断路器培训教材
1. 六氟化硫（SF6）断路器
采用具有优良灭弧性能和绝缘性能的SF6气体作灭弧介质的断路器，称为SF6断路器。它具有开断能力强、体积小等特点，但结构较复杂，金属消耗量大、价格较贵。一般用于220KV电压等级以上，并与以SF6作为绝缘的有关电气组成封闭式组合电器（GIS），这样可以大量节省占地面积和减少投资。
2. 真空断路器
利用真空的高介质强度来灭弧的断路器，称为真空断路器。这种断路器具有灭弧速度快、触头材料不易氧化、寿命长、体积小等特点。目前主要用在35KV以下装置中。
第一节 高压断路器的基本参数
目前，我国电力系统中广泛使用的高压断路器，其型号、规格一般由文字符号和数字方式表示： 1 2 3――4 5 / 6 7 8
其代表意义为：1是产品字母代号，2是安装场所代号，3是设计系列代号，4是额定电压（KV），5是其他标志，如改进型G，6是额定电流（A），7是额定开断能力（KA或MVA），8是特殊环境代号。
例如：SN10－10/3000－750型断路器，表示为10KV，3000A，750MVA，10型屋内式高压少油断路器。
表6－1 高压断路器产品字母代号 断路器名称 字母代号 少油断路器 S 多油断路器 D 空气断路器 SF6断路器 真空断路器 K L Z
1.额定电压及额定电流
额定电压Un是指断路器长期工作的标准电压（三相系统指线电压）。电力系统在运行中允许5%Un的电压波动，断路器应在允许范围内长期工作，为此断路器规定了最高工作电压。对额定电压在3～220KV范围内的断路器，其最高工作电压较额定电压可高15%左右；对330KV以上者，规定其最高工作电压较额定电压高10%。断路器额定电压与最高工作电压对应值，见表10－2。
表6－2 断路器额定电压与最高工作电压对应值 （KV）
额定电压 最高工作电压 3 3.5 6 6.9 10 35 110 220 252 330 363 500 550 11.5 40.5 126 。
2．额定开断电流
断路器在开断操作时，首先起弧的某相电流称为开断电流。在额定电压下，能保证正常开断的最大短路电流称为额定开断电流Inborn 。它是标志断路器开断能力的一个重要参数。我国规定额定开断电流为：1.6，3.15，6.3，8，10，12.5，16，20，25，31.5，40，50，63，80，100KA等。
3． 额定关合电流imc
当电力系统存在短路故障时，断路器一合闸就会有短路电流流过，这种故障称为“预伏故障”。当断路器关合有预伏故障的设备或线路时，在动、静触头未接触前尚距几毫米就发生预击穿，随之出现短路电流，给断路器关合造成阻力，影响动触头合闸速度及触头的接触压力，甚至出现触头弹跳、熔化、焊接以至断路器爆炸等事故，这远比在合闸状态下通过极限电流的情况更为严重。
断路器关合短路电流的能力除与灭弧装置性能有关外，还与断路器操动机构的合闸功的大小的有关。因此，在选择断路器的同时，应选择操动机构，方能保证足够的关合能力。
第三节 六氟化硫（SF6）断路器
SF6断路器是利用SF6气体作为绝缘介质和灭弧介质的新型高压断路器。SF6断路器可分为两大类。
第一类，为瓷瓶式SF6断路器。如西安高压开关厂生产的LW（SFM）型系列产品，可用于110～500KV的电力系统中。该系列产品除110KV断路器三相共用一个机构外，其他均三相分装式结构。110～220KV断路器每相一个断口，整体呈“I”型布置。330～500KV断路器每相两个断口，整体呈“T”型布置。每个断口由灭弧室、支柱（支持绝缘子）、机构箱组成，其中330～500KV断路器还带有均压电容器、合闸电阻等，安其结构
示意图如图所示。
第二类，是把断路器装入一个外壳接地的金属罐中，叫落地罐式。如西安高压开关厂生产的LW13（SFMT）型罐式高压SF6断路器。该产品除110KV级及部分220KV级产品的三相分装在一个公用底架上并采用三相联动操作外，其余各电压等级及部分220KV产品均为三相安装结构，每相由接地的金属罐、充气套管、电流互感器、操动机构和底架等部件组成。
其
结
构
示
意
图
如
图
所
示
。
一、SF6气体的性能
SF6气体是无色、无味、无毒、非燃烧性、亦不助燃的非金属化合物，化学性质非常稳定、热稳定性极好，在常温常压下，其密度均为空气的五倍。它具有很高的电气绝缘特性和灭弧能力。
1．SF6气体的绝缘性能
SF6呈强电负性，体积较大。当电场具有一定能量的散射电子时，它可能导致碰撞游离，对电子捕获较易，并吸收其能量生成低活动性的稳定负离子。这种直径更大的负离子在电场中自由行程很短，难以积累发生碰撞游离的能量；同时，正负离子的质量都较大，行动迟缓，再结合的几率将大为增加。因此，在1个大气压下，SF6的绝缘能力超过空气的2倍；当压力为3个大气压时，其绝缘能力就和变压器油相当。
2．SF6气体的灭弧性能
SF6在电弧作用下接受电能而分解成低氟化合物，但电弧电流过零时，低氟化合物则急速再结合成SF6 ，故弧隙介质强度恢复过程极快。所以，SF6的灭弧能力相当于同等条件下空气的100倍；此外，电弧弧柱的电导率高、燃弧电压低、弧柱能量小。
二、SF6断路器的灭弧室结构
SF6气体作为灭弧介质时，只需要较小的气压和压差，所以，SF6断路器的灭弧室可以按压气活塞原理制成单压式，其气流是直接在开断过程中产生的，其压力一般在（3.5～7）×101325Pa［3.5～7atm（大气压）］范围内。国产的SF6断路器均为单压式。目前，单压式灭弧室有两种结构，即定开距和变开距结构。
1．定开距灭弧室
图6－5为定开距灭弧室结构示意图。断路器的触头由两个带喷嘴的空心静触头3、5和动触头2组成。断路器的弧隙由两个静触头保持固定的开距，故称之为定开距。在关合位置时，动触头跨接于两个静触头之间，构成电流通路。由绝缘材料制成的固定活塞6和与动触头连成整体的压气罩1之间围成压气至4。分闸操作时，压气罩随动触头
图6－5 定开距灭弧室结构示意图
1－压气罩；2－动触头；3、5－静触头；4－压气室；6－固定活塞；
图6－6 定开距灭弧室灭弧过程示意图
（a）断路器在合闸位置；（b）压气室内的SF6气体被压缩； （c）产生的气流向喷口吹弧；（d）熄弧后的开断位置
向右移动，使压力室内的SF6气体压缩并提高压力，当喷口打开后，即形成气流进行吹弧。操动机构通过拉杆7，带动动触头和压气罩所组成的可动部分。
图6－6示出灭弧室灭弧过程。图6－6（a）为断路器合闸位置。分闸时由拉杆7带动可动部分向右运动，此时，压气室内的SF6气体被压缩，如图6－6（b）所示。当动触头离开静触头3时，便产生电弧，同时将原来由动触头所封闭的压气室打开而产生气流、向喷口吹弧，如图6－6（c）所示。气流流向静触头内孔对电弧进行纵吹，熄弧后的开断位置如图6－6（d）所示。
本结构的特点是：由于利用了SF6气体介质强度高的优点，触头开距设计得比较小，110KV电压的开距只有30mm。触头从分离位置到熄弧位置的行程很短，因而电弧能量小，熄孤能力强，燃弧时间短，但压气室的体积比较大。前述LW13（SFMT）型罐式高压SF6断路器，均采用此种型式的灭弧室结构。
2．变开距灭弧室
变开距灭弧室的结构示意图如图6－7所示。其结构与少油断路器相似。触头系统有主触头、弧触头和中间触头。主触头的中间触头放在外侧，以改善散热条件，提高断路器的热稳定性。灭弧室的可动部分由动触头、喷嘴和压气缸组成。
图6－7 变开距灭弧室灭弧过程示意图
1－主静触头；2－弧静触头；3－喷嘴；4－弧动触头；5－主动触头；6－压气缸；7－逆止阀；8－压气室；9－固定活塞；10－中间触头
为了在分闸过程中使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，故设有逆止间。合闸时，逆止阀打开，使压气室与活塞内腔相通，SF6气体从活塞的小孔充入压气室；分闸时，逆止阀堵住小孔，让SF6气流集中向喷嘴吹弧。
变开距灭弧室的灭弧过程示于图6－8中。图6－8（a）为合闸位置。分闸时，可动部分向右运动，此时，压气室内的SF6气体被压缩并提高压力，如图6－8（b）所示。主触头首先分离，然后，弧触头分离产生电弧，同时也产生气流向喷嘴吹弧，如图6－8
（c）所示。熄弧后的分闸位置如图6－8（d）所示。
图6－8 变开距灭弧室灭弧过程示意图
（a）合闸位置； （b）压气室内SF6气体被压缩并提高压力； （c）触头分离产生电弧气流，向喷嘴吹弧（d）熄弧后分闸位置
从上述动作过程可以看出，触头的开距在分闸过程中是变化的，故称之为变开距灭弧室。本结构的特点是：触头开距在分闸过程中不断增大，最终开距较大，故断口电压
可以做得较高、起始介质强度恢复速度快。喷嘴与触头分开，喷嘴的形状不受，可以设计得比较合理，有利于改善吹弧效果，提高开断能力。但绝缘喷嘴易被电弧烧损。
三、SF6断路器的特点
1、断口耐压高。SF6断路器的单元断口耐压与同电压级的其他断路器相比要高，所以SF6断路器的串联断口数和绝缘支柱较少，因而零部件也较少、结构简单，使制造、安装、调试和运行都比较方便。
2、允许断路次数多，检修周期长。由于SF6气体分解后可以复原，且在电弧作用下的分解物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，生成物没有腐蚀性。因此，断路后SF6气体的绝缘强度不下降，检修周期相应也快。
3、开断性能很好。SF6断路器的开断电流大、灭弧时间短、无严重的截流和截流过电压。无论开断大电流或小电流，其开断性能均优于空气断路器和油断路器。 4、占地少。与其他断路器相比，在电压等级、开断能力及其他性能相近的情况下，SF6断路器的断口少、体积小，尤其是SF6全封闭组合电器，可以大大减少变电所的占地面积，对于负荷集中、用电量大的城市变电所和地下变电所更为有利。 5、无噪声和无线电干扰。
6、要求加工精度高、密封性能良好。
SF6气体本身虽无毒，但在电弧作用下，少量分解物（如SF4）对人体有害，一般需设置吸附剂来吸收。运行中要求对水分和气体进行严格检测，而且要求在通风良好的条件下进行操作。
虽然SF6断路器的价格较高，但由于其优越的性能和显著的优点，故正得到日益广泛的应用。在我国，SF6断路器在高压和超高压系统中将占有主导地位，并且正在向中压级发展，在10～60KV电压级系统中也正逐步取代目前广泛使用的少油断路器。
第四节 真空断路器
一、真空断路器概述
真空断路器是以真空作为灭弧和绝缘介质的。所谓真空是相对而言的，指的是绝对压力低于101325Pa（相当于1atm）的气体稀薄的空间。气体稀薄程度用“真空度”表示。真空度即气体的绝对压力与大气压的差值。气体的绝对压力值愈低真空度就越高。
气体间隙的击穿电压与气体压力有关，如图6－9所示．击穿电压随气体压力的提
高而降低，当气体压力高于1.33×10－2Pa（相当于10－4mmHg）以上时，击穿电压迅速降低。所以真空断路器灭弧室内的气体压力不能高于1.33×10－2Pa。一般在出厂时其气体压力为1.33×10－5Pa。
二、真空断路器的特点：
（1）触头开距短。10KV级真空断路器的触头开距只有10mm左右。因为开距短，可使真空灭弧室做得小巧，所需的操作功小、动作快。
（2）燃弧时间短，且与开断电流大小无关，一般只有半个周波，故有半周波断路器之称。
（3）熄弧后触头间隙介质恢复速度快，对开断近区故障性能较好。
（4）由于触头在开断电流时烧损量很小，所以触头寿命校、断路器的机械寿命也长。 （5）体积小、重量轻。 （6）能防火防爆。 三、真空断路器的结构
真空灭弧室宛如一只大型电子管，所有的灭弧零件都密封在一个绝缘的玻璃外壳内，如图6－11所示。动触杆与动触头的密封靠金属波纹管来实现，波纹管一般采用不锈钢制成。在动触头外面四周装有金属屏蔽罩，此罩通常由无氧铜板制成。屏蔽罩的作用是为了防止触头间隙燃孤时飞出电孤生成物（如金属离子、金属蒸气、炽热的金属液滴等）沾污玻璃外壳内壁而破坏其绝缘性能。屏蔽罩固定在玻璃外亮的腰部，燃弧时，屏蔽罩吸收的热量容易通过传导的方式散发，有利于提高灭弧室的开断能力。
真空断路器的触头结构示意图如图6－12所示，触头的中部是一圆环状的接触面，
图6－12 真空断路器的触头结构示意图 （a）纵剖面图；（b）下触头顶视图；（c）电流线
接触面的周围是开有螺旋槽的吹弧面，触头闭－合时，只有接触面相接触。当开断电流时，最初在接触面上产生电弧，电流回路呈Ⅱ形，在流过触头中的电流所形成的磁场作用下，电弧沿径向向外缘快速移动，即从位置a位向外移动到b位。电流在触头中的流动路径受螺旋线的，因此，通过电极内的电流路径是螺旋形的，如图（b）中的虚线所示。电流可分解为切向分量i2和径向分量i1。其中切向分量电流i2在弧柱上产生沿触头方向的磁感应强度B2，它与电弧电流形成的电动力是沿切线方向的，在此力的作用下，可使电弧沿触头作圆周运动，在触头的外缘上不断旋转，于是可避免电弧固定在触头某处而烧坏触头，同时能提高真空断路器的开断能力。
第五节 断路器的操动机构
一、概述
高压断路器都是带触头的电器，通过触头的分、合动作达到开断与关合电路的目的，因此必须依靠一定的机械操动系统才能完成。在断路器本体以外的机械操动装置称为操动机构，而操动机构与断路器动触头之间连接的部分称为传动机构和提升机构。上述关系可用图6－13表示。
断路器操动机构接到分闸（或合闸）命令后，将能源（人力或电力）转变为电磁能（或弹簧位能、重力位能、气体或液体的压缩能等），传动机构将能量传给提升机构。
传动机构将相隔一定距离的操动机构与提升机构连在一起，并可改变两者的
运动方向。提升机构是断路器的一个部分，是带动断路器动触头运动的机构，它能使动触头按照一定的轨迹运动，通常为直线运动或近似直线运动。操动机构一般做成产品。一种型号的操动机构可以操动几种型号的断路器，而一种型号的断路器也可配装不同型号的操动机构。根据能量形式的不同，操动机构可分为手动操动机构（CS）、电磁操动机构（CD）、弹簧操动机构（CT）、电动机操动机构（CJ）、气动操动机构（CQ）和液压操动机构（CY）等。
断路器操作时的速度很高。为了减少撞击，避免零部件的损坏，需要装置分、合闸缓冲器，缓冲器大多装在提升机构的近旁。在操动机构及断路器上应具有反映分、合闸位置的机械指示器。
图6－13 断路器操动机构的组成
二、操动机构的性能要求
断路器的全部使命，归根结底是体现在触头的分、合动作上，而分、合动作又是通过操动机构来实现的。因此，操动机构的工作性能和质量的优劣，对高压断路器的工作性能和可靠性起着极为重要的作用，对于操动机构的主要要求如下。
1、合闸。不仅能关合正常工作电流，而且在关合故障回路时，能克服短路电动力的阻碍，关合到底。在操作能源（如电压、气压或液压）在一定范围内（80％～110％）变化时，仍能正确、可靠的工作。
2、保持合闸。由于合闸过程中，合闸命令的持续时间很短，而且操动机构的操作力也只在短时内提供，因此操动机构中必须有保持合闸的部分，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。操动机构不仅要求能够电动（自动或遥控）分闸，在某些特殊情况下，应该可能在操动机构上进行手动分闸，而且要求断路器的分断速度与操作人员的动作快慢和下达命令的时间长短无关。操动机构应有分闸省力机构。
4、自由脱扣。在断路器合闸过程中，如操动机构又接到分闸命令，则操动机构不应继续执行合闸命令而应立即分闸。
5、防跳跃。断路器关合短路而又自动分闸（关合在故障线路上）后，即使合闸命令尚未解除也不会再次合闸。
6、复位。断路器分闸后，操动机构中的每个部件应能自动地恢复到准备合闸的位置。 7、连锁。为了保证操动机构的动作可靠，要求操动机构具有一定的连锁装置。常用的在连锁装置有：①分合闸位置连锁。保证断路器在合闸位置时，操动机构不能进行合闸操作；在分闸位置时，不能进行分闸操作。②低气（液）压与高气（液）压连锁。当气体或液体压力低于或高于额定值时，操动机构不能进行分、合闸操作。③弹簧操动机构中的位置连锁。弹簧储能不到规定要求时，操动机构不能进行分、合闸操作。
