断路器原理、运行、检修

2 断路器原理、运行、检修和维护
断路器
第一节高压断路器的原理与选择
据统计在发电厂和变电所中，每一万千瓦发电设备需100—120台高压断路器，400—500台隔离开关和其它相应的高压电器配套没备。

可见，高压断路器是主系统的重要设备之一。

高压断路器的主要功能是：正常运行时，用它来倒换运行方式，把设备或线路接入电路或退出运行，起着控制作用；当设备或线路发生故障时，能快速切除故障回路、保证无故障部分正常运行，能起保护作用。

高压断路器是开关电器中最为完善的一种设备。

其最大特点是能断开电路中负荷电流和短路电流。

因此，在运行中其开断能力是标志性能的基本指标。

所谓开断能力，就是指断路器在切断电流时熄灭电弧的能力，以保证顺利地分、合电路的任务。

一、电弧
(一) 电弧的产生与熄灭
用开关电器切断有电流通过的线路时，只要电源电压大于10—20V，电流大于80—100mA，在开关电器的动、静触头分离瞬间，触头间就会出现电弧。

此时，触头虽已分开，但是电路中的电流还在继续流通。

只有电弧熄灭，电路才被真正断开。

这说明电弧是导电的。

电弧之所以能形成导电通道，是因为电弧弧柱中出现了大量自由电子的结果。

触头周围的介质是绝缘的，电弧的产生，说明绝缘介质变成了导电的，发生了物态的转化。

任何—种物质都有三态，即固态、液态和气态。

这三态随着温度的升高而改变。

当物质变为气态后，若温度再升高，一般要到5000℃以上，物质就会转化为第四态，即等离子体态。

任何等离子体态的物质都是以离子状态存在的，具有导电的特性。

因此，电弧的形成过程就是介质向等离子体态的转化过程。

那么，在高压断路器动、静触头分开后，电弧最初是如何形成的呢?等离子体态的高温又是怎样提供能量的?
电弧的产生和维持是，触头间中性质点(分子和原子)被游离的结果，游离就是中性质点转化为带电质点。

从电弧形成过程来看，游离过程主要有以下四种形式：
(1)强电场发射当触头刚分开时，触头间距离s很小，虽然触头间电压U不一定很高，则可能产生很强的电场强度E(E=U/S)。

如果电场强度超过3 ×10－6V／m以上，阴
极表面的电子就会被电场力拉出而形成触头空间的自由电子。

这种游离方式称为强电场发射，也是在弧隙间最初产生电子的原因。

(2)热电子发射触头是由金属材料做成的，在常温下，金属内部就存在有大量运动着的自由电子。

随着温度的升高，自由电子能量增加，运动加剧，有的电子就会跑出金属表面，形成热电子发射。

特别是电弧形成后，弧隙间的高温使阴极表面受热会出现强烈的炽热点，不断地发射出电子，在电场力作用下，向阳极作加速运动。

(3)碰撞游离阴极表面发射出的电子和弧隙中原有的少数电子在电场作用下，向阳极方向运动，不断地与其它粒子(如气体原子、分子)、发生碰撞。

只要电子的运动速度v足够高，电子的动能A=1/2mv2大于原子或分子的游离能，则在电子与气体分子或原子碰撞时，就可使束缚在原子核周围的电子释放出来，形成自由电子和正离子，这种现象，就称为碰撞游离。

新产生的电子也向阳极加速运动，同样也会使它所碰撞的中性质点游离。

碰撞游离连续进行就可能导致在触头间充满了电子和离子，它具有很大的电导，在外加电压作用下，触头间介质可能被击穿而形成电弧。

(4)热游离电弧产生之后，弧隙的温度很高，在高温作用下，气体的不规则热运动速度增加。

具有足够动能的中性质点互相碰撞时，又可能游离出电子和正离子，这种现象称为热游离。

一般气体开始发生热游离的温度为9000—10000℃；金属蒸气的游离能较小，其热游离温度约为4000—5000℃。

因为开关电器的电弧中总有一些金属蒸气，而弧心温度总大于4000—5000℃，所以，热游离的强度足可维持电弧的燃烧。

电弧中发生游离的同时，还进行着使带电质点减少的去游离过程，去游离主要形式为复合和扩散。

(1)复合去游离复合是指正离子和负离子互相吸引，结合在一起，电荷互相中和的过程。

两异号电荷要在一定时间内，处在很近的范围内才能完成复合过程，两者相对速度值越大，复合可能性就越小。

因电子质量小，易于加速，其运动速度约为正离子的1000倍，所以电子与正离子直接复合几率很小。

通常，电子在碰撞时，先附在中性质点上形成负离子，速度大大减慢，而负离子与正离子的复合比电子与正离子间的复合容易得多。

加快复合去游离可以加速电弧的熄灭。

一般常采用的加快复合的方法有：拉长电弧，在同样的外加电压下，可以使电场强度E(E=U/S)下降，电子的速度降低。

有利于复合；设法加快对电弧的冷却，降低电弧温度，减小电子的热运动速度，也有利于复合去游离；加大气体介质的压力，提高气体介质的浓度，使得电子的自由行程变小，和正离子相遇机会增多，使其复合机会增加等。

(2)扩散去游离扩散是指带电质点从电弧内部逸出而进入周围介质中的现象。

扩散去游离有三种形式：其一是浓度扩散，由于弧道中带电质点浓度高，而弧道周围介质中带电质点浓度低，基于存在着浓度上的差别，带电质点将会由浓度高的地方向浓度低的地方扩散，使弧道中的带电质点减少；其二是温度扩散，由于弧道中温度很高，而弧道周围温度低，存在着温度差，这样，弧道中的高温带电质点将向温度低的周围介质中扩散，减少了弧道中的带电质点；其三是用高速冷气吹弧，带走弧道中的带电质点。

扩散出去的带电质点，因受冷却而复合为中性质点。

游离和去游离是电弧燃烧中的两个相反过程，游离过程使弧道中带电离子增加，有助于电弧燃烧；去游离过程能使弧道中带电离子减少，有利于电弧熄灭。

这两个过程的动平衡，将使电弧稳定燃烧。

若游离过程大于去游离过程，将会使电弧愈加强烈地燃烧。

若去游离过程大于游离过程，将会使电弧燃烧减弱，以致最终电弧熄灭。

开关电器中，为了加强灭弧能力，都采用各种措施减弱游离过程。

从等离子体观点来看，也就是控制温度，使触头间的介质，由等离子体态转化为其它物态。

二、高压断路器熄灭交流电弧的基本方法
电弧能否熄灭，决定于电弧电流过零时，弧隙的介质强度恢复速度和系统恢复电压上升速度的竞争。

如果加强弧隙的去游离或减小弧隙电压的恢复速度，都可以促使电弧熄灭。

现代高压开关电器中，广泛采用以下几种方法灭弧：
1．利用灭弧介质
电弧中的去游离强度，在很大程度上取决午电弧周围介质的特性。

如介质的传热能力、介电强度、热游离温度和热容量。

这些参数的数值越大，则去游离作用越强，电弧就越容易熄灭。

氢的灭弧能力是空气的7 .5倍，所以利用变压器油或断路器油作灭弧介质，使绝缘油在电弧的高温作用下分解出氢气(H2约占70％一80％)和其它气体来灭弧；六氟化硫(SF6)是良好的负电性气体，氟原子具有很强的吸附电子的能力，能迅速捕捉自由电子而成为稳定的负离子，为复合创造了有利条件，因而具有很好的灭弧性能，SF6气体的灭弧能力比空气约强100倍；若用真空(气体压力低于133.3×10-4Pa)作为灭弧介质时，在弧隙间自由电子很少，碰撞游离可能性大大减少，况且弧柱对真空的带电质点的浓度差和温度差很大，有利于扩散。

真空的介质强度比空气约大15倍。

因此，采用不同介质可以制造成不同类型的断路器，例如：空气断路器、油断路器、SF6断路器、真空断路器等。

2．采用特殊金属材料作灭弧触头
电弧中的去游离强度，在很大程度上取决于触头材料。

若采用熔点高、导热系数和热
容量大的耐高温金属作触头材料，可以减少热电子发射和电弧中的金属蒸气，抑制游离作用。

同时，触头材料还要求有较高的抗电弧、抗熔焊能力。

常用的触头材料有铜、钨合金和银、钨合金等。

3．利用气体或油吹动电弧
电弧在气流或油流中被强烈地冷却而使复合加强，吹弧也有利于带电离子的扩散。

气体或油的流速越大，其作用越强。

在高压断路器中利用各种结构形式的灭弧室，使气体或油产生巨大的压力并有力地吹向弧隙，使电弧熄灭。

如空气断路器利用充入压力约2.3MPa(即20atm)干燥压缩空气作为吹动电孤的灭弧介质；SF6断路器利用0.304—0.608MPa(即3—6atm)纯净SF6气体作为灭弧介质；油断路器利用油和油在电弧作用下分解出的气体吹动电弧。

吹动的方式有纵吹和横吹等。

吹动方向与弧柱轴线平行的叫纵吹，吹动方向与弧柱轴线垂直的叫横吹。

纵吹主要使电弧冷却变细，最后熄弧；而横吹则把电弧拉长，表面积增大并加强冷却。

在断路器中更多的采用纵、横吹结合的方式，熄弧的效果更好。

此外，在某些高压断路器中，还采用环吹灭弧方式；在低压开关电器中，还采用磁吹熄弧方法。

4．采用多断口熄弧
在高压断路器中，每相采用两个或更多的断口串联，在熄弧时，断口把电弧分割成多个小电弧段，在相等的触头行程下，多断口比单断口的电弧拉长了，从而增大了弧隙电阻，而且电弧被拉长的速度，即触头分离的速度也增加，加速了弧隙电阻的增大，同时，也增大了介质强度的恢复速度。

由于加在每个断口的电压降低，使弧隙恢复电压降低，亦有利于熄灭电弧。

在低压开关电器中，广泛采用灭弧栅装置，也就是利用把长弧变成短弧进行灭弧的。

5．拉长电弧并增大断略器触头的分离速度
迅速拉长电弧，可使弧隙的电场强度骤降，同时，使电弧的表面突然增大，有利于电弧的冷却和带电质点向周围介质中扩散，使热游离作用削弱，加强了离子的复合速度，从而加速电弧的熄灭。

为此，在高压断路器中都装有强有力的断路弹簧，以加快触头的分断速度。

高压断路器分闸速度的快慢，通常由开断时间来衡量，它包括断路器固有动作时间和燃弧时间两部分。

当开断时间大于0.12s者，称为低速断路器；小于0.08s者为高速断路器；在0.08—0.12s之间者称为中速断路器。

以上所述高压断路器的常用熄弧方法，在实际设备中，常常是根据具体情况，综合地利用某几种灭弧方法来达到迅速灭弧的目的。

三、断路器的种类和选型
按照断路器采用的灭弧介质和灭弧方式，一般可分为：多油式断路器、少油式断路器、
压缩空气断路器、SF6断路器、真空断路器等，其主要特点如表所示。

表5—1 高压断路器分类及其主要特点
一般断路器在实用中的选型，下表可作参考。

断路器安装使用场所选型参考表
高压断路器的操动机构，大多数是由制造厂配套供应，仅部分少油断路器有电磁式、弹簧式或液压式等几种型式的操动机构可供选择。

一般电磁式操动机构需配专用的直流合闸电源，但其结构简单可靠；弹簧式结构比较复杂，调整要求较高；液压操动机构加工精度要求较高。

操动机构的型式，可根据安装调试方便和运行可靠性进行选择。

第二节关于断路器的运行和检修
1.断路器的学习内容有哪些?
答：学习内容：①断路器的本体结构(开关的组成)。

②断路器的动力机构及辅助设备的作用。

③灭弧介质(SF6)辅助系统的构成及作用。

④断路器现场控制柜内各小开关、把手、表计及主要继电器等的作用。

⑤断路器控制回路。

⑥断路器的运行规定。

⑦断路器的大、小修。

⑧断路器的巡视。

⑨断路器的验收。

⑩断路器常见的故障或异常运行及处理。

2.什么是断路器?
答：断路器是指能开断、关合和承载运行线路的正常电流，并能在规定时间内承载、关
合和开断规定的异常电流(如短路电流)的电器设备，通常也称为开关。

按照IEC标准的
定义是指：所设计的分、合装置应能关合、导通和开断正常状态电流，并能在规定的短
路等异常状态下，在一定时间内进行关合、导通和开断。

其附注中又规定：通常使用的
断路器分合频率应不大，但某种特殊形式的断路器也可用于频繁分合
3.高压断路器有哪些实用形式？
答：断路器根据其灭弧原理可分为自动产气、磁吹、多油、少油、压缩空气、真空和六氟化硫等类型，其操动机构有手动、电磁、弹簧、气动和液压等多种类。

目前使用较多的是少油、真空和六氟化硫三种型式。

4.什么叫油断路器?
答：油断路器是指用变压器油作为灭弧和绝缘介质的断路器。

通常，油断路器可分为少油断路器和多油断路器两类。

油断路器是最早出现且使用最多的一种断路器。

第一台简单开断的油断路器出现在19世纪末的1895年。

5.什么叫磁吹断路器？
答：磁吹断路器是指利用磁场对电弧的作用，使电弧吹进灭弧栅内，电弧在固体介质灭弧栅的狭沟内加快冷却和复合而熄灭的断路器。

由于电弧在灭弧栅内是逐渐拉长的，所以灭弧电压不会太高，这是这种断路器的特点之一。

6.什么叫真空断路器?
答：触头在高真空中关合和开断的断路器称之为真空断路器。

真空断路器具有很多优点，如开距短，体积小，重量轻，电寿命和机械寿命长，维护少，无火灾和爆炸危险等，因此近年来发展很快，特别在中等电压领域内使用很广泛，是配电开关无油化的最好换代产品。

7.什么是SF6断路器？
答：SF6断路器是采用SF6气体作灭弧和绝缘介质的断路器。

SF6断路器开断能力强，开断性能好，电气寿命长，单断口电压高，结构简单，维护少，因此在各个电压等级尤其是在高电压领域得到了越来越广泛的使用。

8.高压断路器的型号代表什么意义?
答：高压断路器的全部型号由4部分组成，意义如下：
(1)第一个拼音文字表示断路器的种类：S—少油；D—多油；K—压缩空气；Z—真空；L
—六氟化硫；Q—自产气；C—磁吹。

(2)第二个拼音文字表示使用场合，即：N—户内；W—户外。

(3)用数字依次表示设计序列、额定电压、额定电流和额定开断电流。

(4)用1个拼音文字，用来表示某种特殊性能，如G—改进型，D—增容，W—防污，Q—
耐振。

9.高压断路器操作机构的型号代表什么意义?
答：高压断路器操作机构由4部分组成，意义如下：
(1)第一个汉语拼音字母为代表操动机构(即C)。

(2)第二个字母代表机构的类型，如S—手动，D—电磁，J—电动机，T—弹簧，Q—气
动，Z—重锤，Y—液压。

(3)用一位数字代表设计序列。

(4)用数字代表最大合闸力矩及其他特征标志。

10.断路器主要技术参数的含义是什么?
答：(1)额定电压(kV)。

指断路器正常工作时，系统的额定(线)电压。

这是断路器的标称电压，断路器应能保持在这一电压的电力系统中使用，最高工作电压可超过额定电压15％。

(2)额定电流(kA)。

指断路器在规定使用和性能条件下可以长期通过的最大电流(有效
值)。

当额定电流长期通过高压断路器时，其发热温度不应超过国家标准中规定的数值。

(3)额定(短路)开断电流(kA)。

指在额定电压下，断路器能可靠切断的最大短路电流周
期分量有效值，该值表示断路器的断路能力。

(4)额定峰值耐受(动稳定)电流(kA)。

指在规定的使用和性能条件下，断路器在合闸位
置时所能承受的额定短时耐受电流第一个半波达到电流峰值。

它反映设备受短路电流引起的电动效应能力。

(5)额定短时耐受(热稳定)电流(kA)。

指在规定的使用和性能条件下，在额定短路持续
时间内，断路器在合闸位置时所能承载的电流有效值。

它反应设备经受短路电流引起的热效应能力。

(6)额定短路关合电流(kA)。

指在规定的使用和性能条件下，断路器保证正常关合的最
大预期峰值电流。

(7)分闸时间(ms)：断路器分闸时间是指从接到分闸指令开始到所有极弧触头都分离瞬
间的时间间隔。

在以前的有关标准中，分闸时间又称为固（有）分（闸）时间。

(8)开断时间(ms)。

指断路器从分闸线圈通电(发布分闸命令)起至三相电弧完全熄灭为
止的时间。

开断时间为分闸时间和电弧燃烧时间(燃弧时间)之和。

(9)合闸时间(ms)。

合闸时间是指从合闸命令开始到最后一极弧触头接触瞬间的时间间
隔。

在以前的有关标准中，合闸时间又称为固（有）合（闸）时间。

(10)金属短接时间(ms)。

指断路器在合闸操作时从动、静触头刚接触到刚分离时的一段
时间。

这个时间如果太长，则当重合于永久故障时持续时间长，对电网稳定不利；如果
太短，会影响断路器灭弧室断口间的介质恢复，而导致不能可靠地开断。

(11)分(合)闸不同期时间(ms)。

指断路器各相间或同相各断口间分(合)的最大差异时
间。

(12)额定充气压力(表压，MPa)。

指标准大气压下设备运行前或补气时要求充人气体的
压力。

(13)相对漏气率(简称漏气率)。

指设备(隔室)在额定充气压力下，在一定时间间隔内测
定的漏气量与总气量之比，以年漏百分率表示。

(14)无电流间隔时间(ms)。

指由断路器各相中的电弧完全熄灭到任意相再次通过电流为
止的所用时间。

11.高压断路器的额定操作顺序是什么?操作循环和操作顺序有什么不同含义?
答：额定操作顺序分为两种，一为自动重合闸操作顺序，即分—θ—合分—t—合分；
另一种为非自动重合闸操作顺序，即分—t—合分—t—合分(或合分—t—合分)。

对于第一种顺序，θ为无电流时间，取值0.3s或0.5s，t为强送时间，取180s。

对于第二种顺序，通常取t为15s。

如有必要，断路器可分别标出不同操作顺序下对应的开断能力。

由此可见，操作顺序是指在规定时间间隔内的一连串规定的操作。

操作循环是指从一个位置转换到另一个位置，并再返回到初始位置的连续操作。

操作顺序实际上是指规定的额定操作顺序，如短路电流开断试验就是规定按额定操作顺序进行。

操作循环具体就是指合分或分合操作，如机械试验时应包括主回路不加电压和电流情况下所进行的数千次的操作循环，在操作循环总数中，约有10％为“合—分”操作。

12.重合闸操作中，无电流时间和合分时间的意义是什么?
答：无电流时间是指断路器在自动重合闸过程中，从断路器所有极的电弧最终熄灭到随后重新合闸时任何一极首先通过电流时为止的时间间隔。

在额定重合闸操作顺序中，无电流时间取为0.3s，但实际上无电流时间可以因予击穿时间和燃弧时间的变化以及系统运行条件的不同而不尽相同。

合分时间又称金属短接时间，在合闸操作过程中从首合相触头接触瞬间起到随后的分闸时所有相中弧触头都分离瞬间为止的时间间隔。

金属短接时间的长短要满足断路器自卫能力的要求，原则上应大于其分闸时间和予击穿时间之和。

13.高压断路器的绝缘结构主要由哪几部分组成?
答：高压断路器的绝缘结构主要由导电部分对地、相间和断口间等三部分绝缘组成。

少油、空气和瓷柱式SF6断路器等的对地绝缘主要由支柱或支持瓷套、绝缘拉杆及相应的液体、气体介质所构成。

多油断路器和落地罐式SF6断路器的对地绝缘包括套管、绝缘拉杆和液体、气体介质。

共箱式断路器的相间绝缘主要是变压器油或SF6气体，而分箱式则为空气绝缘介质。

断口绝缘包括气体或液体介质以及相应的灭弧绝缘筒及瓷套等。

14.真空断路器由哪些部分构成?
答：真空断路器是由真空灭弧室、保护罩、动触头、静触头、导电杆、分合操作机构、支持绝缘子、支持套管、支架等构成。

15.真空灭弧室的结构及各部件的作用是什么?
答，：真空灭弧室由真空容器、动触头、静触头、波形管、保护罩、法兰、支持件等构成。

其作用是：
(1)动触头。

在绝缘杆与分合操作机构的控制下完成真空断路器的分、合操作。

真空灭弧室触头结构可分为非磁吹和磁吹两大类，主要的实用品种有：圆柱状触头；横磁吹触头；纵向磁吹触头。

(2)保护罩。

吸收灭弧过程中的金属蒸气微粒。

(3)法兰、支持件。

起连接、支撑作用。

16.真空断路器的真空指的是什么?
答：真空是相对而言的，指的是绝对压力低于一个大气压的气体稀薄空间。

绝对真空是指绝对压力等于零的空间，这是理想的真空，在目前世界上还不存在。

用真空度来表示真空的程度，也就是稀薄气体空间的绝对压力值，单位为帕(Pa)。

绝对压力越低，则真空度越高。

根据试验，要满足真空灭弧室的绝缘强度，真空度不能低于6.6×10－2Pa。

工厂制造的新真空灭弧室要达到7.5×10－4 Pa以下。

17.弹簧操动机构有哪些特点?
答：弹簧操动机构是采用事先储存在弹簧内的势能作为驱动断路器合闸的能量。

主要特点有：
(1)不需要大功率的储能源，紧急情况下也可手动储能，所以其独立性和适应性强，可在各种场合使用。

(2)根据需要可构成不同合闸功能的操作机构，用于10—220kV各电压等级的断路器中。

(3)动作时间比电磁机构的快，因此可以缩短断路器的合闸时间。

(4)缺点是结构比较复杂，机械加工工艺要求比较高。

其合闸力输出特性为下降曲线，与断路器所需要的呈上升的合闸力特性不易配合好。

合闸操作时冲击力较大，要求有较好的缓冲装置。

18.弹簧机构中的合闸储能弹簧有哪几种结构型式?
答：(1)压簧。

压簧在缠绕时，各圈之间应预留一定间隙，工作时主要承受压力。

弹簧两端的几圈叫支撑圈或叫死圈。

(2)拉簧。

拉簧采用密绕而成，各圈之间不留一定间隙，弹簧两端一般采用加工成挂钩或螺纹拧入式接头。

当采用拧入式接头时，凡是接头拧人的圈数都叫死圈。

死圈一般不得少于3圈。

(3)扭簧。

要制造储存能量大的扭簧，加工比较困难，所以目前国产弹簧操动机构还未采用过这种形式，但国外产品已大量采用。

19.弹簧操动机构为什么必须装有“未储能信号”及相应的合闸回路闭锁装置? 答：由于弹簧机构只有当它已处在储能状态后才能合闸操作，因此必须将合闸控制回路经弹簧储能位置开关触点进行连锁。

弹簧未储能或正在储能过程中均不能合闸操作，并且要发出相应的信号。

另外，在运行中，一旦发出弹簧未储能信号，就说明该断路器不具备一次快速自动重合闸的能力，应及时进行处理。

20.选用气体作绝缘和灭弧介质比选用液体有哪些优点?
答：气体绝缘介质与液体和固体相比有比较明显的优越性。

(1)导电率极小，实际上没有介质损耗。

(2)在电弧和电晕作用下产生的污秽物很少，不会发生明显的残留变化，自恢复性
能好。

在均匀或稍不均匀电场中，气体绝缘的电气强度随气体压力的升高而增加，故可根据需要选用合适的气体压力。

21.SF6气体的基本特性是什么?
答：(1)物理性质。

SF6为无色、无味、无毒、不易燃烧的惰性气体，具有优良的绝缘性能，且不会老化变质，比重约为空气的5.1倍，在标准大气压下，—62℃时液化。

(2)化学性质。

SF6是一种极不活泼的惰性气体，具有很高的化学稳定性。

在一般情
况下，根本不发生化学变化，与氧气之类的各种气体，水分以及碱性之类的各种化学药品均不反应。

所以，在常规使用情况下，完全不会使材料劣化。

但是在高温和放电的情况下，就有可能发生化学变化，产生含有S或F的有毒物质，即可与各种。