高压热膨胀SF6断路器灭弧室的发展

　　摘要。高压压气式SF6断路器的优势是蛄构简单且开断性能高。但它必颁压缩压气缸中的气体以产生气流，这样增大了机械操作功，往往要配用操作功大而结构复杂的重型操动机构，如液压和气动机构。根据目际大电网会议两次世界范转的调查，这两种机构是造成断路器故障的首要原因。于是人们广泛研究了不采用机械压气的新型灭弧室．包括利用电磁力的旋弧式灭弧室和利用电弧热能的膨胀式灭弧室，但对72.5kV以上的SF6断路器来说，要使灭弧室不用机械压气获得足够高的性能，那是困难的，特别是在开断小电流时．可行的办法是将自能吹弧和机械压气相结合。因此现在的自能灭弧室均是热膨胀与助吹巧妙的结合。

　　现在的自能式灭弧室一般为双气室一单活塞结构(2 vol.-1 pis.)。这种灭弧室由热膨胀室和压气室组成。热膨胀室的气压通过来自弧区的气流流入而增高。位于热膨胀室后而压气容积在开断之初为热膨胀室供给压缩气体。因为压气容积的气压受到从槽孔或阀门排气的控制，故可减少操作功。最新又出现了单气室一单活塞(1 vol.—l pls.)结构，其结构简单，占用空间小，开断性能好，操作功小，性能可靠。

　　目前世界上生产热膨胀式sF6断路器的制造公司主要有：ABB公司、Alstom公司、AEG公司和Siemens公司等。其中AEG公可已并入Alstom公司，Alstom公司已被
Areva公司收购。1985年ABB公司率先推出热膨胀式SF6断路器，接着Alstom公司于1988年、AEG公司于1990年、西门子公司于1996年先后推出此类产品。热膨胀式
SF6断路器一般做到72 5、14s、170、245kV级。

　　自上世纪90年代后期以来，热膨胀式SF6断路器从第一代发展到第二代。第二代产品的开发是从灭弧室刀’始的。首先优化灭弧室，更加完善热膨胀效应，提高开断性能，同时改善断路器开断容性电流特性，并进一步减少操作功(如减为压气式的l／9)。

1 双气室一单活塞灭弧室

　　1998年，Alstom公司研发出第二代热膨胀灭弧室及热膨胀断路器，2002年西门子公司研发出第二代热膨胀灭弧室及SF6断路器。这些灭弧室均为双气室一单活塞结构。

　　综观第二代热膨胀式SF6断路器，有如下特点：(1)大大改进了热膨胀灭弧室结构，以满足高压断路器新标准对高压断路器的要求。如按开断容性电流的重击穿概率将断路器分为C0级、Cl级和C2级；按机械寿命分为M1级和M2级；按开断短路电流的电寿命分为E1和E2级；按电网的恢复电压(TRV)苛刻度分为CS级、CSS级、LS级及LSS级。

　　(2)采用双动结构。断路器的操作功等于1/2(mu2)，采用双动结构，分闸速度实际上只有单动方式的一半左右(1／2)。这就大大减少了操动机构的操作功，如减为压气式的1/9。Aistom公司和siemens公司在第二代热膨胀断路器中，都利用双动技术，这成为第二代产品的一大特点。

  (3)新一代弹簧操动机构。在第二代热膨胀断路器中，由于最大限度地利用电弧能量，优化灭弧室结构及采用双动结构，从而大大减少了操作功。这就出现了新一代弹簧操动机构，如A1stom公司为此开发出第三代弹簧机构。新的弹簧操动机构将零部件减少约30％，机构更加轻巧，寿命更长，可靠性更高。

  A1stom公司研发出3种灭弧室：(1)减少压缩行程的灭弧室(图1)。其特点是开断小电流的压气仅在整个行程受控的部分进行。一般来说，小于总行程的50％。(2)后部排气灭弧室(图2)。它具有高的容性开断能力，为该公司专利。(3)双触头运动的灭弧室(图3)。它采用上、下触头在开断时反向运动，提高了刚分速度，保证大电流开断，同时可确保小电流开断无重击穿。

Siemens公司作为第二代热膨胀灭弧室

研发出新型动态自压缩灭弧室(图4)和双向运动灭弧室(图5)。新型动态自压缩灭弧室的特点是具有反向运动实心触头和动屏蔽电极。实心弧触头在触头分离后开始反向运动，而且持续至电弧熄灭。动电极对实心弧触头起着有效的屏蔽作用，可保证在最小燃弧时间下开断容性电流无重击穿。

2 双气室一双活塞灭弧室

  热膨胀室的气体直接关系到开断性能。在普通双气室一单括塞结构中，热膨胀室的气体

不被机械压缩。假定用一个小截面的活塞压缩热膨胀室，则考虑能获得更高的压力。图6示出双气室一双话塞灭弧室结构及操作过程。灭弧室操作过程如下：

　　(1)在图(b)所示的打开初始阶段，从压缩容积vol.2而来的气体被送入热膨胀室vol.1，从而增大了容积vol.1的密度。在这期间有一个设置在容积vol.1和容积vol.2的阀门val.12被断路器的加速分闸而打开。

　　(2)如图6(c)所示，vol.1的压力随着来自大电流电弧的热气流入而增高。　

　  有一个小活塞压缩vol.1亦使压力上升。在这个阶段，阀门val.12关闭，因为vol.1的压力高于vol.2的压力。

　　(3)在图6(c)所示的中间阶段，气体从vol.2壁中的槽孔排出。这就避免了vol.2内压力上升过高。

　　(4)在最后阶段，槽孔关闭，vol.2中气体受到压缩，并被送入vol.1。这就使得vol.1中的密度快速恢复，为自动重合闸和开断做好准备。

　　在2vol.—2pis.(双气室～双括塞)中有一小括塞压缩vol.1，vol.2中的压力保持较低。这就减少了对分闸操作的阻力。要指出，如果横截面积(spl)被设定为零，而且排气孔(Exm)移到vol.2的后面，则它将变为普通的2vol.—1pis.(双气室一单活塞)灭弧室。

3  单气室一单活塞灭弧室

　　在双气室一单活塞基础上，日本TMT＆T公司研究了双气室双活塞灭弧室(2vol.—2pis.)，并设想能产生比双气室一单活塞结构更高的压力。通过模拟证实，双气室一双活塞可以产生足够的压力。但这种结构相对复杂，并且所占空间大。为解决这个问题，日本又研究了单气室一单活塞灭弧室(1vol.—1 pis.)。结果发现，单气室一单活塞能产生类似双气室一双活塞的足够高压力。其办法是设计一个剩余容积。即在打开位置与压气缸相连的容积。这种灭弧室结构简单，占用空间小。这种单气室一单活塞结构从性能和简易性上占有优势。

　　在图6的2vol.—2pls.结构中，vol.1中的压力增高，由电弧热量产生的热压力和由spl产生的压缩压力组成。上升的压力被存储在一个相对大的容积内。因为容积vol.1在分闸操作结束时有一个剩余容积(R.vol.1)。

  但是这种压力升高效应在lvol.—lpls.灭弧室中亦能获得。将图6中的vol.2从灭弧室取掉，这就成了图7所示的lvol.—1pis.灭弧室。压气缸的结构如下：
 
 (1)有一个活塞vol，活塞的直径等于或小于气缸的直径。

 (2)在分闸操作结束时，vol中有适当的剩余容积(R.vol)

　　大电流开断过程如下：

　　(1)如图7(b)所示，vol的压力通过电弧的热效应和活塞的压缩效应而升高。

　　(2)因为vol.1中的R.vol(剩余容积)大，所以高压力从短燃弧时间维持至长燃弧时间。

　　图6中2vol.—2pis.消耗能量在vol.2中。因为vol.2中的气体压缩无助于开断。而在图7中的1vol—1pis.能利用vol中的所有能量用于开断。

4  灭弧室的比较

　　通过模拟，比较了两种灭弧室的性能。如上所述。2vol.—2pis.对较长的燃弧时间有保持压力升高的长处。然而，比较喷口打开时间8.3ms期间的压力，1vol.—1pis.相比2vol.—2pis.为高，而气体密度却没多大的差别。因此用相同的液压机构，从实际尺寸和计算的消耗操作功而言(2vol.—2pis：1610 J，1vol—lpis：1530 J)，1vol,—1pis的SLF开断性能比较优越。

  而且，由于2vol无压缩，lvol.—1 pis.GCB空载开断速度比2vol—21315稍快。这对容性电流开断有利。lvol一1pis的结构简单并且体积小。因此，选择lvol—1 pis用于新型GCB中。

　　比较2vol.—2pis.和lvol—lpis.两种灭弧室的开断特性证实，用1vol.—1pis.可获得足够的压力上升，因而具有降低操作功的特点。由此开发出245kV GIS用的245／252kV—50 kA—50 Hz(fp=1.3)/40 kA—60 Hz(fp=1.5)新型GCB。

  在确定单气室一单活塞灭弧室尺寸时，选择Sp=1.O p.u，R.L=6.O p.u，这对于开断50kA T100a可获得高压力，并且可成功开断40kA—60 Hz—90％SLF。在Sp；1.O p.u和R.L；6.0 p.u的情况下，对最长燃弧时间(23 ms)计算出的操作功为1 560 J，它仅比40 kA—90％SLF开断时高出2％。

　　图8所示，用1vol.—1pis.的结构开发出的245/252 kV GIS用的新型GCB。该GCB由东芝公司做了全部试验，并在国外第三方实验室成功地做了试验。