壓縮空氣斷路器特點(diǎn)

壓縮空氣斷路器自20世紀(jì)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(diǎn)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(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，價格要比油斷路器高，而且使用時還要附加空氣壓縮裝置。

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(jié)構(gòu)復(fù)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(jī)保護(hù)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(shí)心（棒），或者一個是空心而另一個是實(shí)心。在雙向吹弧中，兩個觸頭均為空心。

（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）是具有一個空心和一個實(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(nèi)表面。實(shí)心觸頭端部采用圓錐形。

（d）是自由噴射式。在開斷時，實(shí)心動觸頭離開靜觸頭，在滅弧室外部發(fā)生電弧。當(dāng)動觸頭進(jìn)入滅弧室體內(nèi)而完全開放噴口時，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(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，可以將其中一個空心觸頭做成收縮截面，成為雙向非對稱縱吹（如f所示）。

由于出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)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(jī)斷路器，要求開斷容量大，動作迅速，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(jī)將空氣壓縮儲存在滅弧室內(nèi)。當(dāng)進(jìn)行分閘操作時，打開閥系統(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?。虼怂且环N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(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濕度增高時帶進(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、壽命長等優(yōu)勢，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(yīng)用中開斷電流能力可達(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世，為固態(tài)直流斷路器拓?fù)涮峁┝烁嗟倪x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(guān)斷晶閘管作為主開關(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)出電壓等級為500V的固態(tài)直流斷路器樣機(jī)；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(jī)并通過測試 。

國內(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。國內(nèi)的海軍工程大學(xué)開展的應(yīng)用于艦艇系統(tǒng)的固態(tài)斷路器研究側(cè)重于低壓、大電流下的開斷和限流等，應(yīng)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(guān)側(cè)重于晶閘管串聯(lián)技術(shù)的研究，電流等級較低。

混合型直流斷路器

為充分利用機(jī)械開關(guān)通態(tài)壓降小和電力電子器件關(guān)斷速度快的優(yōu)勢，混合型直流斷路器成為當(dāng)前研究熱點(diǎn)?；旌闲椭绷鲾嗦菲骺赏ㄟ^機(jī)械開關(guān)和電力電子器件的合理組合得到，常見的拓?fù)渲饕袡C(jī)械開關(guān)與電力電子器件直接并聯(lián)、機(jī)械開關(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樣機(jī)試驗(yàn)，采用高速機(jī)械開關(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3kA電流的混合型直流斷路器，采用機(jī)械開關(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?