500kV SF6断路器运行机理初探

赵永昌

六氟化硫断路器是利用SF6气体作为绝缘介质和灭弧介质的新型高压断路器。按照SF6气体压力系统不同，分为单压力和双压力式两种类型。双压力结构比较复杂，维护困难，并要求严格控制水分含量，其断路容量较大。单压力式结构简单，易于制造，气体压力低，SF6气体在低温下无液化问题，可靠性高，维护容易，断路能力可大幅度提高。因此，二十多年来，世界各国都侧重发展单压力式结构，现在，500KV变电站采用的FA4-550型六氟化硫高压断路器（以下简称FA4型）即为单压力式结构。下面，主要就FA4型断路器的运行机理进行初探。

一、液压操作原理

FA4型断路器的液压操作机构是用来使断路器分闸，维持在合闸状态和分闸状态的设备，是利用氮气存储能量，以液压油作为传能介质，推动活塞动作，使断路器分、合闸的新型操作机构。为什么该断路器不用SF6气体作为传递能量的介质，而采用液压油操作呢？因为SF6气体的使用压力不能太低，容易液化。若温度在20℃，压力为20个大气压，就会变成液体。所以只能采用液压操作机构，其动作原理为：

FA4型断路器液压机构油压326巴，氮气压力180巴。油泵起动打压，通过油流在氮气中将机械能转变成位能。在额定电压下，可进行断路器的分合闸操作。将操作开关放到合闸位置，合闸电磁铁向下运行，推动合闸一级阀，高压油流通过逆止阀进入合闸二级阀。此时合闸二级阀高压油流一方面进入合闸二级阀的上侧使合闸位置自保持，另一方面进入信号缸合闸活塞侧和合闸三级阀的背面，合闸三级阀向下运动，其内部高压油压加到供、排油阀活塞上，供油阀打开，则来自贮压器的高压油进入工作缸，加到断路器绝缘杆活塞，合闸侧（分闸侧经常有来自贮压器的高压油），由于合闸侧截面大于分闸侧截面，使绝缘杆向上运动，断路器合闸。同时，高压油分别作用于信号缸合闸活塞上（分闸活塞侧经常有高压油），因合闸活塞面积大于分闸活塞面积，使活塞向合闸方向运动。当断路器分闸时，分闸电磁铁带动分闸一级阀向上运动，放掉合闸二级阀背面的压力，接着合闸三级阀背面的压力被释放，供、排油阀后面的高压油也很快放压。由于供、排油阀前面是高压油，此时，则它们必向后面运行，放油阀打开，高压油进入副油箱中，使断路器分闸。当合闸二级阀打开时，信号缸合闸活塞后面油压也被放掉，处于常高压的分闸活塞由于受到高压油的作用，就往分闸方向移动。行程终了，辅助开关切断分闸线圈和辅助分闸线圈电流。工作缸和信号缸分闸活塞侧均处于贮压器高压。油的作用下，使其活塞保持在分闸位置。整个液压机构原理先进，结构合理，动作迅速，可靠性较高。

二、灭弧室动作过程及灭弧机理

FA4型断路器采用SF6作为断路器的灭弧介质和内绝缘。灭弧室为单压力式结构。其灭弧室的动作过程及灭弧原理为：

（一）当FA4型断路器合闸时，五联箱的传动机构（液压回路驱动绝缘杆，绝缘杆带动五联箱的传动机构）带动灭弧室内拉杆分别向：左、右两臂斜上方运动（与对称轴成45°角），运动速度4±0.6米/秒，运动到一定位置时，静弧触头首先插入动弧触头中，接着动触头的主触头插入触指中，直到灭弧室内拉杆行进150±1mm，完成合闸动作。在压气缸快速向上行进中，阀片打开，使灭弧室SF6气体迅速进入压气缸内。合闸时电流通路为（设断路器北柱左侧为电源侧）：电源由断路器北柱左灭弧室端子进入断路器、静弧触头支座、静触头、动触头、滑动触头、缸体，缸体的一端外延形成灭弧室的另一侧接线端子，经导电板到右灭弧室的另一侧接线端子上，然后通过南柱左灭弧室、右灭弧室，最后至线路侧。简化的电路图如图（1）示，K1、K2、K3、K4为断路器主断口，Dl、D3为同一断路器两灭弧室间导电联接板，D2为南北柱两断路器间导电联接板。

（二）当断路器分合闸时，与合闸动作过程相反。灭弧室内拉杆带动触头系统快速向斜下方移动（与对称轴成45°角），分闸速度6±0.5米/秒。首先触指与动触头脱离接触，然后动弧触头和静弧触头分离。在动触头向斜下方运动过程中，阀片关闭，压气缸内腔的SF6气体被压缩，经喷管吹向电弧，加强去游离（去游包括扩散与复合），高压气流从弧柱中带走大量自由电子和正离子，此现象称扩散。同时，电弧一方面被冷却，减弱热游离，减少质点碰撞游离；另一方面，高压气流压力很大，单位体积中的质点数增多。这两方面加强了复合去游离。并且SF6气体有很好的负电性，它的分子能迅速捕捉自由電子形成负离子，这些负离子作用十分迟缓，加速了电弧介质的恢复率。去游离大于游离，使电弧熄灭。

三、防止操作过电压采取的措施

FA4型断路器采用四个灭弧室串联的集木式结构，形成多断口断路器。为了防止操作过电压，在每个灭弧室上并联一个电容、一个电阻。如图（2）示，为断路器一个断口的电路图，K1为主断口，K2为铺助断口，C为2500PF的均压电容，R为100±50的合闸电阻。在每个主断口上并联电容，目的是为了使各断口上的电压分布均匀，提高断路器的灭弧能力。为什么每个主断口上并联足够大的电容后，能提高断路器的灭弧能力呢？先以两断口断路器为例，研究其电压分布情况。如图（3）示，为单相断路器在断开接地故障后，未并联电容前的电压分布计算图。u为电源电压，在电弧熄灭后，每个主断口可看成一个电容Cd。中间机构箱与断路器底座间可看成一个对地电容C0。两主断口上的电压分别为u1，u2于是两主断口上的电压是：u1=u（Cd+C0）/（2Cd+C0），u2=uCd/（2Cd+C0），Cd与C0通常不超过100PF。假设Cd=C0，则u1=u（Cd+ Cd）/（2Cd+ Cd）二2u/3； U2==u Cd/（2Cd+Cd）=u/3

由计算得：两主断口并联电容前，电压相差很大。第一个灭弧室的工作条件显然比第二个灭弧室要严重得多。为使两灭弧室的工作条件接近相等，充分发挥其灭弧作用，在每个灭弧室上并联一个比Cd或C0大得多的电容C，称均压电容。如图（4）示，并联均压电容后的电压分布是：endprint

U1={（C+ Cd）+C0}/[2（C+ Cd）+C0]；

U2=U（C+ Cd）/[2（C+ Cd）+C0]

由于C值很大，若忽略C0，则

U1≈u（C+ Cd）/2（C+ Cd）二U/2；

U2≈u（C+ Cd）/2（C+ Cd）二U/2

可见，主断口上只要并联电容足够大，两断口上的电压分布接近相等。

同理，500KVFA4型四断口断路器，各断口并联2500PF电容电压分布为：u1≈u2≈u3≈u4≈1/4u，基本相等，从而提高了断路器的开断容量和过电压水平，改善了各主断口上的电压分布，不致于操作时或自动合、跳闸时，使某断口上过电压，而其它断口上没有达到额定值，从而提高了断路器的灭弧能力。

为了进一步提高断路器的灭弧性能，限制操作过电压，特别是进行空载线路重合闸操作时的过虫压，在每个主断口上并联一个电阻。如图（5）示，并联电阻是断路器的辅助断口，其提前投入时间主要由静触头和动触头之间的距离决定。当辅助断口合闸时，断路器的绝缘杆通过五联箱的传动机构，经自动接头，带动并联电阻内操作杆，随操作杆一起运动，直到合闸动触头插入静触头，辅助断口合闸完毕。合闸过程中，弹簧被压缩贮能，为分闸作准备。当操作杆继续向前运动，操作杆上的挡铁就被缓冲座所阻，但操作杆仍向前运动，使挡铁带动操作杆中穿的顶杆相对向后退，到一定位置顶杆前部退出脱扣爪，使脱扣爪两件合拢。当收拢至与动触头座分离时，动触座随同动触头在弹簧的作用下迅速后退，完成分闸。FA4型断路器在制造时已确定；并联电阻在主断口合闸前7—11ms内投入，在主断口合闸若干ms后自动解除，这个时间是不可调的，从而可避免断路器在合闸时产生的过电压。断路器分闸时，由灭弧室的可靠灭弧，可以保证断路器不会产生过电压。

四、提高断路器沿面放电电压采取的对策

FA4型断路器组成部件中，距底座最近的导电部件中是五联箱。五联箱是断路器的一套动作分配机构，通过其中内部元件使得支柱绝缘杆的单一上下直线运动分成四个方向的直线运动。断路器南北柱每一五联箱分别由两个灭弧室、两个并联电阻和支柱装配。箱体与底座间形成具有垂直分量的极不均匀电场，如图（6示）。1一电极，2一支柱瓷瓶。

五联箱本身的形状和布置已使电场分布很不均匀，因而支柱绝缘子表面积聚的电荷使电位重新分布所造成的电场畸变，不会显著降低沿面闪络电压。因不均匀电场的垂直分量较小，沿瓷表面流过的电容电流又不大，放电过程中不会出现热游离现象。故滑闪电压很低。对于500KV的高电压，不采取高强度的绝缘材料和增加沿面放电路径的长度，就会使沿面闪络电压降低，出现明显的滑闪电压。FA4型断路器支柱绝缘子三节84个瓷瓶。因此，为了提高沿面放电电压，FA4型断路器一方面增加了绝缘子的高度，另一方面将支柱绝缘子做成波纹形状，具有凸出的一些裙边。绝缘子带有裙边，可以增加电极间瓷表面的放电路径，从而提高了绝缘子表面的闪络电压。由于绝缘子高度的增大，沿面放电电压分布就更不均匀。为了使放电电压分布均匀，首先应从电极的形状入手，增加电极的曲率半径，使电极间的电场分布趋于均匀。采用的对策是在五联箱的下部，安装了均匀环的方法。

通过以上初步探讨，我们对500KV SF6断路器的运行機理有了较深的理解，这不仅对我们正确操作、检查和维护SF6断路器提供了理论依据，而且待SF6断路器出了故障后，可以帮助我们迅速查找原因，排除故障，缩小故障范围，减少故障损失，确保电网安全稳定运行。endprint