浅谈中压开关柜内真空和SF6断路器的应用

摘要：主要论述了中压开关柜内真空和SF6断路器的选用问题，并列举了典型的应用实例，可供产品开发和设计参考。
　　
　　关键词：断路器，选择，应用
　　
　　1　前言
　　
　　SF6和真空开关柜受到世界各地的青睐，在欧洲和大多数中东国家趋向于用SF6断路器；在中国、日本和美国明显喜欢采用真空断路器；而在其他地区，两种技术几乎同样流行。多油和少油技术在中国、东欧、印地安和拉丁美洲等地区仍有少量使用，但趋势十分明显，将很快被SF6和真空技术所取代。

　　 近年来，国内外对两种技术的最新、最重要的发展是采用永磁操动机构，并将有关的传感元件集成在开关柜内。
　　
　　2　电弧遮断特性
　　
　　2.1　SF6断路器
　　
　　SF6中压断路器目前采用自吹型系统。自动吹气型断路器的操作能量比较小，但具有良好的性能，如切断短路电流时电弧能量小，其电气寿命较长；开断小的感性电流时，其过电压倍数低于2.5倍。
　　
　　2.2　真空断路器
　　
　　真空断路器触头在分、合闸操作时必须具有高的抗电弧腐蚀性能；当开断小电流时，应具有低截流性能。对材料的研究表明，铜、铬合成材料是最好、最能满足要求的触头材料，而含铬量为20%～60%的铜、铬合成材料，现在已被用作触头的标准材料。最初采用特殊形状的触头，以防止电弧接触面上的径向磁场，强迫弧根连续不断地沿触头表面旋转，从而防止局部过热和不均匀的磨损。对触头形状更进一步的改进是轴向磁场的开发，该轴向磁场能将弧根均匀地分配在整个触头表面。
　　
　　3　SF6和真空断路器的发展趋势
　　
　　3.1　永磁操动机构
　　
　　从表面上看，断路器的操动机构仅是实现简单的“分－合”或“合－分”功能。当到达所要求的位置时，要确保触头保持在该位置上，直到接到改变位置的命令为止。因此，操动机构是一个典型的双稳态执行机构，其性能要高度可靠。以往，长期采用机械弹簧和凸轮机构。
　　
　　永磁操动机构包括固定式叠片铁心、永久磁铁、合闸和分闸线圈及专用电子装置等，能提供所有电子式的辅助功能，如联锁、分闸、合闸等，还包括自诊断设施。电解电容提供分合闸线圈所需的冲击功率。永磁操动机构的机械系统大大简化了，其部件的大量减少，使故障的几率也相应降低，从而降低了操动梦见的维护水平[2]。新型的真空和SF6磁力操动机构断路器，与先前的设计一样，相互具有完全的可互换性。这种可互换性，能以最少的投资将现有开关柜重新装备。
　　
　　3.2　传感元件和电子设备的集成
　　
　　采用合适的软件和必需的电流、电压传感元件，将保护功能集成在断路器的控制系统中，使断路器成为一个完整的具有保护和切换功能的智能型自动化装置，并达到最高的可靠性目标，最少的部件接口，以方便在中压二次配电系统中应用。这也是目前低压配电系统的发展现状。
　　
　　4　技术性能
　　
　　4.1　电气和机械寿命
　　
　　使用经验表明，真空和SF6断路器均可认为是免维护的。高质量的SF6断路器和真空断路器完全满足IEC60056中B级断路器标准要求。这就是说，B级断路器在预期寿命内对断口部件不需要维护，而仅需要对其他部件进行维护。IEC根据断路器所连接的架空线网络和是否采用重合闸等使用条件，规定了断路器应能完成的操作次数。
　　
　　4.2　操作过电压
　　
　　SF6断路器具有低的操作过电压水平，而无需外加任何装置。
　　
　　采用现代触头材料的真空断路器，也呈现出低水平的截断电流。然而，在特殊的使用场合，可能需要进行详细的系统参数研究，以确定是否需要装设专门的限制过电压的装置，这主要取决于工业安装设备的特性。
　　
　　5　应用举例
　　
　　（1）架空线路和电缆：当用于切断和保护架空线配电网时，真空和SF6断路器均满足要求。
　　
　　（2）变压器：现代真空和SF6断路器适合切断空载变压器的励磁电流，而过电压倍数低于3.0。在某些特殊场合，如用真空断路器来切断工业设备中的干式变压器时，则推荐装设避雷器。
　　
　　（3）电动机：当断路器用于切断电动机时，必须对操作过电压的问题给予充分的注意。过电压的目标限值为小于2.5倍，两种断路器均可达到。当真空断路器用来切断小电动机时（起动电流小于600A），由于电弧多次重燃的缘故，可能需要采取限制过电压的措施，而这种现象出现的概率很低。
　　
　　（4）电容器组：两种技术均适用于电容器组无重燃切换。当成组切换时，可能需要装设电抗器，以便限制冲击电流。断路器的同步控制技术是解决这个问题的一种有效方案。特别推荐SF6断路器应用于额定电压高于27kV的场合。
　　
　　（5）电弧炉：切换电弧炉的特点是操作频繁、大电流、短间隔。真空断路器特别适用于这种场合。
　　
　　（6）并联电抗器：SF6断路器适用于切换并联电抗器，通常其过电压倍数低于2.5。当使用真空断路器时，在某些情况下可能需要外加限制过电压的措施。
　　
　　（7）电气化铁路牵引：原则上，两种断路器均可采用，但在某些低频电源的场合（如16.67Hz），则推荐采用真空断路器。
　　
　　6 结语
　　
　　从使用观点看，SF6和真空两种技术是互补的。经济因素、使用者的爱好、国家中的习惯、制造能力和特殊切换要求等，是决策者确定断路器型式的主要因素。断路器与工作条件的匹配、频繁切换等特殊要求，可能是影响选择断路器型式的额外因素，此时，可能需要进行综合性研究，以便做出最好的选择。