壓縮空氣斷路器結構

壓縮空氣斷路器的主要構成部分是滅弧室。按壓縮空氣吹弧方式，斷路器滅弧室分為橫吹和縱吹兩種。在實際應用中，通常是兩種吹弧方式同時存在，但以一種吹弧方式為主。滅弧室的幾種基本形式如《壓縮空氣斷路器結構圖》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，長度增加,同時與隔板緊密接觸，使去除電離過程加速。橫向吹弧方式雖然熄弧效果較好,但滅弧室結構復雜，體積較大,一般只用于電壓等級較低的斷路器中（例如發(fā)電機保護斷路器），而不適用于高電壓，大容量的場合。

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

（b）是實心觸頭單向縱吹的滅弧室。壓縮空氣沿電弧軸向高速運動而強烈吹弧，從而使電弧直徑縮小、表面冷卻，并從弧隙去除電離粒子。這種結構的缺點是，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強度，電弧易重燃。

（c）是具有一個空心和一個實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到其內表面。實心觸頭端部采用圓錐形。

（d）是自由噴射式。在開斷時，實心動觸頭離開靜觸頭，在滅弧室外部發(fā)生電弧。當動觸頭進入滅弧室體內而完全開放噴口時，壓縮空氣沖入大氣中，使電弧受到強烈的橫吹和縱吹。

（e）是具有兩個空心觸頭的雙向吹弧滅弧室。壓縮空氣開始時對電弧徑向吹弧，然后分成兩個氣流縱向吹弧。對于雙噴口，兩個弧根都在觸頭的內表面。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，可以將其中一個空心觸頭做成收縮截面，成為雙向非對稱縱吹（如f所示）。

壓縮空氣斷路器自20世紀40年代問世以來，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。其主要特點是：①動作快，開斷時間短，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具有較高的開斷能力，可以滿足電力系統(tǒng)所提出的較高額定參數(shù)和性能要求。③可以采用積木式結構，系列性強。其缺點是結構復雜，加工和裝配要求高，需要較多的有色金屬，價格要比油斷路器高，而且使用時還要附加空氣壓縮裝置。

由于出現(xiàn)了結構簡單、滅弧性能良好和電壽命長的六氟化硫斷路器，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氣體液化和開斷能力降低（降低20%左右）等原因，有些國家在高壓、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)電機斷路器，要求開斷容量大，動作迅速，還廣泛應用壓縮空氣斷路器。

壓縮空氣斷路器是利用壓縮空氣來吹弧并用壓縮空氣來作為操作能源的一類斷路器。先用壓縮空氣機將空氣壓縮儲存在滅弧室內。當進行分閘操作時，打開閥系統(tǒng)使滅弧室內的壓縮空氣按一定的要求自噴口噴出，對電弧進行強烈的冷卻和氣吹，從而使電弧熄滅。

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電弧的散熱作用來熄滅電弧．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斷能力的最有效措施。隨著工藝技術的提高，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倍標準大氣壓)，已普遍采用3～4MPa，個別產(chǎn)品可高達5～6MPa。

少油和壓縮空氣斷路器的泄露電流試驗能比較靈敏地反應：

（1）外表的嚴重污穢

（2）壓縮空氣斷路器因壓縮空氣相對濕度增高時帶進潮氣于瓷套內壁和導氣管管壁造成結露

（3）少油斷路器提升桿，滅弧室以及絕緣油受潮劣化等缺陷

機械式直流斷路器

機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)中得到廣泛應用。真空斷路器利用真空作為觸頭間的絕緣與滅弧介質，觸頭間隙絕緣強度高，具有安全可靠、壽命長等優(yōu)勢，廣泛應用在10kV,35kV配電系統(tǒng)中，關斷電流水平可達20-63kA；SF6斷路器使用SF6氣體作為絕緣和滅弧的介質，由于SF6氣體特性優(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電壓等級應用中開斷電流能力可達40kA 。

固態(tài)直流斷路器

隨著電力電子技術不斷進步，固態(tài)直流斷路器也逐漸興起，基本拓撲如圖1所示。20世紀70年代出現(xiàn)了采用晶閘管關斷的固態(tài)直流斷路器；80年代隨著門極可關斷晶閘管(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世，為固態(tài)直流斷路器拓撲提供了更多的選擇余地。

國外在固態(tài)直流斷路器研究方面起步較早。1987年，美國研制的200 V/15 A固態(tài)直流斷路器以門極可關斷晶閘管作為主開關器件；1999年，Dr. Jefffrey A.Casey等人詳細闡述和列舉了固態(tài)直流斷路器在配電網(wǎng)的分布、成本和工程應用；Houston大學隨后研發(fā)出電壓等級為500V的固態(tài)直流斷路器樣機；2005年，美國電力電子系統(tǒng)研究中心(CPES)研制出2.5 kV/1.5kA和4.5 kV/4kA直流斷路器樣機并通過測試 。

國內主要集于直流斷路器電路拓撲的研究，試驗樣機容量較小且集中在航空航天和艦船系統(tǒng)等特殊領域。國內的海軍工程大學開展的應用于艦艇系統(tǒng)的固態(tài)斷路器研究側重于低壓、大電流下的開斷和限流等，應用場合受到限制。中國工程物理研究所研制的20 kV晶閘管固態(tài)開關側重于晶閘管串聯(lián)技術的研究，電流等級較低。

混合型直流斷路器

為充分利用機械開關通態(tài)壓降小和電力電子器件關斷速度快的優(yōu)勢，混合型直流斷路器成為當前研究熱點?；旌闲椭绷鲾嗦菲骺赏ㄟ^機械開關和電力電子器件的合理組合得到，常見的拓撲主要有機械開關與電力電子器件直接并聯(lián)、機械開關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撲。

2012年底，ABB公司研發(fā)的混合型直流斷路器通過樣機試驗，采用高速機械開關與IGBT先串聯(lián)再并聯(lián)的拓撲，用于320kV直流輸電系統(tǒng)中，5ms之內斷流能力達9kA。在該拓撲下用新型大功率器件代替IGBT已實現(xiàn)16kA左右關斷能力 。

2013年，Alstam公司研發(fā)出可在2.5ms內關斷超過3kA電流的混合型直流斷路器，采用機械開關與電感、電容和電力電子器件構成的振蕩電路串聯(lián)再與電力電子器件并聯(lián)的拓撲。