六氟化硫断路器和全封闭组合电器的构造及原理

*六氟化硫断路器和全封闭组合电器的构造及原理户外式六氟化硫断路器800kV罐式六氟化硫断路器**LW3-10型断路器用弹簧操动机构六氟化硫断路器的操动机构*第一节六氟化硫断路器一、概况：中文名称：六氟化硫断路器英文名称：sulfurhexafluoridecircuit-breaker，SF6circuit-breaker其他名称：SF6断路器定义：触头在六氟化硫气体中分合的断路器。上世纪五十年代第一台六氟化硫（SF6）断路器问世；七十年代在改进了灭弧装置、突破了密封结构及水分管理等技术问题后，六氟化硫断路器已成为高压断路器的主要品种之一。截至2010年1月25日，平高电气研制的LW55B-550/Y6300-63型单断口罐式六氟化硫断路器产品已通过了容量试验难度最大、试验验证最关键的T100s和T100a的额定短路开断电流为63kA的开断试验。运行中，六氟化硫断路器产品的电压等级最高可达800kV；单断口电压高达550kV（线电压）。*二、六氟化硫（SF6）断路器的特点：1.利用SF6气体作熄弧和绝缘介质。2.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。*3.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，开断近区故障性能特别好。通常不加并联电阻就能可靠切断各种故障而不产生过电压。（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。4.特殊要求：包括密封、干燥、除水、监视、检验和测试方面。*二、六氟化硫（SF6）断路器的灭弧装置：1.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，如图6-1所示。**SF6断路器工作原理：视频http://www.56.com/u11/v_MzQyOTY4MjY.html*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。2.按灭弧装置不同，分为双压式、单压式和旋弧式三种。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。即“双压→单压式”，亦即“压气式（灭弧室有活塞，原理类似于打气筒）→旋弧式”；*3、双压式SF6断路器及其灭弧装置：（1）.双压式断路器：*（2）.双压式SF6断路器灭弧装置结构示意图。内设高、低压两个气压系统。其中，低压系统主要用作灭弧室的绝缘介质，而高压系统只在灭弧过程中起作用。主阀*（3）SF6断路器工作原理：和压缩空气断路器类同。①触头闭合，整个灭弧装置处于低气压的SF6气体中。②断路器接分闸信号，灭弧室通向高气压系统的主阀打开，高压SF6气体自高压区顺着箭头所示方向进入触头区。触头分离，打开位于动触头上的通道2，给高压气体提供了出路。因此，电弧一经形成就处于SF6气体的气流中，受到强烈冷却而熄灭。③电弧熄灭后，主阀关闭，停止供气。SF6断路器的工作原理与压缩空气断路器的区别是：吹弧时，由高压区进入低压区的SF6气体仍保留在低压区内，俟高压区气压降低或低压区气压上升到一定限度后，再用气泵把低压区的气体打到高压区，形成封闭的自循环系统。*4．单压式灭弧装置：又称压气式灭弧室。（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6-4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。虚线所示为合闸状态的位置。*（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（图6－2）；b双向吹弧方式（图6－3）。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．开孔*（5）单压式断路器开断过程示意图：a压气式断路器开断过程示意图1：*b压气式断路器开断过程示意图2：*（6）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（Polytetrafluoroethene，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。原因：因为上章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。（7）单压式SF6断路器优点：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。*（8）缺点：①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。②为满足压气的要求，需配置大功率的操动机构。*5．旋弧式灭弧装置：（1）根据磁场与电弧运动方式不同,分为径向燃弧式和轴向燃弧式两种。图6-9是径向旋弧式示例。触头分开后产生的电弧在回路电动力的作用下，移至圆筒电极，驱动线圈8被接入电路，则移到圆筒电极处的电弧在驱动线圈轴向磁场作用下快速旋转而熄灭。*（2）旋弧式SF6断路器单极剖面图：*（3）操动机构：采用单压式灭弧装置的SF6断路器配置要求操作功大的操动机构，如开断31.5kA的35kVSF6断路器，要配置与110kV电压级开断电流相当的液压机构。不但体积和外观均不相称，价格上也无法使用户接受，这给SF6断路器在中压电网中的发展带来了困难。而使用旋弧式灭弧装置的SF6断路器，采用磁场驱动电弧使其在SF6中旋转的方法来吹弧，这可以使断路器的合闸功大大下降（BBC的HB型SF6断路器要求的合闸功可下降为原来的1/5），从而使操动机构的结构简化，成本降低。*三、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”型或“Y”型。图6-10为我国生产的LW-220型SF6断路器的单相外形图。断路器每相有两个灭弧断口，其额定电流为2000A，额定开断电流为31.5kA，所用SF6气体的额定压力为556kPa（5.5atm）。金属筒或绝缘筒支柱瓷瓶电工陶瓷“T”型操动机构***优点：耐压水平高，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。（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吧绝缘主要由SF6气体和环氧树脂浇注绝缘子承担。*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。图6-11为550kV罐式断路器的外形图。灭弧装置借支持绝缘子支撑装在充有SF6气体的接地金属罐，导电部分借助充SF6的绝缘套管引出。套管底部可装电流互感器4。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。**550kV罐式断路器*图6-11*第二节高压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，有弹簧操动机构、气动机构、液压机构、液压弹簧机构等。分别由储能单元、控制单元和力传递单元组成。*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，标志此合闸能力的主要指标是操动机构输出的机械功（操作功）。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。分述如下：*二、弹簧操动机构1、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6-12所示。*4、操动机构的组成：弹簧操动机构的结构示意图如图6-13所示，为自能式（压气十热膨胀，由储能机构、传动机构和控制机构（脱扣机构和缓冲器）三部分组成。①分闸位置：图6-13a，分合闸弹簧均未储能。储能时，首先由储能电机驱动棘爪轴13，使两棘爪14交替运动，推动棘轮11顺时针转动；随着棘轮转动，合闸弹簧7被压缩；当棘轮转动180°后，合闸弹簧被压缩至最大压缩量，A销被分闸保持挚子6锁定，完成合闸储能（见图6-13b）。**②合闸操作：合闸电磁铁5的铁心撞击合闸触发器4，使分闸保持挚子6与A销脱扣，棘轮在合闸弹簧的作用下，通过主轴15带动棘轮10顺时针转动，凸轮通过滚轮16使拐臂12逆时针转动，通过传动系统带动触头合闸；同时，压缩分闸弹簧。当合闸到位时，分闸储能也同时完成，如图6-13C所示。拐臂12上的B销被合闸保持挚子l锁定，从而完成合闸操作。一般情况下，合闸操作完成后，储能电机会立即起动，再次进行合闸储能，为下一次合闸或重合闸作准备，再次储能后的位置如图6-13d所示。**③弹簧操动机构的动作时间不受大气和电压变化的影响，保证了合闸性能的可靠性，工作比较稳定，合闸速度较快。由于是采用小功率的交/直流电动机为弹簧储能,因此对电源要求不高。另外，其动作时间和工作行程较短，运行维护较简单。④存在的问题： 输出力的特性与高压断路器的负载特性配合较差； 零件数量多，加工要求高； 随操作功增大，重量显著增加，弹簧的机械寿命大大降低。*⑤解决的办法： a所有旋转部位都使用轴承，机构可靠性极高。机构设计低损耗，实现了大功率、高速化。 b弹簧操动机构采用高性能扭簧。与普通弹簧相比，扭簧具有体积小、弹簧本身运动几乎不需要能量、输出功大、没有应力集中、无金属疲劳的特点。6-14为采用扭簧的弹簧操动机构示意图。** 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、图6-15为操动高压SF6断路器的气动操动机构原理图。3、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。*SF6断路器的分合闸由控制阀3来完成。（1）合闸：控制阀3使圆筒形差动活塞1受压面6上方的压缩空气经控制阀3向外排至大气，压力下降，于是差动活塞受压面5在压缩空气推力作用下向上运动，完成断路器的合闸操作，并使断路器保持在合闸位置。如图6-15a所示。（2）分闸：控制阀3使压缩空气经管道7进入圆筒形差动活塞1上方，由于差动活塞受压面6大于受压面5，压缩空气将推动差动活塞l向下运动，带动断路器的操作杆，完成断路器的分闸操作，并将断路器保持在分闸位置，如图6-14b所示。** 4、气动操动机构中压缩空气的质量对操动机构工作可靠性有重要影响。压缩空气应该干燥，否则潮气太大，会使活塞与气缸 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面锈蚀，妨碍正常工作。活塞、气缸的表面处理也要特别注意。5、缺点：操作时声响大、零部件的加工精度比电磁操动机构高，还需配备空压装置。*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，操作平稳，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，但要求结构材质较高。（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。*3、图6-16示出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。*4、图6-17示出液压机构原理示意图。*五、液压弹簧操动机构1、液压弹簧操动机构是液压与弹簧机构的组合。2、实例：HMB系列液压弹簧机构。ABB公司（集团总部位于瑞士苏黎世，由两个历史100多年的国际性企业－瑞典的阿西亚公司(ASEA)和瑞士的布朗勃法瑞公司(BBCBrownBoveri)在1988年合并而来）开发，将液压机构和弹簧机构作了较完美组合，既发挥了液压机构对大、小功率的广泛适应性和碟簧储能的特点，同时又克服了原液压机构的许多缺点。*3、HMB系列液压弹簧机构特点：采用了模块式结构，通用性高，互换性强。（1）变截面缓冲系统：结构紧凑，使缓冲特性平滑。（2）分合闸速度特性：通过节流孔平滑调节（无级调变）。（3）压力管理：采用定油量和定压力兼容方式，机械特性较稳定，与环境温度无关。相对螺旋形弹簧而言，碟簧的力特性较“硬”，因此运动特性变化较小。采用机械式（分闸）闭锁装置和新型密封系统，性能可靠。（4）组成模块：①充压模块：包括油位指示器、齿轮、电动机、液压泵，以及带过滤器的低压储油箱；②工作模块：有联结法兰、工作缸活塞杆及装有液压活塞或机械联锁装置；③监控模块：含一个反映储能缸状态的限位开关、充压指示器和压力释放阀；④储能模块：包括用一/三只储能缸和一套碟簧组件。碟簧柱片数与操作循环有关。*4、分类：根据机构的功率大小、结构与布置方式的不同,分小功率弹簧液压操动机构和大功率弹簧液压操动机构。（1）小功率弹簧液压操动机构：图6-18为其原理图。①储能：图6-18a中开关处于分闸未储能状态。储能时，由电动机10带动油泵11，将低压储油箱6中油送至储能活塞3左边的高压油腔5中，同时活塞7的下端以及换向阀18右侧均处于高压状态（如图6-18c所示）。储能结束，活塞3使碟簧1沿着拉紧螺栓2压缩，并通过控制联杆15和行程开关16进行切换而停泵。**②合闸：工作缸活塞7上部的油腔在储能状态处于常充压状态，它的下部油腔通过换向阀18与低压油箱6相连。当合闸电磁阀17b左移，活塞下端通过换向阀18，一方面与高压油腔5相连，同时隔断了与油箱6的通路。由于差动活塞的原因，使活塞杆7迅速合闸（如图6-18b所示）。与此同时，碟簧因合闸操作而释放能量，它立即由液压泵补充。由于换向（差动）阀的作用，只要系统维持高压状态，工作活塞7就始终保持在合闸位置。为防万一，利用液压小活塞9作为失压防分闸锁。③分闸：当分闸电磁阀17b动作，使换向阀18右移。这时一方面阻断了活塞下端与高压油腔5的通路，同时又接通了与低压油箱6的通路。活塞7在常高压油的推动下，迅速至分闸位置，如图6-18C所示。*5、图6-19为大功率弹簧液压操动机构原理图。①储能动作：当储能时，三套完全相同的储能活塞9同时向下压缩，迫使支承环8向下运动，使碟簧压缩而储能。储能结束后，在储能活塞9上部油腔、工作塞杆11上部及二级换向阀5（差动阀）下端均充以高压油，如图6-18b所示。②合闸动作：当合闸电磁铁3动作，高压油便进人二级差动阀5上部，由差动力作用被迫下移，此时活塞下端与储能活塞9中高压油连通，在差动力作用下，活塞11迅速向上带动断路器合闸，如图6-18C所示。合闸速度由进口节流孔6调节。合闸终了，活塞尾部的缓冲器将降速至停止。如果二级差动阀上部小油腔有慢渗，这时活塞杆下部的高压油将通过小节流孔慢慢地予以补充。即只要系统有压力存在，二级差动阀的液压保持力使其维持在合闸位置。*③分闸动作：当分闸电磁铁4动作，立即将二级差动阀5上部小油腔中高压油予以失压，于是差动阀5的活塞立即向上运动，从而使活塞11下端与低压储油箱12连通而失压，于是在活塞11上部高压油作用下迅速分闸。它的速度由出口节流孔2调节。分闸终了时，活塞杆尾部缓冲器起作用而降速至停止。同样，只要系统有压力存在，则断路器便会保持在分闸位置。**六、各种SF6断路器产品介绍：***第三节六氟化硫全封闭组合电器一、SF6全封闭组合电器：国外称充气绝缘变电所（GIS）。1、定义：是将两种或两种以上的高压电器按主接线要求组合成一个整体的一种设备。一般以断路器为主，加上隔离开关、接地开关、电流互感器和出线套管等，按几种标准方式组装在一起，封闭于落地的金属罐内。用户选购后可以自行组合成各种主接线。550kV全封闭组合电器*2、特点：这种结构既能发挥封闭式组合电器节省占地面积的优点，又有主接线变动容易，扩建、改建不受限制的好处。由于规格标准，设计制造方便，因此，价格适中。在500kV等级的电站中使用复合电器可以比全封闭组合电器节省投资30％。可以预料在未米的特高压电网中这类产品将占很大的比重。*二零一零年一月二十四日下午，中共中央总书记、国家主席、中央军委主席胡锦涛来到中国西电电气股份有限公司视察。胡锦涛总书记在董事长、党委书记张雅林、总经理、党委副书记陈元魁陪同下，来到西开电气的生产车间，饶有兴致地观看了百万伏级全封闭组合电器核心部件的总装过程。总书记对生产现场的员工们说，要实现我国从装备制造大国向装备制造强国的转变，必须坚持走自主创新之路。他希望企业在引进、消化、吸收的基础上不断进行再创新，为振兴我国装备制造业贡献更大力量。**3、组成元件：一般包括断路器、隔离开关、接地开关、电流互感器、母线、避雷器、电缆终端（或引线套管）等。各元件间按电站主接线的要求连接并组装成一个整体，内充SF6气体。*二、110kVLF－110型单母线全封闭组合电器：图6-20为其总体布置图。1、母线1采用三相共体的结构，置于组合电器底部的圆筒内，三相母线分别用支持绝缘子固定在壳体上。这种母线结构与分相式母线结构相比，可以缩小安装场地，但它的电场分布没有分相式均匀，且相间电动力大，结构较复杂。2、三通接头11起到连接避雷器7、快速接地开关6和电缆终端8的作用。三通接头12把电压互感器4、电流互感器5和断路器3的出线端连接在一起。断路器的另一端和置于母线圆筒上部的带接地刀闸的隔离开关2相连。为了避免母线热膨胀对密封部位造成的附加应力，在断路器3的进线端和隔离开关2的连接处设置了弹性元件——波纹管9。*电流流向*3、断路器以落地罐式SF6断路器为基础，采用单压式单向吹弧灭弧装置。图6-21为其结构图。其中，静触头系统2通过悬式绝缘子3固定在壳体1上，动触头系统4藉支持绝缘子5和壳体绝缘，并由底部的传动机构经绝缘操作杆6操动。导电部分由盆式绝缘子7引出。**4、图6-22是带接地刀闸的隔离开关的结构原理图。其中隔离开关的静触头2和接地刀闸的静触头3合为一体，用盆式绝缘子1固定在壳体11上，其导电部分穿过法兰和断路器相连。隔离开关的动触杆4由顶部的操动机构10经绝缘杆5操动作垂直方向的运动，电气上通过中间触头6经侧面的盆式绝缘子7穿过法兰和波纹管与母线相连。接地刀闸的动触杆8由侧面的操动机构9带动作水平运动。**5、优点：①由于SF6气体有很高的绝缘强度，因此全封闭组合电器可以大大缩小整套配电装置的占地面积和空间体积。②运行安全可靠。由于全部电器封闭在接地外壳中，可以避免各种恶劣自然环境条件的影响，这对减少设备事故，保障人身安全大有好处。③再加SF6断路器本身检修周期长，整个组合电器可以做到连续运行几年至十几年而不需要检修，因此可大大减少运行中的维修工作量。**思考题与习题l．SF6断路器能否和压缩空气断路器一样，直接用SF6气体进行操作？为什么？2．试述旋弧式灭弧装置的工作原理？*本章结束请继续学习下一章！