壓縮空氣斷路器

由于出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、滅弧性能良好和電壽命長(zhǎng)的六氟化硫斷路器，使得壓縮空氣斷路器的使用范圍縮小。但北歐等一些高寒地區(qū)，由于SF6氣體液化和開(kāi)斷能力降低（降低20%左右）等原因，有些國(guó)家在高壓、超高壓電網(wǎng)中還在使用壓縮空氣斷路器。此外，大容量發(fā)電機(jī)斷路器，要求開(kāi)斷容量大，動(dòng)作迅速，還廣泛應(yīng)用壓縮空氣斷路器。

壓縮空氣斷路器是利用壓縮空氣來(lái)吹弧并用壓縮空氣來(lái)作為操作能源的一類(lèi)斷路器。先用壓縮空氣機(jī)將空氣壓縮儲(chǔ)存在滅弧室內(nèi)。當(dāng)進(jìn)行分閘操作時(shí)，打開(kāi)閥系統(tǒng)使滅弧室內(nèi)的壓縮空氣按一定的要求自噴口噴出，對(duì)電弧進(jìn)行強(qiáng)烈的冷卻和氣吹，從而使電弧熄滅。

壓縮空氣斷路器的主要構(gòu)成部分是滅弧室。按壓縮空氣吹弧方式，斷路器滅弧室分為橫吹和縱吹兩種。在實(shí)際應(yīng)用中，通常是兩種吹弧方式同時(shí)存在，但以一種吹弧方式為主。滅弧室的幾種基本形式如《壓縮空氣斷路器結(jié)構(gòu)圖》所示：

（a）是具有絕緣隔板的橫吹滅弧室。氣流方向與電弧軸向垂直。壓縮空氣氣流將電弧吹入隔板,因此電弧有曲折的形狀，長(zhǎng)度增加,同時(shí)與隔板緊密接觸，使去除電離過(guò)程加速。橫向吹弧方式雖然熄弧效果較好,但滅弧室結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積較大,一般只用于電壓等級(jí)較低的斷路器中（例如發(fā)電機(jī)保護(hù)斷路器），而不適用于高電壓，大容量的場(chǎng)合。

（b～f）是幾種縱吹形式。氣流方向與電弧軸平行?？v吹可分為單向吹弧(b，c,d)和雙向吹弧(e,f)。在單向吹弧中,兩個(gè)觸頭可均為實(shí)心（棒），或者一個(gè)是空心而另一個(gè)是實(shí)心。在雙向吹弧中，兩個(gè)觸頭均為空心。

（b）是實(shí)心觸頭單向縱吹的滅弧室。壓縮空氣沿電弧軸向高速運(yùn)動(dòng)而強(qiáng)烈吹弧，從而使電弧直徑縮小、表面冷卻，并從弧隙去除電離粒子。這種結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是，觸頭頂端附近未能受到氣吹而易受電弧燒損，弧隙中易有金屬蒸氣而降低弧隙介質(zhì)強(qiáng)度，電弧易重燃。

（c）是具有一個(gè)空心和一個(gè)實(shí)心觸頭的單向縱吹滅弧室。壓縮空氣從弧隙帶走電離粒子，經(jīng)過(guò)空心靜觸頭迅速排到大氣中。氣吹使電弧從靜觸頭噴口的工作面移動(dòng)到其內(nèi)表面。實(shí)心觸頭端部采用圓錐形。

（d）是自由噴射式。在開(kāi)斷時(shí)，實(shí)心動(dòng)觸頭離開(kāi)靜觸頭，在滅弧室外部發(fā)生電弧。當(dāng)動(dòng)觸頭進(jìn)入滅弧室體內(nèi)而完全開(kāi)放噴口時(shí)，壓縮空氣沖入大氣中，使電弧受到強(qiáng)烈的橫吹和縱吹。

（e）是具有兩個(gè)空心觸頭的雙向吹弧滅弧室。壓縮空氣開(kāi)始時(shí)對(duì)電弧徑向吹弧，然后分成兩個(gè)氣流縱向吹弧。對(duì)于雙噴口，兩個(gè)弧根都在觸頭的內(nèi)表面。雙向吹弧比單向吹弧能更迅速地從弧隙去除電離粒子。但弧隙氣壓較低。為了提高弧隙氣壓，可以將其中一個(gè)空心觸頭做成收縮截面，成為雙向非對(duì)稱(chēng)縱吹（如f所示）。

壓縮空氣斷路器自20世紀(jì)40年代問(wèn)世以來(lái)，在五六十年代迅速發(fā)展，廣泛用于高壓和超高壓的電力系統(tǒng)中。其主要特點(diǎn)是：①動(dòng)作快，開(kāi)斷時(shí)間短，70年代已使用一周波斷路器，這在很大程度上提高了電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。②具有較高的開(kāi)斷能力，可以滿(mǎn)足電力系統(tǒng)所提出的較高額定參數(shù)和性能要求。③可以采用積木式結(jié)構(gòu)，系列性強(qiáng)。其缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工和裝配要求高，需要較多的有色金屬，價(jià)格要比油斷路器高，而且使用時(shí)還要附加空氣壓縮裝置。

壓縮空氣斷路器的滅弧室主要由噴口組成。電弧在噴口處燃燒，利用噴口噴出的氣流對(duì)電弧的散熱作用來(lái)熄滅電弧．因此它是一種外能式滅弧裝置。其滅弧能力主要取決于噴口處氣體的流量與氣流速度。增大壓縮空氣的工作壓力是提高壓縮空氣斷路器開(kāi)斷能力的最有效措施。隨著工藝技術(shù)的提高，壓縮空氣斷路器的工作氣壓不斷提高，早期的工作氣壓多為1～2MPa(即10～20倍標(biāo)準(zhǔn)大氣壓)，已普遍采用3～4MPa，個(gè)別產(chǎn)品可高達(dá)5～6MPa。

少油和壓縮空氣斷路器的泄露電流試驗(yàn)?zāi)鼙容^靈敏地反應(yīng)：

（1）外表的嚴(yán)重污穢

（2）壓縮空氣斷路器因壓縮空氣相對(duì)濕度增高時(shí)帶進(jìn)潮氣于瓷套內(nèi)壁和導(dǎo)氣管管壁造成結(jié)露

（3）少油斷路器提升桿，滅弧室以及絕緣油受潮劣化等缺陷

機(jī)械式直流斷路器

機(jī)械式直流斷路器通常是由交流斷路器改造之后得到的，根據(jù)滅弧原理的不同，可分為真空斷路器、六氟化硫斷路器、多油(少油)斷路器、壓縮空氣斷路器、磁吹斷路器和產(chǎn)氣斷路器。目前真空斷路器和六氟化硫斷路器已經(jīng)大范圍替代其他斷路器并在電力系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。真空斷路器利用真空作為觸頭間的絕緣與滅弧介質(zhì)，觸頭間隙絕緣強(qiáng)度高，具有安全可靠、壽命長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用在10kV,35kV配電系統(tǒng)中，關(guān)斷電流水平可達(dá)20-63kA；SF6斷路器使用SF6氣體作為絕緣和滅弧的介質(zhì)，由于SF6氣體特性?xún)?yōu)異，使斷口處的電壓和電流參數(shù)優(yōu)于少油斷路器和壓縮空氣斷路器，并且不需要較高氣壓和較多串聯(lián)斷口數(shù)，在252kV電壓等級(jí)應(yīng)用中開(kāi)斷電流能力可達(dá)40kA 。

固態(tài)直流斷路器

隨著電力電子技術(shù)不斷進(jìn)步，固態(tài)直流斷路器也逐漸興起，基本拓?fù)淙鐖D1所示。20世紀(jì)70年代出現(xiàn)了采用晶閘管關(guān)斷的固態(tài)直流斷路器；80年代隨著門(mén)極可關(guān)斷晶閘管(GTO)、絕緣柵極雙極型晶體管(IGBT)等全控器件的誕生，使固態(tài)直流斷路器所用器件有了新的選擇。90年代，隨著ABB和日本三菱的集成柵極晶閘管等新型大功率器件的問(wèn)世，為固態(tài)直流斷路器拓?fù)涮峁┝烁嗟倪x擇余地。

國(guó)外在固態(tài)直流斷路器研究方面起步較早。1987年，美國(guó)研制的200 V/15 A固態(tài)直流斷路器以門(mén)極可關(guān)斷晶閘管作為主開(kāi)關(guān)器件；1999年，Dr. Jefffrey A.Casey等人詳細(xì)闡述和列舉了固態(tài)直流斷路器在配電網(wǎng)的分布、成本和工程應(yīng)用；Houston大學(xué)隨后研發(fā)出電壓等級(jí)為500V的固態(tài)直流斷路器樣機(jī)；2005年，美國(guó)電力電子系統(tǒng)研究中心(CPES)研制出2.5 kV/1.5kA和4.5 kV/4kA直流斷路器樣機(jī)并通過(guò)測(cè)試 。

國(guó)內(nèi)主要集于直流斷路器電路拓?fù)涞难芯?，試?yàn)樣機(jī)容量較小且集中在航空航天和艦船系統(tǒng)等特殊領(lǐng)域。國(guó)內(nèi)的海軍工程大學(xué)開(kāi)展的應(yīng)用于艦艇系統(tǒng)的固態(tài)斷路器研究側(cè)重于低壓、大電流下的開(kāi)斷和限流等，應(yīng)用場(chǎng)合受到限制。中國(guó)工程物理研究所研制的20 kV晶閘管固態(tài)開(kāi)關(guān)側(cè)重于晶閘管串聯(lián)技術(shù)的研究，電流等級(jí)較低。

混合型直流斷路器

為充分利用機(jī)械開(kāi)關(guān)通態(tài)壓降小和電力電子器件關(guān)斷速度快的優(yōu)勢(shì)，混合型直流斷路器成為當(dāng)前研究熱點(diǎn)。混合型直流斷路器可通過(guò)機(jī)械開(kāi)關(guān)和電力電子器件的合理組合得到，常見(jiàn)的拓?fù)渲饕袡C(jī)械開(kāi)關(guān)與電力電子器件直接并聯(lián)、機(jī)械開(kāi)關(guān)與電力電子器件先串聯(lián)再并聯(lián)以及由此衍生出的其他拓?fù)洹?

2012年底，ABB公司研發(fā)的混合型直流斷路器通過(guò)樣機(jī)試驗(yàn)，采用高速機(jī)械開(kāi)關(guān)與IGBT先串聯(lián)再并聯(lián)的拓?fù)?，用?20kV直流輸電系統(tǒng)中，5ms之內(nèi)斷流能力達(dá)9kA。在該拓?fù)湎掠眯滦痛蠊β势骷鍵GBT已實(shí)現(xiàn)16kA左右關(guān)斷能力 。

2013年，Alstam公司研發(fā)出可在2.5ms內(nèi)關(guān)斷超過(guò)3kA電流的混合型直流斷路器，采用機(jī)械開(kāi)關(guān)與電感、電容和電力電子器件構(gòu)成的振蕩電路串聯(lián)再與電力電子器件并聯(lián)的拓?fù)洹?