SF6高压断路器结构及工作原理

SF6断路器构造及其工作原理新疆国信生产准备部一、断路器的作用：高压断路器在正常运行时用它接通或切断负荷电流；在电气设备或线路发生短路故障或严重过负荷时，由继电保护装置控制其自动迅速地切断故障电流，切断发生短路故障的设备或线路，以防止扩大事故范围。二、断路器的功能(1)控制作用。根据电力系统运行的需要，将部分或全部电气设备，以及部分或全部线路投人或退出运行。(2)保护作用。当电力系统某一部分发生故障时，它和保护装置、自动装置相配合，将该故障部分从系统中迅速切除，减少停电范围，防止事故扩大，保护系统中各类电气设备不受损坏，保证系统无故障部分安全运行。（3）灭弧作用。高压断路器不仅能可靠的开断空载电流和负荷电流，而且能可靠的开断短路电流。电弧的产生与熄灭1、电弧的概念当开关电器开断电路时，电压和电流达到一定值时，触头刚刚分离后，触头之间就会产生强烈的瞬间火花，我们称之为电弧。电弧的实质是一种气体放电现象。2、电弧的形成当开关设备的触头分断有载电路时，电子在强电场的作用下高速冲向阳极，碰撞触头间隙中的中性质点，发生链式反应。在电场的作用下带电离子定向移动，使触头间隙由绝缘状态变成导电状态。触头间隙被击穿通过电流形成电弧。3、电弧的危害（1）电弧的存在延长了开关电器开断故障电路的时间，加重了电力系统短路故障的危害。（2）电弧产生的高温，将使触头表面熔化，烧坏绝缘材料，对充油电气设备还可能引起着火爆炸等危险。（3）由于电弧在电动力或热动力的作用下能移动，很容易造成飞弧短路和伤人，或引起事故的扩大。4、电弧的熄灭一般吹弧的主要措施是用气体或油流吹弧，其中包括横吹或纵吹。用两个或两个以上的断口熄弧，比单口拉弧更长，速度更快。SF6气体的基本特性纯净的SF6是一种无色、无嗅、无毒、不可燃的卤素化合物。SF6气体的化学性质非常稳定，在空气中不燃烧，不助燃，与水、强碱、氨、盐酸、硫酸等不反应，在低于150℃时，SF6气体呈化学惰性，极少溶于水，微溶于醇。与传统绝缘油相比，其绝缘性能和灭弧性能都较为突出。1、SF6气体性能：①热化学性：a分解温度低，分解能量高，导热率好，有利于熄弧；b温度相同时，SF6游离度大，电弧电压小；②强负电性：能吸附电子或负离子，然后与正离子复合，去游离作用强，不易重燃。2、优点：（1）灭弧能力强，介质强度高。单断口的电压可以做得很高，因此，与少油和空气断路器相比，同一额定电压等级下，SF6断路器所用的串联单元数较少。（2）介质恢复速度特别快，开断近区故障性能特别好。（3）由于SF6气体的电弧分解物中不含有碳等影响绝缘能力的物质，在严格控制水分的情况下分解物又没有腐蚀性，再加触头在SF6中的烧损极轻微，因此SF6断路器允许开断的次数多，检修周期长。SF6气体缺点：含有水分的SF6气体在电弧的高温下，会分解出一些硫的低氟化合物，这些低氟化合物有较强的毒性和刺激性，对人体有危害，对许多绝缘材料、导电材料也有腐蚀作用。当SF6气体中水分含量大得足以引起在绝缘表面结露时，击穿电压会显著下降，尤其在温度较低时更易造成水分的凝结。SF6断路器的灭弧装置按熄弧能量分为自能式、外能式和混合式。其中自能式是熄灭大电流，而外能式是熄灭小电流。①自能式：是利用电弧本身能量使SF6气体膨胀、压力升高，产生压力差，或利用磁场使电弧运动。②外能式：是利用外储SF6或操作力，使SF6气体运动，将电弧熄灭。③混合式。按灭弧装置不同，分为双压式和单压式。早期的SF6断路器都用双压式灭弧装置，由于其结构复杂，所需辅助设备多，维护不便，已逐渐为单压式灭弧装置所取代。（灭弧室有活塞，原理类似于打气筒）单压式灭弧装置1、只有一种压力（一般为304-808kPa)。在开断过程中，灭弧室所需的吹弧压力由动触头系统运动时的压气活塞产生；2、图11-2为单压式单向灭弧室的原理图。图中，喷嘴2、压气罩3及动触头（导电杆）4机械上为一体。虚线部分为合闸后的喷嘴位置压气活塞单压式单向灭弧室的原理图3、断口形式：a、变开距形式（与少油断路器类似）b、定开距形式（与压缩空气断路器类似）4、吹弧方式：a、单向吹弧方式b、双向吹弧方式，和单向吹弧方式相比双向吹弧方式能提高开断电流20％以上。单压式双向灭弧室的原理图5、喷嘴材料：喷嘴材料不能采用金属材料，而要用聚四氟乙烯塑料树脂。聚四氟乙烯，一般称作“不粘涂层”；是一种使用氟取代聚乙烯中所有氢原子的人工合成高分子材料。这种材料有抗酸抗碱、抗各种有机溶剂的特点，几乎不溶于所有的溶剂。同时，聚四氟乙烯具有耐高温的特点，它的摩擦系数极低，可作润滑，亦成为水管内层的理想涂料。因为压缩空气断路器中压缩空气吹弧速度很高，可保护喷嘴免受电弧侵袭；而SF6断路器的吹弧速度低，无法保护喷嘴免受电弧侵袭。聚四氟乙烯塑料树脂的特点:能抵抗高温，在电弧直接作用下不会碳化，且其机械性能高、易加工，是制造喷嘴的好材料。单压式SF6断路器具有气压低，液化温度也低，在低温地区使用时不需装加热器，加之可省去压气泵等装置，因此其结构简单，造价便宜，维护也较方便。6、优点：7、缺点：a、为使触头分开、电弧刚产生时就有较好的气吹条件，单压式灭弧室的压气腔应该有一段预压缩过程，使压气腔中的气压提高后，再打开喷口进行吹弧。预压缩行程的存在会增大断路器分闸时间。分断过程中，当操动机构带动动触头系统向下运动时，压气腔内气体的压力将增高、并从喷口处向外排出，产生和双压式灭弧装置类似的吹弧效应。b、为满足压气的要求，需配置大功率的操动机构。六氟化硫断路器的总体结构1.SF6断路器的结构有瓷瓶支柱式和落地罐式两大类。（1）瓷瓶支柱式的总体结构和常规的瓷瓶支柱式空气断路器与少油断路器相同，属积木式结构。现代灭弧室容器多用电工陶瓷，布置成“T”型、“Y”型、“I”型。优点：耐压水平高，结构简单，运动部件少，系列性好。缺点：重心高，抗震能力较差，使用场合受到一定限制。电流互感器要单独装在自己的绝缘支柱上，通过空气绝缘的连接线连于断路器上。“I”型磁柱式断路器“T”型断路器（2）落地罐式SF6断路器：也叫接地金属箱型。它是全封闭组合电器和复合电器的基础。结构特点：触头和灭弧室装于接地的金属箱中，导电回路靠绝缘套管引入，高压带电部分与外壳之间的绝缘主要由SF6气体和环氧树脂浇注绝缘子承担。500kV落地罐式断路器优点：①可在进出线套管上装设电流互感器，可提供电流信号；利用出线套管的电容制成电容式分压器，以提供电压信号，还能与隔离开关、接地开关、避雷器等熔为一体，组成复合式开关设备。②重心低，抗震能力好，结构稳固，外绝缘部件少，可用于多地震和高原及污秽地区。缺点：制造难度大，壳体与环氧树脂浇注件都需大型成套加工设备，灭弧室中所用的搪瓷电容及合闸电阻等配套件的性能要求很高，高电压部位的电极形状要求较严格，气体容积大，气量多，金属材料消耗多等，价格稍贵。高压SF6断路器的操动机构开关电器的触头分合必须靠机械操动系统才能完成。操动机构作为高压SF6断路器的重要组成部分，型式多样。操动机构分别由储能单元、控制单元和力传递单元组成。弹簧操动机构储能单元气动机构控制单元液压机构力传递单元液压弹簧机构一、对操动机构的基本要求1．合闸时，关合电路电流可达几万安培，断路器导电回路受到电动力可达几千牛顿以上，而导电回路的布置以及触头结构使得电动力的方向又常常是阻碍断路器关合，因此，操动机构应有足够的能力(即关合短路故障的能力)克服短路电动力的阻碍作用。2.合闸后，操动机构必须有保持合闸的部分或机构，以保证在合闸命令和操作力消失后断路器仍能保持在合闸位置。3．分闸时，操动机构的操作应满足断路器分闸时间和分闸速度的要求。4．还要有自由脱扣、防弹跳、复位及连锁等功能。二、弹簧操动机构1、它是以弹簧作为储能元件的机械式操动机构。弹簧储能借助电动机通过减速装置来完成，并经过锁扣系统保持在储能状态。开断时，锁扣借助磁力脱扣，弹簧释放能量，经机械传递单元驱使触头运动。2、作为储能元件的弹簧，有压缩弹簧、盘簧、卷簧和扭簧等。3、弹簧操动机构的工作原理：①储能阶段：电动机通过减速装置和储能机构使合闸弹簧储存机械能，储存完毕后通过合闸闭锁装置使弹簧保持在储能状态，然后切断电动机电源。②合闸阶段：接到合闸信号，解脱合闸闭锁装置，释放合闸弹簧的储能。这些能量的一部分通过传动机构使断路器的动触头动作，进行合闸操作；另一部分通过传动机构使分闸弹簧储能，为分闸状态作准备。③当触头合闸动作完成后，电动机立即接通电源动作，通过储能机构使合闸弹簧重新储能，以便为下一次合闸做准备。④分闸阶段：接到分闸信号，解脱自由脱扣装置，释放分闸弹簧储存的能量，并使触头进行分闸动作。组成原理框图如图所示三、气动操动机构1、气动操动机构是利用压缩空气作为能源产生推力的操动机构。由于以压缩空气作为能源，因此气动机构不需大功率直流电源，独立的储气罐能供气动机构多次操作。2、断路器的分合闸操作全部依靠压缩空气，并依靠压缩空气的推力将断路器维持在分闸或合闸位置。气动操动机构原理图四、液压操动机构1、液压操动机构是用液压油作为能源来进行操作的机构。其输出力特件与断路器的负载特性配合较为理想，有自行制动的作用，操作平稳，冲击震动小，操作力大，需要控制的能量小，较小的尺寸就对获得几吨或几十吨的操作力。除此之外，液压机构传动快、动作准确，是当前高压和超高压断路器操动机构的主要品种。2、液压操动机构按传动方式分为全液压和半液压。（1）全液压方式：液压油直接操纵动触头进行合闸，省去了联动拉杆，减少了机构静阻力，因而速度加快，但结构材质要求较高。（2）半液压方式：液压油只到工作缸侧，操动活塞将液压能转换成为机械功带动联动杆使断路器合、分操作。•。图示为直接驱动式液压操动机构原理示意图•由电动机8与齿轮泵1产生的高压力油直接推动活塞3，用来操作速度不高、操作功率不大的传动轴液压机构原理LW10B-252型断路器的液压操动方式为分相操作，三相分别配有相同的液压机构，组成元件如图所示。液压机构的动作过程五、液压弹簧操动机构液压弹簧操动机构是液压与弹簧机构的组合。工作模块充能模块基本结构:五大模块储能模块控制模块检测模块工作模块主要由工作缸和活塞杆组成，采用常充压差动式结构，高压油恒作用于活塞杆上端。分合闸运动主要通过活塞杆下端高低压油的转换实现。充能模块主要由电机、油泵和一对锥齿轮组成，通过电机带动油泵把液压油注入储能器，将电能转化成为液压能。储能模块主要由储能活塞缸、储能活塞、碟型弹簧组成.在液压油的作用下通过储能器活塞压缩碟形弹簧并将液压能长期存储在储能活塞缸内，为断路器分、合闸操作做好必要的能量储备。碟簧控制模块主要由电磁阀、换向阀组成，通过主控室给出的电信号命令使相应电磁阀打开阀口，使换向阀换向从而达到分闸或合闸的目的。监测模块主要由行程开关、安全阀组成，通过对碟簧的压缩量的监测带动行程开关凸轮旋转来断开或闭合微动开关触点达到为主控室报警及自动闭锁的目的。当压力高于规定值时泄压阀自动开启达到保护机构的目的。以上五个模块通过连接管连接后，可与工作缸组成一个紧凑的整体，实现可靠的动作，其结构特点具有以下几个优点：1.模块式结构具有结构简单紧凑，零件量少，通用性强，性能可靠且便于检查。2.液压集成回路具有无外部油管，损耗小，传动效率高，泄漏量低。3.优质碟簧储能器具有不存在氮气泄漏，系统压力稳定，应力松弛小，寿命长，可靠性高4.优良的液压缓冲系统具有操作平稳，无反跳，噪音低，易与和调速系统不同断路器适配。辅助结构:液压碟簧操动机构除以上五个主要模块外，还有一些辅助工作模块，比如防慢分装置、辅助开关等液压机构结构介绍记数器加热器上盖底座碟簧控制阀储能器辅助开关油泵电机行程开关断路器的基本控制回路一、断路器的基本跳合闸回路（1）合闸操作。手动合闸是将控制开关SA打到“合闸”位置，此时5--8触点瞬时接通，而断路器在跳闸位置时QF2是接通的，所以合闸接触器KM得电，断路器合闸线圈YC得电启动，断路器合闸。当合闸操作完成后，断路器的动断辅助触点QF2断开，合闸接触器KM断电，合闸线圈YC断