城市轨道交通变电所中的一次设备-断路器

第三章城市轨道交通变电所中的一次设备一、断路器概述

1、断路器的作用断路器是电力系统及牵引供电系统中的最重要的一种开关电器。它具有两方面的作用：一是控制作用，即根据电力系统的运行要求，接通或断开工作电路；二是保护作用，即在电气设备或线路发生故障时，通过继电保护装置及自动装置使断路器动作，将故障部分从电力系统中迅速切除，防止事故扩大，保证电力系统的无故障部分正常运行。2.对高压断路器的基本要求高压断路器工作的好坏，直接影响到电力系统的安全运行。因此，对高压断路器的基本要求是：（1）工作可靠，具有足够的机械强度和良好的稳定性能（2）具有足够的开断能力（3）具有尽可能短的切断时间（4）具有自动重合闸性能（5）结构简单、价格低廉在满足安全、可靠的前提下，高压断路器还应有机构简单、安装、检修方便、体积小、重量轻等优点。3.高压断路器的分类高压断路器种类很多，按其安装地点的不同可分为户内式断路器和户外式断路器两种。按操动机构可分为：电磁式、弹簧式、液压式、气动式等。按其灭弧的不同，可分为：1）油断路器2）真空断路器3）空气断路器，又称压缩空气断路器。4）SF6断路器5）自产气断路器6）磁吹断路器

4.高压断路器的基本参数（1）额定电压UN（kV）（2）额定电流IN（A）（3）额定短路开断电流INbr（kA）（4）额定关合电流INcl（kA）（5）额定热稳定电流It（kA）（6）额定动稳定电流Ies（kA）（7）合闸时间thz（s）（8）全分闸时间tkd（s）

图3-32断路器开断电路时的有关时间(9)额定操作顺序是根据实际运行需要制定的对断路器的断流能力进行考核的一组标准的规定操作。其操作顺序分为无自动重合闸断路器的额定操作顺序和能进行自动重合闸断路器的额定操作顺序两类：无自动重合闸断路器的额定操作顺序。它又分为两种：一种是发生永久性故障断路器跳闸后两次强送电的情况，即“分—180s—合分—180s—合分”；另一种是断路器合闸在永久故障线路上跳闸后强送电一次的情况，即“合分—15s—合分”。能进行自动重合闸断路器的额定操作顺序。该操作顺序为“分—0.3s—合分—180s—合分”。5.高压断路器的型号断路器的类型很多，根据行业标准JB/T8754-2007《高压开关设备和控制设备型号编制方法》的规定，目前我国断路器的型号一般由文字符号和数字按以下方式组成：□□□-□□/□-□其中：第一位表示产品名称：S—少油断路器，D—多油断路器，L—六氟化硫（SF6）断路器，Z—真空断路器，K—压缩空气断路器，Q—自产气断路器，C—磁吹断路器；第二位表示安装地点：N—户内型，W—户外型；第三位表示设计序号，用数字1，2，3，…表示；第四位表示额定电压（或最高工作电压）（kV）；第五位表示补充特性：C—手车式，G—改进型，w—防污型，Q—防震型；第六位表示额定电流（A）；第七位表示额定开断电流（kA）。6.高压断路器的基本结构支持绝缘件操动机构开断元件传动机构基座二、真空断路器

1.关于真空的基本概念真空是指在给定的空间内绝对压力低于一个大气压力的气体状态。人们通常把这种稀薄的气体状态称为真空状态。真空的程度用真空度表示图3-34不同介质的绝缘间隙击穿电压真空中电极间电弧是这样产生的：当触头行将分离前，触头上原先施加的接触压力开始减弱，动静触头间的接触电阻开始增大，由于负荷电流的作用，发热量增加。在触头刚要分离瞬间，动静触头之间仅靠几个尖峰联系着，此时负荷电流将密集收缩到这几个尖峰桥上，接触电阻急剧增大，同时电流密度又剧增，导致发热温度迅速提高，致使触头表面金属产生蒸发。同时微小的触头距离下也会形成极高的电场强度，造成强烈的强电场发射，间隙击穿，继而形成真空电弧。真空电弧一旦形成，就会出现电流密度在104A/cm2以上的阴极斑点，使阴极表面局部区域的金属不断熔化和蒸发，以维持真空电弧。在电弧熄灭后，电极之间与电极周围的金属蒸气迅速扩散，密度快速下降直到零，触头间恢复高真空绝缘状态。真空中的电弧有两种形态，扩散型电弧和集聚型电弧。图3-37电弧的形态（a）扩散型（b）集聚型2.真空断路器的基本结构真空断路器的结构如图3-36所示。它由真空灭弧室（真空泡）、保护罩（屏蔽罩）、动触头、静触头、导电杆、开合操作机构、支持绝缘子、支持套管、支架等构成，其核心是真空灭弧室（真空泡）。

图3-36真空断路器的基本结构真空灭弧室由真空容器（外壳）、触头系统（包括动触头和静触头）、波形管（不锈钢材料）、保护罩（屏蔽罩）、法兰、支持件等构成,如图3-37所示。图3-37真空灭弧室剖视图图3-38各种触头结构形状a）横向磁场杯状触头b）螺旋触头c）线圈型触头d）纵向磁场杯状触头

（a）（b）（c）图3-41螺旋式叶片触头a）纵向剖面图b）动触头顶视图c）横向磁场触头和旋转电弧3、真空断路器的分类由于真空断路器的灭弧室既可以垂直安装，又可以水平安装，还可以选择任意角度进行安装，因此真空断路器有多种多样的总体结构形式。按真空灭弧室的布置方式可分为落地式和悬挂式两种基本形式，以及这两种方式相结合的综合式和接地箱式。（a）落地式（b）悬挂式图3-40真空灭弧室的布置方式4.真空断路器的操作过电压及抑制方法：用真空断路器断开电路时，可能会出现操作过电压，主要形式有：1）截流过电压，所谓截流就是强制交流电流在自然过零前突然过零的现象，由于电路中存在电感，因此会发生过电压；2）切断电容性负载时的过电压，这是因熄弧后间隙发生重击穿而引起的。所以，真空断路器的重击穿几率越小越好；3）高频多次重燃过电压，断路器开断感性电流时，当间隙被击穿后电弧重燃，因电路参数影响，击穿后电流中含有高频分量。当高频分量的幅值很大时，受其影响，间隙被反复击穿，使负载侧的电压不断升高，从而产生较高的过电压。高压真空断路器常用的抑制操作过电压的方法有：1)采用低电涌真空灭弧室。这种灭弧室既可降低截流过电压，又可提高开断能力。2)在负载端并联电容。既可以降低，也可减缓恢复电压的上升陡度。3)在负载端并联电阻和电容。它不仅能降低截流过电压及其上升速度，而且在高频重燃时可使振荡过程强烈衰减，对抑制多次重燃过电压有较好的效果，电阻一般选100～200Ω，电容选0.1～0.2μF。4)串联电感。可降低过电压的上升陡度和幅值。5)安装避雷器。用它限制过电压的幅值。5.真空断路器的特点真空断路器具有体积小、无噪声、无污染、寿命长、可以频繁操作、不需要经常检修等优点，因此特别适合配电系统使用。此外，真空断路器灭弧介质或绝缘介质不用油，没有火灾和爆炸的危险。触头部分为完全密封结构，不会因潮气、灰尘、有害气体等影响而降低其性能，工作可靠，通断性能稳定。灭弧室作为独立的元件，安装调试简单方便。由于它开断能力强、开断时间短，还可以用作其他特殊用途的断路器。三、高压SF6断路器1.SF6气体的基本特性

SF6的分子量为146，它的比重约为空气的5倍，在常温下不易液化。SF6气体是一种无色、无臭、无毒和不可燃的惰性气体，在常温常压下化学性能稳定，具有较高的介电强度，它的绝缘强度是空气的2.5～3倍，是目前最优良的灭弧和绝缘介质。

SF6气体具有很强的灭弧能力，静止的SF6气体的灭弧能力比空气大100倍以上。利用SF6气体吹弧时，在气体压力和吹弧速度都不是很大的情况下，就能在高电压下开断相当大的电流。SF6气体灭弧性能的原因主要是：

1）SF6气体热热量大。

2）SF6气体环境下的电弧能量小。

3）SF6气体分子的负电性强。所谓负电性，是指SF6气体分子极易捕获、吸附自由电子形成低活动性负离子的特性。SF6气体负电性强，加强了去游离，降低导电率。在电弧电流过零后，弧柱温度将急剧下降，分解物急速复合。因此，SF6气体弧隙的介质性能恢复速度很高，能耐受很高恢复电压，电弧在电流过零后不易重燃。SF6气体绝缘性能好的原因主要是：

SF6气体的分子体积大，使得电子的自由行程减小，从而减少碰撞游离的发生。且SF6气体分子又具有负电性，容易俘获电子形成负离子，使电子失去产生碰撞游离的能力，对去游离有利，故绝缘强度高。SF6的绝缘性能稳定，不会老化变质，当气压增大时，其绝缘能力也随之提高，以此可以提高SF6的使用压力来缩小绝缘尺寸和断路器的体积。2.SF6断路器分类

SF6断路器按结构形式可分为落地罐式、瓷柱式和手车式；按灭弧室压力分可分为双压式（复压式）和单压式；按触头工作方式分可分为定开距式和变开距式。

图3-41落地罐式SF6断路器结构1—套管2—支柱绝缘子3—电流互感器4—静触头5—动触头6—喷口工作缸7—检修窗8—绝缘操作杆9—油缓冲器10—合闸弹簧11—操作杆体

图3-42支柱瓷套式SF6断路器的外形结构

高压手车式SF6断路器，适用于三相交流50Hz，35kV，10kV电力系统。可用来分、合额定电流和故障电流，并可用于频繁操作场合，也可作联络断路器和开断关合电容器组断路器。具有结构紧凑、轻巧，检修方便的特点。图3-43是LN2-10型SF6断路器安装在手车上后的外形示意图。图3-43LN2-10型SF6断路器外形示意图1-上接线端；2-绝缘筒；3-下接线端；4-操动机构；5-小车；6-分闸弹簧、四直流断路器直流断路器也称为直流快速断路器。广泛应用于地铁、轻轨、冶金、化工等领域，所有灭磁开关均为直流快速断路器。直流快速断路器是机械式、无极性单极装置，具有电磁吹弧，直接瞬时过电流释放，间接快速释放（可选用在3000A以上），自然空气冷却和电气操作系统等技术。目前，在城轨供电中较为常见的是瑞士赛雪龙公司生产的UR系列（500～4000A）和HPB系列（4500～6000A）的断路器。它是一种双向、单极快速直流空气断路器。图3-5-14为HPB系列断路器的外形，图3-5-15为UR系列断路器的外形，图3-5-16为UR系列与HPB系列应用范围图示。UR和HPB型直流快速断路器特别适用于直流牵引配电网络中，作为接触网和铁轨的保护以及故障区域的隔离。直流断路器的结构直流高速断路器由主电路（包括下部连接、动触头、上部连接、左连接、右连接等组件）、脱扣装置、灭弧罩、闭合装置、辅助触头组成。图3-5-17为直流断路器的结构示意图。直流断路器的工作原理高速断路器有吸合、保持、断开、灭弧、脱扣5种状态五、框架断路器框架式断路器是一种智能型低压断路器，又被称为万能式断路器。其结构特点是有一个钢制