置；10—排气间隔；11—对大气的密封中心线左边—断路器合闸、中心线
右边—断路器分闸
热膨胀式灭弧室结构如图58所示。圆柱形的灭弧室被分成两个间隔，即密闭间隔8和比密闭间隔大得多的排气间隔10。在这两个间隔中都充有SF6气体。当断路器处于合闸位置时，动触头7通过触指4连接到静触头2，如中心线右部所示。当动触头7运动一定距离后，在环状电极5和动触头7之间产生电弧。旋弧线圈3产生与触头的同轴磁场，环状电极5中的电弧垂直于旋弧线圈3的磁场，其间产生的电动力使电弧高速旋转，使电弧在SF6气体中被拉长，旋转电弧不断接触新鲜的SF6气体，释放热能，并将密闭间隔8中的气体加热，产生
一个比排气间隔中更高的压力，当触头分开时，两个间隔经动触头7中的喷嘴6连通，此时，出现的气压差，被用来经过喷嘴形成纵向吹弧。在下一个电流过零点时熄灭电弧。
3.混合吹弧式
无论是采用旋弧式灭弧还是热膨胀式灭弧，都能大大减轻操动机构的负担，提高断路器的性价比，但是任何一种灭弧室都有它的不足之处，为此往往需要将几种灭弧原理同时应用在断路器的灭弧室中。压气式加上自能吹弧的混合式灭弧有助于提高灭弧效能，不仅可以增大开断电流，而且可以明显减少操作功。混合吹弧式有多种方式，如旋弧+热膨胀、压气+热膨胀、压气+旋弧、旋弧+热膨胀+助吹等。
三、SF6断路器的分类
按照对地绝缘方式不同，SF6断路器分落地罐式和瓷柱式两种。1.落地罐式
落地罐式SF6断路器能满足高压大容量的要求，其触头和灭弧室装在充有SF6气体并接地的金属罐中，触头与罐壁间的绝缘采用支持绝缘子，引出线靠瓷套管引出。落地罐式SF6断路器的结构如图59所示。
图59 LW 330型罐式SF6断路器结构
图510 单压式定开距灭弧室绝缘
1—接线端子；2—上均压环；3—出线瓷套管；4—下
套管支柱断路器
均压环；5—拐臂箱；6—机构箱；7—基座；8—灭弧室；9—静触头；10—盆式绝缘子；11—壳体；
1—帽；2—上接线板；3—密封圈；4—灭弧室；5—动
12—电流互感器
触头；6—下接线板；7—支柱绝缘子；8—轴；9—操动机构传动杆；10—辅助开关传动杆；11—吸附剂；12—传动机构箱；13—液压机构；14—操作拉杆
落地罐式SF6断路器可利用出线套管安装电流互感器，外部为金属罐体，耐压能力强，采用低位布置抗震性能好，但系列性能差，用气量多。落地罐式SF6断路器多用于330kV及以上电压等级。
2.瓷柱式
瓷柱式SF6断路器能够满足高电压大容量的要求。瓷柱式SF6断路器的灭弧室安装在绝缘支柱上，通过串联灭弧室，并将它们安装在适当高度的绝缘瓷柱上，可获得任意的额定电压值。瓷柱式SF6断路器的结构如图510所示。
瓷柱式SF6断路器用气量少，结构简单，制造容易，运动不减少，系列性好，价格便宜；但重心高，抗震性能差。瓷柱式SF6断路器主要用于110kV和220kV电压等级。