第三章城市軌道交通變電所中的一次設備第五節斷路器一、斷路器概述

1、斷路器的作用斷路器是電力系統及牽引供電系統中的最重要的一種開關電器。它具有兩方面的作用：一是控制作用，即根據電力系統的運行要求，接通或斷開工作電路；二是保護作用，即在電氣設備或線路發生故障時，通過繼電保護裝置及自動裝置使斷路器動作，將故障部分從電力系統中迅速切除，防止事故擴大，保證電力系統的無故障部分正常運行。第五節斷路器2.對高壓斷路器的基本要求高壓斷路器工作的好壞，直接影響到電力系統的安全運行。因此，對高壓斷路器的基本要求是：（1）工作可靠，具有足夠的機械強度和良好的穩定性能（2）具有足夠的開斷能力（3）具有盡可能短的切斷時間（4）具有自動重合閘性能（5）結構簡單、價格低廉在滿足安全、可靠的前提下，高壓斷路器還應有機構簡單、安裝、檢修方便、體積小、重量輕等優點。第五節斷路器3.高壓斷路器的分類高壓斷路器種類很多，按其安裝地點的不同可分為戶內式斷路器和戶外式斷路器兩種。按操動機構可分為：電磁式、彈簧式、液壓式、氣動式等。按其滅弧的不同，可分為：1）油斷路器2）真空斷路器3）空氣斷路器，又稱壓縮空氣斷路器。4）SF6斷路器5）自產氣斷路器6）磁吹斷路器

第五節斷路器4.高壓斷路器的基本參數（1）額定電壓UN（kV）（2）額定電流IN（A）（3）額定短路開斷電流INbr（kA）（4）額定關合電流INcl（kA）（5）額定熱穩定電流It（kA）（6）額定動穩定電流Ies（kA）（7）合閘時間thz（s）（8）全分閘時間tkd（s）

圖3-32斷路器開斷電路時的有關時間第五節斷路器(9)額定操作順序是根據實際運行需要制定的對斷路器的斷流能力進行考核的一組標準的規定操作。其操作順序分為無自動重合閘斷路器的額定操作順序和能進行自動重合閘斷路器的額定操作順序兩類：無自動重合閘斷路器的額定操作順序。它又分為兩種：一種是發生永久性故障斷路器跳閘后兩次強送電的情況，即“分—180s—合分—180s—合分”；另一種是斷路器合閘在永久故障線路上跳閘后強送電一次的情況，即“合分—15s—合分”。能進行自動重合閘斷路器的額定操作順序。該操作順序為“分—0.3s—合分—180s—合分”。第五節斷路器5.高壓斷路器的型號斷路器的類型很多，根據行業標準JB/T8754-2007《高壓開關設備和控制設備型號編制方法》的規定，目前我國斷路器的型號一般由文字符號和數字按以下方式組成：□□□-□□/□-□其中：第一位表示產品名稱：S—少油斷路器，D—多油斷路器，L—六氟化硫（SF6）斷路器，Z—真空斷路器，K—壓縮空氣斷路器，Q—自產氣斷路器，C—磁吹斷路器；第二位表示安裝地點：N—戶內型，W—戶外型；第三位表示設計序號，用數字1，2，3，…表示；第四位表示額定電壓（或最高工作電壓）（kV）；第五位表示補充特性：C—手車式，G—改進型，w—防污型，Q—防震型；第六位表示額定電流（A）；第七位表示額定開斷電流（kA）。第五節斷路器6.高壓斷路器的基本結構圖3-33高壓斷路器的基本結構支持絕緣件操動機構開斷元件傳動機構基座第五節斷路器二、真空斷路器

1.關于真空的基本概念真空是指在給定的空間內絕對壓力低于一個大氣壓力的氣體狀態。人們通常把這種稀薄的氣體狀態稱為真空狀態。真空的程度用真空度表示圖3-34不同介質的絕緣間隙擊穿電壓第五節斷路器真空中電極間電弧是這樣產生的：當觸頭行將分離前，觸頭上原先施加的接觸壓力開始減弱，動靜觸頭間的接觸電阻開始增大，由于負荷電流的作用，發熱量增加。在觸頭剛要分離瞬間，動靜觸頭之間僅靠幾個尖峰聯系著，此時負荷電流將密集收縮到這幾個尖峰橋上，接觸電阻急劇增大，同時電流密度又劇增，導致發熱溫度迅速提高，致使觸頭表面金屬產生蒸發。同時微小的觸頭距離下也會形成極高的電場強度，造成強烈的強電場發射，間隙擊穿，繼而形成真空電弧。真空電弧一旦形成，就會出現電流密度在104A/cm2以上的陰極斑點，使陰極表面局部區域的金屬不斷熔化和蒸發，以維持真空電弧。在電弧熄滅后，電極之間與電極周圍的金屬蒸氣迅速擴散，密度快速下降直到零，觸頭間恢復高真空絕緣狀態。第五節斷路器真空中的電弧有兩種形態，擴散型電弧和集聚型電弧。圖3-37電弧的形態（a）擴散型（b）集聚型第五節斷路器2.真空斷路器的基本結構真空斷路器的結構如圖3-36所示。它由真空滅弧室（真空泡）、保護罩（屏蔽罩）、動觸頭、靜觸頭、導電桿、開合操作機構、支持絕緣子、支持套管、支架等構成，其核心是真空滅弧室（真空泡）。

圖3-36真空斷路器的基本結構第五節斷路器真空滅弧室由真空容器（外殼）、觸頭系統（包括動觸頭和靜觸頭）、波形管（不銹鋼材料）、保護罩（屏蔽罩）、法蘭、支持件等構成,如圖3-37所示。圖3-37真空滅弧室剖視圖第五節斷路器圖3-38各種觸頭結構形狀a）橫向磁場杯狀觸頭b）螺旋觸頭c）線圈型觸頭d）縱向磁場杯狀觸頭

（a）（b）（c）圖3-41螺旋式葉片觸頭a）縱向剖面圖b）動觸頭頂視圖c）橫向磁場觸頭和旋轉電弧第五節斷路器3、真空斷路器的分類由于真空斷路器的滅弧室既可以垂直安裝，又可以水平安裝，還可以選擇任意角度進行安裝，因此真空斷路器有多種多樣的總體結構形式。按真空滅弧室的布置方式可分為落地式和懸掛式兩種基本形式，以及這兩種方式相結合的綜合式和接地箱式。（a）落地式（b）懸掛式圖3-40真空滅弧室的布置方式第五節斷路器4.真空斷路器的操作過電壓及抑制方法：用真空斷路器斷開電路時，可能會出現操作過電壓，主要形式有：1）截流過電壓，所謂截流就是強制交流電流在自然過零前突然過零的現象，由于電路中存在電感，因此會發生過電壓；2）切斷電容性負載時的過電壓，這是因熄弧后間隙發生重擊穿而引起的。所以，真空斷路器的重擊穿幾率越小越好；3）高頻多次重燃過電壓，斷路器開斷感性電流時，當間隙被擊穿后電弧重燃，因電路參數影響，擊穿后電流中含有高頻分量。當高頻分量的幅值很大時，受其影響，間隙被反復擊穿，使負載側的電壓不斷升高，從而產生較高的過電壓。第五節斷路器高壓真空斷路器常用的抑制操作過電壓的方法有：1)采用低電涌真空滅弧室。這種滅弧室既可降低截流過電壓，又可提高開斷能力。2)在負載端并聯電容。既可以降低，也可減緩恢復電壓的上升陡度。3)在負載端并聯電阻和電容。它不僅能降低截流過電壓及其上升速度，而且在高頻重燃時可使振蕩過程強烈衰減，對抑制多次重燃過電壓有較好的效果，電阻一般選100～200Ω，電容選0.1～0.2μF。4)串聯電感。可降低過電壓的上升陡度和幅值。5)安裝避雷器。用它限制過電壓的幅值。第五節斷路器5.真空斷路器的特點真空斷路器具有體積小、無噪聲、無污染、壽命長、可以頻繁操作、不需要經常檢修等優點，因此特別適合配電系統使用。此外，真空斷路器滅弧介質或絕緣介質不用油，沒有火災和爆炸的危險。觸頭部分為完全密封結構，不會因潮氣、灰塵、有害氣體等影響而降低其性能，工作可靠，通斷性能穩定。滅弧室作為獨立的元件，安裝調試簡單方便。由于它開斷能力強、開斷時間短，還可以用作其他特殊用途的斷路器。第五節斷路器三、高壓SF6斷路器1.SF6氣體的基本特性

SF6的分子量為146，它的比重約為空氣的5倍，在常溫下不易液化。SF6氣體是一種無色、無臭、無毒和不可燃的惰性氣體，在常溫常壓下化學性能穩定，具有較高的介電強度，它的絕緣強度是空氣的2.5～3倍，是目前最優良的滅弧和絕緣介質。

SF6氣體具有很強的滅弧能力，靜止的SF6氣體的滅弧能力比空氣大100倍以上。利用SF6氣體吹弧時，在氣體壓力和吹弧速度都不是很大的情況下，就能在高電壓下開斷相當大的電流。第五節斷路器SF6氣體滅弧性能的原因主要是：

1）SF6氣體熱熱量大。

2）SF6氣體環境下的電弧能量小。

3）SF6氣體分子的負電性強。所謂負電性，是指SF6氣體分子極易捕獲、吸附自由電子形成低活動性負離子的特性。SF6氣體負電性強，加強了去游離，降低導電率。在電弧電流過零后，弧柱溫度將急劇下降，分解物急速復合。因此，SF6氣體弧隙的介質性能恢復速度很高，能耐受很高恢復電壓，電弧在電流過零后不易重燃。第五節斷路器SF6氣體絕緣性能好的原因主要是：

SF6氣體的分子體積大，使得電子的自由行程減小，從而減少碰撞游離的發生。且SF6氣體分子又具有負電性，容易俘獲電子形成負離子，使電子失去產生碰撞游離的能力，對去游離有利，故絕緣強度高。SF6的絕緣性能穩定，不會老化變質，當氣壓增大時，其絕緣能力也隨之提高，以此可以提高SF6的使用壓力來縮小絕緣尺寸和斷路器的體積。第五節斷路器2.SF6斷路器分類

SF6斷路器按結構形式可分為落地罐式、瓷柱式和手車式；按滅弧室壓力分可分為雙壓式（復壓式）和單壓式；按觸頭工作方式分可分為定開距式和變開距式。

圖3-41落地罐式SF6斷路器結構1—套管2—支柱絕緣子3—電流互感器4—靜觸頭5—動觸頭6—噴口工作缸7—檢修窗8—絕緣操作桿9—油緩沖器10—合閘彈簧11—操作桿體

圖3-42支柱瓷套式SF6斷路器的外形結構第五節斷路器

高壓手車式SF6斷路器，適用于三相交流50Hz，35kV，10kV電力系統。可用來分、合額定電流和故障電流，并可用于頻繁操作場合，也可作聯絡斷路器和開斷關合電容器組斷路器。具有結構緊湊、輕巧，檢修方便的特點。圖3-43是LN2-10型SF6斷路器安裝在手車上后的外形示意圖。圖3-43LN2-10型SF6斷路器外形示意圖1-上接線端；2-絕緣筒；3-下接線端；4-操動機構；5-小車；6-分閘彈簧第五節斷路器、四直流斷路器直流斷路器也稱為直流快速斷路器。廣泛應用于地鐵、輕軌、冶金、化工等領域，所有滅磁開關均為直流快速斷路器。直流快速斷路器是機械式、無極性單極裝置，具有電磁吹弧，直接瞬時過電流釋放，間接快速釋放（可選用在3000A以上），自然空氣冷卻和電氣操作系統等技術。第五節斷路器目前，在城軌供電中較為常見的是瑞士賽雪龍公司生產的UR系列（500～4000A）和HPB系列（4500～6000A）的斷路器。它是一種雙向、單極快速直流空氣斷路器。圖3-5-14為HPB系列斷路器的外形，圖3-5-15為UR系列斷路器的外形，圖3-5-16為UR系列與HPB系列應用范圍圖示。UR和HPB型直流快速斷路器特別適用于直流牽引配電網絡中，作為接觸網和鐵軌的保護以及故障區域的隔離。圖3-5-14HPB45系列斷路器和HPB60系列斷路器圖3-5-15UR26/36/40系列斷路器第五節斷路器直流斷路器的結構直流高速斷路器由主電路（包括下部連接、動觸頭、上部連接、左連接、右連接等組件）、脫扣裝置、滅弧罩、閉合裝置、輔助觸頭組成。圖3-5-17為直流斷路器的結構示意圖。第五節斷路器直流斷路器的工作原理高速斷路器有吸合、保持、斷開、滅弧、脫扣5種狀態第五節斷路器五、框架斷路器框架式斷路器是一種智能型低壓斷路器，又被稱為萬能式斷路器。其結構特點是有一個鋼制的框架，所