第二章高压电器与开关设备ppt课件

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1、第二章第二章 高压电器与开关设备高压电器与开关设备第一节第一节 高压电器的作用及分类高压电器的作用及分类在高压系统中，用来对电路进行开、合操作，切除和在高压系统中，用来对电路进行开、合操作，切除和隔离事故区域对电路进行运行情况监视、保护及数值隔离事故区域对电路进行运行情况监视、保护及数值测量的量测设备，统称为高压电器。测量的量测设备，统称为高压电器。按照用途，高压电器可以分成下列几类：按照用途，高压电器可以分成下列几类：(1)开关电器，用来关合和开断电路的电器。包括：开关电器，用来关合和开断电路的电器。包括：断路器断路器(DL)：用来在电路正常工作和发生故障：用来在电路正常工作和发生故障(例例

2、如发生短路如发生短路)时关合和开断电路。时关合和开断电路。隔离开关隔离开关(G)：主要用于将高压设备与电源隔离，：主要用于将高压设备与电源隔离，以保证检修工作人员的安全。以保证检修工作人员的安全。熔断器熔断器(RN)：用来在电路发生过载或短路时依靠熔：用来在电路发生过载或短路时依靠熔件的熔断开断电路。件的熔断开断电路。.负荷开关负荷开关(FW)：用来在电路正常工作成过载时关合：用来在电路正常工作成过载时关合和开断电路，不能开断短路电流。和开断电路，不能开断短路电流。(2)限制电器，用来限制电路中电压或电流的电器。它限制电器，用来限制电路中电压或电流的电器。它包括：包括：电抗器电抗器(L)：主要

3、用来限制电路中的短路电流。某些：主要用来限制电路中的短路电流。某些类型的熔断器也有限制短路电流的作用。类型的熔断器也有限制短路电流的作用。避雷器避雷器(BL)：用来限制电路中出现的过电压。：用来限制电路中出现的过电压。(3)变换电器，用来变换电路中的电压和电流使之便于变换电器，用来变换电路中的电压和电流使之便于检测的电器。它包括：检测的电器。它包括：电流互感器电流互感器(LH)：用来变换电路中的电流，以便供：用来变换电路中的电流，以便供电给测量仪表、继电器或自动装置，并使之与高压电电给测量仪表、继电器或自动装置，并使之与高压电路隔离。路隔离。电压互感器电压互感器(YH)：用来变换电路中的电压，

4、以便供：用来变换电路中的电压，以便供电给测量仪表、继电器或自动装置，并使之与高压电电给测量仪表、继电器或自动装置，并使之与高压电路隔离。路隔离。.(4)组合电器。将上述某几种电器，按一定的线路装配组合电器。将上述某几种电器，按一定的线路装配成一个整体的电器组合。成一个整体的电器组合。按照安装地点，高压电器可以分为：按照安装地点，高压电器可以分为：(1)户内式。装在建筑物内不具有防风、雨、雷、灰户内式。装在建筑物内不具有防风、雨、雷、灰尘、露、冰、浓霜等性能。户内式高压电器的工作电压尘、露、冰、浓霜等性能。户内式高压电器的工作电压一般为一般为35kv及以下的电压等级。及以下的电压等级。(2)户外

5、式。适于安装在露天，能承受风、雨、雷、灰户外式。适于安装在露天，能承受风、雨、雷、灰尘、露、冰、浓霜等作用。户外式高压电器的工作电压尘、露、冰、浓霜等作用。户外式高压电器的工作电压一般都在一般都在35kv及以上电压。及以上电压。按照电流制式，高压电器可以分为：按照电流制式，高压电器可以分为：(1)交流电器。工作于三相或单相工频交流制的电器，交流电器。工作于三相或单相工频交流制的电器，极少数工作在非工频系统。极少数工作在非工频系统。(2)直流电器。工作于直流制系统。直流电器。工作于直流制系统。.对于电气化铁道及城市交通系统，交流电器是交流制电气对于电气化铁道及城市交通系统，交流电器是交流制电气化

6、铁道及城市地铁供电系统中大量应用的电器；直流电器化铁道及城市地铁供电系统中大量应用的电器；直流电器则是直流制电气化铁道、城市地铁及轻轨交通供电系统中则是直流制电气化铁道、城市地铁及轻轨交通供电系统中大量使用的电器。大量使用的电器。按照高压电器工作条件及所起作用的不同，其结构和工作按照高压电器工作条件及所起作用的不同，其结构和工作性能应具有不同特点。高压电器应能可靠地在规定的工作性能应具有不同特点。高压电器应能可靠地在规定的工作电压及电流下工作，因此，应具有足够的绝缘强度和载流电压及电流下工作，因此，应具有足够的绝缘强度和载流能力；用于切断载流电路的开关设备，应具有足够的熄灭能力；用于切断载流电

7、路的开关设备，应具有足够的熄灭电弧的能力；对电路运行状态进行监视、测量的电器元件电弧的能力；对电路运行状态进行监视、测量的电器元件(例如电压、电流互感器例如电压、电流互感器)应能满足测量精度的要求；对电应能满足测量精度的要求；对电路运行状态进行保护用的电压、电流互感器，除了应能满路运行状态进行保护用的电压、电流互感器，除了应能满足测量精度的要求外、还应在高电压或大电流作用下不至足测量精度的要求外、还应在高电压或大电流作用下不至于饱和。所有的高压电器都应满足运行可靠、工作灵活的于饱和。所有的高压电器都应满足运行可靠、工作灵活的要求，同时还必须考虑经济条件。要求，同时还必须考虑经济条件。.第二节第

8、二节 交、直流电弧的形成及熄弧原理与方法交、直流电弧的形成及熄弧原理与方法研究和使用高压电器，尤其是高压断路器，要使它们研究和使用高压电器，尤其是高压断路器，要使它们可靠地工作，必须对开关设备在开断电路的过程中，可靠地工作，必须对开关设备在开断电路的过程中，其触头间产生电弧的性质有一个清楚的了解，以便掌其触头间产生电弧的性质有一个清楚的了解，以便掌握现代高压电器设备的结构特点，正确地进行选择和握现代高压电器设备的结构特点，正确地进行选择和使用。使用。开关设备一般由导电体、触头和绝缘介质组成。介质开关设备一般由导电体、触头和绝缘介质组成。介质由绝缘状态变为导电状态，使电流得以通过的现象，由绝缘状

9、态变为导电状态，使电流得以通过的现象，叫做放电。在一定的光、热和电场的作用下，介质中叫做放电。在一定的光、热和电场的作用下，介质中的中性的、不导电的质点将产生自由电子、正离子和的中性的、不导电的质点将产生自由电子、正离子和负离于，从而形成游离。当介质达到一定的游离程度负离于，从而形成游离。当介质达到一定的游离程度时。介质将被击穿而产生电弧。因此，研究电弧的形时。介质将被击穿而产生电弧。因此，研究电弧的形成必须掌握介质的游离过程。介质游离的过程如下。成必须掌握介质的游离过程。介质游离的过程如下。 .（一）表面发射（一）表面发射由金属电极由金属电极(触头触头)表面发射电子、叫表面发射。表面发射电子

10、、叫表面发射。(1)强场发射。当金属表面存在较高的电场强度强场发射。当金属表面存在较高的电场强度(大干大干107Vmm)时，自由电子可能逸出金属，这种过程叫时，自由电子可能逸出金属，这种过程叫强场发射。断路器触头刚分离时，强场发射占主导地强场发射。断路器触头刚分离时，强场发射占主导地位。位。(2)热发射。当金属温度升高列热发射。当金属温度升高列2000一一5000 K，金属，金属表面的自由电子可能获得足够的动能，克服将电子滞表面的自由电子可能获得足够的动能，克服将电子滞留在金属内部的力量而逸出金属，这种过程叫热发射。留在金属内部的力量而逸出金属，这种过程叫热发射。断路器触头分离后期，热发射较强

11、烈。断路器触头分离后期，热发射较强烈。(3)光发射。当红外线、紫外线及其他射线照射列金属光发射。当红外线、紫外线及其他射线照射列金属表面时，引起电子从金属表面逸出的过程，叫光发射。表面时，引起电子从金属表面逸出的过程，叫光发射。光波越短，引起光发射的能力越强。触头分离过程中，光波越短，引起光发射的能力越强。触头分离过程中，随着电弧燃烧，存在着光发射现象。随着电弧燃烧，存在着光发射现象。.(4)二次发射。当正离子在电场作用下高速撞击阴极，或二次发射。当正离子在电场作用下高速撞击阴极，或者自由电子高速撞击阳极时。也可能使金属电极表面发者自由电子高速撞击阳极时。也可能使金属电极表面发射出电子，此过程

12、叫二次发射。在气压较高的放电间隙射出电子，此过程叫二次发射。在气压较高的放电间隙中，通常阴极表面附近电场强度较高，所以阴极表面二中，通常阴极表面附近电场强度较高，所以阴极表面二次发射较强，并在气体放电过程中起重要作用。次发射较强，并在气体放电过程中起重要作用。(二二)空间游离空间游离电极电极(触头触头)间的介质在外界力量的影响下，其分子及原间的介质在外界力量的影响下，其分子及原子分裂成自由电子和正离子的过程，叫空间游离。子分裂成自由电子和正离子的过程，叫空间游离。(1)光游离。中性粒子受到光的照射，当光子的能量大于光游离。中性粒子受到光的照射，当光子的能量大于介质原于或分子的游离能时，在空间就

13、产生光游离。光介质原于或分子的游离能时，在空间就产生光游离。光的波长越短，游离作同越强，可见光几乎不能引起气体的波长越短，游离作同越强，可见光几乎不能引起气体游离。游离。(2)碰撞游离。由表面发射或光游离所产生的带电粒子，碰撞游离。由表面发射或光游离所产生的带电粒子，在触头间电场作用下被加速而获得动能。在触头间电场作用下被加速而获得动能。 .若运动中的电子从电场中获得的动能足够大，当它与中若运动中的电子从电场中获得的动能足够大，当它与中性质点碰撞时，能从其中打出一个或几个电子，使失去性质点碰撞时，能从其中打出一个或几个电子，使失去电子的中性质点变成正离子。从中性质点中打出的电子电子的中性质点变

14、成正离子。从中性质点中打出的电子在向阳极运动的过程中又与其他中性质点发生碰撞，造在向阳极运动的过程中又与其他中性质点发生碰撞，造成新的中性质点的游离。这样的连锁反应，使大量的电成新的中性质点的游离。这样的连锁反应，使大量的电子产生，移向阳极，并使电极子产生，移向阳极，并使电极(触头触头)间的介质迅速大量间的介质迅速大量游离。断路器触头分离初期，碰撞游离起主导作用。游离。断路器触头分离初期，碰撞游离起主导作用。(3)热游离。当气体温度达到热游离。当气体温度达到3000 一一4000K以上时，气以上时，气体中的中性原子或分子由于高速的热运动而相互碰撞，体中的中性原子或分子由于高速的热运动而相互碰撞

15、，产生明显的热游离。在相同的温度下，由于金属蒸气的产生明显的热游离。在相同的温度下，由于金属蒸气的游离电位小于一般气体的游离电位，所以金属蒸气更存游离电位小于一般气体的游离电位，所以金属蒸气更存易产生热游离。断路器触头分离后期，热游离起主导作易产生热游离。断路器触头分离后期，热游离起主导作用。用。.开关设备在开断电路过程中，触头间介质达到一定开关设备在开断电路过程中，触头间介质达到一定游离程度时，触头间隙被击穿而产生电弧。产生电弧游离程度时，触头间隙被击穿而产生电弧。产生电弧的条件是电路内的电流不小于的条件是电路内的电流不小于80mA，触头间的电压，触头间的电压不小于不小于10 V一一20V。

16、应当指出：光游离、热游离及碰撞游离可能同时进应当指出：光游离、热游离及碰撞游离可能同时进行，但在触头分离的不同阶段，各种游离所起的作用行，但在触头分离的不同阶段，各种游离所起的作用可能各不相同。在触头分离初期，开距小，电场强度可能各不相同。在触头分离初期，开距小，电场强度高，碰撞游离作用明显；在触头分离后期，开距大，高，碰撞游离作用明显；在触头分离后期，开距大，电场强度减小，但电弧温度较高电场强度减小，但电弧温度较高(表面温度可达表面温度可达4000度一度一5000度，弧柱中心温度可高达度，弧柱中心温度可高达10000度度)，热游离，热游离作用加强，使电弧得以维持；在热游离和碰撞游离的作用加强

17、，使电弧得以维持；在热游离和碰撞游离的同时，电子与正离子复合时释放的能量以光量子的形同时，电子与正离子复合时释放的能量以光量子的形式辐射给周围中性粒子使中性粒子游离。式辐射给周围中性粒子使中性粒子游离。.二、电弧的特点二、电弧的特点(1)电弧是强功率的放电现象。在开断几十千安短路电电弧是强功率的放电现象。在开断几十千安短路电流时以焦耳热形式发出的功率可达流时以焦耳热形式发出的功率可达10000 kw。与此。与此有关，电弧可具有上万摄氏度或更高的温度及强辐射，有关，电弧可具有上万摄氏度或更高的温度及强辐射，在其作用下，任何固体、液体或气体都会产生强烈的物在其作用下，任何固体、液体或气体都会产生强

18、烈的物理及化学变化。在有的开关中，电弧燃烧时间比正常情理及化学变化。在有的开关中，电弧燃烧时间比正常情况只多况只多10ms-20ms，开关就会出现严重烧坏，甚至爆，开关就会出现严重烧坏，甚至爆炸。炸。(2)电弧是一种自持放电现象。不用很高的电压就能维电弧是一种自持放电现象。不用很高的电压就能维持相当长的电弧稳定燃烧而不熄灭。例如：在大气中，持相当长的电弧稳定燃烧而不熄灭。例如：在大气中，每厘米长电弧的维持电压只需每厘米长电弧的维持电压只需15V左右，在左右，在100 kV电压电压下开断仅下开断仅5A的电流时，电弧长度可达的电流时，电弧长度可达7m电流更大时，电流更大时，可达可达30m。因此单纯

19、采用拉长电弧的方法来熄灭电弧。因此单纯采用拉长电弧的方法来熄灭电弧是不可取的。是不可取的。.(3)电弧是等离子体，质量极轻，极易改变形状（电孤区电弧是等离子体，质量极轻，极易改变形状（电孤区内气体的流动包括自然对流及外界甚至电弧电流本身产内气体的流动包括自然对流及外界甚至电弧电流本身产生的磁场都会使电弧受力，改变形状，有的时候运动速生的磁场都会使电弧受力，改变形状，有的时候运动速度可达每秒几百米）。因此，可利用这一特点来快速熄度可达每秒几百米）。因此，可利用这一特点来快速熄弧并预防电弧的不利影响及破坏作用。弧并预防电弧的不利影响及破坏作用。三、电弧熄灭的物理过程三、电弧熄灭的物理过程在电弧存在

20、的过程中，介质发生游离过程的同时也存在电弧存在的过程中，介质发生游离过程的同时也存在着带电离子消失的去游离过程。如果在单位时间内，在着带电离子消失的去游离过程。如果在单位时间内，电弧中产生的带电离子数和消失约带电离子数相等，则电弧中产生的带电离子数和消失约带电离子数相等，则通过电弧的电流不变，电弧燃烧是稳定的；如果离子消通过电弧的电流不变，电弧燃烧是稳定的；如果离子消失的数量各多于产生的数量，则电弧电流减弱，直至最失的数量各多于产生的数量，则电弧电流减弱，直至最后熄灭。后熄灭。 .游离气体的去游离作用由下述因素造成：游离气体的去游离作用由下述因素造成：(1)复合。带电粒子在弧隙中运动时，如果正

21、负两种带复合。带电粒子在弧隙中运动时，如果正负两种带电质点相互接触，交换各自多余的电荷，则形成中性质电质点相互接触，交换各自多余的电荷，则形成中性质点。在弧柱内复合的是不同极性的离子，电子和正离子点。在弧柱内复合的是不同极性的离子，电子和正离子直接复合的机会极小，这是因为电子运动的速度几乎高直接复合的机会极小，这是因为电子运动的速度几乎高出正离子出正离子100倍的缘故。复合强度与电场强度成反比、倍的缘故。复合强度与电场强度成反比、电场强度低时，离子运动的速度低，则进行复合的概率电场强度低时，离子运动的速度低，则进行复合的概率增加。当触头间电压接近零时，复合特别强烈。复合强增加。当触头间电压接近

22、零时，复合特别强烈。复合强度也与电弧温度有关，温度越低，弧柱截面越小，则复度也与电弧温度有关，温度越低，弧柱截面越小，则复合越烈。合越烈。(2)扩散。弧柱中的带电质点由于弧柱与周围气体介质扩散。弧柱中的带电质点由于弧柱与周围气体介质间的温差很大，并且质点的浓度差也很大，因而大量地间的温差很大，并且质点的浓度差也很大，因而大量地扩散到周围的气体介质中去，与气体中的自由电子或负扩散到周围的气体介质中去，与气体中的自由电子或负离子复合而失去电荷。扩散使电弧内的正离子数目减少，离子复合而失去电荷。扩散使电弧内的正离子数目减少，使电弧的电导变小，加强电弧的去游离。使电弧的电导变小，加强电弧的去游离。 .

23、(3)气体分离。气体分子落列电弧高温区内时，产生极气体分离。气体分子落列电弧高温区内时，产生极快的热运动，如果气体温度足够高，使气体分子的运动快的热运动，如果气体温度足够高，使气体分子的运动速度极高，在分子相互碰撞之下，会使其分离成原子。速度极高，在分子相互碰撞之下，会使其分离成原子。分子在分离成原子时，吸收大量的能量分子在分离成原子时，吸收大量的能量(热能热能)。这些原。这些原子从电弧区域扩散到周围气体介质中，然后再结合成分子从电弧区域扩散到周围气体介质中，然后再结合成分子而释放分解时吸收的热能。如此周而复始，使电弧的子而释放分解时吸收的热能。如此周而复始，使电弧的冷却加速，热游离减弱而加强

24、复合。冷却加速，热游离减弱而加强复合。四、电弧电压分布四、电弧电压分布离子的去游离也发生在电极附近，弧柱中的正离子移离子的去游离也发生在电极附近，弧柱中的正离子移向阴极，在离开阴极很近的地方向阴极，在离开阴极很近的地方(约约103mm)，正离于的，正离于的浓度最大，形成正体积电荷。正体积电荷在阴极表面形浓度最大，形成正体积电荷。正体积电荷在阴极表面形成很强的电场，其强度足以形成强场发射。同时该强电成很强的电场，其强度足以形成强场发射。同时该强电场也可以把带电正离子加速，使其和阴极表面碰撞，从场也可以把带电正离子加速，使其和阴极表面碰撞，从阴极打出自由电子。从阴极拉出的电子，由于阴极区有阴极打出

25、自由电子。从阴极拉出的电子，由于阴极区有大量正离子堆积，一部分消耗在与正离子的复合方面，大量正离子堆积，一部分消耗在与正离子的复合方面，一部分被电场推向阳极。一部分被电场推向阳极。.出离于复合而形成的中性质点，由于惯性继续向阴极出离于复合而形成的中性质点，由于惯性继续向阴极运动，并碰撞阴极表而，结果阴极表面发热，触头的运动，并碰撞阴极表而，结果阴极表面发热，触头的金属发生熔化和喷散现象。阴极表面最热的部分称为金属发生熔化和喷散现象。阴极表面最热的部分称为阴极斑点，在阴极斑点处也可以产生热电子发射现象。阴极斑点，在阴极斑点处也可以产生热电子发射现象。在靠近阴极的在靠近阴极的“阴极区阴极区”内，正

26、离了不断地消失，使内，正离了不断地消失，使电弧在这一区域内的电导变小，形成阴极区电压降。电弧在这一区域内的电导变小，形成阴极区电压降。弧柱内形成的负离子，一部分与正离子复合，一部分弧柱内形成的负离子，一部分与正离子复合，一部分移向阳极。在离开阳极不远处，电子从负离于脱出而移向阳极。在离开阳极不远处，电子从负离于脱出而进入阳极，所形成的中性质点，由于惯件而继续向阳进入阳极，所形成的中性质点，由于惯件而继续向阳极运动，并冲击阳极。因此，在靠近阳极的空间内，极运动，并冲击阳极。因此，在靠近阳极的空间内，离子的密度也是不大的，形成阳极区电压降。离子的密度也是不大的，形成阳极区电压降。.在阴极区和阳极区

27、以外的弧柱部分，正负电荷的数量在阴极区和阳极区以外的弧柱部分，正负电荷的数量大约相等，其电导近似为一不变的常数。大约相等，其电导近似为一不变的常数。沿电弧的电压分布如图沿电弧的电压分布如图2.1所示。在阴极区所示。在阴极区lo内，集内，集中着正体积电荷，阴极区电压降中着正体积电荷，阴极区电压降uk达达10 -20V。阳极。阳极区电压降区电压降ua略小些。略小些。显然，只有当加列电极上的电压总是大于阴极区电压显然，只有当加列电极上的电压总是大于阴极区电压降时，才会产生电弧。在低压短电弧情况下，阴极区降时，才会产生电弧。在低压短电弧情况下，阴极区电压降具有重大意义，因为它占电弧上电压降电压降具有重

28、大意义，因为它占电弧上电压降uH的的比重较大；而在高压长电弧的情况下，阴极区电压降比重较大；而在高压长电弧的情况下，阴极区电压降与弧柱电压降与弧柱电压降uhz相比则是较小的。相比则是较小的。.五、直流电弧的熄灭条件五、直流电弧的熄灭条件从电路的角度看，电弧是一个非线性电阻，其阻值随从电路的角度看，电弧是一个非线性电阻，其阻值随电流以及其他因素而变化。对于如图电流以及其他因素而变化。对于如图22(a)所示的具所示的具有电弧的有电弧的RL直流电路，当燃弧后其电压平衡方程式直流电路，当燃弧后其电压平衡方程式为：为：.式中：式中：E为电源源电压；iR为电阻阻压降；降；Ldi/dt为电感感压降；降；uh

29、为电弧弧压降。降。当游离与去游离当游离与去游离处于于动平衡状平衡状态，电弧弧稳定燃定燃烧，di/dt=0时，由，由(2.1)式有式有若将若将f(i)E-iR定义为电路的伏安持性，定义为电路的伏安持性，uh定义为电弧定义为电弧的静伏安特性。的静伏安特性。如图所示，两曲线的交点如图所示，两曲线的交点A和和B能满足能满足(22)式式A点与点与B点是电弧的稳定燃烧点。点是电弧的稳定燃烧点。R点为稳定燃烧点，这是因为；如果点为稳定燃烧点，这是因为；如果i2略有增加则略有增加则E一一iRuh，电源电压减去电阻压降不足补偿电弧燃烧所需，电源电压减去电阻压降不足补偿电弧燃烧所需.压降，那么，电流自然又减小至压

30、降，那么，电流自然又减小至i2值；如果值；如果i2略有减小，略有减小，则因则因EiRuh，使电流又回升到，使电流又回升到i2值。值。A点为视在稳定燃烧点，这是因为：若点为视在稳定燃烧点，这是因为：若il略有减少，因略有减少，因E一一iRuh，则电弧电流继续减小至电弧熄灭；若，则电弧电流继续减小至电弧熄灭；若i1略略有增加，则有增加，则EiRuh，电流将继续增加最后稳定在，电流将继续增加最后稳定在i2值。值。在使用开关电器开断或闭合电路时。人们自然不希望在使用开关电器开断或闭合电路时。人们自然不希望电弧稳定燃烧，而是力求其熄灭。从图电弧稳定燃烧，而是力求其熄灭。从图2.2(b)来分析，若来分析，

31、若将电弧静伏安特性提高到虚线位置，使两条曲线没有交将电弧静伏安特性提高到虚线位置，使两条曲线没有交叉点、则电弧熄灭。即直流电弧的熄灭条件为叉点、则电弧熄灭。即直流电弧的熄灭条件为.六、交流电弧的熄灭条件与熄灭过程六、交流电弧的熄灭条件与熄灭过程（一）交流电弧的熄灭条件（一）交流电弧的熄灭条件交流电弧与直流电弧有所不同，交流电流限时值随时交流电弧与直流电弧有所不同，交流电流限时值随时间变化，每周期内有两次通过零点。因此，交流电弧间变化，每周期内有两次通过零点。因此，交流电弧一直处于动态过程，并且在电流过零时电弧自行熄灭，一直处于动态过程，并且在电流过零时电弧自行熄灭，以后在一定条件下又重燃。以后

32、在一定条件下又重燃。如图如图2.3(a)所示的交流电路，当电路处于稳定状态，所示的交流电路，当电路处于稳定状态，且电弧长度不变时，其伏安特性如图且电弧长度不变时，其伏安特性如图2.3(b)所示。从图所示。从图2.3(b)可以看出：电流由负位过零瞬间，电弧暂时熄灭，可以看出：电流由负位过零瞬间，电弧暂时熄灭，此时，电源电压加于触头之间。当触头间电压上升到此时，电源电压加于触头之间。当触头间电压上升到电弧点燃电压电弧点燃电压udr时，重新燃弧。出于电弧的热游离相时，重新燃弧。出于电弧的热游离相当强，特性曲线当强，特性曲线AB段是下降的。从段是下降的。从B点以后，电流由点以后，电流由峰值逐渐减小，电

33、弧电压相应地回升，但因弧柱存在峰值逐渐减小，电弧电压相应地回升，但因弧柱存在热惯性，因此，热惯性，因此，BC段低于段低于AB段。当电弧趋近于零，段。当电弧趋近于零，C点电压通常称为熄弧电压点电压通常称为熄弧电压uxm。 .电弧过零后，又反向重燃，伏安特性与正半周对称。电弧过零后，又反向重燃，伏安特性与正半周对称。从电弧电流在前半周熄灭时起，到后半周重新燃弧时从电弧电流在前半周熄灭时起，到后半周重新燃弧时止的一段时间，称为零休期间。在零休期间，弧隙中止的一段时间，称为零休期间。在零休期间，弧隙中的介质恢复过程与电压恢复过程是同时进行的，并且的介质恢复过程与电压恢复过程是同时进行的，并且互有影响。

34、电弧是否重燃，取决于两个过程的互有影响。电弧是否重燃，取决于两个过程的“竞赛竞赛”。如图如图24(a)中，介质强度恢复曲线中，介质强度恢复曲线ujf上升较为缓慢，上升较为缓慢，一段时间后恢复电压曲线一段时间后恢复电压曲线uhf就超过了曲线就超过了曲线ujf，电弧重，电弧重燃。燃。图图2，4(b)中，由于介质恢复强度曲线中，由于介质恢复强度曲线ujf高于电压恢高于电压恢复曲线复曲线uhf，两曲线没有交点，所以电弧不会重燃。，两曲线没有交点，所以电弧不会重燃。(二二)交流电弧的熄灭过程交流电弧的熄灭过程1纯电阻负载时，交流电弧的熄灭纯电阻负载时，交流电弧的熄灭图图25表示开断电阻电路时交流电弧电压

35、疆表示开断电阻电路时交流电弧电压疆uh及电及电弧电流弧电流i 的波形。的波形。.(1)设在设在to时刻，触头分开起弧，当弧电流小到一定程时刻，触头分开起弧，当弧电流小到一定程度后，电弧就在度后，电弧就在t1时刻暂时熄灭了。时刻暂时熄灭了。(2)在零休期间在零休期间(t1t2)，触头间有两种矛盾着的因素在，触头间有两种矛盾着的因素在“竞赛竞赛”。一为弧隙游离状态逐渐消失，向介质状态转化。一为弧隙游离状态逐渐消失，向介质状态转化。图中图中ujf代表电流第一次过零后弧隙介质强度恢复曲线。代表电流第一次过零后弧隙介质强度恢复曲线。另一种另一种“竞赛竞赛”因素为触头两端电压不断交化。在纯电阻因素为触头两

36、端电压不断交化。在纯电阻负载时，触头两端恢复电压变化曲线负载时，触头两端恢复电压变化曲线uhf即为电源电压即为电源电压u。由于曲线由于曲线ujf1与电源电压与电源电压u有交点，所以在有交点，所以在t1时电弧重时电弧重燃，此时燃，此时ujf1uhf。当电流第二次过零时。当电流第二次过零时(t2)，此时触，此时触头间距离更大了，去游离作用更强烈，所以弧隙介质强度头间距离更大了，去游离作用更强烈，所以弧隙介质强度恢复曲线恢复曲线ujf2高于电源电压曲线高于电源电压曲线u，电弧不会重燃。，电弧不会重燃。2电感性电路中，交流电弧的熄灭电感性电路中，交流电弧的熄灭在电感性电路中，电压超前于电流，如图在电感

37、性电路中，电压超前于电流，如图26所示，设所示，设在在t0时触头分开起弧，在电流第一次过零后，两种因素时触头分开起弧，在电流第一次过零后，两种因素“竞赛竞赛”的结果，电弧重燃。的结果，电弧重燃。.在第二次过零后由于同样原因又重燃。在第三次过零时，在第二次过零后由于同样原因又重燃。在第三次过零时，由于介质恢复强度曲线高于恢复电压曲线由于介质恢复强度曲线高于恢复电压曲线uhf，电弧熄灭。，电弧熄灭。由图可见在各半波中电流波形畸变越来越严重，在由图可见在各半波中电流波形畸变越来越严重，在t3时时刻电弧虽然熄灭，触头间还有剩余电流刻电弧虽然熄灭，触头间还有剩余电流is。 .七、熄灭电弧的基本方法七、熄

38、灭电弧的基本方法在现代高压开关电器中，除在触头间隙采用不同灭弧介在现代高压开关电器中，除在触头间隙采用不同灭弧介质外质外(如空气、油、如空气、油、SF6、真空等介质、真空等介质)，广泛采用的基本，广泛采用的基本灭孤方法可以归纳为下列几种：灭孤方法可以归纳为下列几种：(1)加速触头的分离速度，迅速拉长电弧。这加速触头的分离速度，迅速拉长电弧。这措施是措施是通过在断路器的操动机构中安装强力而灵敏的分闸弹簧来通过在断路器的操动机构中安装强力而灵敏的分闸弹簧来实现的。实现的。(2)采用未游离的流体采用未游离的流体(如油或压缩空气等如油或压缩空气等)吹动电弧。吹动电弧。当流体与电孤接触后，电弧表面或内部

39、的带电粒子被不断当流体与电孤接触后，电弧表面或内部的带电粒子被不断吹走，扩散作用增强；同时电弧受冷却作用，热游离减弱吹走，扩散作用增强；同时电弧受冷却作用，热游离减弱而复合作用有所加强。吹动方式可以是沿电弧的纵向吹动，而复合作用有所加强。吹动方式可以是沿电弧的纵向吹动，也可以是垂直于电弧的横向吹动及纵、横向混合吹动，如也可以是垂直于电弧的横向吹动及纵、横向混合吹动，如图图27、图、图28、图、图29所示。吹弧能源可以是如图所示。吹弧能源可以是如图28所示的油断路器自能式吹孤，也可以是如图所示的油断路器自能式吹孤，也可以是如图29所示的所示的空气断路器外能式吹弧。空气断路器外能式吹弧。.(3)用

40、磁吹法灭弧。按左手定则，当电弧电流垂直于用磁吹法灭弧。按左手定则，当电弧电流垂直于外磁场方向通过时、将受到力的作用。外磁场可以由外磁场方向通过时、将受到力的作用。外磁场可以由互为反向的电弧电流建立互为反向的电弧电流建立(如图如图210所示所示)，亦可使，亦可使电流通过安装于触头外侧或触头两侧的线圈产生电流通过安装于触头外侧或触头两侧的线圈产生(如如图图211所示所示)。因。因211的线圈安装方法是使其产生的线圈安装方法是使其产生的磁场垂直于通过触头的电弧电流，且其磁吹力向上。的磁场垂直于通过触头的电弧电流，且其磁吹力向上。磁吹法熄弧多用于直流断路器中，交流真空断路器也磁吹法熄弧多用于直流断路器

41、中，交流真空断路器也采用磁吹法灭弧，在本章第四节将给以介绍。采用磁吹法灭弧，在本章第四节将给以介绍。.(4)把长电弧分成短电弧。当电弧被分短以后，每段短把长电弧分成短电弧。当电弧被分短以后，每段短弧在新的阴极和阳极区都要产生新的阴极压降和阳极压弧在新的阴极和阳极区都要产生新的阴极压降和阳极压降，当两触头问的电压不变时，这许多短弧无疑增加了降，当两触头问的电压不变时，这许多短弧无疑增加了触头间总的压降，如果这个压降值大于触头端电压，则触头间总的压降，如果这个压降值大于触头端电压，则电弧即行熄灭。增加高压断路据断口的数目电弧即行熄灭。增加高压断路据断口的数目(图图2.13)及及在触头外侧加设金属熄

42、弧栅在触头外侧加设金属熄弧栅(图图213)，都可将长电弧，都可将长电弧分成短弧，达到快速熄弧的目的。分成短弧，达到快速熄弧的目的。 .图图213(b)中，电弧在缺口钢片中，电弧在缺口钢片(栅片栅片)A处流动。在处流动。在A处的电弧电流于钢片中建立的磁场可以把电弧电流处的电弧电流于钢片中建立的磁场可以把电弧电流拉向拉向B点，迫使电孤进入熄弧栅中，这较冷的熄弧栅，点，迫使电孤进入熄弧栅中，这较冷的熄弧栅，除了把长弧分成短弧外，还有帮助电弧散热，增加复除了把长弧分成短弧外，还有帮助电弧散热，增加复合面的多重作用。一旦电弧进入熄弧栅，就易于熄灭。合面的多重作用。一旦电弧进入熄弧栅，就易于熄灭。这种方法

43、也多用于交直流开关设备中。这种方法也多用于交直流开关设备中。此外，还可利用把电弧分成许多支并联细电弧或增此外，还可利用把电弧分成许多支并联细电弧或增大复合表面等方法强制熄弧。这里就不一一赘述了。大复合表面等方法强制熄弧。这里就不一一赘述了。.第三节第三节 断路器开断短路电流的断路器开断短路电流的工作状态及暂态分析工作状态及暂态分析断路器要能闭合和开断各种性质的电路。以单相电路为断路器要能闭合和开断各种性质的电路。以单相电路为模型，电力系统中常遇到的电路有如下几种：图模型，电力系统中常遇到的电路有如下几种：图214(a)为电阻性电路，图为电阻性电路，图214(b)为电感性电路为电感性电路(感性小

44、感性小电流电流)，图，图214(c)为电容性电路为电容性电路(容性电流容性电流)，图，图214(d)为系统短路时的电路为系统短路时的电路(感性大电流感性大电流)。除电阻性电。除电阻性电路外，开断和闭合其他性质的电路时均将在系统中引路外，开断和闭合其他性质的电路时均将在系统中引起暂态过程，出现异常的电压和电流，危害设备的安全起暂态过程，出现异常的电压和电流，危害设备的安全运行。因此，对断路器触头在开断电路时的恢复电压进运行。因此，对断路器触头在开断电路时的恢复电压进行暂态分析，不但可以使我们了解在不同电路参数下触行暂态分析，不但可以使我们了解在不同电路参数下触头恢复电压的建立过程，而且为改善断路

45、器的灭弧能力，头恢复电压的建立过程，而且为改善断路器的灭弧能力，提高开断容量，保证电力系统供电的可靠性提供了科学提高开断容量，保证电力系统供电的可靠性提供了科学依据。依据。.现以图现以图2.14(d)断路器开断单相接地故障为例，说明弧断路器开断单相接地故障为例，说明弧隙电压的恢复过程，图隙电压的恢复过程，图2.14(d)的等值电路如图的等值电路如图2.15所所示。示。图图214(d)中中L和和R为电源电感和电阻：为电源电感和电阻：DL为断路器；为断路器；Zf为负荷阻抗。当在断路器出口发生单相短路时，为负荷阻抗。当在断路器出口发生单相短路时，Zf被被短接，断路器中通过单相短路电流短接，断路器中通

46、过单相短路电流id1，其波形如图，其波形如图2.16所示，其中所示，其中u为电源电压。为电源电压。 .在在t1时，断路器触头分断而发生电弧，断口两端电压时，断路器触头分断而发生电弧，断口两端电压为为uh。t2时电流过零，电弧熄灭，电压恢复过程开时电流过零，电弧熄灭，电压恢复过程开始，电源电压始，电源电压u逐渐加到断路器两端。电源侧对地电逐渐加到断路器两端。电源侧对地电容容C恰好与断路器断口并联，如图恰好与断路器断口并联，如图215所示。因此所示。因此断路器断路器DL断口电压恢复过程，就是交流电压断口电压恢复过程，就是交流电压u通过通过R、L对电容对电容C充电的过程。充电的过程。 .从熄弧角度看

47、，电弧是否重燃，主要决定于电流过零从熄弧角度看，电弧是否重燃，主要决定于电流过零后很短时间内的电压恢复过程。在这短时间内，电源后很短时间内的电压恢复过程。在这短时间内，电源电压变动很小，因此在分析电压恢复过程时，可以近电压变动很小，因此在分析电压恢复过程时，可以近似地把交流电源简化为直流电源，其电压取值为交流似地把交流电源简化为直流电源，其电压取值为交流恢复电压恢复电压u0。于是，断路器。于是，断路器DL电压的恢复过程，相电压的恢复过程，相当于电压为当于电压为u0的直流电源和电感的直流电源和电感L，电阻，电阻R及电容及电容C组组成的串联电路，在突然合闸时电容成的串联电路，在突然合闸时电容C两端

48、的电压变化两端的电压变化过程。这样可以用图过程。这样可以用图217的电路来分析电压恢复过的电路来分析电压恢复过程。程。.当当t0时，相当于开关，相当于开关K突然突然闭合，合，电路中有路中有电流流ic通通过。假。假设断路器弧隙断路器弧隙电阻在阻在电流流过零零时为无限大，无限大，则电路的回路方程式路的回路方程式为 则得：得：通常通常R值很小，可以忽略不很小，可以忽略不计，当忽略，当忽略Ric部分部分时，则上式等于上式等于式中：式中：u0为微分方程的特解，或称微分方程的特解，或称稳态解。解。为相相应的的齐次方程的通解，或称次方程的通解，或称为暂态解。解。a1a2为待定常数，由初始条件决定。待定常数，

49、由初始条件决定。.1初始条件即初始条件即电路路电流流过零零时的状的状态(1)t0时电容器容器电压uc即即为电弧弧电压uh0。即即 t0，ucuh0 将代入将代入(28)式得式得(2)t0时，电流流过零，由于零，由于电路中存在路中存在电感，感，电流不能流不能跳跳变，因此，因此.根据根据(2.16)式，可以画出恢复电压波形图如图式，可以画出恢复电压波形图如图2.18，它是围绕它是围绕u0的振荡电压波，振荡频率为的振荡电压波，振荡频率为f0。因此。因此u0相相当于恢复电压的稳态值，即相当于工频恢复电压。当当于恢复电压的稳态值，即相当于工频恢复电压。当tm1/2f0时，恢复电压达最大值，等于电流过零时

50、电时，恢复电压达最大值，等于电流过零时电源电压的两倍。源电压的两倍。实际电路中，恢复电压最大值实际电路中，恢复电压最大值ushm达不列电源电压的达不列电源电压的两倍。一般在两倍。一般在u0的的1.31.6倍以下倍以下(图图2.19)。由图。由图2.19也可看出，恢复电压由两部分组成，瞬态部分和工频也可看出，恢复电压由两部分组成，瞬态部分和工频部分。瞬态部分即瞬态恢复电压以高频振荡形式出现，部分。瞬态部分即瞬态恢复电压以高频振荡形式出现，其振荡频率与电网参数省关。在实际电路中，这个瞬其振荡频率与电网参数省关。在实际电路中，这个瞬态部分衰减很快，持续时间很短。工频部分就是交流态部分衰减很快，持续时

51、间很短。工频部分就是交流50 Hz正弦电压正弦电压ugh。 .第四节第四节 高压断路器的构造及工作原理高压断路器的构造及工作原理在电力系统中，高压断路器是一种重要的控制和在电力系统中，高压断路器是一种重要的控制和保护电器，高压断路器一般由下列各部分组成：保护电器，高压断路器一般由下列各部分组成：(1)触头。用来实现电路通断的重要部件，触头触头。用来实现电路通断的重要部件，触头闭合则电路关合，触头分离则电路开断。断路器中闭合则电路关合，触头分离则电路开断。断路器中的触头分动触头和静触头两种，有时为了增加断口的触头分动触头和静触头两种，有时为了增加断口数目，还设置中间触头。动触头由运动机构带动，数

52、目，还设置中间触头。动触头由运动机构带动，而静触头则固定在断路器的一端。而静触头则固定在断路器的一端。(2)灭弧室。在动静触头间隙发生电弧时，一般灭弧室。在动静触头间隙发生电弧时，一般被限制在具备灭弧装置的灭弧室中，电弧在灭弧室被限制在具备灭弧装置的灭弧室中，电弧在灭弧室中被纵向或横向吹长、冷却而熄灭。灭弧空的结构中被纵向或横向吹长、冷却而熄灭。灭弧空的结构必须满足断路器一定开断容量下灭弧的要求。必须满足断路器一定开断容量下灭弧的要求。.按照绝缘和灭弧介质的不同，高压断路器可以分成油按照绝缘和灭弧介质的不同，高压断路器可以分成油断路器、断路器、SF6断路器、真空断路器等，本节将分别予以断路器、

53、真空断路器等，本节将分别予以介绍。介绍。一、对高压断路器的技术要求及其基本参数一、对高压断路器的技术要求及其基本参数电力系统的运行状态、负荷的性质是多种多样的，作电力系统的运行状态、负荷的性质是多种多样的，作为控制、保护元件的高压断路器，为了保证电力系统为控制、保护元件的高压断路器，为了保证电力系统的安全可靠运行对其要求是多方面的、分述如下。的安全可靠运行对其要求是多方面的、分述如下。(一一)开断、关合电路方面开断、关合电路方面1开断负荷电路和短路故障开断负荷电路和短路故障断路器在开断电路时，主要的困难是熄灭电弧。除了断路器在开断电路时，主要的困难是熄灭电弧。除了要求断路器能开断工作电路外，尤

54、其要求断路器能开要求断路器能开断工作电路外，尤其要求断路器能开断各种形式的短路故障电路，因为短路电流要比正常断各种形式的短路故障电路，因为短路电流要比正常负荷电流大得多，这时电路最难开断。负荷电流大得多，这时电路最难开断。标志高压断路器开断短路故障能力的主要参数是：标志高压断路器开断短路故障能力的主要参数是：.额定定电压Ue(kv)；额定开断定开断电流流Iek（kA）；）；额定断流容量定断流容量Sed(MVA)，现在很少采用。在很少采用。对于三相于三相电路，路，Sed的的计算公式是算公式是例如：例如：ue220kV，Iek为21kA的断路器。的断路器。额定断流容量定断流容量为；选择断路器断路器

55、时，首先要校核的参数就是断路器开断短，首先要校核的参数就是断路器开断短路故障路故障电路的能力。路的能力。2快速开断快速开断电力系力系统发生短路故障后，要求生短路故障后，要求继电保保护系系统动作越作越快、断路器开断越快越好。快、断路器开断越快越好。这样可以可以缩短系短系统的故障的故障时间，减，减轻故障故障对电气气设备及及线路的危害并提高系路的危害并提高系统运行的运行的稳定性。定性。.(3)绝缘介质。可以分为灭弧用绝缘介质及支持用绝缘绝缘介质。可以分为灭弧用绝缘介质及支持用绝缘介质。灭弧用绝缘介质可以是变压器油、专用开关油、介质。灭弧用绝缘介质可以是变压器油、专用开关油、SF6气体、压缩空气或真空

56、等。支持用绝缘介质可以是气体、压缩空气或真空等。支持用绝缘介质可以是电工瓷、环氧树脂或玻璃钢等。电工瓷、环氧树脂或玻璃钢等。(4)壳体结构。把触头、灭弧室、绝缘介质等组装在一壳体结构。把触头、灭弧室、绝缘介质等组装在一起，用以实现断路器工作的目的。它多由钢材、电工瓷、起，用以实现断路器工作的目的。它多由钢材、电工瓷、密封紧固件等组成，壳体构架必须满足断路器在电气绝密封紧固件等组成，壳体构架必须满足断路器在电气绝缘方面、机构动力学方面以及工作环境的各种要求。缘方面、机构动力学方面以及工作环境的各种要求。 (5)运动机构。是使可动触头在规定范围内动作的联运动机构。是使可动触头在规定范围内动作的联动

57、机构，多由具有绝缘性能和一定材触强度的连杆机动机构，多由具有绝缘性能和一定材触强度的连杆机构组成，如在少油断路器户用得最多的椭圆构组成，如在少油断路器户用得最多的椭圆直线直线连杆运动机构。运动机构可以直接和断路器的操动机连杆运动机构。运动机构可以直接和断路器的操动机构连接。执行操动机构对断路器的操作。构连接。执行操动机构对断路器的操作。.标志断路器开断过程快慢的参数是开断时间标志断路器开断过程快慢的参数是开断时间tg(s)，tg是从断路器接到开断信号到短路电流终止是从断路器接到开断信号到短路电流终止(电弧熄灭电弧熄灭)的的全部时间，它又分为：全部时间，它又分为：1.固有分闸时间固有分闸时间tg

58、f(s)：它是从断：它是从断路器接到分闸命令到灭弧触头完全分离的时间；路器接到分闸命令到灭弧触头完全分离的时间；2.燃弧燃弧时间时间trh(s)：它是从触头分离到电弧全部熄灭的时间。：它是从触头分离到电弧全部熄灭的时间。低速动作断路器低速动作断路器tg0.12s中速动作断路器中速动作断路器 tg0.080.12s高速动作断路器高速动作断路器 tg0.08s 3关合短路故障关合短路故障电力系统中的电器设备或输电线路有可能在末投入运电力系统中的电器设备或输电线路有可能在末投入运行前就已存在绝缘故障，甚至处于短路状态，这种故障行前就已存在绝缘故障，甚至处于短路状态，这种故障称为称为“预伏故障预伏故障

59、”。当断路器关合有预伏故障的电路时。当断路器关合有预伏故障的电路时在关合过程中，通常在动、静触头尚未机械接触前，在关合过程中，通常在动、静触头尚未机械接触前，.触头间隙在电压作用下即被击穿触头间隙在电压作用下即被击穿(称为预击穿称为预击穿)，随即，随即出现短路电流，短路电流产生的电动力往往对断路器的出现短路电流，短路电流产生的电动力往往对断路器的关合产生很大的阻力。有些情况下甚至产生动触头关合关合产生很大的阻力。有些情况下甚至产生动触头关合不到底的情况，这样在触头间会形成持续的电弧，可能不到底的情况，这样在触头间会形成持续的电弧，可能造成断路器的损坏或爆炸。为了避免出现这一情况，断造成断路器的

60、损坏或爆炸。为了避免出现这一情况，断路器应具有足够的关合短路电流的能力。标志关合短路路器应具有足够的关合短路电流的能力。标志关合短路电流能力的参数是断路器的额定短路关合电流电流能力的参数是断路器的额定短路关合电流ieg(kA)，用峰值表示。用峰值表示。 4.自动重合闸自动重合闸在电力系统输电线路中因雷击闪电和鸟害等将发生大在电力系统输电线路中因雷击闪电和鸟害等将发生大量的瞬时性故障，对此，自动重合闸是提高供电可靠性量的瞬时性故障，对此，自动重合闸是提高供电可靠性的有力措施。在短路故障发生时，断路器开断，然后，的有力措施。在短路故障发生时，断路器开断，然后，经很短时间再重新关合。如瞬时性故障已经

61、消失，则重经很短时间再重新关合。如瞬时性故障已经消失，则重合成功；如短路故障仍未消除，断路器必须重新开断。合成功；如短路故障仍未消除，断路器必须重新开断。.采用自动重合闸的断路器，其重合闸隔时间一般为采用自动重合闸的断路器，其重合闸隔时间一般为1s左右。要在很短的时间内，可靠地连续分合几次短路故左右。要在很短的时间内，可靠地连续分合几次短路故障，因此也就增加了断路器的工作负担。障，因此也就增加了断路器的工作负担。5分合各种空载和负载电路分合各种空载和负载电路在电网运行过程中，断路器有时需要关合、开断空载在电网运行过程中，断路器有时需要关合、开断空载长输电线、空载变压器、电容器组、高压电动机等电

62、路。长输电线、空载变压器、电容器组、高压电动机等电路。分合这些电路的主要问题是产生过电压。而断路器的绝分合这些电路的主要问题是产生过电压。而断路器的绝缘能力应可以承受这种过电压。标志这方面分合能力的缘能力应可以承受这种过电压。标志这方面分合能力的主要参数是额定电压主要参数是额定电压ue，分合架空输电线路和电力电缆，分合架空输电线路和电力电缆的长度的长度(km)以及变压器、电容器组的容量等。以及变压器、电容器组的容量等。6允许分合次数允许分合次数断路器应有一定的允许分合次数，以保证足够长的工作断路器应有一定的允许分合次数，以保证足够长的工作年限。根据标准，一般断路器允许空载分合次数年限。根据标准

63、，一般断路器允许空载分合次数(也称机也称机械寿命械寿命)为为2000次。控制电容器组、电动机等经常操作的次。控制电容器组、电动机等经常操作的断路器，其允许分合次数应当更多。断路器，其允许分合次数应当更多。.为了加长断路器的检修周期，断路器还应有足够的电为了加长断路器的检修周期，断路器还应有足够的电寿命寿命(允许连续分合短路电流或负荷电流的次数允许连续分合短路电流或负荷电流的次数)。一般。一般说来，断路器应有尽可能长的分合短路电流的电寿命。说来，断路器应有尽可能长的分合短路电流的电寿命。对用于保护、控制的经常操作的断路器，更应有连续分对用于保护、控制的经常操作的断路器，更应有连续分合几千次以上负

64、荷电流的电寿命。电寿命也可用累计开合几千次以上负荷电流的电寿命。电寿命也可用累计开断电流值断电流值(kA)来表示。来表示。(二二)一般电气性能方面一般电气性能方面高压断路器既然要长期装设在电力系统中，就应能承高压断路器既然要长期装设在电力系统中，就应能承受各种电压、电流的作用而不致损坏。受各种电压、电流的作用而不致损坏。1电压电压额定电压一定的断路器，要求其绝缘部分应能长期承额定电压一定的断路器，要求其绝缘部分应能长期承受相应的最大工作电压，而且还要求能承受相应的大气受相应的最大工作电压，而且还要求能承受相应的大气过电压及内部过电压的作用。过电压及内部过电压的作用。标志这方面性能的参数是：最大

65、工作电压、工频试验标志这方面性能的参数是：最大工作电压、工频试验电压、全波和截波冲击实验电压、操作波试验电压。试电压、全波和截波冲击实验电压、操作波试验电压。试验电压值可参看有关标准。验电压值可参看有关标准。.2电流电流断路器在长期通过工作电流时，各部分温度不得超过断路器在长期通过工作电流时，各部分温度不得超过允许值。关于断路器在各种情况下的允许温度，在有关允许值。关于断路器在各种情况下的允许温度，在有关标准中都有规定。断路器在通过短路电流时，不应因电标准中都有规定。断路器在通过短路电流时，不应因电动力而受到损坏，各部分温度也不允许超过短时工作的动力而受到损坏，各部分温度也不允许超过短时工作的

66、允许值，触头不应发生焊接或损坏。允许值，触头不应发生焊接或损坏。标志这方面性能的参数是：额定电流标志这方面性能的参数是：额定电流Ie、额定动稳定、额定动稳定电流电流idw(峰值峰值)、额定热稳定电流、额定热稳定电流Ire和额定热稳定时间和额定热稳定时间tre(2s或或4s)。对断路器来说，额定动稳定电流对断路器来说，额定动稳定电流idw (极限通过电流极限通过电流)、额定热稳定电流额定热稳定电流Ire、额定开断电流、额定开断电流Iek、额定短路关、额定短路关合电流合电流Ieg(峰值峰值)都是同一短路电流在不同操作情况下或都是同一短路电流在不同操作情况下或不同时刻出现的电流有效值或峰值。断路器标

67、准中规定不同时刻出现的电流有效值或峰值。断路器标准中规定的各电流额定值的关系如图的各电流额定值的关系如图2.22所示。所示。. (三三)自然环境方面自然环境方面 断路器在周围各种环境条件下，都应可靠地工作，这断路器在周围各种环境条件下，都应可靠地工作，这些条件略述如下；些条件略述如下； 1.海拔高度海拔高度 海拔高度对高压电器主要有两方而的影响：海拔高度对高压电器主要有两方而的影响： (1)对外部绝缘的影响。海拔高的地区，大气压力低，对外部绝缘的影响。海拔高的地区，大气压力低，耐压水平随之降低。例如在海拔耐压水平随之降低。例如在海拔1000 m以下能承受工颇以下能承受工颇耐压耐压42kv，1分

68、钟的高压电器，在海拔超过分钟的高压电器，在海拔超过3000m的地的地区，只能耐压区，只能耐压38kV。根据标准规定，用于高海拔地区。根据标准规定，用于高海拔地区(高于高于1000m、低于、低于3500m)的电器产品，如在低海拔地的电器产品，如在低海拔地区进行耐压试验时，试验电压应该提高。其试验电压为区进行耐压试验时，试验电压应该提高。其试验电压为标准规定值乘以修正系数标准规定值乘以修正系数.式中：式中：H为安装地点的海拔高度为安装地点的海拔高度(m)，1000H3500。(2)对电器发热温度的影响。高海拔地区空气稀薄，散对电器发热温度的影响。高海拔地区空气稀薄，散热差，允许通过的电流应该减小一

69、些热差，允许通过的电流应该减小一些在我国，海拔低于在我国，海拔低于1000m的地区仅占全四面积的的地区仅占全四面积的35，但全国但全国90以上的变电站都在此地区内，所以有关标准以上的变电站都在此地区内，所以有关标准规定，一般电器设备的使用环境按海拔低于规定，一般电器设备的使用环境按海拔低于1000m及及2500m两档考虑。两档考虑。 2环境温度环境温度高压电据有关标准规定，产品使用的环境温度为一高压电据有关标准规定，产品使用的环境温度为一40度一度一+40度。温度过低会使变压器油、液压油及润滑泊度。温度过低会使变压器油、液压油及润滑泊的粘度增加，影响开关电器的分、合闸速度。温度过低的粘度增加，

70、影响开关电器的分、合闸速度。温度过低还会使还会使SF6气体液化，使气体液化，使SF6电器设备无法正常工作。电器设备无法正常工作。密封材料在低温下会出现性能劣化，造成电器设备的漏密封材料在低温下会出现性能劣化，造成电器设备的漏气漏油。温度过高，可能造成导电部分过热及电容套管气漏油。温度过高，可能造成导电部分过热及电容套管的密封胶渗出等。特别是装设在户外的电器产品，的密封胶渗出等。特别是装设在户外的电器产品，.要考虑日照的影响，在太阳光的直射下很容易过热。标要考虑日照的影响，在太阳光的直射下很容易过热。标准建议，周围环境温度每增加准建议，周围环境温度每增加1C，额定电流应减少，额定电流应减少1.8

71、；每降低；每降低1度，额定电流可增加度，额定电流可增加0.5%，但最大不得超，但最大不得超过过20。温度过高，空气绝缘性能也会降低。标准规定，。温度过高，空气绝缘性能也会降低。标准规定，用于高温地区的高压电器在常温地区进行耐压试验时、用于高温地区的高压电器在常温地区进行耐压试验时、试验电压要适当提高。从试验电压要适当提高。从40度开始，每超过度开始，每超过3度，试验度，试验电压提高电压提高1。此外还应考虑环境湿度、风、雨、污秽、。此外还应考虑环境湿度、风、雨、污秽、地震等多方面因素对断路器工作的影响。地震等多方面因素对断路器工作的影响。各种断路器的主要技术参数可参见附录二附表各种断路器的主要技

72、术参数可参见附录二附表6.16.3。二、少油断路器二、少油断路器(一一)电弧在油中的燃烧与熄灭电弧在油中的燃烧与熄灭当触头间发生电弧时，在电弧高温当触头间发生电弧时，在电弧高温(5000 K13000 K)作用下，油很快蒸发和分解，在电弧周围形成气泡，电作用下，油很快蒸发和分解，在电弧周围形成气泡，电弧在气泡内燃烧。弧在气泡内燃烧。.分解的气体占整个气泡体积的分解的气体占整个气泡体积的60，油蒸气占，油蒸气占40。气。气体组成大致如下：氢气体组成大致如下：氢气7080，乙快，乙快15一一20，甲烷、乙烯占甲烷、乙烯占5%一一10。在各种气体中，氢气具有最佳。在各种气体中，氢气具有最佳的导热性能

73、，最小的粘度，扩散作用也比较强。这些都的导热性能，最小的粘度，扩散作用也比较强。这些都可以说明变压器油能熄灭电弧，主要是分解的氢气在起可以说明变压器油能熄灭电弧，主要是分解的氢气在起作用。分解的气体直接扩散到弧柱区域，使电弧间隙强作用。分解的气体直接扩散到弧柱区域，使电弧间隙强烈地冷却和去游离。特别是在交流电弧电流过零时，这烈地冷却和去游离。特别是在交流电弧电流过零时，这种作用更为强劲。种作用更为强劲。被电弧加热的气体和油蒸气力因膨胀，但是受到周围油被电弧加热的气体和油蒸气力因膨胀，但是受到周围油和箱壁的阻碍，压力增高，游离气体的去游离作用加强，和箱壁的阻碍，压力增高，游离气体的去游离作用加强

74、，气体的介质强度恢复加快，这有助于电弧的熄灭。气体的介质强度恢复加快，这有助于电弧的熄灭。 图图223表示简单开断表示简单开断(不采用任何灭弧装置不采用任何灭弧装置)的油断路的油断路器触头间电弧燃烧的情况。器触头间电弧燃烧的情况。.如果灭弧室内保持一定的压力，则氢、油气和未分解的如果灭弧室内保持一定的压力，则氢、油气和未分解的油在灭弧室的空腔内形成急速流动的油和气流、对电弧油在灭弧室的空腔内形成急速流动的油和气流、对电弧产生吹的作用，可以增大灭弧能力。不过当压力超过油产生吹的作用，可以增大灭弧能力。不过当压力超过油的容器和灭弧装置的机械强度时，将会产生爆炸。的容器和灭弧装置的机械强度时，将会产

75、生爆炸。.(二二)几种典型的灭弧室几种典型的灭弧室在油中简单开断已不能满足电网要在油中简单开断已不能满足电网要求时，为加强油气对电弧的冷却求时，为加强油气对电弧的冷却(通通常是用油气吹弧常是用油气吹弧)作用，目前油断路作用，目前油断路器中已全部采用灭弧装置。按照吹器中已全部采用灭弧装置。按照吹弧的能源，灭弧装置可以分成三类：弧的能源，灭弧装置可以分成三类：自能吹弧灭弧装置。利用电弧放自能吹弧灭弧装置。利用电弧放出的能量将油蒸发、分解而成油气，出的能量将油蒸发、分解而成油气，提高灭弧装置中的压力以驱动油气提高灭弧装置中的压力以驱动油气或油进行吹弧。或油进行吹弧。外能吹弧火弧装外能吹弧火弧装置。利

76、用外界能量置。利用外界能量(通常是关合断路通常是关合断路器时储藏在弹簧中的能量器时储藏在弹簧中的能量)推动活塞，推动活塞，提高灭弧装置中的压力以驱动油进提高灭弧装置中的压力以驱动油进行灭弧。行灭弧。3综合吹弧灭弧装置。兼用综合吹弧灭弧装置。兼用上述两种能量来进行灭弧。上述两种能量来进行灭弧。.1纵横吹灭弧室纵横吹灭弧室图图2.24为为10 kv SN1010I型少油断路器灭弧室结构。型少油断路器灭弧室结构。灭弧室由几种不同形状的灭弧片叠装而成。当动、静触灭弧室由几种不同形状的灭弧片叠装而成。当动、静触头分离后，其间的电弧将油分解成高温气体，灭弧室内头分离后，其间的电弧将油分解成高温气体，灭弧室

77、内压力升高，促使逆止阀压力升高，促使逆止阀(图中没有画出图中没有画出)中的小钢球上升，中的小钢球上升，堵住回油孔。加上绝缘套简的密封作用，所以在刚分闸堵住回油孔。加上绝缘套简的密封作用，所以在刚分闸的瞬间，电弧在封闭的空间内燃烧，电弧为气泡所包围，的瞬间，电弧在封闭的空间内燃烧，电弧为气泡所包围，称为封闭气泡阶段。随着导电杆的向下运动，先后打开称为封闭气泡阶段。随着导电杆的向下运动，先后打开第一、二、三等横吹口和下面的纵吹囊，灭弧空室存的第一、二、三等横吹口和下面的纵吹囊，灭弧空室存的高温高压气体及油蒸气以高速分别由第一、二、三个横高温高压气体及油蒸气以高速分别由第一、二、三个横吹口和纵吹囊排

78、出，产生强烈的横吹与纵吹效应。电弧吹口和纵吹囊排出，产生强烈的横吹与纵吹效应。电弧被拉长和强烈去游离，称为纵吹横吹阶段。另一方面，被拉长和强烈去游离，称为纵吹横吹阶段。另一方面，出于导电杆迅速向下运动，排挤出与导电杆同体积的变出于导电杆迅速向下运动，排挤出与导电杆同体积的变压器油压器油(通过附加油流通道通过附加油流通道)进入灭弧室的第一横吹孤道进入灭弧室的第一横吹孤道口，对电弧形成类似机械油吹作用口，对电弧形成类似机械油吹作用(又称泵效应又称泵效应)。也有。也有利于灭弧。利于灭弧。 .这种灭弧室采用横吹、纵吹和机械油吹三者相结合的灭弧这种灭弧室采用横吹、纵吹和机械油吹三者相结合的灭弧结油断路器

79、的灭弧室结构，所以灭弧性能好，在开断大电结油断路器的灭弧室结构，所以灭弧性能好，在开断大电流时，采用连续横吹的原来，电弧在第一、二、三横吹作流时，采用连续横吹的原来，电弧在第一、二、三横吹作用，以及纵吹油囊的纵吹作用，使电弧熄灭；在开断更小用，以及纵吹油囊的纵吹作用，使电弧熄灭；在开断更小的电流时，由附加油流速道的机械油吹作用，使电电弧熄的电流时，由附加油流速道的机械油吹作用，使电电弧熄灭。无论开断电流大小，开断过程中燃弧时间均不超过灭。无论开断电流大小，开断过程中燃弧时间均不超过2个周波。个周波。2纵吹灭弧室纵吹灭弧室 图图2.25为为35kv少油断路器的纵吹灭弧宝。灭弧室由六少油断路器的纵

80、吹灭弧宝。灭弧室由六块灭弧片组成，各灭弧片之间隔开一定距离形成油囊。灭块灭弧片组成，各灭弧片之间隔开一定距离形成油囊。灭弧室上部为静触头，动触头弧室上部为静触头，动触头(导电杆导电杆)向下运动，触头分开向下运动，触头分开后产生电弧，电弧使油蒸发和分解出大量气体。随着动触后产生电弧，电弧使油蒸发和分解出大量气体。随着动触头向下运动，高压力气体通过灭弧片中间的圆孔向上对电头向下运动，高压力气体通过灭弧片中间的圆孔向上对电弧进行纵吹。待动、静触头之间的距离足够长时，电弧即弧进行纵吹。待动、静触头之间的距离足够长时，电弧即能熄灭。采用纵吹灭弧室的少油断路器有能熄灭。采用纵吹灭弧室的少油断路器有SW23

81、5、SW6110与与SW6220等。等。.3环吹灭弧室环吹灭弧室环吹灭弧室出现于环吹灭弧室出现于20世纪世纪60年代，在年代，在10 kv少油断路少油断路器中应用，灭弧效果良好。器中应用，灭弧效果良好。灭弧室的结构原理如图灭弧室的结构原理如图2.26。在图。在图2.26(a)中，上部中，上部为静触头为静触头1，动触头，动触头2为管状，侧面有小孔。与一般断为管状，侧面有小孔。与一般断路器不同，动触头端部是绝缘材料制成的。分断时，路器不同，动触头端部是绝缘材料制成的。分断时，动触头向下运动，动、静触头间产生电弧。动触头顶动触头向下运动，动、静触头间产生电弧。动触头顶端的绝缘部分把环形喷口的中间圆孔

82、堵住。电弧蒸发端的绝缘部分把环形喷口的中间圆孔堵住。电弧蒸发和分解油产生的气体推动变压器油按照图和分解油产生的气体推动变压器油按照图2.26(b)的方的方向运动，指向环形喷口，吹拂电弧使电弧熄灭。向运动，指向环形喷口，吹拂电弧使电弧熄灭。 .环吹灭弧室有两个优点：环吹灭弧室有两个优点：(1)开断大电流时，电弧能量较小，使触头烧损、喷油、开断大电流时，电弧能量较小，使触头烧损、喷油、喷气现象大大减轻。在横吹灭弧室中，由于开断大电流时喷气现象大大减轻。在横吹灭弧室中，由于开断大电流时气吹效果很强，电弧在气吹作用下拉得很长，电弧电压很气吹效果很强，电弧在气吹作用下拉得很长，电弧电压很高，电弧能量很大

83、，触头烧损与喷油、喷气现象必然严重。高，电弧能量很大，触头烧损与喷油、喷气现象必然严重。而在环吹灭弧室中，电弧在环形油流作用下，能够保持直而在环吹灭弧室中，电弧在环形油流作用下，能够保持直线形状，因而电弧电压与能量比横吹灭弧室小。实验数据线形状，因而电弧电压与能量比横吹灭弧室小。实验数据表明，环吹灭弧室的电弧电压比横吹灭弧室低一半左右。表明，环吹灭弧室的电弧电压比横吹灭弧室低一半左右。(2)开断小电流的性能较好。环吹灭弧室开断大电流时采开断小电流的性能较好。环吹灭弧室开断大电流时采用的是自能式灭弧原理，开断小电流是外能式。在灭弧室用的是自能式灭弧原理，开断小电流是外能式。在灭弧室中，中间隔板中

84、，中间隔板6将上部灭弧空间与下部密封的机构箱隔开。将上部灭弧空间与下部密封的机构箱隔开。当管状动触头向下运动时，由于油不可压缩，下部机构箱当管状动触头向下运动时，由于油不可压缩，下部机构箱中的油被迫从管状动触头的内孔由下向上流动，经过管状中的油被迫从管状动触头的内孔由下向上流动，经过管状动触头的侧面小孔喷向，包弧区动触头的侧面小孔喷向，包弧区(图图2.26b)，对开断小电流，对开断小电流极为有利。因此，环吹灭弧室不存在临界开断电流。极为有利。因此，环吹灭弧室不存在临界开断电流。.开断小电流的燃弧时间与大电流相同，在开断小电流的燃弧时间与大电流相同，在10 kv断路器中断路器中燃弧时间不超过燃弧

85、时间不超过20ms。现代很多少油断路器都利用这。现代很多少油断路器都利用这种压油作用来改善小电流的灭弧性能。种压油作用来改善小电流的灭弧性能。 纵吹、横吹都是油自能灭弧装置，它们有一共同特点，纵吹、横吹都是油自能灭弧装置，它们有一共同特点，就是存在临界开断电流现象。为了减少熄灭小电流时的就是存在临界开断电流现象。为了减少熄灭小电流时的熄弧时间，消灭临界开断电流现象，提出了利用活塞压熄弧时间，消灭临界开断电流现象，提出了利用活塞压油的机械油吹灭弧方式。油的机械油吹灭弧方式。(三三)少油断路器的典型结构少油断路器的典型结构油断路器有多油、少油之分，多油断路器与少油断路油断路器有多油、少油之分，多油

86、断路器与少油断路器采用工作原理相同的灭弧室。多油断路器中的变压器器采用工作原理相同的灭弧室。多油断路器中的变压器油既完成灭弧作用，又作为断路器截流体与外壳的绝缘油既完成灭弧作用，又作为断路器截流体与外壳的绝缘介质，故需油量较多，少油断路器只要求变压器油完成介质，故需油量较多，少油断路器只要求变压器油完成吹动、熄灭电弧的作用，载流体与外壳的绝缘则由电工吹动、熄灭电弧的作用，载流体与外壳的绝缘则由电工瓷或其他介质瓷或其他介质(如树脂筒壳如树脂筒壳)承担，故需油量较小。多油承担，故需油量较小。多油断路器体积庞大，占地较宽，运输安装都不方便，断路器体积庞大，占地较宽，运输安装都不方便，.特别是容易引起

87、严重的火灾。因此，多油断路器在我国特别是容易引起严重的火灾。因此，多油断路器在我国除早期建成的发电厂、供电系统中仍有运行及除早期建成的发电厂、供电系统中仍有运行及10 kv、35kv电压等级仍有部分生产外，电压等级仍有部分生产外，220 kV及以下各电压及以下各电压等级均以生产少油断路器为主。本节主要介绍等级均以生产少油断路器为主。本节主要介绍10 kv及及110kv两种少油断路器的结构。两种少油断路器的结构。1SN1010少油断路器少油断路器这是我国当前生产这是我国当前生产10 kv电压级断路器的主要品种。图电压级断路器的主要品种。图2.27示出其本体的一相剖视图示出其本体的一相剖视图(图中

88、只示出断路器的一相图中只示出断路器的一相)，各相断路器分别通过瓷瓶，各相断路器分别通过瓷瓶5固定在底架固定在底架2上。图示断上。图示断路器在合闸位置电流经上接线板路器在合闸位置电流经上接线板9，静触头，静触头8，导电杆，导电杆11，流动式中间触头，流动式中间触头12到下接线板到下接线板13，形成导电回路。，形成导电回路。.分闸时，在操动机构中的分闸电磁铁作用下，解开合闸保分闸时，在操动机构中的分闸电磁铁作用下，解开合闸保持机构的钩铰，由于分闸弹簧的作用，主轴持机构的钩铰，由于分闸弹簧的作用，主轴4转动，经四转动，经四连杆机构转动断路器各相的转轴连杆机构转动断路器各相的转轴14，将导电杆，将导电

89、杆11向下拉向下拉动，动、静触头分离，触头间产生电弧，电弧在灭弧室动，动、静触头分离，触头间产生电弧，电弧在灭弧室10中熄灭。电弧分解和蒸发的气体，收到空气室中熄灭。电弧分解和蒸发的气体，收到空气室7内，膨内，膨胀、冷却，再经过油气分离器，气体从上帽顶部的排气孔胀、冷却，再经过油气分离器，气体从上帽顶部的排气孔排出，冷却的油回到空气室内，以减少油的消耗。在分闸排出，冷却的油回到空气室内，以减少油的消耗。在分闸行程接近终了时，油缓冲器活塞杆行程接近终了时，油缓冲器活塞杆15插入导电杆底部钢插入导电杆底部钢管中进行分闸缓冲。合闸时，操动机构中的合闸机构动作，管中进行分闸缓冲。合闸时，操动机构中的合

90、闸机构动作，使主轴使主轴4向与分闸时相反的方向旋转，一方面使导电杆向与分闸时相反的方向旋转，一方面使导电杆11向上运动，静、动触头闭合，一方面拉伸分闸弹簧向上运动，静、动触头闭合，一方面拉伸分闸弹簧l，使，使之储能，以备分闸时用。之储能，以备分闸时用。 .当导电杆当导电杆11接近合闸位置时，合闸缓冲弹簧被压缩，进接近合闸位置时，合闸缓冲弹簧被压缩，进行合闸缓冲。被压缩的合闸缓冲弹簧，在分闸过程中释行合闸缓冲。被压缩的合闸缓冲弹簧，在分闸过程中释放能量，有利于提高开断速度。为了在分闸过程中能得放能量，有利于提高开断速度。为了在分闸过程中能得到较平缓的速度一行程曲线，在最新的别到较平缓的速度一行程

91、曲线，在最新的别SN1010少油少油断路器中加用了在分闸过程中的弹簧缓冲器。断路器中加用了在分闸过程中的弹簧缓冲器。对对SN10-10I型少油断路器的灭弧室，图型少油断路器的灭弧室，图2.24作了较为作了较为详尽的介绍。详尽的介绍。2SW110型断路器型断路器SW110型断路器由三个独立的型断路器由三个独立的Y形单元组成，每个形单元组成，每个Y形单元构成一相的断路单元。每个单元的外形图如图形单元构成一相的断路单元。每个单元的外形图如图2.28所示。它由底座所示。它由底座1、支持瓷瓶、支持瓷瓶3、中间机构箱、中间机构箱5，以及，以及安装触头和灭弧宝的两个斜立瓷瓶安装触头和灭弧宝的两个斜立瓷瓶6等

92、主要部件组成。等主要部件组成。.SW-110型断路器的灭弧室通常采用单筒或双筒纵吹灭弧型断路器的灭弧室通常采用单筒或双筒纵吹灭弧室，图室，图2.29所示灭弧室为所示灭弧室为SW3110型少油断路器的灭弧型少油断路器的灭弧室。它由多个隔弧片组成多级油囊，当动触头与静触头分室。它由多个隔弧片组成多级油囊，当动触头与静触头分离向下运动时，在灭弧片中心孔部位燃烧。由于油囊的作离向下运动时，在灭弧片中心孔部位燃烧。由于油囊的作用，油被蒸发和分解，产生高压力迫使气体顺着电弧方向，用，油被蒸发和分解，产生高压力迫使气体顺着电弧方向，经灭弧室与静触头间引弧区吹向上部铝帽经灭弧室与静触头间引弧区吹向上部铝帽(图

93、中没有画出图中没有画出)内的空气室，迫使电弧冷却和熄灭。这种灭弧室称为单筒内的空气室，迫使电弧冷却和熄灭。这种灭弧室称为单筒纵吹灭弧室，与图纵吹灭弧室，与图2.25所示的双筒纵吹灭弧室比较，由于所示的双筒纵吹灭弧室比较，由于采用了回油道，省去了一个高强度绝缘筒。采用了回油道，省去了一个高强度绝缘筒。在在SW3110型少油断路器中，灭弧室、中间机构三角箱型少油断路器中，灭弧室、中间机构三角箱以及下面支柱瓷瓶内的油是连通的，没有互相隔绝。这样，以及下面支柱瓷瓶内的油是连通的，没有互相隔绝。这样，简化了结构，减少了断路器漏油的几率。简化了结构，减少了断路器漏油的几率。 .三、气体断路器三、气体断路器

94、六氟化硫六氟化硫(SF6)断路器和压缩空气断路器断路器和压缩空气断路器(简称空气断路简称空气断路器器)都属于气体断路器。空气断路器是一种以压缩空气作都属于气体断路器。空气断路器是一种以压缩空气作为灭弧、绝缘和传动介质的断路器，为高压断路器的主要为灭弧、绝缘和传动介质的断路器，为高压断路器的主要品种之一。近二十年来，由于品种之一。近二十年来，由于SF6断路器的发展，空气断断路器的发展，空气断路器已大量被路器已大量被SF6断路器所取代，而且发展为全封闭组合断路器所取代，而且发展为全封闭组合电器，成为超高压等级断路器的最主要品种。在电器，成为超高压等级断路器的最主要品种。在20世纪世纪70年代，年代

95、，SF6断路器已用于电气化铁道各种配电设备中。断路器已用于电气化铁道各种配电设备中。本节主要介绍本节主要介绍SF6断路器。断路器。（一）六氟化硫的特性（一）六氟化硫的特性1物理性能物理性能SF6是一种无色、无臭、无毒、不可燃的惰性气体，比是一种无色、无臭、无毒、不可燃的惰性气体，比空气重空气重5倍，常压下，液化温度为一倍，常压下，液化温度为一63.8度；其热传导率度；其热传导率随温度变化而变化，例如在随温度变化而变化，例如在2000度时，具有极强的导热度时，具有极强的导热能力而在能力而在5000度时，其导热能力很差，正是这种导热度时，其导热能力很差，正是这种导热特性，对电弧的熄灭起着极为重要的

96、作用。特性，对电弧的熄灭起着极为重要的作用。.2化学性能化学性能SF6在常温下是极为稳定的气体，其惰性远远超过氮气。在常温下是极为稳定的气体，其惰性远远超过氮气。它不溶解于水和变压器油中；它与氧、氢、铝以及其他它不溶解于水和变压器油中；它与氧、氢、铝以及其他许多物质不发生作用；热稳定性高，在许多物质不发生作用；热稳定性高，在500度时还不分解。度时还不分解。SP6在电弧的作用下能分解少量气体，这些低氟化物在电弧的作用下能分解少量气体，这些低氟化物(SF4等等)由于气体中微量水分参与作用，对金属和绝缘材由于气体中微量水分参与作用，对金属和绝缘材料都有很大的腐蚀性，并危及人身健康和生命安全；但料都

97、有很大的腐蚀性，并危及人身健康和生命安全；但大部分不纯物在极短的时间内能重新结合成大部分不纯物在极短的时间内能重新结合成SF6，剩下的，剩下的微量不纯物经过吸附剂（分子筛、活性氧化铝等微量不纯物经过吸附剂（分子筛、活性氧化铝等)过滤后过滤后可以除去。可以除去。3绝缘性能绝缘性能由实验得知，在三个大气压时，它与变压器油的绝缘强由实验得知，在三个大气压时，它与变压器油的绝缘强度相等，压力越高绝缘性能越好。在均匀电场中及在相度相等，压力越高绝缘性能越好。在均匀电场中及在相同压力下，它的绝缘性能为空气的同压力下，它的绝缘性能为空气的23倍。倍。.经研究认为经研究认为SF6气体中空气的含量大于气体中空气

98、的含量大于50以上时，其以上时，其绝缘能力下降；含量等于绝缘能力下降；含量等于50时，与纯时，与纯SF6气体绝缘能气体绝缘能力相同；若含量小于力相同；若含量小于50时，其绝缘能力反而比纯时，其绝缘能力反而比纯SF6气体为高。因此有人提出，在纯气体为高。因此有人提出，在纯SF6气体中充以氮气来气体中充以氮气来提高绝缘性能和降低成本。提高绝缘性能和降低成本。SF6气体中混入水分，如果水分仅以气体形式存在，气体中混入水分，如果水分仅以气体形式存在，SF6气体与固体的分界面的绝线性能几乎不受影响。当气体与固体的分界面的绝线性能几乎不受影响。当水分含量过多，在固体表面产生凝结时，其表面绝缘性水分含量过多

99、，在固体表面产生凝结时，其表面绝缘性能将会下降。能将会下降。4灭弧性能灭弧性能SF6具有很强的灭弧能力，在自由开断的情况下，它的具有很强的灭弧能力，在自由开断的情况下，它的灭弧能力要比空气大灭弧能力要比空气大100倍左右。当用倍左右。当用SF6气体吹弧时，气体吹弧时，采用不高的压力和不太大的吹弧速度，就能在高电压下采用不高的压力和不太大的吹弧速度，就能在高电压下开断相当大的电流。这是因为：开断相当大的电流。这是因为：.(1)散热能力强。散热能力强。SF6的散热主要是靠对流与传导。其的散热主要是靠对流与传导。其对流散热能力为空气的对流散热能力为空气的2.5倍。倍。SF6断路器和空气断路器断路器和

100、空气断路器一样，都是通过气体的高速流动带走电弧的热能，不过一样，都是通过气体的高速流动带走电弧的热能，不过SF6气体所带走的能量是随气体所带走的能量是随SF6气体温度的增加而增加的。气体温度的增加而增加的。(2)电弧压降小，弧柱细。电弧压降小，弧柱细。SF6气体的热传导特性十分气体的热传导特性十分奇异，在奇异，在5000度以上时，导热率十分低，使得弧心部分度以上时，导热率十分低，使得弧心部分热量难以传导出来，弧心温度特别高，气体的热游离充热量难以传导出来，弧心温度特别高，气体的热游离充分，所以导电率高，弧压降下分，所以导电率高，弧压降下(只有压缩空气的只有压缩空气的l3左右，左右，少油断路器的

101、少油断路器的l10左右左右)。由于。由于SF6断路器的电弧电压梯断路器的电弧电压梯度较低，在相同的工作电压及开断电流条件下，电弧能度较低，在相同的工作电压及开断电流条件下，电弧能量小，所以易于灭弧。量小，所以易于灭弧。在电弧周围温度低处在电弧周围温度低处(2000度度)，其导热率又十分高，所，其导热率又十分高，所以弧柱细，含热量少，使得电弧电流过零时，电子密度以弧柱细，含热量少，使得电弧电流过零时，电子密度减少得快，这就提高了介质耐压强度的恢复速率。减少得快，这就提高了介质耐压强度的恢复速率。.(3)负电性能对电弧电流过零后的去游离极为有利。一方负电性能对电弧电流过零后的去游离极为有利。一方面

102、，自由电子被大量吸附；另一方面，面，自由电子被大量吸附；另一方面，SF-6吸附电子后吸附电子后形成负离子形成负离子SF-6，它的运动速率比电子小得多，易于与，它的运动速率比电子小得多，易于与SF+6复合为中性分于复合为中性分于(SF-6十十SF+6-2SF6)。由于吸附与。由于吸附与复合的综合作用，使弧隙带电质点密度急剧减小，在电弧复合的综合作用，使弧隙带电质点密度急剧减小，在电弧电流过零时，去游离过程格外迅速，电流过零时，去游离过程格外迅速，5F6气体的介质耐压气体的介质耐压强度恢复速率为空气的强度恢复速率为空气的100倍以上，所以，能承受各种恢倍以上，所以，能承受各种恢复电压的作用，保证优

103、异的开断性能。复电压的作用，保证优异的开断性能。SF6气体是目前所知的最理想的绝缘和灭弧介质，优于其气体是目前所知的最理想的绝缘和灭弧介质，优于其他介质乃至真空。他介质乃至真空。(二二)六氟化硫气吹灭弧装置六氟化硫气吹灭弧装置气体断路器以六氟化硫作为绝缘和灭弧介质后，灭弧装置气体断路器以六氟化硫作为绝缘和灭弧介质后，灭弧装置的性能和结构与压缩空气断路器、少油断路器等有极大的的性能和结构与压缩空气断路器、少油断路器等有极大的不同，并有下列优点：不同，并有下列优点： .(1)可以提高单断口的额定电压和开断电流。目前已分可以提高单断口的额定电压和开断电流。目前已分别能达到别能达到420 kV和和80

104、 kA。这样不仅提高了断路器在电网。这样不仅提高了断路器在电网中工作的可靠性，而且为发展更高电压等级中工作的可靠性，而且为发展更高电压等级(例如例如1000kV以上以上)的输电线路创造了条件。的输电线路创造了条件。(2)切断小电感电流时较少发生截流现象；切断空载架切断小电感电流时较少发生截流现象；切断空载架空线时不会发生多次重击穿。能承受快速上升的瞬态恢复空线时不会发生多次重击穿。能承受快速上升的瞬态恢复电压，尤其适宜于切断近区故障。电压，尤其适宜于切断近区故障。(3)由于六氟化硫气体的分解物内不含氧，所以燃弧时由于六氟化硫气体的分解物内不含氧，所以燃弧时触头不会被氧化，而且磨损和烧蚀作用也不

105、显著。此外，触头不会被氧化，而且磨损和烧蚀作用也不显著。此外，分解后的六氟化硫气体又能自行迅速复合，这样断路器的分解后的六氟化硫气体又能自行迅速复合，这样断路器的满容量开断次数增加，相应地检修周期就可以延长。满容量开断次数增加，相应地检修周期就可以延长。(4)可以集合成全封闭气体绝缘变电站。它结构紧凑，可以集合成全封闭气体绝缘变电站。它结构紧凑，设备占地面积小，污染和噪声小，又无爆炸和导致火灾的设备占地面积小，污染和噪声小，又无爆炸和导致火灾的危险。危险。.这些优点使得六氟化硫断路器在高压和超高压电力系统中这些优点使得六氟化硫断路器在高压和超高压电力系统中取代压缩空气和少油断路器，在中、低压配

106、电系统中也正取代压缩空气和少油断路器，在中、低压配电系统中也正和其他形式的断路器展开激烈的竞争。和其他形式的断路器展开激烈的竞争。综合六氟化硫气吹灭弧装置的发展历程和现有的结构，基综合六氟化硫气吹灭弧装置的发展历程和现有的结构，基本上分两大类：纵向气吹和横向气吹。纵向气吹灭弧方式本上分两大类：纵向气吹和横向气吹。纵向气吹灭弧方式归纳起来有归纳起来有4种，如图种，如图2.30所示。所示。简单开断方式，如图简单开断方式，如图(a)中所示。它完全依靠自然对流和传导散热冷却电弧，中所示。它完全依靠自然对流和传导散热冷却电弧，因此开断能力极小，目前已不用。因此开断能力极小，目前已不用。2双压力式吹弧，如

107、图双压力式吹弧，如图中中(b)所示。这种吹弧方式须在断路器内设置两种气压，所示。这种吹弧方式须在断路器内设置两种气压，上部为高气压室，下部为低气压室。当触头分开时，开启上部为高气压室，下部为低气压室。当触头分开时，开启控制阀门，使高压气流通过喷口绝热膨胀，并形成高速气控制阀门，使高压气流通过喷口绝热膨胀，并形成高速气流，以此来吹熄电弧。熄死后关闭阀门，停止气吹。低压流，以此来吹熄电弧。熄死后关闭阀门，停止气吹。低压气体经吸附过滤装置后用压气泵重新打入高气压室，以备气体经吸附过滤装置后用压气泵重新打入高气压室，以备下次使用。这种方式曾在六氟化硫断路器发展初期为提高下次使用。这种方式曾在六氟化硫断

108、路器发展初期为提高开断容量而采用过，随着单压力气吹灭弧装置的完善，已开断容量而采用过，随着单压力气吹灭弧装置的完善，已逐渐被淘汰。逐渐被淘汰。.3单压力式吹弧，如图中单压力式吹弧，如图中(c)所示。它仅设置一种气压，即所示。它仅设置一种气压，即在灭弧室内充有一定压力在灭弧室内充有一定压力(一般为一般为0.4MPa0.7MPa气压气压)的六氟化硫气体。可动部分的六氟化硫气体。可动部分(即动触杆即动触杆)装有压气装置装有压气装置(常常称压气罩称压气罩)。当动触杆向下运动时使罩内气体被压缩，压。当动触杆向下运动时使罩内气体被压缩，压力升高。当动、静触头分离，接着喷口开启时，压气罩内力升高。当动、静触

109、头分离，接着喷口开启时，压气罩内被压缩的高压气体通过喷口作绝热膨胀，形成高速气流，被压缩的高压气体通过喷口作绝热膨胀，形成高速气流，纵吹电弧。熄弧后的灭弧室内气体又处于同一气压下。这纵吹电弧。熄弧后的灭弧室内气体又处于同一气压下。这种灭弧方式较为简单，不需要外设压气泵等附属设备。因种灭弧方式较为简单，不需要外设压气泵等附属设备。因此，目前已在输变电断路器中广泛应用。在实际装置中它此，目前已在输变电断路器中广泛应用。在实际装置中它又分单向又分单向(即单喷口即单喷口)和双向和双向(两个喷口两个喷口)两种吹弧方式，后两种吹弧方式，后者是纵横吹兼而有之。此外，依据在开断过程中断口间绝者是纵横吹兼而有之

110、。此外，依据在开断过程中断口间绝缘距离是否改变又分定开距和变开距两种不同的结构形式。缘距离是否改变又分定开距和变开距两种不同的结构形式。自生压力式吹弧，如图中自生压力式吹弧，如图中(d)所示。它利用上部电弧自所示。它利用上部电弧自身的能量加热气体，使压力升高去吹熄下部的电弧。目前，身的能量加热气体，使压力升高去吹熄下部的电弧。目前，这种方式已有较大的改进，即不仅采用纵吹方式，还加入这种方式已有较大的改进，即不仅采用纵吹方式，还加入横吹，以提高灭弧性能。横吹，以提高灭弧性能。.典型的横向气吹灭弧装置如图典型的横向气吹灭弧装置如图2.3l所示。它是利用电弧电所示。它是利用电弧电流通过磁场线圈，在其

111、周围产生磁场，以此驱动电弧在六流通过磁场线圈，在其周围产生磁场，以此驱动电弧在六氟化硫气体中做快速旋转运动，使弧柱受到横向气流的吹氟化硫气体中做快速旋转运动，使弧柱受到横向气流的吹拂、散热、冷却而达到灭弧的目的。拂、散热、冷却而达到灭弧的目的。上述各种灭弧方式若按灭弧过程所施加的能量分，一类是上述各种灭弧方式若按灭弧过程所施加的能量分，一类是外能灭弧。如图外能灭弧。如图2.30中的中的(b)、(c)两种。它是依靠外界能两种。它是依靠外界能量量(非电弧自身的非电弧自身的)压缩气体，然后气吹。另一类是自能灭压缩气体，然后气吹。另一类是自能灭弧。如图弧。如图2.30中的中的(b)、(d)和图和图2.

112、31中所示的灭弧装置。中所示的灭弧装置。它完全依靠电弧自身的能量灭弧。目前，正在把这两种灭它完全依靠电弧自身的能量灭弧。目前，正在把这两种灭弧方式在灭弧过程中恰当地结合起来，充分而合理地利用弧方式在灭弧过程中恰当地结合起来，充分而合理地利用能量形成新的灭弧装置。能量形成新的灭弧装置。 .1纵向气吹灭弧装置纵向气吹灭弧装置纵向气吹灭弧装置一般用于输电网络中的同压和超高压纵向气吹灭弧装置一般用于输电网络中的同压和超高压断路器中。下面简要介绍单压力单向气吹灭孤宝的工作情断路器中。下面简要介绍单压力单向气吹灭孤宝的工作情况。况。图图2.32所示为其工作原理固。虚线所示为触头处于闭合所示为其工作原理固。

113、虚线所示为触头处于闭合位置。当动触杆在机构带动下向左移动时，压气罩及喷口位置。当动触杆在机构带动下向左移动时，压气罩及喷口也一起向左运动，活塞也一起向左运动，活塞(不动不动)与压气罩内的气体被压缩。与压气罩内的气体被压缩。当动、静触头分开时形成电孤，被压缩的气体冲出喷口，当动、静触头分开时形成电孤，被压缩的气体冲出喷口，吹拂弧柱。因此分断过程分为二个阶段：吹拂弧柱。因此分断过程分为二个阶段：预压气阶段。预压气阶段。从压气罩开始运动，触头分离，使喷口即将开启。这阶段从压气罩开始运动，触头分离，使喷口即将开启。这阶段主要是在压气室内建立起较高的气压，使喷口开启时有较主要是在压气室内建立起较高的气压

114、，使喷口开启时有较强的气吹力。一般预压缩行程是全行程的强的气吹力。一般预压缩行程是全行程的12左右。左右。2气气吹阶段。如图中实线所示的位置。当喷口开启后，为保证吹阶段。如图中实线所示的位置。当喷口开启后，为保证电弧能可靠地熄灭，应保持喷口喉颈部分气体处于临界流电弧能可靠地熄灭，应保持喷口喉颈部分气体处于临界流动状态。动状态。 .2旋弧式灭弧装置旋弧式灭弧装置旋弧式灭弧装置属横横吹方式，其基本原理如图旋弧式灭弧装置属横横吹方式，其基本原理如图2.33所所示。当动触头离开静触指时产生电弧，它随即转移到和示。当动触头离开静触指时产生电弧，它随即转移到和激磁线圈相连的短路铜套内壁，电流由静触头通过激

115、磁激磁线圈相连的短路铜套内壁，电流由静触头通过激磁线圈进入短路铜套，后经导电弧柱和动触头构成导电回线圈进入短路铜套，后经导电弧柱和动触头构成导电回路。电流通过激磁线卷时其周围空间产生磁场，在短路路。电流通过激磁线卷时其周围空间产生磁场，在短路铜套内同时被感应产生电流及相应的磁场。因此铜套的铜套内同时被感应产生电流及相应的磁场。因此铜套的内腔形成合成磁场，其磁力线分布如图内腔形成合成磁场，其磁力线分布如图2.33(a)中的实线中的实线箭头所示。合成磁场箭头所示。合成磁场B随时间变化，它和电流随时间变化，它和电流I之间存在之间存在着相位差，即图着相位差，即图2.33(b)所示的曲线。弧柱在该合成磁

116、场所示的曲线。弧柱在该合成磁场中将受到洛仑兹力的作用，该力驱使弧柱在铜套内腔中中将受到洛仑兹力的作用，该力驱使弧柱在铜套内腔中作旋转运动，旋转电弧由此得名。弧柱在磁场中运动，作旋转运动，旋转电弧由此得名。弧柱在磁场中运动，受到周围六氟化硫气体的横向吹拂作用受到周围六氟化硫气体的横向吹拂作用(相对运动相对运动)，散，散发热量，扩散和复合带电粒子。在电弧过零前后因合成发热量，扩散和复合带电粒子。在电弧过零前后因合成磁场仍有一定强度，驱使电弧继续运动，气吹和混合作磁场仍有一定强度，驱使电弧继续运动，气吹和混合作用促使电弧于电流过零后熄灭。用促使电弧于电流过零后熄灭。 .此类灭弧装置的实验结果表明：开

117、断能力近似地与气压、此类灭弧装置的实验结果表明：开断能力近似地与气压、磁通密度幅值的平方成正比，和电流电流过零时的变化速磁通密度幅值的平方成正比，和电流电流过零时的变化速度的度的2.5次方成反比，同时还和合成磁场与电流之间的相次方成反比，同时还和合成磁场与电流之间的相位差角有关，一般认为在位差角有关，一般认为在30度度60度之间适宜。由于影度之间适宜。由于影响灭弧过程的因素较多，彼此间又相互关联制约，例如相响灭弧过程的因素较多，彼此间又相互关联制约，例如相位差角和短路铜套的材料、厚度有关，电弧达动速度和电位差角和短路铜套的材料、厚度有关，电弧达动速度和电流、气压等有关，而气压又和电弧能量有联系

118、。由于此类流、气压等有关，而气压又和电弧能量有联系。由于此类灭弧装置依靠电弧自身能量灭弧，无需压缩六氟化硫气体，灭弧装置依靠电弧自身能量灭弧，无需压缩六氟化硫气体，因此分、合闸操作功小，灭弧装置结构亦较简单，但开断因此分、合闸操作功小，灭弧装置结构亦较简单，但开断小电流或大的短路电流时会增长燃弧时间，必须采用其他小电流或大的短路电流时会增长燃弧时间，必须采用其他的补偿措施，如加磁性材料，提高局部气压、辅助压气吹的补偿措施，如加磁性材料，提高局部气压、辅助压气吹弧等方法改善其开断性能。弧等方法改善其开断性能。旋弧式灭弧装置主要用于中、低压配电系统中的断路器。旋弧式灭弧装置主要用于中、低压配电系统

119、中的断路器。例如：例如：LN235、LN210、LW310型断路器都采用型断路器都采用旋弧式灭弧室。旋弧式灭弧室。.（三）六氟化硫断路器的典型结构（三）六氟化硫断路器的典型结构六氟化硫断路器在电力系统中得到了广泛应用。根据电六氟化硫断路器在电力系统中得到了广泛应用。根据电网对断路器的要求和使用场合的不同，六氟化硫断路器网对断路器的要求和使用场合的不同，六氟化硫断路器通常分为输电用、配电用和发电机端保护用断路器。前通常分为输电用、配电用和发电机端保护用断路器。前一类断路器均采用单压气吹灭弧装置，后两类一般采用一类断路器均采用单压气吹灭弧装置，后两类一般采用旋弧或旋弧加辅助气吹灭弧装置。旋弧或旋弧

120、加辅助气吹灭弧装置。1LW6220型型SF6断路器断路器LW6220型型SF6断路器为瓷瓶支持敞开式结构，如图断路器为瓷瓶支持敞开式结构，如图2.34所示。灭弧室被密封在瓷套管所示。灭弧室被密封在瓷套管1内，并固定安装在支内，并固定安装在支持瓷瓶上。断路器出线端和静触头座持瓷瓶上。断路器出线端和静触头座2相连，动触杆相连，动触杆3通通过传动机构过传动机构4、连杆、连杆5和断路器的操作箱和断路器的操作箱14相连接。操作相连接。操作箱内装有气动操作机构。支持瓷瓶不仅起支持灭弧室的箱内装有气动操作机构。支持瓷瓶不仅起支持灭弧室的作用，而且使高电压导电部分和断路器机座绝缘。密封作用，而且使高电压导电部

121、分和断路器机座绝缘。密封瓷套管两端可并联电容器，以改善断口间的电压分布，瓷套管两端可并联电容器，以改善断口间的电压分布，并降低恢复电压起始上升速度。提高开断能力。并降低恢复电压起始上升速度。提高开断能力。.灭弧室采用双向气吹变开距式，其灭弧过程同示于图灭弧室采用双向气吹变开距式，其灭弧过程同示于图2.34中。灭弧室内由主动、静触头中。灭弧室内由主动、静触头6、7组成主导电回路，组成主导电回路，以及由辅助动、静触头以及由辅助动、静触头8、9组成的弧触头回路，前者仅组成的弧触头回路，前者仅通过电流，而电弧的燃烧与熄灭是在辅助触头上，这样可通过电流，而电弧的燃烧与熄灭是在辅助触头上，这样可以提高主触

122、头的载流能力和使用寿命。动、静辅助触头均以提高主触头的载流能力和使用寿命。动、静辅助触头均采用空心导管，头部镶有耐弧材料。喷口采用空心导管，头部镶有耐弧材料。喷口10采用聚四氟采用聚四氟乙烯材料制成。六氟化硫气体密度继电器乙烯材料制成。六氟化硫气体密度继电器13用以监视断用以监视断路器的工作压力。路器的工作压力。此类断路器的额定电压为此类断路器的额定电压为220kv(单个灭弧室的额定电压单个灭弧室的额定电压为为110kV)，开断电流为，开断电流为40kA一一50kA、额定电流可达、额定电流可达4000A。SF6工作气压为工作气压为0.65MPa，闭锁压力为，闭锁压力为0.5MPa。在环境温度抵

123、达在环境温度抵达50度使用时，可采用混合气体为绝缘、度使用时，可采用混合气体为绝缘、灭弧介质。其灭弧室能方便地串联组合，构成灭弧介质。其灭弧室能方便地串联组合，构成110 kv、220kv和更高电压等级的断路器。和更高电压等级的断路器。.此类断路器结构较简单，用气量少，金属用量少，组合此类断路器结构较简单，用气量少，金属用量少，组合性强，价格也适宜，也适合我国现行变电站的使用。该断性强，价格也适宜，也适合我国现行变电站的使用。该断路器不能自带电流互感器，抗震性能欠佳是其缺点。路器不能自带电流互感器，抗震性能欠佳是其缺点。2LNI27.5型型SF6断路器断路器LNI27.5型型SF6断路器是在电

124、气化铁路牵引变电所广断路器是在电气化铁路牵引变电所广泛采用的断路器之泛采用的断路器之其结构如图其结构如图2.35所示。这是一种压气所示。这是一种压气式式SF6断路器，其中约断路器，其中约35个大气压用以维持绝缘的需要。个大气压用以维持绝缘的需要。其开断过程由示意图其开断过程由示意图2.36表示。图中表示。图中(a)为合闸状态，这为合闸状态，这时工作电流由工作静触头时工作电流由工作静触头1及工作动触头及工作动触头2导通。当断路导通。当断路器开始分闸时，如器开始分闸时，如(b)所示，这时工作触头所示，这时工作触头1及及2首先分离，首先分离，熄弧静触头熄弧静触头3和动触头和动触头4还保持接通，电弧尚

125、未发生，但还保持接通，电弧尚未发生，但由于连杆机构的作用，压气活塞由于连杆机构的作用，压气活塞6已开始向上运动，压缩已开始向上运动，压缩汽缸汽缸5中的中的SF6气体。电弧产生后的熄弧过程如气体。电弧产生后的熄弧过程如(c)所示，所示，这时熄弧触头分离，在断口间隙产生电弧，而压气活塞这时熄弧触头分离，在断口间隙产生电弧，而压气活塞6已将汽缸中的已将汽缸中的SF6气体大量压缩，高压的气体大量压缩，高压的SF6气体从断口气体从断口的喷口处大量喷出，从而使电弧迅速熄灭。的喷口处大量喷出，从而使电弧迅速熄灭。 .当车架当车架6退出后退出后(图图2.35)，隔离触指和电路分离，断路，隔离触指和电路分离，断

126、路器本体完全处于无电状态，所以检修比较方便。器本体完全处于无电状态，所以检修比较方便。由于牵引变电所接触网故障频繁，而由于牵引变电所接触网故障频繁，而SF6断路器具有允断路器具有允许开断次数多的优点，所以，牵引变电所馈线侧断路器许开断次数多的优点，所以，牵引变电所馈线侧断路器曾广泛采用曾广泛采用SF6断路器。但是根据现场运行经验，断路器。但是根据现场运行经验，SF6断断路器漏气问题一直没有很好解决，加之真空断路器的发路器漏气问题一直没有很好解决，加之真空断路器的发展，牵引侧的展，牵引侧的SF6断路器大都被真空断路器所取代。断路器大都被真空断路器所取代。四、真空断路器四、真空断路器利用真空作为绝

127、缘及灭弧手段的断路器，称为真空断路利用真空作为绝缘及灭弧手段的断路器，称为真空断路器。真空断路器近年来不断发展对高中压开关行业产生器。真空断路器近年来不断发展对高中压开关行业产生了巨大的冲击，在了巨大的冲击，在3kv35kv电网中占据了举足轻重的电网中占据了举足轻重的地位。目前许多国家都在致力于真空断路器用于高压和地位。目前许多国家都在致力于真空断路器用于高压和超高压电网中的研究。超高压电网中的研究。(一一)真空间隙的击穿特性真空间隙的击穿特性1.真空间隙的击穿机理真空间隙的击穿机理.真空断路器的触头置于真空断路器的触头置于102Pa以上的真空中，其中以上的真空中，其中每立方厘米内只有每立方厘

128、米内只有3.4l012个气体分子，电子的自由个气体分子，电子的自由行程达行程达26m以上，它比一般真空断路器触头间隙以上，它比一般真空断路器触头间隙(几到几到几十毫米几十毫米)大得多，因此，即使真空间隙中存在自由电大得多，因此，即使真空间隙中存在自由电子也不可能由于电子和分子发生碰撞游离导致间隙击子也不可能由于电子和分子发生碰撞游离导致间隙击穿。所以，真空间隙的击穿机理必然只同电极情况有穿。所以，真空间隙的击穿机理必然只同电极情况有关。目前，关于真空间隙的击穿机理是正在发展中的关。目前，关于真空间隙的击穿机理是正在发展中的研究课题，有许多不同的说法，比较普遍的有场发射研究课题，有许多不同的说法

129、，比较普遍的有场发射引起击穿和微粒引起击穿两种。引起击穿和微粒引起击穿两种。.(1)场发射引起击穿。这一学说认为，电极表面不可能场发射引起击穿。这一学说认为，电极表面不可能是绝对光滑的，总是存在着大量的微小凸起和尖端。当是绝对光滑的，总是存在着大量的微小凸起和尖端。当电极加上电压时，这些凸起和尖端的顶部将产生很高的电极加上电压时，这些凸起和尖端的顶部将产生很高的电场强度，从而引起强场发射，使间隙中流过一定数量电场强度，从而引起强场发射，使间隙中流过一定数量的电子电流。此电子电流通过两个途径使间隙击穿。一的电子电流。此电子电流通过两个途径使间隙击穿。一是强场发射的电流流过电极表而的微小凸起和尖端

130、时，是强场发射的电流流过电极表而的微小凸起和尖端时，由于电流密度高，使得它们熔化和蒸发，在间隙中产生由于电流密度高，使得它们熔化和蒸发，在间隙中产生大量的金属蒸气，电子在向阳极运动过程中穿过金属蒸大量的金属蒸气，电子在向阳极运动过程中穿过金属蒸气时使金屑蒸气游离，引起间隙击穿。二是强场发射的气时使金屑蒸气游离，引起间隙击穿。二是强场发射的电子由电场加速后轰击阳极，使阳极表而释放气体、熔电子由电场加速后轰击阳极，使阳极表而释放气体、熔化和蒸发，电子再将这些气体和金属蒸气游离，引起击化和蒸发，电子再将这些气体和金属蒸气游离，引起击穿。穿。.(2)微粒引起击穿。这一学说认为，电极表面存在金属微微粒引

131、起击穿。这一学说认为，电极表面存在金属微粒。这些微粒可能是机械加工留下的金属屑、电弧熔化粒。这些微粒可能是机械加工留下的金属屑、电弧熔化或金属汽化后生成的金属微粒，也可能是强电场从金属或金属汽化后生成的金属微粒，也可能是强电场从金属内部拉出的金属丝状物。它们通常与电极本体结合得不内部拉出的金属丝状物。它们通常与电极本体结合得不太牢固，在电场作用时，在静电力作用下可能被加速，太牢固，在电场作用时，在静电力作用下可能被加速，从一电极向另一电极运动。在运动过程巾微粒不断受从一电极向另一电极运动。在运动过程巾微粒不断受列强场发射的电子流的轰击、温度不断升高，所带的电列强场发射的电子流的轰击、温度不断升

132、高，所带的电荷量也不断增大，因此，当微粒飞近相对的电极时，有荷量也不断增大，因此，当微粒飞近相对的电极时，有可能因温度很高而蒸发成金属蒸气，以及由于微粒和电可能因温度很高而蒸发成金属蒸气，以及由于微粒和电极之间电场很强而发射电子。另外，如间隙中电场足够极之间电场很强而发射电子。另外，如间隙中电场足够强，则因微粒此时已积有相当大的动能，在微粒和电极强，则因微粒此时已积有相当大的动能，在微粒和电极相撞后，此动能转变为热能，也可能使微粒本身蒸发。相撞后，此动能转变为热能，也可能使微粒本身蒸发。通过这些方式产生的蒸气若被电子所游离，则将引起间通过这些方式产生的蒸气若被电子所游离，则将引起间隙击穿。隙击

133、穿。.实际上，这两种机理可能是同时存在而不一定是单独实际上，这两种机理可能是同时存在而不一定是单独地起作用。对于小间隙地起作用。对于小间隙(10mm以下以下)，场发射说的分析与，场发射说的分析与实验比较接近；而较大间隙，微粒说比较适合。实验比较接近；而较大间隙，微粒说比较适合。真空间隙的击穿主要与真空间隙距离、真空度、触头真空间隙的击穿主要与真空间隙距离、真空度、触头(电极电极)材料、触头表面状况等因素有关。材料、触头表面状况等因素有关。2真空绝缘的真空绝缘的“老炼老炼”作用作用一个新的真空间隙在进行试验时，最初的击穿电压值一个新的真空间隙在进行试验时，最初的击穿电压值往往较低，随着试验次数增

134、多，击穿电压渐增，而且会往往较低，随着试验次数增多，击穿电压渐增，而且会最后稳定在一定值上。这种绝缘强度因放电过程而增大最后稳定在一定值上。这种绝缘强度因放电过程而增大的现象就是的现象就是“老炼老炼”作用。作用。“老炼老炼”就是消除电极表面的微观凸起、杂质的缺陷就是消除电极表面的微观凸起、杂质的缺陷的过程，的过程，“老炼老炼”对电极表层材料的纯化作用是很重要对电极表层材料的纯化作用是很重要的。如果在的。如果在“老炼老炼”过程中保持抽气，把蒸发的气态产过程中保持抽气，把蒸发的气态产物抽走、则可以获得更纯净的真空间隙及电极表面，这物抽走、则可以获得更纯净的真空间隙及电极表面，这对提高间隙长期稳定的

135、绝缘强度是很有效的。对提高间隙长期稳定的绝缘强度是很有效的。 .(二二)真空电弧的特性真空电弧的特性真空中的电弧与气体中的电弧有本质的不同。在气体真空中的电弧与气体中的电弧有本质的不同。在气体电弧中，是气体被游离产生载电粒子，在真空中，电极电弧中，是气体被游离产生载电粒子，在真空中，电极间气体非常稀薄，不存在气体游离的问题，弧柱中存在间气体非常稀薄，不存在气体游离的问题，弧柱中存在的载电粒子，主要来自金属蒸气分子的游离。因此真空的载电粒子，主要来自金属蒸气分子的游离。因此真空电弧实质上是金属蒸气中的电弧，它的性质视电极材料电弧实质上是金属蒸气中的电弧，它的性质视电极材料的不同而有差异。的不同而

136、有差异。真空电弧有两种类型，即扩散型与集聚型。一般地说，真空电弧有两种类型，即扩散型与集聚型。一般地说，扩散型电弧的电弧电流小于几千安扩散型电弧的电弧电流小于几千安(小电流小电流)，当电流超，当电流超过几千安过几千安(大电流大电流)，即发展为集聚型电弧。在同一真空，即发展为集聚型电弧。在同一真空间隙中，电弧电流变化时，这两种类型电弧的转换与电间隙中，电弧电流变化时，这两种类型电弧的转换与电极材料、电极大小及形状有关，也与电流变化率及外界极材料、电极大小及形状有关，也与电流变化率及外界磁场有关。磁场有关。1扩散型电弧扩散型电弧(小电流电弧小电流电弧)的物理特性的物理特性 .扩散型电弧一般存在于电

137、弧电流小于几千安时。对于铜扩散型电弧一般存在于电弧电流小于几千安时。对于铜电极，当电弧电流小于电极，当电弧电流小于l00A时，通常阴极上只有一个阴时，通常阴极上只有一个阴极斑点，弧隙中只有一个电弧。电弧呈圆锥形锥顶即极斑点，弧隙中只有一个电弧。电弧呈圆锥形锥顶即阴极斑点，不存在阳极斑点，此电弧在电极表面上随机阴极斑点，不存在阳极斑点，此电弧在电极表面上随机运动。试验表明：阴极斑点由于面积很小，电流密度很运动。试验表明：阴极斑点由于面积很小，电流密度很大，其温度可达电极材料的沸点。它不仅向弧隙蒸发大大，其温度可达电极材料的沸点。它不仅向弧隙蒸发大量的金属蒸气、而且同时喷射大量的电子和正离子，形量

138、的金属蒸气、而且同时喷射大量的电子和正离子，形成一股喷射力很强的等离子流。真空电弧即是依靠这些成一股喷射力很强的等离子流。真空电弧即是依靠这些金属蒸气和等离子流而存在的。金属蒸气和等离子流而存在的。当电弧电流增大时，扩散型电弧分裂成许多并联的支弧。当电弧电流增大时，扩散型电弧分裂成许多并联的支弧。每一支弧都有自己的阴极斑点和弧锥，相邻的弧锥可以每一支弧都有自己的阴极斑点和弧锥，相邻的弧锥可以部分地重叠。这些支弧的阴极斑点大致均匀地散布在电部分地重叠。这些支弧的阴极斑点大致均匀地散布在电极表面上，同时由电极中心沿半径方向向电极边缘运动。极表面上，同时由电极中心沿半径方向向电极边缘运动。当某一支弧

139、到达电极边缘后，它便熄灭，随之电极中心当某一支弧到达电极边缘后，它便熄灭，随之电极中心部分的某一支弧又分裂出一个支弧来进行补充。部分的某一支弧又分裂出一个支弧来进行补充。.正因为这种形态的真空电弧具有如此的运动特性，所正因为这种形态的真空电弧具有如此的运动特性，所以被称为扩散型。当电弧电流为交流时，由于电流随时以被称为扩散型。当电弧电流为交流时，由于电流随时间变化，支弧数也随时间变化。间变化，支弧数也随时间变化。扩散型真空电弧的弧锥中气压很低，从阴极斑点喷射扩散型真空电弧的弧锥中气压很低，从阴极斑点喷射出来的正离子和电子几乎可以不受碰撞地到达阳极，所出来的正离子和电子几乎可以不受碰撞地到达阳极

140、，所以弧锥中的电压降很小，一般扩散型真空电弧的电弧电以弧锥中的电压降很小，一般扩散型真空电弧的电弧电压仅为几十伏。压仅为几十伏。扩散型真空电弧的伏安特性表现为正特性，即随着扩散型真空电弧的伏安特性表现为正特性，即随着电流的增大，电弧电压缓慢上升。电流的增大，电弧电压缓慢上升。如果对扩散型真空电弧加上一横向磁场如果对扩散型真空电弧加上一横向磁场(即磁场方向与即磁场方向与电弧轴线垂直电弧轴线垂直)，可以看到一奇特现象，即电弧不是按，可以看到一奇特现象，即电弧不是按通常的通常的“左手定则左手定则”运动，而是向相反的方向运动。此运动，而是向相反的方向运动。此现象称为现象称为“反向运动反向运动”或或“逆

141、动现象逆动现象”。扩散型电弧的阳极只起接收电子的作用，没有阳极斑扩散型电弧的阳极只起接收电子的作用，没有阳极斑点。点。.2集聚型电弧集聚型电弧(大电流电弧大电流电弧)的物理特性的物理特性当电弧电流增大到超过一定值当电弧电流增大到超过一定值(例如铜电极约为例如铜电极约为10000A)时真空电弧的各个支弧将不再向电极四周扩时真空电弧的各个支弧将不再向电极四周扩散，而是开始向中心聚拢，最后成为只有一个阴极斑点散，而是开始向中心聚拢，最后成为只有一个阴极斑点的电弧，集聚后的阴极斑点以很小的速度随机运动或者的电弧，集聚后的阴极斑点以很小的速度随机运动或者不运动。触头的电腐蚀速度迅速上升，阳极出现斑点，不

142、运动。触头的电腐蚀速度迅速上升，阳极出现斑点，它和阴极斑点此时不仅同样蒸发金属蒸气和喷射等离子它和阴极斑点此时不仅同样蒸发金属蒸气和喷射等离子流，甚至可能直接向弧隙喷射金属颗粒或液滴，因而使流，甚至可能直接向弧隙喷射金属颗粒或液滴，因而使弧隙中金属蒸气和等离子体密度大大增大，气压大大升弧隙中金属蒸气和等离子体密度大大增大，气压大大升高，电弧电压也突然上升。此时电弧的外形和特性基本高，电弧电压也突然上升。此时电弧的外形和特性基本上已和高气压下的电弧相同，这通常称为集聚型电弧。上已和高气压下的电弧相同，这通常称为集聚型电弧。真空电弧一旦变成集聚型，如果不采取其他特殊措施，真空电弧一旦变成集聚型，如

143、果不采取其他特殊措施，则因弧隙中带电粒子密度很高，在电流过零后来不及扩则因弧隙中带电粒子密度很高，在电流过零后来不及扩散，以及阴极斑点熔区厚度较深来不及冷却，还可能发散，以及阴极斑点熔区厚度较深来不及冷却，还可能发射金属蒸气和带电粒子，造成弧隙的介质恢复强度上升射金属蒸气和带电粒子，造成弧隙的介质恢复强度上升慢而不能熄弧。慢而不能熄弧。.所以对一般触头可以认为，真空电弧由扩散型转变所以对一般触头可以认为，真空电弧由扩散型转变为集聚型的电流就是弧隙的极限开断电流。为集聚型的电流就是弧隙的极限开断电流。试验表明，当在真空弧隙中加上与电流轴线方向一致试验表明，当在真空弧隙中加上与电流轴线方向一致的纵

144、向磁场后，如果选择的磁通密度适当，则弧隙的开的纵向磁场后，如果选择的磁通密度适当，则弧隙的开断性能将在下列两个方面有很大改善。即断性能将在下列两个方面有很大改善。即电弧电压大电弧电压大为降低，从而使触头的电腐蚀速率大大减小。为降低，从而使触头的电腐蚀速率大大减小。电弧由电弧由扩散型转变为聚集型的电流增大，致使弧隙的开断电流扩散型转变为聚集型的电流增大，致使弧隙的开断电流增大。增大。(三三)真空灭弧的基本原理与灭弧空结构真空灭弧的基本原理与灭弧空结构1真空交流电弧过零后的介质强度恢复真空交流电弧过零后的介质强度恢复真空交流电弧的熄灭与其他交流电弧一样，主要决定真空交流电弧的熄灭与其他交流电弧一样

145、，主要决定于电流过零后弧隙介质强度的恢复。真空电弧电流过零于电流过零后弧隙介质强度的恢复。真空电弧电流过零后介质强度的恢复速度与下列情况有关：后介质强度的恢复速度与下列情况有关：过零瞬间，过零瞬间，弧隙中的蒸气密度；弧隙中的蒸气密度；电流过零后，电弧的热状态，也电流过零后，电弧的热状态，也即继续发射蒸气及带电粒子的能力。即继续发射蒸气及带电粒子的能力。.扩散型电弧表面温度很低，同时由于阴极斑点在电极表扩散型电弧表面温度很低，同时由于阴极斑点在电极表面上迅速扩散运动，它所经过的地点加热时间短，熔区厚面上迅速扩散运动，它所经过的地点加热时间短，熔区厚度不深，在交流电流过零时，这些区域基本上已不再喷

146、射度不深，在交流电流过零时，这些区域基本上已不再喷射金属蒸气和带电粒子，加上灭弧室中真空本身具有使弧隙金属蒸气和带电粒子，加上灭弧室中真空本身具有使弧隙中金属蒸气和带电粒子迅速扩散的作用，所以，真空弧隙中金属蒸气和带电粒子迅速扩散的作用，所以，真空弧隙在交流电流过零后，在极短的时间内（在交流电流过零后，在极短的时间内（(us级级)微秒级）就微秒级）就可以建立起很高的介质恢复强度，使电弧不致重燃。可以建立起很高的介质恢复强度，使电弧不致重燃。集聚型电弧特造成弧隙的介质恢复强度上升缓慢，不容集聚型电弧特造成弧隙的介质恢复强度上升缓慢，不容易熄弧。易熄弧。2横向磁场与纵向磁场中真空电弧的熄灭特性横向

147、磁场与纵向磁场中真空电弧的熄灭特性如果不采取提高灭弧能力的措施，真空开关的开断能力如果不采取提高灭弧能力的措施，真空开关的开断能力也是有限的。例如铜电极的开断能力只能达到也是有限的。例如铜电极的开断能力只能达到8kA15kA。为了提高真空开关的开断能力，目前在真空断路。为了提高真空开关的开断能力，目前在真空断路器中采用的灭弧原理有：器中采用的灭弧原理有：.（1）垂直于电弧弧柱方向加一横向磁场，使电弧弧根）垂直于电弧弧柱方向加一横向磁场，使电弧弧根不断地在电极上运动，而不停止在一处燃烧。这时，即不断地在电极上运动，而不停止在一处燃烧。这时，即使出现集聚型电弧，它的温度以及在电极上烧熔的面积使出现

148、集聚型电弧，它的温度以及在电极上烧熔的面积和深度都将大大地降低。使阳极斑点的冷却时间常数由和深度都将大大地降低。使阳极斑点的冷却时间常数由几毫秒甚至几十毫秒降至十分之几毫秒。这样，在电流几毫秒甚至几十毫秒降至十分之几毫秒。这样，在电流过零期间，由阳极斑点发射的金属蒸气和带电粒子大为过零期间，由阳极斑点发射的金属蒸气和带电粒子大为减少，而且冷却快，可以提高弧后介质恢复速度，阻止减少，而且冷却快，可以提高弧后介质恢复速度，阻止零后电弧重燃。零后电弧重燃。电弧受横向磁场的作用不断地运动，冷却作用加强，也电弧受横向磁场的作用不断地运动，冷却作用加强，也可以便电流由幅值降到零值时，电弧由集聚型向扩散型可

149、以便电流由幅值降到零值时，电弧由集聚型向扩散型的转变加快，使在过零期间，电弧早已处于扩散型状态。的转变加快，使在过零期间，电弧早已处于扩散型状态。.(2)顺着弧柱的方向加一着弧柱的方向加一纵向磁向磁场，提高，提高产生阳极斑生阳极斑点的点的临界界电流，降低流，降低电弧弧电压，阻止阳极斑点的出，阻止阳极斑点的出现。纵向磁向磁场可以使弧柱中运可以使弧柱中运动的的电子沿着子沿着Larmor半径半径R(由下式确定由下式确定)的螺旋的螺旋轨迹向阳极运迹向阳极运动。其中其中m为电子的子的质量；量；q为电子的子的电荷；荷；B为磁通密度；磁通密度；v0为电子的初速度；子的初速度；为发射角。射角。实际上，由于密度

150、差而引起的上，由于密度差而引起的扩散，不是所有的散，不是所有的电子完子完全限制在全限制在这样一个小范一个小范围内，而是加上内，而是加上纵向磁向磁场后，原来后，原来在小在小电流流时分散的，分散的，圆锥形的独立弧柱各自都被收形的独立弧柱各自都被收缩为圆柱形的柱形的细弧柱，而且弧柱，而且这些弧柱中心些弧柱中心电子密度大。同子密度大。同时，由，由于离子的于离子的质量量较大。在同大。在同样的磁通密度下，的磁通密度下，Larmor半径半径较大，亦即大，亦即对离子的运离子的运动轨迹影响不大，但由于弧柱中心迹影响不大，但由于弧柱中心电子密度大，子密度大，产生一个径向磁生一个径向磁场，吸收正离子到，吸收正离子到

151、电子周子周围.形成多个圆柱形弧柱的分支。这样使阳极附近的电子减形成多个圆柱形弧柱的分支。这样使阳极附近的电子减少，阳极压降降低，阻止阳极斑点的形成，提高阳极斑少，阳极压降降低，阻止阳极斑点的形成，提高阳极斑点出现的临界电流，提高了断路器的开断能力。点出现的临界电流，提高了断路器的开断能力。3真空灭弧室的基本结构真空灭弧室的基本结构图图2.37为真空断路器灭弧室的一种结构形式，灭弧室的为真空断路器灭弧室的一种结构形式，灭弧室的主体是一个抽真空而密封的玻璃或陶瓷外壳主体是一个抽真空而密封的玻璃或陶瓷外壳3，外壳的，外壳的中间部分与可阀环中间部分与可阀环7焊接成一个整体，灭弧室的气体压焊接成一个整体，灭弧室的气体压力在力在102Pa以下。以下。屏蔽罩屏蔽罩5焊在可阀环上，静触头焊在可阀环上，静触头6焊在导电杆上，静导电焊在导电杆上，静导电杆焊在右端盖上，端盖又与外壳焊在一起。动触头杆焊在右端盖上，端盖又与外壳焊在一起。动触头4焊焊在动导电杆在动导电杆1上，动导电杆与波纹管上，动导电杆与波纹管2一端焊牢，波纹管一端焊牢，波纹管的另一端与左端盖焊接，左端盖又与外壳焊在一起。为的另一端与左端盖焊接，左端盖又与外壳焊在一起。为了不使金属蒸汽凝结到纹管上，波纹管外也套有屏蔽罩，了不使金属蒸汽凝结到纹管上，波纹管外也套有屏蔽罩，左端盖上装有均压环。左端盖上装有均压环。.