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1、,第六章 传统断路器,本章要点：1.油断路器的工作原理2.压缩空气断路器的工作原理3.磁吹断路器的工作原理4.低压自动空气断路器的工作原理 这些高压大功率开断设备，它们在技术上比较成熟，都有自己的辉煌历史，但总的来看，它们已过(或已到)自己的鼎盛时期，在结构上、性能上不会再有太大的发展.将它们称为传统断路器.它们有的至今仍在某个领域或地域中大量使用，有的也许会与新一代设备长期共存。,第一节 油断路器,一、油中的简单开断与油吹灭弧室 随着电力系统从小到大的逐步发展，简单的可熔保险和空气开关已不能满足短路开断的要求，1893年在美国诞生了油断路器的前身。,图6.1 油中的简单开断与自膨胀吹弧,变压
2、器油,开断能力增强的原因,1.气泡中的主要成份是油的蒸气和由油蒸气分解的其它气体。油蒸气约占整个泡体积的40%，其它气体占60%。在其它气体中，氢气(H2)占总体积的7080%，乙炔占1520%，甲烷、乙烯等占510%。2.气泡膨胀受到限制，使气泡的压力可维持在510个大气压。高压力使电弧中游离质点的自由行程减小，复合能力增强而游离作用减弱。3.随着触头间距的增加，电弧被拉长，电弧间隙耐受恢复电压的能力也增强。电弧熄灭后，电弧间隙将重新被油填满，保证了触头间的绝缘强度。,临界开断电流现象,利用电弧自身能量或作用熄灭电弧的方法称为自能式灭弧。利用外界其它能量熄灭电弧的方法称为外能式灭弧。对于油中
3、简单开断来说，其灭弧能力是完全依靠电弧自身能量所分解的气体来实现的，因此，属于自能式灭弧。,图 6-2 油中简单开断时，燃弧时间与开断电流的关系,对应于燃弧时间最长的电流称为临界开断电流，所有自能灭弧的油断路器都存在这种临界开断电流现象。,临界电流开断试验,国标GB198中规定，当10%额定短路开断电流试验的燃弧时间平均值显著大于30%额定短路开断电流试验的燃弧时间平均值时，就应做临界电流开断试验，试验电流为额定短路开断电流的46%和23%。,2、油吹灭弧室,(a)纵吹(b)横吹(c)纵横吹(d)对横吹(环吹)1静触头，2动触头，3电弧，4油、气流或磁场作用,油断路器灭弧室结构(a),(b),
4、灭弧室的结构a、b,油断路器灭弧室结构(c),(d),灭弧室的结构c、d,二、油自能吹弧灭弧室的压力过程及影响灭弧能力的因素,油自能吹弧灭弧室的过程大致可分作以下三个阶段(1)封闭泡阶段从动静触头分离起到动触头运动到第一吹弧道即将打开时止(所谓即将“打开”，即动触头自身马上不再堵住吹弧道口)。这一段燃弧距离通常又称作“引弧距”，这期间电弧气泡的压力增长很快。(2)油、气混合的气流吹弧阶段吹弧口打开后，气泡中的气体吹拂电弧并通过吹弧道向灭弧室外排出，同时气泡内继续有油气化分解，直到电弧过零熄灭。(3)熄弧后的回油阶段电弧熄灭后，灭弧室中的压力因气体的继续排出和温度的很快降低而迅速下降。到达一定值
5、后，外部新鲜油开始进入灭弧室，恢复正常介质状态，为下一次开断作准备。,油自能吹弧灭弧室的压力变化曲线,图6.5 油自能吹弧灭弧室的压力变化曲线,影响油吹灭弧室熄弧能力的因素,影响油吹灭弧室熄弧能力的因素很多。引弧距的长短、吹弧道的截面与形状、油层高度、灭弧室油面上部空间的体积大小、油气分离器的结构(气体排往大气前应将油的蒸气冷却回落至灭弧室，分离器在灭弧室的上部缓冲空间安放，见图6.7的空气室)、上部缓冲空间的大小、纵横吹的安排、分闸速度、有无空气垫及空气垫的大小(空气垫是指灭弧室内油面下可储存空气的部分)等等各个方面的因素都有关系。自能式灭弧室设计所遵循的原则应是：减小电弧能量放在第一位，利
6、用电弧能量放在第二位;在能达到开断要求的前提下，电弧能量愈小愈好。,三、油断路器的类型及结构,图6.6 多油断路的单相结构示意图 1导电杆，2绝缘套管，3油箱盖，4传动机构5油标，6电流互感器，7电容式套管，8灭弧室,9动触头及横担，10油箱，11电热器，12放油阀,1.多油断路器的特点1)是所有元件都处于接地的金属油箱中(固常称其为落地箱式或落地罐式)，油一方面用来熄灭电弧，另一方面又用作导电部分之间(包括断口间)以及导电部分与接地的油箱之间的绝缘介质。2)多油断路器的导电部分多做成上部开口外张的“U”型结构，这是由于空气的绝缘强度比油低所决定的。3)箱盖接地4)10kV及以下的多油断路器一
7、般都取三相共箱的结构形式，35kV及以上的多油断路器，每相各一个油箱，称为分相式结构，又称罐式。,2、少油断路器,多油断路器因其用油量多、钢材消耗大、检修困难、造成爆炸及火灾的危险性大，因而人们发展了少油断路器。在少油断路器中，变压器油只用来作为熄灭电弧和触头断口间的绝缘介质，不用作对地绝缘。,图6.7 户内少油断路器的外型及结构,积木式 110kV少油断路器的外形,图6.8 110kV三相少油断路器的外型布置1灭弧室，2机构箱，3支持瓷瓶4底架，5操动机构，6水平拉杆7均压电容,图6.9 断路器的积木式结构1通用灭弧单元，2均压电容 3机构箱，4支持瓷瓶,第二节 磁吹断路器,磁吹断路器是在触
8、头分开时控制电弧使之进入灭弧栅中，在大气条件下熄灭电弧的断路器。在灭弧栅中，电弧电阻增大、电流减小、直至电路电压无法维持电弧，强迫电路被开断，因此，它是一种带限流作用的开断装置。抬高电弧电压的常用方法是：(1)增加电弧长度；(2)冷却电弧；(3)把电弧分割为许多串联的电弧。灭弧栅的基本型式有两种：(1)绝缘板型，依靠特殊形状的耐弧板拉长和冷却电弧；(2)裸金属板型(冷阴极效应)，用之把电弧割裂为许多串联电弧，并且也借板的热吸收作用冷却电弧。,磁吹断路器与低弧阻断路器短路开断过程的比较,磁吹断路器的恢复电压,磁吹断路器的恢复电压很低，电弧熄灭点在电源电压的零值附近，开断过程不产生过电压。这是因为
9、：(1)由于电弧电压高，常将短路电流限制到数分之一A。(2)使短路开断时的功率因素接近于1。磁吹断路器的关键技术是如何尽快驱动电弧到灭弧栅中，尤其是有吹弧线圈的断路器，如何尽快建立起吹弧磁场。由于磁吹断路器也属自能灭弧式断路器，因而存在临界开断电流，在无气助吹情况下，燃弧时可达0.12秒甚至不能熄弧，在大部分的短路范围内，燃弧时间可小于三个周波，最短燃弧时间可达0.015秒。开断最大电流时，电弧能量可达兆焦级，并产生特有的闪光和极强的噪声。,二、磁吹断路器的结构,图6.11 冷阴极灭弧栅磁吹断路器的内部结构,先主触头,再中间触头,最后弧触头,冷阴极灭弧栅中的燃弧,图6.12(a)冷阴极灭弧栅中
10、的燃弧,绝缘板式的灭弧栅,图6.13 U型磁极V型灭弧图6.14 螺管线圈形电弧磁吹断路器原理 栅式磁吹断路器的原理,磁吹断路器的操动机构,磁吹断路器的操动机构可分为三大类：1、螺管电磁铁 2、弹簧 3、气动 一般都装有吹气噗，吹气噗的喷嘴对准触头间隙处，吹气噗起帮助电弧转移、吹小电流及缓冲的作用。磁吹断路器的排气方向多半是向上。若灭弧栅导电部件操作机构作横向排列则横向排气。磁吹断路器主要是柜装使用，若对排出气体的方向及处理不加注意，单独使用时虽然能开断，但装入柜中就可能出问题。对制造厂配套出厂的柜装产品当然不必有此顾虑。,第三节 压缩空气断路器,一、概述 压缩空气断路器1930年用于输配电系
11、统，19601970年代可谓达其鼎盛时期。优点：1.以压缩空气作为灭弧及绝缘介质，且以压缩空气的储能 来操动其合分动作开断能力强 2.燃弧时间短，动作速度快.由于这些优点，压缩空气断路器一直到现在仍是高压断路器的品种之一，虽然在我国目前已停止生产，但从世界范围和新技术不断有创新的观点看，是否一定会淘汰恐怕还很难说。,压缩空气绝缘优势,图6.15 直径32mm棒间隙的绝缘击穿电压,缺点,压缩空气断路器开断能力强,开断时间短,但结构复杂,工艺要求高,有色金属消耗多,因此,空气断路器一般应用在110KV及以上的电力系统中。,压缩空气断路器的气体工作压力,为增大压缩空气断路器开断能力，气体工作压力一般
12、都在34MPa个大气压，个别产品达56MPa个气压。,常见的吹弧方式及触头结构,压缩空气断路器的切断能力除与工作气压有关外，还与灭弧室的排气情况、气流场以及触头间的电场等因素有关，几种常见的吹弧方式及触头结构。,(a)横吹(b)自由喷射(c)双喷口双向对称纵吹(d)单喷口单向纵吹图6.16 几种常见灭弧室结构,喷口处的气流,在开断时，动触头缩入灭弧室体内，当动触头缩入到完全离开绝缘喷口时，压缩空气经喷口自由膨胀排入大气中。无论哪种结构总是让电弧处在气流能有效地带去游离粒子的方位。喷口处有电弧存在时，在电弧热量的作用下，喷口处的气体体积会膨胀。气体的膨胀增大了喷口处的压力，导致喷口喉部流速的下降
13、和流量的减小，当电流很大时，这种对吹弧气流的反作用很强，有可能使喷口喉部的气流速度和流量下降到零，一旦出现此种堵塞现象，也就不能熄灭电弧了。喷口处的介质恢复速度在吹弧气压确定以后，显然与开距和气流清扫电弧通道游离粒子的速度和干净程度有关。而无论灭弧室的结构如何，从气源经灭弧室到大气，气流总是在截面不均匀的管道中流动的。,二、流动气体的特性,对于一个新开发的灭弧装置，电弧电流过零之后的介质强度恢复过程是极其复杂的物理现象，企图从理论上算出其开断能力是十分复杂，几乎是不切实际的。但可在某些假设条件下作近似分析，然后试验验证修改。分析管道中的气流特性时，可以先假设 1.管道中摩擦阻力很小，忽略不计；
14、2.气流的速度变化是在理想绝热情况下进行的；3.管道很短，气流为稳定气流，也就是说，管道中任何截面的气流参数不是时间的函数而只是坐标x的函数。,等熵流动的能量方程或可压缩性流体的伯努利方程 h在热力学中称为焓。,可压缩气体在绝热不作外功的稳定流动中，任一截面上工质的焓与其动能之和保持定值，气体动能的增加等于气流的焓降低.,描述管道中气体流动规律的方程,上面几个式子中S气流横截面积(m2)，(kg/m3)、p(Pa)、(m/s)为气体密度、压力及流速，K为气体的绝热指数T(K)为气体温度，R为气体常数。空气的K为1.4，R为287J/(kgK),SF6 R为56.99J/(kgK),气体在管道中
15、流动特性,联解上述四个方程，可以推导出表达气体在管道中流动特性的两个重要方程式，即：,(6-5),(6-6),上式中，p0、0为同一气体在=0时(气源中)的压强和音速，马赫数M=某处流速/某处音速=/，当M1时，也即气体流速小于当地音速时，称作亚临界流动，大于1时为超临界流动，而当M=1，即气体在某处的流速与该处气体温度所对应的当地音速相等时称作临界流动，临界流动处的参数称作临界参数，如临界速度、临界压力等。,分析,式(6-5)指出，气流速度与该处气流中的压力p有关,越小，在其它条件相同的情况下，流速越高。然而当气体初始静止参数p0、T0、0一定时，气流的速度不可能无限增加，当气流压力降到=0
16、时，气体流速最大值为：,(6-7),对于压缩空气，max=2.24a0，对于SF6，max=(4.775.92)a0,管道中的流动气体的以下重要特性,1.当管道截面不变时，即ds=0，若M1则d=0，也就是说，沿 着管道各截面的气流速度相等。2.从另一方面看，ds=0也表示管道截面变化的过渡处(对于喷嘴，相当于喉部处)，若ds=0时，d0，则必有M 21=0，即M=1，即=a。也就是说，在管道截面由大变小再变大的最小截面处，在某些条件下，其流速可能是该处的音速，是临界流动。这告诉我们，若气源压力足够，流动气体的临界流速在最小截面处。但最小截面处不一定都是声速气流。(3)假设a，则在ds0时，必
17、有d0，即是说在超声速气流中，当截面增加时，速度增加，反之亦然(见图6.17)。(4)假设0时，必有d0，即是说在亚声速气流中，当截面增加时，速度减小，反之亦然。,管道气流特性,缩放型喷口,临界压力为,由前述四个方程还可得出临界截面处的气体压力，即临界压力为：,(6-8),对空气，这个压力为0.528 p0，对SF6这个压力为0.59 P0，习惯上常将喷口外的压力称作出口背压pb。从另一角度看，或者说只有当灭弧室中的喷嘴入口压力大于1.89(对空气)或大于1.69(对SF6)倍的出口背压力时，才可能在出口处获得临界流速以上的气流速度.,临界速度,从前述四方程得到,(6-9),对空气，这个速度为
18、0.91倍的气源静止气体音速，对SF6，为0.9790.986的静止气体音速(在3001000K温度范围)。这说明无论灭弧室内外压力比临界压力大多少，在喷嘴喉部处的气流速度是变化不大的，都是音速。但由于压力高、密度大，气体的流量与内外压差有关。p0大时吹弧作用仍不一样。事实上，随气体流速的增加，不仅压力降低，气体的温度和密度也降低，气体的内能变成了流动功，绝热膨胀之所以会使等离子体急剧冷却也是这个道理。,三、压缩空气断路器的类型及结构,就外观而言，压缩空气断路器都带有储气筒，且储气筒必然有管道与空压室相通。从大类上讲，压缩空气断路器有 敞开式 金属封闭式。据灭弧室充气方式的不同，压缩空气断路器
19、可分成如下几类：1).瞬时充气式(又称外隔离闸刀式)2).分闸充气式 3).常充气式 4).恒压式,瞬时充气式结构-特点,图6.18 瞬时充气式结构示意1贮气筒，2主气阀，3导气管(中空的支持瓷瓶)，4灭弧室，5外隔离刀闸,分闸充气式-特点,图6.19 分闸充气式 1灭弧室，2排气阀,第四节 低压自动空气断路器(又称“自动开关”),自动开关是低电压系统(配电220380V，矿用6601140V)的主要保护电器。当电路出现过载、短路、欠压、失压等故障时，能自动断开电路，其动作控制原理如图6.20,图6.20 自动开关的动作控制原理,分励脱扣器,分励脱扣器：属于电磁脱扣部件的1种，通过外加电信号完
20、成断路器 受控脱扣的功能。如消防状态需要切断正常供电回路，通过 24VDC信号施加在断路器的分励脱扣器线圈上，使断路器分断。断路器与分励脱扣器可以是一体的，也可以是组合装配的。短路脱扣、漏电脱扣、分励脱扣都属于电磁脱扣原理。断路器=动静触点+灭弧装置+热敏元件+电磁铁+传动机构+调节整定附件+操作手柄+连接端子+外壳。,漏电保护开关,漏电保护开关的动作原理是：在一个铁芯上有两个绕组：一个输入电流绕组和一个输出电流绕组，当无漏电时，输入电流和输出电流相等，在铁芯上二磁通的矢量和为零，就不会在第三个绕组上感应出电势，否则第三绕组上就会感应电压形成，经放大去推动执行机构，使开关跳闸。,漏电保护开关工
21、作原理,自动开关的灭弧原理,自动开关的灭弧原理与磁吹断路器相同，实际上就是低电压等级的磁吹断路器，灭弧室还是金属栅片式或绝缘板式。三相自动开关按结构型式分为框架式和塑壳式两大类，其操作方式有手柄、电磁铁及电动机等多种，但无论哪种方式都装有手柄以便于检修。较之高压断路器，因触头及导电回路体积小、重量轻、无绝缘击穿顾忌，其分闸系统较易实现快速动作，因此可利用快速脱扣机构或推斥电动力做成限流式自动开关。,缘栅板形灭弧室开断过程,图6.22(a)绝缘板中的电弧,自动开关的触头,由于开关容量大，用了三档触头。主动触头为滚轮式双断点结构，外层材料为纯银，主静触头为银钨陶冶合金。副触头为单断点指式触头，材料
22、为紫铜。弧触头也是单断点指式触头，带有弧角以利于电弧吹入栅片，动弧触头材料为青铜或黄铜，静弧触头为铜钨或铜石墨陶冶合金，抗弧性好。分断过程是先主触头，后副触头，再弧触头，合的过程则相反。如果不设副触头，短路电流在弧触头上的压降足以使主触头间隙击穿而烧坏，主触头的任务就是保证其通流能力，当然，副触头及弧触头在正常运行时也会按主、副、弧三个并联回路的阻抗分担部分电流。,二、自动开关的典型结构举例,2、DW10系列操作机构,图6.24 操作机构的工作原理L手柄，K触头，D搭钩，C压扣头，E分断弹簧，O1手柄轴，O2动触头支架轴,脱扣机构,自由脱扣机构的作用是在闭合过程中可随时解除触头与操作力的联系，
23、以便接受分闸命令而分闸。,图6.25 搭钩式自由脱扣机构,图6.26 打击机构的动作原理,DZ10系列塑料壳式自动开关,塑壳式自动开关又称装置式自动开关。其结构特点是触头、灭弧室、脱扣器及操作机构等都安装在一个封闭的塑料外壳内，只有接线导板和操作手柄在壳外，内部的结构较简单紧凑。,DZ10型塑壳式自动开关,图6.27 DZ10型塑壳式自动开关(a)合闸位置(b)手动分闸位置1静触头，2动触头，3操作手柄，4,5,6脱扣机构，7热双金属片，8下导电板 9电磁脱扣器，10导电板，11软连接，12灭弧室，13上导电板,接触器,按照工作原理可以分为电磁式、启动式和液压，是一种可以频繁接通和切断负载的控
24、制开关。用得最多的是电磁式接触器。,交流接触器,交流接触器,交流接触器是广泛用作电力的开断和控制电路。它利用主接点来开闭电路，用辅助接点来执行控制指令。主接点一般只有常开接点，而辅助接点常有两对具有常开和常闭功能的接点，小型的接触器也经常作为中间继电器配合主电路使用。交流接触器的接点，由银钨合金制成，具有良好的导电性和耐高温烧蚀性。交流接触器主要有四部分组成:(1)电磁系统,包括吸引线圈、动铁芯和静铁芯；(2)触头系统,包括三副主触头和两个常开、两个常闭辅助触头,它和动铁芯是连在一起互相联动的；(3)灭弧装置,一般容量较大的交流接触器都设有灭弧装置,以便迅速切断电弧,免于烧坏主触头；(4)绝缘
25、外壳及附件,各种弹簧、传动机构、短路环、接线柱等。,交流接触器工作原理,当线圈通电时,静铁芯产生电磁吸力,将动铁芯吸合,由于触头系统是与动铁芯联动的,因此动铁芯带动三条动触片同时运行,触点闭合,从而接通电源。当线圈断电时,吸力消失,动铁芯联动部分依靠弹簧的反作用力而分离,使主触头断开,切断电源,交流接触器的选择,1 持续运行的设备。接触器按67-75%算.即100A的交流接触器，只能控制最大额定电流是67-75A以下的设备。2.间断运行的设备。接触器按80%算.即100A的交流接触器，只能控制最大额定电流是80A以下的设备。3.反复短时工作的设备。接触器按116-120%算。即100A的交流接
26、触器，只能控制最大额定电流是116-120A以下的设备。还要考虑工作环境和接触器的结构形式。,直流接触器的工作原理,直流接触器的工作原理如下：当接触器线圈通电后，线圈电流产生磁场，使静铁心产生电磁吸力吸引动铁心，并带动触点动作：常闭触点断开，常开触点闭合，两者是联动的。当线圈断电时，电磁吸力消失，衔铁在释放弹簧的作用下释放，使触点复原：常开触点断开，常闭触点闭合。与交流接触器工作原理相同，不同之处在于交流接触器的吸引线圈由交流电源供电,直流接触器的吸引线圈由直流电源供电。,思考题与习题,1 何为自能灭弧室的临界开断电流，如何消除或改善临界开断电流现象？2.在少油断路器的开发过程中，同一个试品，
27、分闸速度过低或过高都曾造成开关爆炸(没有某一适当速度的开断能力强)，你能分析是什么原因吗？3.试述多油与少油断路器结构上的差异及优缺点。4.磁吹断路器与其它高压断路器最主要的差异是什么？5.试述金属栅片与绝缘栅片在灭弧原理上的异同。金属栅片间的距离为何不能过小，栅片采用铁片时，镀铜或锌的原因何在？6.何为流动气体的临界速度？若图6.17(b)中2达到了超临界流动速度，那么临界截面在何处？7.试验表明“堵塞”现象发生于电弧直径与喷嘴喉部直径相等时，试问：用什么办法可消除堵塞，你能分析堵塞时弧道气流究竟是个什么状态吗？8.低压自动开关对同电压的交直流电路是否有相同的开断能力，为什么呢？,全章结束！,
