第二节　SF6断路器

一、SF6气体的特性

六氟化硫是一种无毒、不燃的气体，具有优异的绝缘性能和灭弧性能，将其应用于断路器、变压器和电缆等电气设备，显示出矿物油无可比拟的优越性。

1.SF6气体的优良特性

其一，SF6气体热容量大。SF6气体的分子在分解时吸收的能量多，对弧柱的冷却作用强。其二，SF6气体环境下的电弧能量小。SF6气体在高温时分解出的硫、氟原子和正负离子，与其他灭弧介质相比，在同样的弧温时有较大的游离度，在维持相同游离度时，弧柱温度较低，因此，SF6气体中电弧电压较低，燃弧时的电弧能量小，对灭弧有利。其三，SF6气体分子的负电性强。所谓负电性，是指SF6气体分子极易捕获、吸附自由电子形成低活动性负离子的特性。SF6气体负电性强，加强了去游离，降低导电率。在电弧电流过零后，弧柱温度将急剧下降，分解物急速复合。因此，SF6气体弧隙的介电性能恢复速度很快，能耐受很高恢复电压，电弧在电流过零后难重燃。

2.SF6气体的危害及其对策

SF6的危害主要体现在两个方面：其一是高温电弧分解产物和其本身（或分解产物）与接触介质发生化学反应生成物对生物的毒性作用；其二是六氟化硫作为一种温室气体对环境的危害。

电器设备内的SF6气体在高温电弧发生作用时产生某些有毒产物，这种物质对绝缘材料、金属材料、玻璃、电瓷等含硅材料有很强的腐蚀性。例如，SF6气体分解物与水的继发性反应；与电极（Cu-W合金）及金属材料（Al、Cu）反应而生成某些有毒产物；与含有硅成分的环氧酚醛玻璃丝布板（棒、管）等绝缘件，或以石英砂、玻璃作填料的环氧树脂浇注件、模压件以及瓷瓶、硅橡胶、硅脂等起化学作用，生成SiF4、Si（CH3）2F2等产物。

因此，在制造、运用和检修SF6断路器时，应该注意以下几个方面。

①必须严格控制SF6气体中的水分。现在通常从以下几个方面采取措施：加强断路器的密封；组装断路器时，先要对零部件进行彻底烘干；严格控制SF6气体中含水量；严格控制断路器充气前的含水量；在SF6断路器内部加装吸附剂。

②由于SF6气体在灭弧时会产生有毒气体和粉尘，在排放废气和拆开断路器灭弧部件时，应戴防毒面具、防护手套，穿长袖工作服，尽量不露出皮肤，处理有毒废料时应戴防护手套。

③排出SF6废气时，应通过滤罐过滤有毒粉尘后放到大气中。

④断路器部件的拆装、检修一般应在干燥、清洁的室内进行，现场检修时天气应稳定无雨且空气湿度不得大于80％。

⑤为防止断路器内部进入潮气和灰尘，拆卸处理过的部件应马上用塑料布（袋）包好并系紧。

二、SF6断路器的结构类型

常见的SF6断路器结构按照对地绝缘方式不同分为以下两种类型。

①落地罐式　这种断路器的总体结构如图2-11所示。它把触头和灭弧室装在充有SF6气体并接地的金属罐中，触头与罐壁间绝缘采用环氧树脂支持绝缘子，引出线靠绝缘瓷套管引出。该结构便于安装电流互感器，抗振性能好，但系列性能差。

②瓷柱式　瓷柱式断路器灭弧室可布置成“T”形或“Y”形，110kV、220kV的SF6断路器随开断电流增大，制成单断口断路器，布置成单柱式，如图2-12所示。灭弧室位于高电位，靠支柱绝缘瓷套对地绝缘。

220kV的SF6断路器在高速客运专线铁路牵引变电所得到应用。

SF6断路器灭弧室结构可分为单压式和双压式两种。

①单压式（压气式）灭弧室　单压式灭弧室又称压气式灭弧室，只有一个气压系统，即常态时只有单一压力的SF6气体。灭弧室的可动部分带有压气装置，分闸过程中，压气缸与触头同时运动，将压气室内的气体压缩。触头分离后，电弧即受到高速气流纵吹而将电弧熄灭。灭弧室中，压气活塞是固定不动的，静触头与动触头之间的开距也是固定不变的。

②双压式灭弧室　它有高压和低压两个气压系统。灭弧时，高压室控制阀打开，高压SF6气体经过喷嘴吹向低压系统，再吹向电弧使其熄灭。灭弧室内正常时充有高压气体的称为常充高压式；仅在灭弧过程中才充有高压气体的称为瞬时充高压式。

三、瓷柱式单压力SF6断路器结构与工作原理

瓷柱式SF6气体断路器是一种定开距、单压力、双向纵吹、瓷瓶支柱式高压开关。正常运行中，SF6气体压力在20℃时为0.5MPa。配用弹簧操动机构，三相联动或两相联动，用于牵引变电所110kV侧（220kV侧）和55kV牵引侧，作110kV（220kV）电源进线的控制、保护之用。其结构如图2-13所示。

1.结构要点

该断路器主要由机构箱、支持瓷套、开断元件三部分组成。

（1）机构箱

断路器的机构箱一般由轻型铝合金铸成，如图2-14所示。

机构箱下部装有缓冲装置，用于吸收断路器分闸末期剩余操作功；机构箱下部还装有分闸弹簧装置，在断路器合闸过程中被压缩或拉伸储存能量，分闸时释放能量带动断路器分闸。

机构箱内部隔成两个气室，空气室和SF6气室。中间隔板上装有大轴和若干拐臂组成的水平变直机构，用于将水平拉杆（与操动机构相连）水平方向上的操作功变为绝缘提升拉杆垂直方向上的操作功，驱使断路器分、合闸。

空气室中大轴上的两个拐臂分别与水平拉杆和分闸弹簧或缓冲器相连。SF6气室中大轴上的拐臂与支持瓷套管中的绝缘提升拉杆相连，内充SF6气体。该气室外壳上装有充气阀（用于充放SF6气体）和密度监测计（用于监视SF6气体的压力）。若因泄漏，使SF6气体压力下降时，能发报警信号及进行闭锁操作。

机构箱固定在金属框架上，金属框架固定在钢支柱上。

（2）支持瓷套［图2-15（a）］

支持瓷套为断路器开断元件的支持绝缘件，使灭弧室开断元件带电部分与接地部分之间绝缘，并承受操作力及外力。支持瓷套内装有绝缘提升拉杆，其上端与压气缸操动杆相连，下端与机构箱中SF6气室内拐臂相连，并充有SF6气体。

（3）开断元件［图2-15（b）］

开断元件是断路器重要组成部分，它主要由以下几部分组成。

①灭弧瓷套　灭弧瓷套是断路器灭弧室的主体。内充SF6气体，同时作为断口间的外绝缘，在开断情况下，将带电的上静主触头、静弧触头与相应的下静主触头、动弧触头隔离，并支撑带电的上盖。

②上、下端盖　上、下端盖和灭弧瓷套共同组成断路器的灭弧室，上端盖从顶端密封灭弧室，上端盖下表面与上集电筒电连接并固定有吸收剂容器（装在上集电筒内，内装两种吸收剂，分别吸收分合闸时，电弧的高温分解SF6气体产生的有害分解物和SF6气体中残留的湿气），同时上端盖经上接线板与电流进线连接。下端盖上表面与下集电筒电连接并从底端密封，支撑灭弧瓷套，同时经下接线板将电流引出。

③上、下集电筒　上、下集电筒均为断路器导电回路的固定部件。上集电筒内中部连接固定有棒状静弧触头，筒下端内侧连接固定上静主触头。下集电筒顶端安装固定有压气活塞，筒上部外表安装有下静主触头。压气活塞和下静主触头与压气缸滑动接触。筒内有压气活塞支撑装置，并使压气缸操动杆通过其中。上、下集电筒间形成一定开距，即触头间隙。下集电筒照片如图2-16。

④压气缸及灭弧喷口　压气缸为一铜质圆筒，圆筒盖上面固定有动弧触头，灭弧喷口套装在动弧触头之外，喷口下部外表面安装有动主触头。圆筒顶盖下面固定压气缸的空心操动杆。空心操动杆与支持瓷套内的绝缘提升拉杆相铰接。

⑤动静触头系统　该断路器动静触头系统由一对主触头和一对弧触头组成，合闸时主触头、弧触头均接触导电，主触头起到主导电作用；分闸与合闸过程中，弧触头总是先于主触头分离或接触，电弧首先在弧触头上燃烧，起到保护主触头的作用。一对弧触头由杆状的下动弧触头和上静弧触头构成，其照片如图2-17。

2.瓷柱式SF6断路器的工作过程及导电回路图

①合闸过程　断路器在分闸位置时，压气缸顶盖坐落在下集电筒压气活塞上，压气缸因圆筒插入下集电筒上，压气缸及灭弧喷口与上集电筒触头脱离，电路断开。

当操动断路器合闸时，操动机构动作使水平传动杆向右运动，通过空气室侧的拐臂，使大轴逆时针方向转动，带动分闸弹簧储能（压缩）为分闸作准备，SF6气室侧与绝缘拉杆相连的拐臂逆时针方向转动，通过绝缘提升拉杆、压气缸操动杆驱使压气缸（与压气活塞滑动接触）向上运动，灭弧喷嘴上的动主触头与上静主触头接触，上静弧触头（棒形）与灭弧喷嘴内的动弧触头接触，断路器完成合闸。

②分闸过程　分闸时，操动机构脱扣，使分闸弹簧释放能量（伸展），驱使机构箱内拐臂顺时针方向转动→带动拐臂、大轴顺时针方向转动→与绝缘拉杆相连的拐臂顺时针方向转动→带动支持瓷套内的绝缘提升拉杆及压气缸向下运动→使动主触头与上静主触头先脱离接触，随后，动、静弧触头脱离接触，弧触头间产生电弧。

压气缸向下快速运动，使位置固定的压气活塞压缩压气缸内的SF6气体，产生灭弧所需的压力，压缩的SF6气体通过灭弧喷口与动弧触头间的弧道（间隙）分别向上、向下纵吹电弧，使电弧熄灭，断路器完成分闸。

灭弧过程如图2-18所示。

3.瓷柱式SF6断路器的导电回路

电流引入线→上端盖接线板→上集电筒及上静主触头和静弧触头→压气缸→下静主触头及下集电筒→下端盖接线板→电流引出线。