少油断路器原理、结构与操作

少油断路器原理、结构与操作

概述

一. 油断路器:是利用油作为灭弧介质的断路器。

二. 油断路器是最早出现的高压断路器（115年）。

1895年,随着电力系统电压的增高、容量的增大，开断过程中电弧长度也增大,为减小弧长、尽快熄弧，从而出现了第一台油断路器。

如：大气中开断6kV、300A电路，电弧可长达4m；同样的电路，油中开断时电弧长度可缩短到20cm。1930年前，用油作为介质几乎是提高高压断路器灭弧能力的唯一方法。但目前，油断路器在高压断路器的份额很少。

三. 静止状态的变压器油比空气熄弧能力强，原因有三：

①电弧在油中燃烧，分解出大量H2，H2导热性比N2高，散热热量多，冷却作用强；

②油气内压力增大，去游离作用增强；

③扰动作用（液←→气）。

一、分类：

按绝缘结构不同,有带接地金属箱型和瓷瓶支持型两类。因前者用油量较多，习惯上称为多油断路器；而瓷瓶支持型油断路器因用油量较少，称为少油断路器。

1.多油式：油是灭弧介质、触头间绝缘介质、对地绝缘介质。

耗油、耗钢材均多，火灾危险性大，但运行经验较多，适于频繁操作，气候适应性较强，易组装电流互感器。35kV电压等级还生产。

2.少油式：油作灭弧介质、触头在分闸位置的绝缘介质。

耗油、耗钢材均少，应用较广（尤其是中压级）；可采用积木式结构，电压等级可达330kV，开断电流达40kA。当加装机械油时，满足开断空载长线的要求。

缺点：油较少，易于劣化，检修周期短，不适于频繁操作，也有火灾安全问题。

油断路器的型号可按下述方式识别：

如：DW4-110是指序列号为4的户外110kV少油断路器。

一、少油断路器：曾是我国用量最大的断路器。

1、结构特点：

触头、导电系统和灭弧系统直接装在绝缘油筒或不接地的金属油箱中。

变压器油只用来熄灭电弧和作为触头间的绝缘用，不作对地绝缘用，导电部分的对地绝缘主要靠瓷瓶、环氧玻璃布和环氧树脂等固体介质。

2、装有灭弧室，并设油气分离器（见图4-3）。

把在电弧作用下分解出的气体中所含的油进行分离和冷凝后重新送回油箱。由于少油断路器的油箱较小，顶部的缓冲空间也较小，再加油气分离器带来的排气阻力，缓冲空间的体积对少油断路器工

作的影响显得更为突出。

3、电磁操动机构：靠合闸电磁铁实现合闸，靠分闸弹簧实现分闸，但液压或气动操动机构操动的不设分闸弹簧，直接由液动或气动能源操动分闸。

少油断路器的结构形式随电压等级和使用地点的不同有较大差异。

4．6～35kV户内少油断路器：

①户内少油断路器：灭弧室装在金属的或环氧树脂

玻璃钢的圆筒中。

按绝缘筒支承方式不同，断路器分为悬臂式、中支式和落地式三种结构（图4-4）。

? 2.产品介绍：① SN4型：SN4-10和SN4-20发电机断路器采用落地式的结构形式，图4-5为其原理图。

?它们额定电流大、断流容量高，每相采用两个串联断口和灭弧室1，分别装在两个金属油箱中，油箱用绝缘子对地绝缘。

?静触头4固定在油箱底部，动触杆5通过绝缘套管6进入油箱。两个动触杆通过横担7相连接，并由绝缘提升杆8带动。

?a、合闸：

?灭弧触头回路：电流由左油箱（油箱带电）经左静触头、左动触杆、横担、右动触杆、右静触头和右油箱形成的回路。

?主触头回路：为避免大电流贯穿金属油箱引起发热，在油箱盖和横担上另装有主静触头9和主动触头10，电流入左油箱后，也可经左主静触头、左主动触头、横担、右主动触头、右主静触头和右油箱形成回路。

?当主触头回路的电阻远小于灭弧触头回路的电阻时，在合闸状态下有75％以上的电流将经主触头回路流通。

?动作顺序：分闸时主触头先分开、灭弧触头后分开；而合闸时灭弧触头先接通，主触头再接通，因此主触头间不会发生电弧，可不设灭弧装置。

②. SN10-10型：

a、结构：

图4-6是SN10-10配电型器的单相剖视图。

悬臂式结构，三相分别通过瓷瓶固定在底架上。

?灭弧室1置于绝缘筒2中；静触头3固定在绝缘筒的上法兰上，动触杆5通过安装在绝缘简下法兰的中间滚动触头4滑动。

?接通电路时，电流经上接线板6、静触头、动触杆、中间触头4到下接线板形成导电回路。

?断路器的主轴10经绝缘拉杆11与带动动触杆运动的转轴12相连。

b、合闸：

转轴12在操动机构带动下顺时针转动，使导电杆向上运动，与静触头接通；同时，压缩分闸弹簧13，进行贮能。在接近合闸位置时，合闸缓冲弹簧14被压缩，进行合闸缓冲。

c、分闸：

分闸弹簧带动转轴12逆时针转动，使动触杆向下运动。触头间产生的电弧在灭弧室中熄灭。

电弧分解和蒸发的气体和油气上升到顶部缓冲空间15，经油气分离器16冷却后排出。分闸终了时，油缓冲器活塞17插入导电杆下部钢管中，进行分闸缓冲。

5．35kV以上的户外少油断路器：

灭弧装置都装在瓷套中（灭弧装置在瓷套中的安装方式和SN10-10相同）。 60kV及以上都是落地式结构，以相当于线电压为55～110kV的标准元件为基础，采用积木式组合方式。

①图4-7为用55kV标准元件

组成的双断口110kV少油断路器SW3-

110的外形图。

灭弧元件向上斜装在三角机构箱2上；机构箱靠支持瓷瓶3固定在底座4上。操动传动机构的绝缘操作杆，穿过支持瓷瓶和置在机构箱内与带动动触杆动的传动机构相连。属于该系列的220kV和330kV 少油断路器有双柱四断口和三柱六断口的结构。

②图4-8为用110kV标准元件组成的单断口110kV少油断路器SW7-110的外形图。

该系列220kV少油断路器采用单柱双断口。

? 6. 能采用积木式组装成高电压等级的断路器是少油断路器的一大优点。

?但由于断口各点对地部分电容的影响，随着断路器断口数的增加，断口的电压分布将愈来愈不均匀。

?①图4-9（a）单柱双断口：

?图中，Cd为断路器断口的部分电容，C0为机构箱对地的部分电容。

?当断路器开断单相接地故障时，断口间的电压分布可按图4-9（b）的等值线路图计算，图中U为加在断路器断口上的总的恢复电压。

因存在机构箱对地的部分电容C0，故断口1和断口2的电压大小将分别为

因存在机构箱对地的部分电容C0，故断口1和断口2的电压大小将分别为

（分子不同）

所以，断路器电压分布不均匀。

假定Cd=C0，可得U1=67％U，U2=33％U。可见断路器两个断口所承受的恢复电压将有很大的差别。考虑到断口的部分电容Cd一般比机构箱对地部分电容C0小，因此实际的U1和U2的差别更大。

?据此算出断口间电压分布为：

?Ul=74%U，U2=8%U，U3=12%U，U4=6%U。

?如果把断口实际承受的电压和理想分布电压（电压均匀分布时均为25％U）之比称为电压不均匀系数k，则各断口的电压不均匀系数将为：

?K1=2.968，k2=O.321，k3＝0.476，k4=0.224

?增大断口的部分电容Cd可改善断口间的电压分布，因此220kV及以上的少油断路器的断口上一般都并联有均压电容。

?均压电容应能把断口的不均匀系数调整到1.1以下，其值在1000～2000pF范围内。

?7. 少油断路器的优、缺点：

?优点：①装有灭弧室以及油气分离器；②能采用积木式组装成高电压等级的断路器；③用油少，体积小、重量轻。

?缺点：①消耗有色金属和绝缘材料少；②维修量大；③有火灾危险。

?

第二节油断路器灭弧室的工作原理

?一、油断路器灭弧室有自能式、外能式和混合式三种。

?目前大多采用自能式或混合式。

? 1.自能式：利用电弧放出能量将油蒸发、分解成油气，提高灭弧装置的压力，以驱动油气或油进行吹弧。

? 2.外能式：利用其它能量熄灭电弧。

? 3.混合式：压气式 + 电弧堵塞。

二、自能式灭弧室的工作原理：

1、自能式纵吹灭弧室：图4-11是原理图。静触头1放在由绝缘材料做成的灭弧室2内，动触头3从吹弧口穿过。

从触头分开产生电弧起，到电弧熄灭、灭弧室内重新充满油为止，灭弧室的工作分为三个阶段：封闭泡阶段、气吹阶段和回油阶段。

?（l）封闭泡阶段：是触头分开到吹弧口被打开的阶段，如图4-11（b）所示。此阶段只有部分油从触头和灭弧室的缝隙中挤出，大量的气体占有较小的空间，灭弧室中压力增长很快，达几十个大气压。此时，触头间距很小，气体和电弧间没有相对运动，不能形成气吹，所以

电弧不会熄灭；

?（2）气吹阶段：如图4-11（c）所示，吹弧口被打开，灭弧室中的高压力推动油和气高速经吹弧口喷入油箱，形成气吹，加上此时触头间距已足够大，因此电弧应在这一阶段熄灭。

?（3）回油阶段：如图4-11（d）。电弧熄灭，灭弧室压力降低，灭弧室顶部的止逆阀自动打开，新鲜油开始回入灭弧室，灭弧室中的残留气体被排出。当油全部回入灭弧室后，灭弧室恢复其灭弧能力，准备下一次动作。

?2、自能式横吹灭弧室：图4-12为其工作原理图。吹弧口位于触头侧面，称横吹弧道口，图中也显示了灭弧室工作的三个阶段。

三、自能灭弧室压力变化分析：

1. 对灭弧室工作的影响：

①最大压力决定了灭弧室的机械强度；

②气吹阶段压力直接影响吹弧的速度；

③电流过零瞬间压力对于阻止电弧重燃起重要作用；

④整个燃弧时间压力还影响排出油的容积，因而也影响回油的快慢和断路器的重合闸性能。

2. 准确计算压力过程较困难，只供初步估算和定性分析用的计算方法：

（1）封闭泡阶段:设气体压缩是等温的，则灭弧室压力P可由一个大气压下电弧分解出的气体体积V0与气体所能占有的空间体积V的比值p来确定，即：

a 求一个大气压下电弧分解出的气体体积V0：设电弧长度等于触头开距，触头分断速度为平均速度vp，不计燃弧尖峰和熄弧尖峰，电弧电压uh可写成：

uh = Eh * vp * t （8-4）

式中 Eh ——电弧的电压梯度。

设电弧电流按正弦变化，用正弦电流的平均值代替电弧电流的瞬时值，则ih可写成：

ih=（2√2*I）/π（8-5）

式中 I ——电弧电流的有效值。

将式（8-4）和式（8-5）代入式（8-3）,可得V0：

V0是随时间t迅速增长的。

b 求气体所能占有的空间体积V ： V也是时间的函数。在封闭泡阶段，V主要取决于从各缝隙中挤出的油所让出的空间。设缝隙面积为Fs，油流速度为vL，则V为：

式中，μ——为考虑油从缝隙中流出所受阻力而引入的系数，称为油流系数，它与缝隙的形状有关。通常，圆环形缝隙的μ取0.5，圆孔形缝隙的取0.8。

vL——油流速度，根据流动液体的能量方程求出。对变压器油，有：

式中 p ——灭弧室内部的压力；

p0 ——灭弧室外部的压力，一般可取为一个大气压。

当灭弧室内压力较高时，可取p - p0 ≈ p，上式可简化为

将式（8-9）代入式（8-7）可得：

C、求出灭弧室的压力p：是时间的函数，将式（8-6）和（8-10）代入，得：

（2）气吹阶段：电弧产生的气体只有一部分留在气泡中。

①设电弧产生的全部气体体积为V0（包括封闭泡阶段电弧产生的气体，折算到一个大气压下），经吹弧口喷出的气体体积（折算到一个大气压下）为Vc，气体所能占有的体积为V，则气吹阶段的灭弧室压力p可由下式决定：

其中，V仍由（8-10）式确定（设气吹过程中自吹弧口排出的只有气体，没有油）；Vc按（8-3）式由电弧能量确定，为：

②举例：图4-13为某自能式灭弧室实测压力波形。

封闭泡阶段：灭弧室压力随时间迅速增长；

气吹阶段：灭弧室压力随电流变化脉动，但压力最大值出现的时间稍滞后于电流最大值出现的时间，压力最小值出现的时间也稍滞后于电流的零点出现的时间。

③两个固有矛盾：

其一，采用自能灭弧原理的灭弧室在电流过零时吹弧作用减弱；

其二，吹弧能力随开断电流而变。

为充分利用灭弧室压力，灭弧室设计应使最大压力出现在气吹阶段，而且应能始终保持有较高的吹弧压力，同时设法减少气吹阶段中最大和最小压力间的差别。

四、外能式灭弧室工作原理：

?图4-14为其工作原理，吹弧作用靠活塞压油实现。

? 1. 开断初期：

?动触杆2带动钻孔的活塞3沿开孔的绝缘筒4向上运动。动、静触头分离，产生电弧。

?由于活塞的运动，灭弧室上部的油受机械力压缩而使油流吹向弧区形成强迫纵吹。

?当动触杆继续向上运动，活塞遇到绝缘筒4后，将带动绝缘筒一起继续向上运动。此时压油面积将进一步增加，形成更强烈的纵吹而最终将电弧熄灭。

? 2. 吹弧油流靠机械力形成，它在开断小电流时的熄弧能力强；

?但开断大电流时，由于电弧分解气体增多，活塞下部压力迅速提高，活塞上下压力差将减小，使油吹作用减弱，因此对开断大电流反而不利。

? 3. 为得到理想的灭弧性能，在设计灭弧装置时可兼用自能和外能原理，常用在自能灭弧室中辅以动触头向下运动所形成的压油作用来改善灭弧室开断小电流的特性。

? 4. 采用自能灭弧原理的油断路器的电弧时间常数较大，电流过零电弧熄灭后弧隙温度不能很快下降，断口间残余弧柱存在时间较长，因此在油断路器的介质恢复过程中热击穿阶段所持续的时间比较长，有一定导电性能的残余孤柱的存在相当于在断口上并联了一个电阻，可以自动起到阻尼恢复电压的作用。

?正因为如此，可以说油断路器对电网恢复电压的固有振荡频率是不十分敏感的。在油断路器中不需要专门设置并联电阻来阻尼电压的恢复。

第三节典型灭弧装置

一、SW4-110型少油断路器灭弧装置：

图4-15为其示意图。

1.结构：

灭弧室由三聚氰氨隔弧板1和衬环2在玻璃钢筒3内交替叠成，隔弧板间构成七个纵吹油囊4。

静触头5为梅花型，位于灭弧室的上部，静触头外面套有铜钨合金的保护环7。

动触杆6从下部进入灭弧室，其端部镶有铜钨合金的端头8。

触头分开后，电弧在保护环和动触头间燃烧，可以提高触头耐弧能力、增加触头使用寿命、减少弧区金属蒸汽密度，以利电弧的熄灭。

2. 原理：多油囊纯纵吹。

当电弧进入灭弧室后，油囊的油在电弧作用下产生大量气体，形成高压，迫使气体顺着电弧方向自下而上经灭弧室与静触头间的引弧区排出。高压力气体向外排出时可把电弧限制在灭弧室的中心孔部位，并使其得到强烈冷却而熄灭。该灭弧室熄弧过程中不存在明显封闭泡阶段。

3. 开断大电流时，电弧在上面几个油囊的纵吹作用下即可熄灭；开断小电流时下面几个油囊也将参加工作。

当电弧熄灭、灭弧室压力开始下降时，新鲜油沿玻璃钢筒3和承压筒9间的空隙由灭弧室下部向灭弧室回油。

? 4. 为避免开断空载长线时发生重击穿而产生过电压，静触头上部还装有压油活塞10。

?合闸时，动触头端都向上压缩活塞的弹簧11使其储能。

?分闸时，活塞弹簧伸张，推动压油活塞向静触头前部的弧区注入新鲜油液，以提高电流过零时弧隙的介质强度，这里压油活塞起着强迫油吹的作用。

?只要合理选择压油活塞的压力和压油量，即可使断路器在切空线时不发生重击穿。

? 5. 结构简单，制造方便，在35kV及以上少油断路器中广泛采用。

?二、SN10-10型少油断路器的灭弧装置

?图8-16为其示意图。

? 1.结构：

?灭弧室由主控三聚氰氨压制的不同形状的灭弧片1叠成，组装后构成三个互成45°角的、排气通道互不相通的横向吹弧道2（因互成45°角，所以图中只显示了一个通道）、两个纵吹油囊3和一个附加油流通道4。

?静触头5位于灭弧室上部，动触杆6由下部纵吹油囊处进入灭弧室。静触头为梅花型，用端头焊有铜钨合金的触头片7取代了保护环。动触头端部也镶有铜钨合金。静触头顶部设有止

逆阀（图中未画出）。

? 2.原理：

?分闸时，动触杆向下运动，电弧在静触头的触头片7和动触杆端头间燃烧，

?在第一个横吹弧道打开前为封闭泡阶段，此时静触头顶部的止逆阀关闭，在灭弧室内建立起吹弧所需的高压力。

?在开断大电流时，电弧在连续三个横吹弧道的吹弧作用下熄灭；开断小电流则需借助于纵吹油囊3。

?此外，在动触杆向下运动时，灭弧室下部的油通过附加油流通道4横向射入电弧通道，形成附加强迫油吹，有助于小电流电弧的熄灭。

三、DW8-35型多油断路器的灭弧装置：

图4-16是其示意图。

1.结构：

灭弧室由三片三聚氰氨压制的灭弧片1和衬环2叠成。

每片灭弧片下有十个小气室3。灭弧片叠放在玻璃钢筒4中，筒上开一横吹喷口，构成一个横向吹弧道5和上下两个纵吹油囊6。

整个灭弧室旋装在静触头座7上。静触头座中心处设有空气室8和两个止逆阀9。

静触头和动触杆结构和SW4-110类同。

2. 工作原理：

触头分开初期，因导电杆将灭弧片的中心孔堵住，止逆阀在压力作用下关闭，在灭弧室中可形成一封闭气泡使灭弧室的压力增高。

动触杆继续向下运动，打开灭弧室的横吹弧道后，封闭泡的气体连同第一个纵吹油囊中的气体即可以高速经横吹弧道喷出，形成强烈的横吹。

开断大电流时，电弧一般均能在横吹时熄灭；开断小电流时，因电弧能量较小，吹弧压力不够，电弧将被继续拉长、进入下部纵吹油囊，利用纵吹油囊的附加纵吹作用使电弧熄灭。

灭弧片和静触头座上的空气室用来降低电流幅值附近灭弧室的压力和提高电流零点附近的灭弧室压力，使电流过零时的吹弧作用增强，也可用以减小开断大、小电流时灭弧室压力的差值。

四、环吹灭弧装置

图4-18为其示意图。

1.结构：

灭弧室的环吹喷口由安放在绝缘筒1中的绝缘物2和3构成；灭弧室下部设中间隔板4（把上部灭弧空间中的油和下部密封的机构箱隔开）；

静触头5置于灭弧室上部；

动触头6为中空管，近端头处的侧面开有小孔。当动触头向下移动时，中间隔板下面的油被压后可

自该孔喷出。动触头的端部不用耐弧合金而用绝缘端头。

开断时，电弧绕过绝缘端头在静触头和动触杆间燃烧。

由于动触头端部的绝缘端头把环形喷口的中间孔堵住，喷口下部在电弧作用下产生的气体不能直接喷出，只能向下压油，使高压气体都能有效地用来产生油流。油流碰到灭弧室下部中间隔板后改变方向，按图中箭头所示自环形喷口喷出，起强烈吹弧作用。

2. 环吹灭弧室在开断大电流时主要利用自能灭弧。电弧在环形油流作用下保持直线形状，这对降低电弧电压和电弧能量，改善熄弧条件是极为有利的。

开断小电流时，由动触杆下移造成的自动触杆侧面小孔喷出的油将起强迫油吹作用，增强了小电流的开断能力，因此，环吹灭弧室可以比较妥善地解决开断大、小电流的矛盾。

其缺点是结构复杂，该灭弧装置在6～35kV少油断路器中得到应用。

动触头向下运动实现开断的灭弧装置与动触头向上运动的相比，优点是：

①开断时电弧形成的气泡受热作用总是向上运动的，可使动触头端部的弧根总是与下面的冷态新鲜油接触以加强弧根冷却，而且在电流过零时，动触头端都可以立即得到新鲜油的补充。

②动触头向下运动能把灭弧室下部的新鲜油挤上来喷向弧区，使灭弧室在不采取任何特殊措施条件下就可收到附加的强迫油吹的效益。

这两点对改善灭弧室开断小电流时的灭弧性能都有很大的好处，因此目前油断路器的灭弧装置都采用动触杆向下运动实现开断的结构形式。

第四节高压断路器分/合闸速度对灭弧性能的影响

高压隔离开关合闸视频 https://www.360docs.net/doc/8d911559.html,/u11/v_NDIyMTIzNzY.html

分/合闸速度一般指动触头在分合闸过程中的运动速度。

在高压断路器的分/合闸过程中，动触头的运动速度不均匀。

分闸初期，动触头在分闸弹簧的作用下速度很快上升；随着分闸弹簧作用力减弱及速度增高后阻力增大，动触头的加速将逐渐减小；最后，在分闸缓冲器的作用下，速度急剧下降，最终为零值。

一、动触头的刚分速度与刚合速度：

它们对高压断路器灭弧性能的影响很大；是高压断路器的重要参数。

图4-19为高压断路器速度特性曲线。a）和b）图速度方向不同。

1.分闸速度Vf：见图4-19 a），表示动触头在分闸过程中的运动速度V和行程h关系的分闸速度曲线。

触头刚分速度Vgf ：是触头分闸至超程位置（从触头开始运动到动静触头开始分离之间的距离）的速度。

2.合闸速度Vh：见图4-19 b），为动触头在合闸过程中运动速度V和行程h关系曲线。

最初，动触头在操动机构操动下加速，以后随着开断弹簧反力增加和缓冲器的投入而逐渐减速，最后在动静触头接触后急剧下降而达最终位置的零值。

触头刚合速度Vgh：是触头合闸至超程位置的速度。

?二．触头刚分速度对灭弧性能的影响

? 1. 提高触头刚分速度，可在同一熄弧距离下缩短电弧燃烧时间，减少电弧所释放的能量，提高电流过零后的介质强度恢复、减轻断路器的喷油和触头烧损；还有利于快速切除故障，保证电力系统的稳定；

? 2. 过分增大刚分速度，有时会给高压断路器灭弧带来不利，因此，高速分断的断路器需要有长度较大和机械强度较高的灭弧室；

? 3. 在不改变灭弧室结构的情况下，盲目提高触头刚分速度，可以造成过高的灭弧室压力，或出现动触头完全脱离灭弧室而电弧尚未熄灭的现象，两者都可引起断路器爆炸。

?三、触头刚合速度对灭弧性能的影响

1. 自动重合闸中，关合短路电流的过程直接影响灭弧室二次开断工作条件；

2. 在不成功的自动重合闸操作下（分—0.5s—合分），高压断路器在开断短路电流后，就要关合短路。因间隔时间很短（仅0.5s），动、静触头间可能仍充满着绝缘性能很差的高温气体，因此，触头的预击穿距离将增大。预击穿后，短路电流在导电回路中产生的很大的电动力，会使触头的关合速度减慢，严重时甚至不能关合到底。这样会减小高压断路器第二次开断时的刚分速度，影响高压断路器的灭弧性能。再加上高压断路器二次开断时灭弧室内的油量和油质都比第一次开断时差，因此，高压断路器爆炸事故常常出现在二次开断时。

为使高压断路器在自动重合闸失败时能顺利切除故障，高压断路器必须有足够的刚合速度。

思考题与习题

1．什么是断口电压的不均匀分布系数？为什么在多断口串联时，恢复电压在断口上的分布会不均匀？采取什么措施可以使电压分布均匀？

2．高压油断路器刚分速度是否愈大愈好？为什么？