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高压断路器使用现状与发展趋势探析

发表时间：2021/3/26 来源：《电力设备》2020年第32期作者：孟祥军

[导读] 摘要：社会需求带动下，我国电力企业发展良好，电网建设规模不断扩大，其中对使用的高压断路器也有了质量方面更高的要求，需保证其稳定性和可靠性，并逐步提升技术水平。

        （安徽中电兴发与鑫龙科技股份有限公司技术中心安徽芜湖 241008
        安徽省电器设备电磁兼容(EMC)省级实验室安徽芜湖 241008
        安徽中电兴发与鑫龙科技股份有限公司安徽芜湖 241008）
        摘要：社会需求带动下，我国电力企业发展良好，电网建设规模不断扩大，其中对使用的高压断路器也有了质量方面更高的要求，需保证其稳定性和可靠性，并逐步提升技术水平。只有保证高压断路器运行质量，才能提升整个电网系统运行稳定性和供电质量。因此，加强对高压断路器的合理应用，掌握其未来发展趋势，做好技术改进等工作，对于电力事业来说意义重大。文章基于这一需求，分析了当前高压断路器的应用状况，并探讨了其未来发展趋势，以为高压断路器技术创新发展提供参考，有效保证高压断路器的运行安全。
        关键词：高压断路器；类型；使用现状；发展趋势；SF6断路器
        在变电所运行中，高压断路器是主要的电力控制设备，具有一定灭弧特性，系统正常运行中可以将线路和相关电气设备的空载、负载电流切断和接通。如果系统产生故障，则高压断路器可以配合继电保护，将故障电流快速切断，避免其事故范围不断扩大。因此高压断路器运行状态对电网稳定性影响很大，需加强对高压断路器的管理，掌握其使用现状和发展趋势，加大对相关技术的改进和创新力度，提升运行质量。
        1.高压断路器使用现状分析
        1.1高压断路器类型和作用
        高压断路器主要有三方面作用，即控制作用、保护作用和安全隔离作用。使用中，一方面高压断路器要具备开断和关合功能，可以将各种负载线路和短路故障开断和关合，满足断路器重合闸要求。且其它电力元件也可被有效开断关合，同时不会引发过电压问题。另一方面高压断路器还需具备良好的电气性能，包括载流能力、绝缘性能和机械性能。
        结构方面，高压断路器基本组成有开断元件、绝缘支撑元件、传动元件、基座和操动机构。开断元件即负责开断、关合电路、安全隔离电源，比如导电回路和灭弧装置等。绝缘支撑元件是支撑开关的器身，承受元件开断操动力等，确保开断元件对地绝缘。传动元件可以向动触头传递操作命令和操作动能，包含连杆和齿轮等。基座的作用为支撑、固定开关，操动机构则负责提供操动开关分闸、合闸的能量。
        按照灭弧介质、灭弧原理，断路器可以分为油断路器、压缩空气断路器和SF6断路器等。依据控制和保护对象，则可划分为发电机断路器、馈电断路器和输变电断路器等。根据电压等级划分，则有中压、高压和超高压断路器[1]。
        1.2使用现状
        我国输配电系统中，在二十世纪六十年代多使用油断路器和空气断路器，技术比较落后。七十年代出引进第一台SF6断路器，在多年发展下我国电力系统高压开关设备全部使用真空断路器和SF6断路器。
        我国以40kv电压等级为界限，高于40kv电压主要使用真空断路器。SF6断路器结构主要有两种，罐式和瓷柱式。前者应用的有252kv、363kv和550kv断路器，以环境适应性强，具有较高的系统配套性和运行可靠性。后者通过灵活串接获得任意电压额定值，其成本较低，在低于550kv的超高压领域具有良好应用优势。
        2.各类型高压断路器特点
        2.1油断路器
        在1930年之前，提高断路器开断能力方面，使用油作为灭弧介质是一种有效方法，20世纪80年代油断路器得到广泛应用。这种断路器中多采用矿物油，价值强度高、熄灭电弧能力强。具体原理就是触头在油中分断电流过程中，油中会有电弧产生，其25~30％的能量用来分解油，会产生大量气体，电弧周围有气泡产生。气泡中主要部分为氢气，还包含乙炔和甲烷等，氢气占比可达70~80％，其导热率较高，经热传导面电弧冷却。

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由于油不断分解，会增加产生的气体量，导致气泡膨胀，使得油层向周边快速运动，但膨胀会受到箱壁、气泡上油层惯性阻碍下，气泡压力得以维持在0.5~1MPa。受温度和压力差产生扰动影响，弧柱冷却会加强。触头间距不断加大下，会拉长电弧，一次电流过零后将电弧熄灭而无法重燃。因此该分断装置可以考电弧能力分解气体将电弧熄灭。现代油断路器会设置灭弧室，以形成气吹型油中电弧。
        2.2压缩空气断路器
        压缩断路器的灭弧介质使用的是压缩空气，具有良好的防火防爆性质，且无毒性和腐蚀性。在运行中，高速气流吹弧可以对弧柱形成散热、冷却作用，弧柱热电离，同时快速减弱、小时。电弧熄灭新鲜压缩空气会补充到电弧间隙，介电强度能够及时恢复。在压缩空气断路器中，灭弧室是主要构成部分，按照压缩空气吹弧方式，其灭弧室有横吹、纵吹两种。实际使用中，往往这两种吹弧方式共存，但其中一种为主。压缩空气断路器在高压和超高压电力系统中应用广泛，其优点在于动作快、开断时间短，保证了电力系统稳定性、满足了电力系统性能要求。但实际使用中结构比较复杂，且有着较高的工艺要求，会消耗大量有色金属。随着SF6断路器的应用，压缩空气断路器使用减少，但在一些高寒地区以及部分国家高压、超高压电网中仍比较常见。
        2.3 SF6断路器
        SF6断路器利用SF6气体作为灭弧介质和绝缘介质，与油断路器相比，其绝缘性能和灭弧性能得以大大提高。首先，SF6断路器具有较高的灭弧能力、介质强度和单元断口耐压值，在同一额定电压等级下减少了使用的串联断口，产品经济性大大提升。其次其电气寿命较长，50ka满容量可以连续开断19次，有着较长的检修周期可以频繁操作。再次，其开断性能好，SF6气体具有电负性，可以强烈吸附自由电子，约束电离的等离子体扩散，形成有效离子复合。同时，开断电流相当大，熄弧时间较短，且反相开断、空载长线和空变等开断性能优良。最后就是具有良好的绝缘性能，且SF6气体无毒、不易燃烧，在断路器断开的情况下电弧加热升高的压力较小，保证了运行可靠性[2]。
        3.高压断路器发展趋势
        （1）环保性能加强。SF6气体具有良好的绝缘性能和灭弧性能，有着广泛应用。在当前电力行业中，高压开关设备大量应用SF6气体。随着各国对环保问题的重视，相关协议的达成使得SF6气体的使用逐步减少，当前尚未找到合适的替代气体，SF6气体的应用仍然比较重要。
        （2）合理应用新介质和新材料。户外产品需注重其环境适应性的提高，在户外产品中自洁型、耐紫外线的新型绝缘材料得以应用，比如户外环氧树脂、陶瓷等，金属防腐技术研究力度也在加大。
        （3）免维护。当前高压电气生产中，免维护产品的研究开发成为一大方向，当前SF6断路器的弹簧操动机构次数达2000~5000次，真空断路器弹簧操动机构可以达到1000次，其机械稳定性强，可以满足实际使用需求。但控制永磁操动机构的电容器和电子设备使用寿命较短，与设备要求不匹配[3]。
        （4）小型化。当前，复合绝缘技术和小型化真空灭弧室的应用下，减少了户外配电设备尺寸与重量。电子测量控制设备的发展，也利于发展电流传感器、电容式分压器的应用，高压电器体积得以减小。
        （5）最佳人机关系。具体指操动更加简便可靠，可以通过电动遥控操动，实现模块化设计、插接式安装和现场快速二次系统总线安装，免维护开关设备、自动监测系统应用使得工作人员工作强度降低。应用新型控制器、配网自动化系统下，开关状态可以被即时传送到运行管理人员计算机上，利于工作效率的提高。
        结束语：
        为适应我国电力系统的发展，近年来我国高压开关设备发展迅速，在研发高压断路器过程中需积极借鉴国外先进技术，使其实现真空灭弧、环保、智能化等发展，保障电网安全稳定运行。
        参考文献：
        [1]王爱娜.高压断路器工作原理及故障分析[J].科技经济导刊,2020,28(07):70.
        [2]石建清.关于高压SF6断路器的现状及发展趋势研究[J].科技传播,2015,7(23):90+86.
        [3]余明春.高压断路器使用现状和发展趋势探析[J].科技经济市场,2014(07):80-81.