SF6高压断路器结构及工作原理

发布时间:2021-10-24 00:48:55

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*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。

单压式单向灭弧室的原理图

虚线部分为 合闸后的喷 嘴位置

压气活塞

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。

6、优点: 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。

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*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。

“T”型断路器

“I”型磁柱式断路器

(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 气动机构 液压机构 液压弹簧机构

储能单元 控制单元 力传递单元

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*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

LW 10B-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 储能模块 控制模块 检测模块

基本结构: 五大模块

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*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
辅助开关 上盖

记数器
储能器 控制阀 碟簧 行程开关 底座 加热器 油泵电机

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断电。同时断 路器动合触点QF1接通,准备好跳闸回路。

图5-2

断路器基本跳、合闸回路

(2)跳闸操作。手动合闸是将控制开关SA打 到“跳闸”位置,此时6--7触点瞬时接通 ,而断路器在合闸位置时QF1是接通的,所 以跳闸线圈YT得电,断路器进行跳闸。当 跳闸操作完成后,断路器动合触点QF1断开 ,QF2接通,准备好合闸回路。

二、断路器的防跳控制回路 1、断路器的“跳跃”现象 如果手动合闸后控制开关或自动重合闸装置 的出口触点K1烧结,若此时发生故障,则保 护装置动作,其出口触点K2闭合,跳闸线圈 YT得电启动使断路器跳闸,QF2接通,接触 器KM又得电,断路器再次合闸,保护装置又 动作断路器跳闸,断路器的这种多次跳合现 象称为“跳跃”。

2、断路器“跳跃”的危害 如果断路器发生跳跃,势必造成绝缘下降, 油温上升,严重时会引起断路器发生爆炸事 故,危及设备和人生安全。 3、断路器的“防跳”控制回路 通常在断路器控制回路中加装防跳中间继电 器KCF,它有两个线圈,电流启动线圈KCF1 串联于跳闸回路,电压线圈KCF2与自身触点 串联接于合闸接触器KM回路中。

断路器的巡视检查
一、空气断路器的正常巡视内容 (1)检查压缩空气的压力是否正常。 (2)空气系统的阀门、通道、储气筒等处有无明显 漏气。 (3)检查断路器环境温度,应不低于5℃,否则投 入加热器。 (4)检查其绝缘套管,应无裂纹,无放电痕迹和脏 污现象。 (5)检查接头接触处有无过热现象。

二、SF6断路器的正常巡视内容
(1)检查环境温度,若温度下降超过允许范围,应 启动加热器,防止SF6气体液化。 (2)检查SF6气体压力,应正常,其压力一般为 0.4~0.6MPa。 (3)检查断路器各通道有无异常(漏气声,振动声 )及异味,通道连接头是否正常。 (4)检查其绝缘套管,应无裂纹,无放电痕迹和脏 污现象。 (5)检查接头接触处有无过热现象。

三、操动机构的正常巡视内容和要求
(1)检查机构箱门,应关好。 (2)对于液压式操动机构,检查压力表指示,外部 通道应无漏油,漏气现象,电机电源回路应完好 。 (3)弹簧式操动机构应检查其弹簧状况,当其在分 闸状态时,合闸弹簧应储能。

断路器异常运行的分析处理
1、响声不正常 (1)套管和支柱严*扑鸷土诺纭 (2)套管内或油箱内有起泡声和放电声。 (3)二次接线接触不良出现放电或着火现象 (4)电气连接部位烧红变色出现放电。 ★ 针对实际情况,判断其故障程度部位汇 报,紧急停电处理。

2、接触发热
(1)开断容量不足,过负荷,切除大电流故 障。 (2)机构原因合闸不到位。引起动静触头接 触不良发热,同时断路器引线也会应接触面 氧化,连接螺栓松动而发热。 ★ 申请转移负荷和停电处理;对油断路器应 控制其开断短路电流的次数,严格检查质量 。

3、大量绝缘油泄漏 (1)因部件密封不良和密封件老化而出现漏 油。 ★ 断路器不允许在严重缺油或无油时分闸。 立即汇报调度转移负荷,采用旁路断路器代 替或断开上一级开关,方可进行处理。 4、操作机构故障 (1)液压操作机构油泵启动频繁,可能因为 管路接头处有漏油,储能筒活塞杆密封不严 ,工作缸活塞密封圈不好,应根据具体情况 进行处理。 (2)液压机构压力异常

(3)弹簧机构故障,调节合闸弹簧和检查储 能电机电源回路。停电处理。 (4)点此操作机构分合闸失灵,如直流控制 保险熔断,断路器辅助触点转换不到位或接 触不良,断线短路。根据情况停电处理。

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