第6章传统断路器.ppt

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1、第六章第六章 传统断路器传统断路器 本章要点：本章要点：1.油断路器的工作原理油断路器的工作原理2.压缩空气断路器的工作原理压缩空气断路器的工作原理3.磁吹断路器的工作原理磁吹断路器的工作原理4.低压自动空气断路器的工作原理低压自动空气断路器的工作原理 这些高压大功率开断设备，它们在技术上比较成熟，这些高压大功率开断设备，它们在技术上比较成熟，都有自己的辉煌历史，但总的来看，它们已过都有自己的辉煌历史，但总的来看，它们已过(或已到或已到)自己的鼎盛时期，在结构上、性能上不会再有太大的发自己的鼎盛时期，在结构上、性能上不会再有太大的发展展.将它们称为传统断路器将它们称为传统断路器.它们有的至今仍

2、在某个领域或它们有的至今仍在某个领域或地域中大量使用，有的也许会与新一代设备长期共存。地域中大量使用，有的也许会与新一代设备长期共存。第一节第一节 油断路器油断路器 一、油中的简单开断与油吹灭弧室 随着电力系统从小到大的逐步发展，简单的可熔保险随着电力系统从小到大的逐步发展，简单的可熔保险和空气开关已不能满足短路开断的要求，和空气开关已不能满足短路开断的要求，1893年在美年在美国诞生了油断路器的前身。国诞生了油断路器的前身。图6.1 油中的简单开断与自膨胀吹弧 变压器油油 开断能力增强的原因 1.气泡中的主要成份是油的蒸气和由油蒸气分解的其它气体。气泡中的主要成份是油的蒸气和由油蒸气分解的其

3、它气体。油蒸气约占整个泡体积的40%，其它气体占60%。在其它气体中，氢气(H2)占总体积的7080%，乙炔占1520%，甲烷、乙烯等占510%。2.气泡膨胀受到限制，使气泡的压力可维持在510个大气压。高压力使电弧中游离质点的自由行程减小，复合能力增强而游离作用减弱。3.随着触头间距的增加，电弧被拉长，电弧间隙耐受恢复电压的能力也增强。电弧熄灭后，电弧间隙将重新被油填满，保证了触头间的绝缘强度。临界开断电流现象 利用电弧自身能量或作用熄灭电弧的方法称为自能式灭弧。利用电弧自身能量或作用熄灭电弧的方法称为自能式灭弧。利用外界其它能量熄灭电弧的方法称为外能式灭弧。利用外界其它能量熄灭电弧的方法称

4、为外能式灭弧。对于油中简单开断来说，其灭弧能力是完全依靠电弧自身能量所分解的气体来实现的，因此，属于自能式灭弧。图 6-2 油中简单开断时，燃弧时间与开断电流的关系 对应于燃弧时间对应于燃弧时间最长的电流称为最长的电流称为临界开断电流，临界开断电流，所有自能灭弧的油断路器都存在这种临界开断电流现象。临界电流开断试验 国标国标GB198中规定，当中规定，当10%额定短路开断电流试验额定短路开断电流试验的燃弧时间平均值显著大于的燃弧时间平均值显著大于30%额定短路开断电流试验额定短路开断电流试验的燃弧时间平均值时，就应的燃弧时间平均值时，就应做临界电流开断试验，试验做临界电流开断试验，试验电流为额

5、定短路开断电流的电流为额定短路开断电流的46%和和23%。2、油吹灭弧室n(a)纵吹纵吹(b)横吹横吹(c)纵横吹纵横吹(d)对横吹对横吹(环吹环吹)n1静触头，静触头，2动触头，动触头，3电弧，电弧，4油、气流或磁场作用油、气流或磁场作用油断路器灭弧室结构(a),(b)灭弧室的结构a、b油断路器灭弧室结构(c),(d)灭弧室的结构c、d二、油自能吹弧灭弧室的压力过程及影响灭弧能力的因素 油自能吹弧灭弧室的过程大致可分作以下三个阶段 n(1)封闭泡阶段封闭泡阶段从动静触头分离起到动触头运动到第一吹弧道即将打开时止(所谓即将“打开”，即动触头自身马上不再堵住吹弧道口)。这一段燃弧距离通常又称作“

6、引弧距”，这期间电弧气泡的压力增长很快。n(2)油、气混合的气流吹弧阶段油、气混合的气流吹弧阶段吹弧口打开后，气泡中的气体吹拂电弧并通过吹弧道向灭弧室外排出，同时气泡内继续有油气化分解，直到电弧过零熄灭。n(3)熄弧后的回油阶段熄弧后的回油阶段电弧熄灭后，灭弧室中的压力因气体的继续排出和温度的很快降低而迅速下降。到达一定值后，外部新鲜油开始进入灭弧室，恢复正常介质状态，为下一次开断作准备。油自能吹弧灭弧室的压力变化曲线图6.5 油自能吹弧灭弧室的压力变化曲线影响油吹灭弧室熄弧能力的因素 影响油吹灭弧室熄弧能力的因素很多。引弧距的长短、吹弧道的截面与形状、油层高度、灭弧室油面引弧距的长短、吹弧道

7、的截面与形状、油层高度、灭弧室油面上部空间的体积大小、油气分离器的结构上部空间的体积大小、油气分离器的结构(气体排往大气前应将油的蒸气冷却回落至灭弧室，分离器在灭弧室的上部缓冲空间安放，见图6.7的空气室)、上部缓冲空间的大小、纵横吹的、上部缓冲空间的大小、纵横吹的安排、分闸速度、有无空气垫及空气垫的大小安排、分闸速度、有无空气垫及空气垫的大小(空气垫是指灭空气垫是指灭弧室内油面下可储存空气的部分弧室内油面下可储存空气的部分)等等各个方面的因素都有关等等各个方面的因素都有关系。系。自能式灭弧室设计所遵循的原则应是：减小电弧能量放在第一位，利用电弧能量放在第二减小电弧能量放在第一位，利用电弧能量

8、放在第二位位;在能达到开断要求的前提下，电弧能量愈小愈好。在能达到开断要求的前提下，电弧能量愈小愈好。三、油断路器的类型及结构 图6.6 多油断路的单相结构示意图 1导电杆，2绝缘套管，3油箱盖，4传动机构5油标，6电流互感器，7电容式套管，8灭弧室,9动触头及横担，10油箱，11电热器，12放油阀 1.多油断路器的特点多油断路器的特点1)是所有元件都处于接地的金属油箱中(固常称其为落地箱式或落地罐式)，油一方面用来熄灭电弧，另一方面又用作导电部分之间(包括断口间)以及导电部分与接地的油箱之间的绝缘介质。2)多油断路器的导电部分多做成上部开口外张的“U”型结构，这是由于空气的绝缘强度比油低所决

9、定的。3)箱盖接地4)10kV及以下的多油断路器一般都取三相共箱的结构形式，35kV及以上的多油断路器，每相各一个油箱，称为分相式结构，又称罐式。2、少油断路器、少油断路器 多油断路器因其用油量多、钢材消耗大、检修困难、造成爆炸及火灾的危险性大，因而人们发展了少油断路器。在少油断路器中，变压器油在少油断路器中，变压器油只用来作为熄灭电弧和触头只用来作为熄灭电弧和触头断口间的绝缘介质，不用作断口间的绝缘介质，不用作对地绝缘。对地绝缘。图6.7 户内少油断路器的外型及结构 1分闸弹簧，2底架，3拉杆，4主轴 5支持瓷瓶，6油气分离器，7空气室8静触头，9上接线板，10灭弧室 11导电杆，12中间触

10、头，13下接线板 14转轴，15油缓冲器，16合闸缓冲弹簧积木式 110kV少油断路器的外形 图6.8 110kV三相少油断路器的外型布置1灭弧室，2机构箱，3支持瓷瓶4底架，5操动机构，6水平拉杆7均压电容图6.9 断路器的积木式结构1通用灭弧单元，2均压电容 3机构箱，4支持瓷瓶 第二节第二节 磁吹断路器磁吹断路器 磁吹断路器是在触头分开时控制电弧使之进入灭磁吹断路器是在触头分开时控制电弧使之进入灭弧栅中，在大气条件下熄灭电弧的断路器。弧栅中，在大气条件下熄灭电弧的断路器。在灭弧栅中，电弧电阻增大、电流减小、直至电路电压无法维持电弧，强迫电路被开断，因此，它是一种带限流作用的开断装置。抬高

11、电弧电压的常用方法是抬高电弧电压的常用方法是：(1)增加电弧长度；(2)冷却电弧；(3)把电弧分割为许多串联的电弧。灭弧栅的基本型式有两种灭弧栅的基本型式有两种：(1)绝缘板型，依靠特殊形状的耐弧板拉长和冷却电弧；(2)裸金属板型(冷阴极效应)，用之把电弧割裂为许多串联电弧，并且也借板的热吸收作用冷却电弧。磁吹断路器与低弧阻断路器短路开断过程的比较磁吹断路器与低弧阻断路器短路开断过程的比较 磁吹断路器的恢复电压n磁吹断路器的恢复电压很低，电弧熄灭点在电源电压的零值附近，开断过程不产生过电压。这是因为：开断过程不产生过电压。这是因为：n(1)由于电弧电压高，常将短路电流限制到数分之一A。n(2)

12、使短路开断时的功率因素接近于1。n磁吹断路器的关键技术是如何尽快驱动电弧到灭弧栅中，尤其是有吹弧线圈的断路器，如何尽快建立起吹弧磁场。由于磁吹断路器也属自能灭弧式断路器，因而存在临界开断电流存在临界开断电流，在无气助吹情况下，燃弧时可达0.12秒甚至不能熄弧，在大部分的短路范围内，燃弧时间可小于三个周波，最短燃弧时间可达0.015秒。开断最大电流时，电弧能量可达兆焦级，并产生特有的闪光和极强的噪声。二、磁吹断路器的结构二、磁吹断路器的结构图6.11 冷阴极灭弧栅磁吹断路器的内部结构先主触头再中间触头最后弧触头冷阴极灭弧栅中的燃弧 图6.12(a)冷阴极灭弧栅中的燃弧 绝缘板式的灭弧栅 n图6.

13、13 U型磁极V型灭弧图6.14 螺管线圈形电弧磁吹断路器原理n 栅式磁吹断路器的原理磁吹断路器的操动机构n磁吹断路器的操动机构可分为三大类：1、螺管电磁铁 2、弹簧 3、气动 一般都装有吹气噗吹气噗，吹气噗的喷嘴对准触头间隙处，吹气噗起帮助电弧转移、吹小电流及缓冲的作用。n磁吹断路器的排气方向多半是向上。若灭弧栅导电部件操作机构作横向排列则横向排气。磁吹断路器主要是柜装使用，若对排出气体的方向及处理不加注意，单独使用时虽然能开断，但装入柜中就可能出问题。对制造厂配套出厂的柜装产品当然不必有此顾虑。第三节第三节 压缩空气断路器压缩空气断路器一、概述 压缩空气断路器压缩空气断路器1930年用于输

14、配电系统年用于输配电系统，19601970年代可谓达其鼎盛时期。优点：优点：1.以压缩空气作为灭弧及绝缘介质，且以压缩空气的储能 来操动其合分动作开断能力强 2.燃弧时间短，动作速度快.由于这些优点，压缩空气断路器压缩空气断路器一直到现在仍是高压断路器的品种之一，虽然在我国目前已停止生产，但从世界范围和新技术不断有创新的观点看，是否一定会淘汰恐怕还很难说。压缩空气绝缘优势图6.15 直径32mm棒间隙的绝缘击穿电压缺点n压缩空气断路器开断能力强,开断时间短,但结构复杂,工艺要求高,有色金属消耗多,因此,空气断路器一般应用在110KV及以上的电力系统中。压缩空气断路器的气体工作压力 为增大压缩空

15、气断路器开断能力，气体工作压力一般都在34MPa个大气压，个别产品达56MPa个气压。常见的吹弧方式及触头结构 压缩空气断路器的切断能力除与工作气压有关外，还与灭弧室的排气情况、气流场以及触头间的电场等因素有关，几种常见的吹弧方式及触头结构。(a)横吹(b)自由喷射(c)双喷口双向对称纵吹(d)单喷口单向纵吹图6.16 几种常见灭弧室结构喷口处的气流n在开断时，动触头缩入灭弧室体内，当动触头缩入到完全离开绝缘喷口时，压缩空气经喷口自由膨胀排入大气中。无论哪种结构总是让电弧处在气流能有效地带去游离粒子的方位。n喷口处有电弧存在时，在电弧热量的作用下，喷口处的气体体积会膨胀。气体的膨胀增大了喷口处

16、的压力，导致喷口喉部流速的下降和流量的减小，当电流很大时，这种对吹弧气流的反作用很强，有可能使喷口喉部的气流速度和流量下降到零，一旦出现此种堵塞现象，也就不能熄灭电弧了。n喷口处的介质恢复速度在吹弧气压确定以后，显然与开距和气流清扫电弧通道游离粒子的速度和干净程度有关。而无论灭弧室的结构如何，从气源经灭弧室到大气，气流总是在截面不均匀的管道中流动的。二、流动气体的特性 对于一个新开发的灭弧装置，电弧电流过零之后的介质强度恢复过程是极其复杂的物理现象，企图从理论上算出其开断能力是是十分复杂，几乎是不切实际的。但可在某些假设条件下作近似分析，然后试验验证修改。但可在某些假设条件下作近似分析，然后试验验证修改。分析管道中的气流特性时，可以先假设分析管道中的气流特性时，可以先假设 1.管道中摩擦阻力很小，忽略不计；管道中摩擦阻力很小，忽略不计；2.气流的速度变化是在理想绝热情况下进行的；气流的速度变化是在理想绝热情况下进行的；3.管道很短，气流为稳定气流，也就是说，管道中管道很短，气流为稳定气流，也就是说，管道中任何截面的气流参数不是时间的函数而只是坐标任何截面的气流参数不是时间的函数而只是坐