高压开关：分类、装置、工作原理

对开关的要求如下：

1) 工作的可靠性和对他人的安全；

2) 反应快——可能停机时间短；

3）维护方便；

4）安装方便；

5）静音运行；

6）成本相对较低。

目前使用的断路器都或多或少地满足了所列要求。然而，断路器设计者努力使断路器特性与上述要求更好地匹配。

油开关

有两种类型的油开关——油箱和低油。这些键中的弧空间去离子方法是相同的。唯一的区别在于接触系统与接地底座的绝缘和油量。

直到最近，适用于以下类型储罐的储罐仍在运行：VM-35、S-35 以及电压为 35 至 220 kV 的 U 系列开关。油箱开关专为外部安装而设计，目前尚未投入生产。

罐式开关的主要缺点：爆炸和火灾；需要定期监测油箱和进油口的状况和油位；油量大，更换时间投入大，需要大量的油储备；不适合室内安装。

低油开关

低油位开关（锅型）应用广泛 在封闭式和开放式开关设备中 所有电压。这些开关中的油主要用作电弧介质，仅部分用作断开触点之间的绝缘。

带电部件彼此之间以及与接地结构的隔离是用瓷器或其他固体绝缘材料完成的。内部安装开关的触点位于钢罐（罐）中，这就是保留“罐型”开关名称的原因。

电压35kV及以上的低油断路器为瓷体。使用最广泛的是 6-10 kV 型（VMG-10、VMP-10）的悬垂式。在这些断路器中，主体固定在瓷绝缘子上，用于三极的公共框架。每个极都有一个触点断路器和一个灭弧室。

低油开关设计方案1——动触点； 2——灭弧室； 3——固定触点； 4——工作联系人

在高额定电流下，很难用一对触头（作为操作触头和起弧触头）操作，因此操作触头设置在断路器外部，起弧触头在金属罐中。在高分断电流下，每个极有两个电弧分断器。根据该方案，MGG 和 MG 系列开关适用于高达 20 kV 和包括 20 kV 的电压。大量外部操作触点 4 允许断路器设计用于高额定电流（高达 9500 A）。对于35kV及以上的电压，开关体为瓷制，VMK系列为低油柱式开关）。在 35、110 kV 自动断路器中，在高压下每极提供一次中断 - 两次或多次中断。

低油开关的缺点：爆炸和火灾的风险，虽然比油箱开关小得多；无法实现高速自动合闸；电弧箱需要定期控制、加满、相对频繁的换油；安装内置电流互感器的难度；分断能力相对较低。

低油断路器的应用领域是电厂、变电站6、10、20、35、110kV的闭式开关柜，6、10、35kV的成套开关柜和35、110kV的开式开关柜。

有关更多详细信息，请参见此处： 油开关的种类

空气开关

35kV及以上电压的空气断路器设计用于分断大的短路电流。空气开启电压 15 kV 在发电厂中用作发电机。它们的优点：响应快、分断能力高、触点烧毁不明显、没有昂贵且可靠性不够的套管、防火、与油箱中的油开关相比重量更轻。缺点：存在笨重的航空经济性、爆炸危险、缺少内置电流互感器、设备和操作复杂。

空气开关用压力为2～4MPa的压缩空气灭弧，带电部分和灭弧装置的绝缘用瓷或其他固体绝缘材料制成。空气开关的设计方案各不相同，取决​​于它们的额定电压、在断开位置的触点之间形成绝缘间隙的方法以及向灭弧装置提供压缩空气的方法。

高额定断路器具有类似于低油 MG 和 MGG 断路器的主电路和电弧电路。在开关的闭合位置，电流的主要部分通过位于打开位置的主触点4。当开关关闭时，主触点首先打开，然后所有电流通过腔室 2 中闭合的电弧触点。当这些触点打开时，来自罐 1 的压缩空气被送入腔室，产生强大的爆炸，熄灭弧线。吹气可以是纵向的或横向的。

通过将触点分开足够的距离，在灭弧室中在断开位置的触点之间产生必要的绝缘间隙。根据该项目制造的带有开放式分离器的开关适用于电压为 15 和 20 kV 以及电流高达 20,000 A 的室内安装（VVG 系列）。使用这种类型的开关，在断开分离器5之后，停止向腔室供应压缩空气并且电弧触点闭合。

空气开关结构图 1——压缩空气罐； 2——灭弧室； 3——分流电阻； 4——主要触点； 5——分隔符； 6 — 110 kV 的电容分压器 — 每相两次断路 (d)

在电压为 35 kV (VV-35) 的开放式安装空气断路器中，每相中断一次就足够了。

在电压为110kV及以上的开关中，电弧熄灭后，隔板5的触点打开，隔板室始终充满压缩空气，处于断开位置。在这种情况下，压缩空气不会供应到灭弧室并且其中的触点闭合。

电压高达 500 kV 的 VV 系列断路器是根据此设计方案创建的。额定电压越高，限制功率越高，灭弧室和分离器中的断路次数就越多。

VVB系列充气式断路器按图D设计方案制作，VVB模块电压为110kV，灭火室内压缩空气压力为2MPa。 VVBK断路器模块（大模块）额定电压为220kV，灭火室内气压为4MPa。 VNV 系列断路器具有类似的设计方案：4 MPa 压力下电压为 220 kV 的模块。

对于 VVB 系列断路器，灭弧室（模块）的数量取决于电压（110 kV — 一个；220 kV — 两个；330 kV — 四个；500 kV — 六个；750 kV — 八个），对于大型断路器模块（VVBK、VNV），数量分别少两倍的模块。

断路器 SF6

SF6气体（SF6——六氟化硫）是一种惰性气体，密度是空气的5倍。 SF6气体的电气强度比空气高2-3倍；在0.2MPa的压力下，SF6气体的介电强度与石油相当。

在大气压下的SF6气体中，可以用比同等条件下在空气中中断电流高100倍的电流来熄灭电弧。 SF6 气体熄灭电弧的特殊能力可以解释为它的分子捕获电弧柱的电子并形成相对固定的负离子。电子的损失使电弧不稳定并容易熄灭。在SF6气流中，即气体喷射过程中，电弧柱对电子的吸收更为强烈。

SF6 断路器使用自动气动（自动压缩）灭弧装置，其中气体在跳闸期间被活塞装置压缩并被导入电弧区域。 SF6断路器是一个封闭的系统，没有气体排放到外部。

目前，SF6 断路器用于所有电压等级（6-750 kV），压力为 0.15 — 0.6 MPa。增加的压力用于具有更高电压等级的开关。以下国外公司的SF6断路器已经证明了自己：ALSTOM；西门子;梅林娇兰等。 PO «Uralelectrotyazmash» 生产现代 SF6 断路器：VEB、VGB 系列罐式断路器和 VGT、VGU 系列柱式开关。

例如，考虑 Merlin Gerin 的 6-10 kV LF 断路器的设计。

基本断路器模型由以下元素组成：

— 断路器的主体，所有三个极都位于其中，代表一个“压力容器”，充满低超压（0.15 MPa 或 1.5 atm）的 SF6 气体；

— 机械驱动类型 RI；

— 带手动弹簧加载手柄和弹簧和断路器状态指示器的执行器前面板；

——高压电源接触垫；

— 用于连接次级开关电路的多针连接器。

真空断路器

真空的介电强度明显高于断路器中使用的其他介质。这可以通过电子、原子、离子和分子的平均自由程随着压力的降低而增加来解释。在真空中，粒子的平均自由程超过真空室的尺寸。

在真空和大气压力下的各种气体中切断 1600 A 电流后的 1/4" 间隙恢复介电强度

在这些条件下，粒子对腔室壁的影响比粒子与粒子之间的碰撞更频繁地发生。该图显示了真空和空气击穿电压对直径为 3/8 « 钨的电极之间距离的依赖性。具有如此高的介电强度，触点之间的距离可以非常小（2 - 2.5 厘米），因此腔室尺寸也可以相对较小......

当电流关闭时，恢复触点之间间隙电气强度的过程发生在真空中比在气体中要快得多。现代工业电弧管道中的真空度（残余气体压力）通常为 Pa。根据气体的电气强度理论，真空间隙所需的绝缘性能也在较低的真空水平（Pa量级）下实现，但对于目前的真空技术水平，创造和维持在真空室的整个生命周期中，Pa 水平不是问题。这为真空室提供了整个使用寿命（20-30 年）的电气强度储备。

典型的真空断路器设计如图所示。

真空断路器的框图

真空室的设计由一对触点（4；5）组成，其中一个触点（5）是可移动的，封闭在由陶瓷或玻璃绝缘体（3；7）焊接而成的真空密封外壳中，上下金属盖 (2; 8) ) 和金属护罩 (6)。活动触点相对于固定触点的移动通过套筒 (9) 确保。相机电缆（1；10）用于将其连接到主开关电路。

应该注意的是，只有从溶解气体中提纯的特殊耐真空金属、铜和特殊合金以及特殊陶瓷才能用于制造真空室外壳。真空室的触点由金属陶瓷组合物制成（通常为比例为 50%-50% 或 70%-30% 的铜铬），具有高分断能力、耐磨性并防止接触面出现焊点。圆柱形陶瓷绝缘体连同开路触点处的真空间隙，在开关关闭时提供腔室端子之间的隔离。

Tavrida-electric 发布了一款全新设计的带磁力锁的真空断路器。其设计基于将驱动电磁铁与断路器各极中的真空断路器对齐的原理。

开关按以下顺序闭合。

在初始状态下，真空灭弧室的触头由于合闸弹簧7通过拉式绝缘子5作用于它们而断开。当电磁铁线圈9施加正极性电压时，磁通量积聚在磁系的缝隙中。

当磁通对衔铁产生的压缩力超过止动弹簧7的力时，电磁铁衔铁11连同牵引绝缘体5和真空室动触头3开始运动向上，压缩弹簧停止。在这种情况下，绕组中会出现电机电动势，从而阻止电流进一步增加，甚至会有所降低。

在运动过程中，电枢获得约 1 m/s 的速度，这避免了接通时的初步损坏，并消除了 VDK 触点的弹跳。当真空室触点闭合时，磁性系统中会保留 2 mm 的额外压缩间隙。电枢的速度急剧下降，因为它还必须克服触点 6 的附加预紧力的弹簧力。但是，在磁通量和惯性产生的力的影响下，电枢 11 继续向上移动，压缩止动器 7 的弹簧和用于预加载触点 6 的附加弹簧。

在关闭磁系的瞬间，衔铁接触驱动器8的上盖而停止。在关闭过程之后，驱动线圈的电流被关闭。由于由 环形永磁体 在图10中，其将电枢11保持在拉到上盖8的位置而无需额外的电流供应。

要打开开关，必须在线圈端子上施加负电压。

目前，真空断路器已成为电压为6-36kV的电网的主导设备。因此，真空断路器在欧洲和美国制造设备总数中的份额达到 70%，在日本达到 100%。在俄罗斯，近年来这一比例一直呈上升趋势，并于1997年突破50%大关。决定其市场份额增长的炸药（与石油和天然气开关相比）的主要优势是：

——更高的可靠性；

——降低维护成本。
也可以看看： 高压真空断路器——设计和工作原理