高壓開關：分類、裝置、工作原理

對開關的要求如下：

1) 工作的可靠性和對他人的安全；

2) 反應快——可能停機時間短；

3）維修方便；

4）安裝方便；

5）靜音運行；

6）成本相對較低。

目前使用的斷路器都或多或少地滿足了所列要求。然而，斷路器設計者努力使斷路器特性與上述要求更好地匹配。

油開關

有兩種類型的油開關——油箱和低油。這些鍵中的弧空間去離子方法是相同的。唯一的區別在於接觸系統與接地底座的絕緣和油量。

直到最近，適用於以下類型儲罐的儲罐仍在運行：VM-35、S-35 以及電壓為 35 至 220 kV 的 U 系列開關。油箱開關專為外部安裝而設計，目前尚未投入生產。

罐式開關的主要缺點：爆炸和火災；需要定期監測油箱和進油口的狀況和油位；油量大，更換時間投入大，需要大量的油儲備；不適合室內安裝。

低油開關

低油位開關（鍋型）應用廣泛 在封閉式和開放式開關設備中 所有電壓。這些開關中的油主要用作電弧介質，僅部分用作斷開觸點之間的絕緣。

帶電部件彼此之間以及與接地結構的隔離是用瓷器或其他固體絕緣材料完成的。內部安裝開關的觸點位於鋼罐（罐）中，這就是保留“罐型”開關名稱的原因。

電壓35kV及以上的低油斷路器為瓷體。使用最廣泛的是 6-10 kV 型（VMG-10、VMP-10）的懸垂式。在這些斷路器中，主體固定在瓷絕緣子上，用於三極的公共框架。每個極都有一個觸點斷路器和一個滅弧室。

低油開關設計方案1——動觸點； 2——滅弧室； 3——固定觸點； 4——工作聯繫人

在高額定電流下，很難用一對觸頭（作為操作觸頭和起弧觸頭）操作，因此操作觸頭設置在斷路器外部，起弧觸頭在金屬罐中。在高分斷電流下，每個極有兩個電弧分斷器。根據該方案，MGG 和 MG 系列開關適用於高達 20 kV 和包括 20 kV 的電壓。大量外部操作觸點 4 允許斷路器設計用於高額定電流（高達 9500 A）。對於35kV及以上的電壓，開關體採用瓷體，VMK系列為低油柱式開關）。在 35、110 kV 自動斷路器中，在高壓下每極提供一次中斷 - 兩次或多次中斷。

低油開關的缺點：爆炸和火災的風險，雖然比油箱開關小得多；無法實現高速自動合閘；電弧槽需要定期控制、加滿、相對頻繁的換油；安裝內置電流互感器的難度；分斷能力相對較低。

低油斷路器的應用領域是電廠、變電站6、10、20、35、110kV的閉式開關櫃，6、10、35kV的成套開關櫃和35、110kV的開式開關櫃。

有關更多詳細信息，請參見此處： 油開關的種類

空氣開關

35kV及以上電壓的空氣斷路器設計用於分斷大的短路電流。空氣開啟電壓 15 kV 在發電廠中用作發電機。它們的優點：響應速度快、分斷能力高、觸點燒毀不明顯、沒有昂貴且可靠性不夠的套管、消防安全、與油箱中的油開關相比重量更輕。缺點：存在笨重的航空經濟性、爆炸危險、缺少內置電流互感器、設備和操作複雜。

空氣開關用壓力為2～4MPa的壓縮空氣滅弧，帶電部分和滅弧裝置的絕緣用瓷或其他固體絕緣材料製成。空氣開關的設計方案各不相同，取決於它們的額定電壓、在斷開位置的觸點之間形成絕緣間隙的方法以及向滅弧裝置提供壓縮空氣的方法。

高額定斷路器具有類似於低油 MG 和 MGG 斷路器的主電路和電弧電路。在開關的閉合位置，電流的主要部分通過位於打開位置的主觸點4。當開關關閉時，主觸點首先打開，然後所有電流通過腔室 2 中閉合的電弧觸點。當這些觸點打開時，來自罐 1 的壓縮空氣被送入腔室，產生強大的爆炸，熄滅弧線。吹氣可以是縱向的或橫向的。

通過將觸點分開足夠的距離，在滅弧室中在斷開位置的觸點之間產生必要的絕緣間隙。根據該項目製造的帶有開放式分離器的開關適用於電壓為 15 和 20 kV 以及電流高達 20,000 A 的室內安裝（VVG 系列）。使用這種類型的開關，在斷開分離器5之後，停止向腔室供應壓縮空氣並且電弧觸點閉合。

空氣開關結構圖 1——壓縮空氣罐； 2——滅弧室； 3——分流電阻； 4——主要觸點； 5——分隔符； 6 — 110 kV 的電容分壓器 — 每相兩次斷路 (d)

在電壓為 35 kV (VV-35) 的開放式安裝空氣斷路器中，每相中斷一次就足夠了。

在電壓為110kV及以上的開關中，電弧熄滅後，分離器5的觸點打開，分離器室始終充滿壓縮空氣，處於斷開位置。在這種情況下，壓縮空氣不會供應到滅弧室並且其中的觸點閉合。

電壓高達 500 kV 的 VV 系列斷路器是根據此設計方案創建的。額定電壓越高，限制功率越高，滅弧室和分離器中的斷路次數就越多。

VVB系列充氣式斷路器按圖D設計方案製作，VVB模塊電壓為110kV，滅火室內壓縮空氣壓力為2MPa。 VVBK斷路器模塊（大模塊）額定電壓為220kV，滅火室內氣壓為4MPa。 VNV 系列斷路器具有類似的設計方案：4 MPa 壓力下電壓為 220 kV 的模塊。

對於 VVB 系列斷路器，滅弧室（模塊）的數量取決於電壓（110 kV — 一個；220 kV — 兩個；330 kV — 四個；500 kV — 六個；750 kV — 八個），對於大型斷路器模塊（VVBK、VNV），數量分別少兩倍的模塊。

斷路器 SF6

SF6氣體（SF6——六氟化硫）是一種惰性氣體，密度是空氣的5倍。 SF6氣體的電氣強度比空氣高2-3倍；在0.2MPa的壓力下，SF6氣體的介電強度與石油相當。

在大氣壓下的SF6氣體中，可以用比同等條件下在空氣中中斷電流高100倍的電流來熄滅電弧。 SF6 氣體熄滅電弧的特殊能力可以解釋為它的分子捕獲電弧柱的電子並形成相對固定的負離子。電子的損失使電弧不穩定並容易熄滅。在SF6氣流中，即氣體噴射過程中，電弧柱對電子的吸收更為強烈。

SF6 斷路器使用自動氣動（自動壓縮）滅弧裝置，其中氣體在跳閘期間被活塞裝置壓縮並被導入電弧區域。 SF6斷路器是一個封閉的系統，沒有氣體排放到外部。

目前，SF6 斷路器用於所有電壓等級（6-750 kV），壓力為 0.15 — 0.6 MPa。增加的壓力用於具有更高電壓等級的開關。以下國外公司的SF6斷路器已經證明了自己：ALSTOM；西門子;梅林嬌蘭等。 PO «Uralelectrotyazmash» 生產現代 SF6 斷路器：VEB、VGB 系列罐式斷路器和 VGT、VGU 系列柱式開關。

例如，考慮 Merlin Gerin 的 6-10 kV LF 斷路器的設計。

基本斷路器模型由以下元素組成：

— 斷路器的主體，所有三個極都位於其中，代表一個“壓力容器”，充滿低超壓（0.15 MPa 或 1.5 atm）的 SF6 氣體；

— 機械驅動類型 RI；

— 帶手動彈簧加載手柄和彈簧和斷路器狀態指示器的執行器前面板；

——高壓電源接觸墊；

— 用於連接次級開關電路的多針連接器。

真空斷路器

真空的介電強度明顯高於斷路器中使用的其他介質。這可以通過電子、原子、離子和分子的平均自由程隨著壓力的降低而增加來解釋。在真空中，粒子的平均自由程超過真空室的尺寸。

在真空和大氣壓力下的各種氣體中切斷 1600 A 電流後的 1/4" 間隙恢復介電強度

在這些條件下，粒子對腔室壁的影響比粒子與粒子之間的碰撞更頻繁地發生。該圖顯示了真空和空氣擊穿電壓對直徑為 3/8 « 鎢的電極之間距離的依賴性。具有如此高的介電強度，觸點之間的距離可以非常小（2 - 2.5 厘米），因此腔室尺寸也可以相對較小......

當電流關閉時，恢復觸點之間間隙電氣強度的過程發生在真空中比在氣體中要快得多。現代工業電弧管道中的真空度（殘餘氣體壓力）通常為 Pa。根據氣體的電氣強度理論，真空間隙所需的絕緣性能也在較低的真空水平（Pa量級）下實現，但對於目前的真空技術水平，創造和維持在真空室的整個生命週期中，Pa 水平不是問題。這為真空室提供了整個使用壽命（20-30 年）的電氣強度儲備。

典型的真空斷路器設計如圖所示。

真空斷路器的框圖

真空室的設計由一對觸點（4；5）組成，其中一個觸點（5）是可移動的，封閉在由陶瓷或玻璃絕緣體（3；7）焊接而成的真空密封外殼中，上下金屬蓋 (2; 8) ) 和金屬護罩 (6)。活動觸點相對於固定觸點的移動通過套筒 (9) 確保。相機電纜（1；10）用於將其連接到主開關電路。

應該注意的是，只有從溶解氣體中提純的特殊耐真空金屬、銅和特殊合金以及特殊陶瓷才能用於製造真空室外殼。真空室的觸點由金屬陶瓷組合物製成（通常為比例為 50%-50% 或 70%-30% 的銅鉻），具有高分斷能力、耐磨性並防止接觸面出現焊點。圓柱形陶瓷絕緣體連同開路觸點處的真空間隙，在開關關閉時提供腔室端子之間的隔離。

Tavrida-electric 發布了一款全新設計的帶磁力鎖的真空斷路器。其設計基於將驅動電磁鐵與斷路器各極中的真空斷路器對齊的原理。

開關按以下順序閉合。

在初始狀態下，真空滅弧室的觸頭由於合閘彈簧7通過拉式絕緣子5作用於它們而斷開。當電磁鐵線圈9施加正極性電壓時，磁通量積聚在磁系的縫隙中。

當磁通對銜鐵產生的壓縮力超過止動彈簧7的力時，電磁鐵銜鐵11連同牽引絕緣體5和真空室動觸頭3開始運動向上，壓縮彈簧停止。在這種情況下，繞組中會出現電機電動勢，從而阻止電流進一步增加，甚至會有所降低。

在運動過程中，電樞獲得約 1 m/s 的速度，這避免了接通時的初步損壞，並消除了 VDK 觸點的彈跳。當真空室觸點閉合時，磁性系統中會保留 2 mm 的額外壓縮間隙。電樞的速度急劇下降，因為它還必須克服觸點 6 的附加預緊力的彈簧力。但是，在磁通量和慣性產生的力的影響下，電樞 11 繼續向上移動，壓縮止動器 7 的彈簧和用於預加載觸點 6 的附加彈簧。

在關閉磁系的瞬間，銜鐵接觸驅動器8的上蓋而停止。在關閉過程之後，驅動線圈的電流被關閉。由於由 環形永磁體 在圖10中，其將電樞11保持在拉到上蓋8的位置而無需額外的電流供應。

要打開開關，必須在線圈端子上施加負電壓。

目前，真空斷路器已成為電壓為6-36kV的電網的主導設備。因此，真空斷路器在歐洲和美國製造設備總數中的份額達到 70%，在日本達到 100%。在俄羅斯，近年來這一比例一直呈上升趨勢，並於1997年突破50%大關。決定其市場份額增長的炸藥（與石油和天然氣開關相比）的主要優勢是：

——更高的可靠性；

——降低維護成本。
也可以看看： 高壓真空斷路器——設計和工作原理