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1、少油断路器原理、结构与操作概 述一. 油断路器:是利用油作为灭弧介质的断路器。二. 油断路器是最早出现的高压断路器（115 年） 。1895年,随着电力系统电压的增高、容量的增大，开断过程中电弧长度也增大,为减小弧长、尽快熄弧，从而出现了第一台油断路器。如：大气中开断 6kV、300A 电路，电弧可长达 4m；同样的电路，油中开断时电弧长度可缩短到20cm。1930年前，用油作为介质几乎是提高高压断路器灭弧能力的唯一方法。但目前，油断路器在高压断路器的份额很少。三. 静止状态的变压器油比空气熄弧能力强，原因有三： 电弧在油中燃烧，分解出大量 H2，H2 导热性比 N2高，散热热量多，冷却作用强
2、； 油气内压力增大，去游离作用增强； 扰动作用（液气） 。一、分类：按绝缘结构不同,有带接地金属箱型和瓷瓶支持型两类。因前者用油量较多，习惯上称为多油断路器；而瓷瓶支持型油断路器因用油量较少，称为少油断路器。1.多油式：油是灭弧介质、触头间绝缘介质、对地绝缘介质。耗油、耗钢材均多，火灾危险性大，但运行经验较多，适于频繁操作，气候适应性较强，易组装电流互感器。35kV 电压等级还生产。2.少油式：油作灭弧介质、触头在分闸位置的绝缘介质。耗油、耗钢材均少，应用较广（尤其是中压级） ；可采用积木式结构，电压等级可达 330kV，开断电流达 40kA。当加装机械油时，满足开断空载长线的要求。缺点：油较
3、少，易于劣化，检修周期短，不适于频繁操作，也有火灾安全问题。油断路器的型号可按下述方式识别：如：DW4-110 是指序列号为 4的户外 110kV少油断路器。一、少油断路器：曾是我国用量最大的断路器。1、结构特点：触头、导电系统和灭弧系统直接装在绝缘油筒或不接地的金属油箱中。变压器油只用来熄灭电弧和作为触头间的绝缘用，不作对地绝缘用，导电部分的对地绝缘主要靠瓷瓶、环氧玻璃布和环氧树脂等固体介质。2、装有灭弧室，并设油气分离器（见图 4-3） 。把在电弧作用下分解出的气体中所含的油进行分离和冷凝后重新送回油箱。由于少油断路器的油箱较小，顶部的缓冲空间也较小，再加油气分离器带来的排气阻力，缓冲空间
4、的体积对少油断路器工作的影响显得更为突出。3、电磁操动机构：靠合闸电磁铁实现合闸，靠分闸弹簧实现分闸，但液压或气动操动机构操动的不设分闸弹簧，直接由液动或气动能源操动分闸。少油断路器的结构形式随电压等级和使用地点的不同有较大差异。4635kV 户内少油断路器： 户内少油断路器：灭弧室装在金属的或环氧树脂玻璃钢的圆筒中。按绝缘筒支承方式不同，断路器分为悬臂式、中支式和落地式三种结构（图 4-4） 。 2.产品介绍： SN4型：SN4-10 和 SN4-20发电机断路器采用落地式的结构形式，图 4-5为其原理图。 它们额定电流大、断流容量高，每相采用两个串联断口和灭弧室 1，分别装在两个金属油箱中
5、，油箱用绝缘子对地绝缘。 静触头 4固定在油箱底部，动触杆 5通过绝缘套管 6进入油箱。两个动触杆通过横担 7相连接，并由绝缘提升杆 8带动。 a、合闸： 灭弧触头回路：电流由左油箱（油箱带电）经左静触头、左动触杆、横担、右动触杆、右静触头和右油箱形成的回路。 主触头回路：为避免大电流贯穿金属油箱引起发热，在油箱盖和横担上另装有主静触头 9和主动触头 10，电流入左油箱后，也可经左主静触头、左主动触头、横担、右主动触头、右主静触头和右油箱形成回路。 当主触头回路的电阻远小于灭弧触头回路的电阻时，在合闸状态下有 75以上的电流将经主触头回路流通。 动作顺序：分闸时主触头先分开、灭弧触头后分开；而
6、合闸时灭弧触头先接通，主触头再接通，因此主触头间不会发生电弧，可不设灭弧装置。. SN10-10 型：a、结构：图 4-6是 SN10-10配电型器的单相剖视图。悬臂式结构，三相分别通过瓷瓶固定在底架上。 灭弧室 1置于绝缘筒 2中；静触头 3固定在绝缘筒的上法兰上，动触杆 5通过安装在绝缘简下法兰的中间滚动触头 4滑动。 接通电路时，电流经上接线板 6、静触头、动触杆、中间触头 4到下接线板形成导电回路。 断路器的主轴 10经绝缘拉杆 11与带动动触杆运动的转轴 12相连。 b、合闸：转轴 12在操动机构带动下顺时针转动，使导电杆向上运动，与静触头接通；同时，压缩分闸弹簧13，进行贮能。在接
7、近合闸位置时，合闸缓冲弹簧 14被压缩，进行合闸缓冲。c、分闸：分闸弹簧带动转轴 12逆时针转动，使动触杆向下运动。触头间产生的电弧在灭弧室中熄灭。电弧分解和蒸发的气体和油气上升到顶部缓冲空间 15，经油气分离器 16冷却后排出。分闸终了时，油缓冲器活塞 17插入导电杆下部钢管中，进行分闸缓冲。535kV 以上的户外少油断路器：灭弧装置都装在瓷套中（灭弧装置在瓷套中的安装方式和 SN10-10相同） 。 60kV及以上都是落地式结构，以相当于线电压为 55110kV 的标准元件为基础，采用积木式组合方式。 图 4-7为用 55kV标准元件组成的双断口 110kV少油断路器 SW3-110的外形
8、图。灭弧元件向上斜装在三角机构箱 2上；机构箱靠支持瓷瓶 3固定在底座 4上。操动传动机构的绝缘操 作杆，穿过支持瓷瓶和置在机构箱内与带动动触杆动的传动机构相连。 属于该系列的 220kV和330kV少油断路器有双柱四断口和三柱六断口的结构。 图 4-8为用 110kV标准元件组成的单断口 110kV少油断路器 SW7-110的外形图。该系列 220kV少油断路器采用单柱双断口。 6. 能采用积木式组装成高电压等级的断路器是少油断路器的一大优点。 但由于断口各点对地部分电容的影响，随着断路器断口数的增加，断口的电压分布将愈来愈不均匀。 图 4-9（a）单柱双断口： 图中，Cd 为断路器断口的部
9、分电容，C0 为机构箱对地的部分电容。 当断路器开断单相接地故障时，断口间的电压分布可按图 4-9（b）的等值线路图计算，图中U为加在断路器断口上的总的恢复电压。因存在机构箱对地的部分电容 C0，故断口 1和断口 2的电压大小将分别为因存在机构箱对地的部分电容 C0，故断口 1和断口 2的电压大小将分别为（分子不同）所以，断路器电压分布不均匀。假定 Cd=C0，可得 U1=67U，U2=33U。可见断路器两个断口所承受的恢复电压将有很大的差别。考虑到断口的部分电容 Cd一般比机构箱对地部分电容 C0小，因此实际的 U1和 U2的差别更大。 据此算出断口间电压分布为： Ul=74%U，U2=8%
10、U，U3=12%U，U4=6%U。 如果把断口实际承受的电压和理想分布电压（电压均匀分布时均为 25U）之比称为电压不均匀系数 k，则各断口的电压不均匀系数将为： K1=2.968，k2=O.321，k30.476，k4=0.224 增大断口的部分电容 Cd可改善断口间的电压分布，因此 220kV及以上的少油断路器的断口上一般都并联有均压电容。 均压电容应能把断口的不均匀系数调整到 1.1以下，其值在 10002000pF 范围内。 7. 少油断路器的优、缺点： 优点： 装有灭弧室以及油气分离器； 能采用积木式组装成高电压等级的断路器； 用油少，体积小、重量轻。 缺点： 消耗有色金属和绝缘材料
11、少； 维修量大； 有火灾危险。第二节 油断路器灭弧室的工作原理 一、油断路器灭弧室有自能式、外能式和混合式三种。 目前大多采用自能式或混合式。 1.自能式：利用电弧放出能量将油蒸发、分解成油气，提高灭弧装置的压力，以驱动油气或油进行吹弧。 2.外能式：利用其它能量熄灭电弧。 3.混合式： 压气式 + 电弧堵塞。二、自能式灭弧室的工作原理：1、自能式纵吹灭弧室：图 4-11是原理图。静触头 1放在由绝缘材料做成的灭弧室 2内，动触头 3从吹弧口穿过。从触头分开产生电弧起，到电弧熄灭、灭弧室内重新充满油为止，灭弧室的工作分为三个阶段：封闭泡阶段、气吹阶段和回油阶段。 （l）封闭泡阶段：是触头分开到
12、吹弧口被打开的阶段，如图 4-11（b）所示 。此阶段只有部分油从触头和灭弧室的缝隙中挤出，大量的气体占有较小的空间，灭弧室中压力增长很快，达几十个大气压。此时，触头间距很小，气体和电弧间没有相对运动，不能形成气吹，所以电弧不会熄灭； （2）气吹阶段：如图 4-11（c）所示，吹弧口被打开，灭弧室中的高压力推动油和气高速经吹弧口喷入油箱，形成气吹，加上此时触头间距已足够大，因此电弧应在这一阶段熄灭。 （3）回油阶段：如图 4-11（d） 。电弧熄灭，灭弧室压力降低，灭弧室顶部的止逆阀自动打开，新鲜油开始回入灭弧室，灭弧室中的残留气体被排出。当油全部回入灭弧室后，灭弧室恢复其灭弧能力，准备下一次
13、动作。 2、自能式横吹灭弧室：图 4-12为其工作原理图。吹弧口位于触头侧面，称横吹弧道口，图中也显示了灭弧室工作的三个阶段。三、自能灭弧室压力变化分析：1. 对灭弧室工作的影响： 最大压力决定了灭弧室的机械强度； 气吹阶段压力直接影响吹弧的速度； 电流过零瞬间压力对于阻止电弧重燃起重要作用； 整个燃弧时间压力还影响排出油的容积，因而也影响回油的快慢和断路器的重合闸性能。 2. 准确计算压力过程较困难，只供初步估算和定性分析用的计算方法：（1）封闭泡阶段:设气体压缩是等温的，则灭弧室压力 P可由一个大气压下电弧分解出的气体体积V0与气体所能占有的空间体积 V的比值 p来确定，即：a 求一个大气
14、压下电弧分解出的气体体积 V0： 设电弧长度等于触头开距，触头分断速度为平均速度 vp，不计燃弧尖峰和熄弧尖峰，电弧电压 uh可写成：uh = Eh * vp * t （8-4）式中 Eh 电弧的电压梯度。设电弧电流按正弦变化，用正弦电流的平均值代替电弧电流的瞬时值，则 ih可写成：ih=（22*I）/ （8-5）式中 I 电弧电流的有效值。将式（8-4）和式（8-5）代入式（8-3）,可得 V0：V0是随时间 t迅速增长的。b 求气体所能占有的空间体积 V ： V也是时间的函数。在封闭泡阶段，V 主要取决于从各缝隙中挤出的油所让出的空间。设缝隙面积为 Fs，油流速度为 vL，则 V为：式中，
15、 为考虑油从缝隙中流出所受阻力而引入的系数，称为油流系数，它与缝隙的形状有关。通常，圆环形缝隙的 取 0.5，圆孔形缝隙的取 0.8。vL油流速度，根据流动液体的能量方程求出。对变压器油，有：式中 p 灭弧室内部的压力；p0 灭弧室外部的压力，一般可取为一个大气压。当灭弧室内压力较高时，可取 p - p0 p，上式可简化为将式（8-9）代入式（8-7）可得：C、求出灭弧室的压力 p：是时间的函数，将式（8-6）和（8-10）代入，得：（2）气吹阶段：电弧产生的气体只有一部分留在气泡中。 设电弧产生的全部气体体积为 V0（包括封闭泡阶段电弧产生的气体，折算到一个大气压下） ，经吹弧口喷出的气体体积（折算到一个大气压下）为 Vc，气体所能占有的体积为 V，则气吹阶段的灭弧室压力 p可由下式决定：其中，V 仍由（8-10）式确定（设气吹过程中自吹弧口排出的只有气体，没有油） ；Vc 按（8-3）式由电弧能量确定，为： 举例：图 4-13为某自能式灭弧室实测压力波形。封闭泡阶段：灭弧室压力随时间迅速增长；气吹阶段：灭弧室压力随电流变化脉动，但压力最大值出现的时间稍滞后于电流最大值出现的时间，压力最小值出现的时间也稍滞后于电流的零点出现的时
