真空断路器替换油断路器的理论分析

摘 要： 在多年的实践生产总结出旧的油断路器逐步适应不新的发展和需要，油断路器和真空断路器相比，不仅存在一些技术上的弱点也存在很大的安全隐患。章重点分析真空断路器和油断路器的特点和工作原理，并做出优越性的对比，从而论述真空断路器更换油断路器的必要性。

关键词： 油断路器；真空断路器；工作原理；特点对比

1 概述

近年来，随着本县农村电网改造，取得了明显成效。乡镇供电能力和供电质量明显提高，随着乡镇用电的覆盖面积和用电量大幅度增长。涌现出一批冶炼厂、石材厂及其它工业。导致各乡镇的的用电负荷稳步上升，旧的变电站逐渐适应不了新的发展。面对这一情况，公司一方面对旧的10KV和35KV变电站进行了增容和设备更新，一方面又针对性地部署增设了新的变电站以保证输电的效率和用电的可靠性和质量。在设备更新的部分，对以前旧的变电站采用的油断路器进行了更换（换成真空断路器），因为在变电站的输、配电任务中，断路器是很重要的设备。在多年的实践生产总结出旧的油断路器逐步适应不了新的发展和需要，油断路器和真空断路器相比，不仅存在一些技术上的弱点也存在很大的安全隐患。所以真空断路器更换油断路器有很大的必要性。

2 油断路器的工作原理和特点

油断路器是当触头分开时，使一个触头迅速浸入充满油的筒体内，以油隔断电弧通路使之熄灭。但实际上只要触头动作足够快，不等到热量聚累，筒内缺少助燃的空气，油又是绝缘物，所以反而起了灭弧作用。

熄弧原理：当触头在油中分断电流时产生电弧，这时电弧周边的油被加温，炙热的电弧使它变热分解。油分解会产生大量的气体，这样占用电弧差不多；30%左右的能量，这些气体在炙热的高温电弧周围形成气泡，这些由油分解而形成的气泡有许多可燃气体组成，其中氢占75左右，另外还有一些甲烷、乙炔等可燃气体。燃炽的电弧使得其周围的油不断分解，这样被分解的油会产生越来越多的气体并随之形成更多的气泡，这些气泡融合成更大的气泡并不断把周围的油推向四周，膨胀的气泡在向外运动时会被箱壁上的油层阻碍，这样气泡的膨胀受到限制，最终形成一个压强维持在0.5～1MPa之间的空间。在这个高压力的气泡中，游离质不断增多，使得其自由行程减小，复合作用加强。弧柱在这个气泡中，由于压力和温度的差造成的剧烈扰动，会被加速冷却。触头不断扩大间距使电弧被拉长，这样电弧会在某次电流为零时自动熄灭。熄灭之后，随着油气被排出而使箱内清空，同时新的油会被重新填入，保证了触头之间的绝缘强度。这种电弧是利用自身分解气体来熄灭，故又被称为自能式灭弧。

灭弧室：是为了隔离触头与空气而用绝缘材料制成的箱子，它装在触头四周，用以限制电弧。它在压强和温差变化时产生强大气流来吹灭电弧。气吹可以由不同能量形成，按照这些能量的来源可将灭弧室分为三类。① 自能气吹式灭弧室：箱内触头四周的油被高温电弧分解成气体，分解油而产生的气体达到一定量箱内气压增大，当弧口打开时，借助箱内气压大于向外而产生强大气流将电弧吹灭。② 外能气吹式灭弧室：这种灭弧室借助的是室外能量推动活塞，通常是借用油断路器合闸的弹簧所储存的能量，从而产生压强差来熄灭电弧，这也被称为强迫油吹是灭弧室。③ 综合式灭弧室：这种电弧室结合了前两种的优点，电弧分解的气体来吹灭大电流，外界能量熄灭小电流。

本县各乡镇几个老变电站仍然沿用的是少油断路器，它的突出特点是结构简单，易于制造和维修、但其缺点同样明显，燃弧时间长，动作慢，经常检修，话费人力物力较大，由于断口的电压限制，高压等级不太容易实现等。而且油断路器存在爆炸燃烧的隐患，主要原因如下：

1）油面过低，冷却效果不良，导致电弧作用产生的气体容易进入顶盖下面，这部分气体与空气混合，在自身高温环境下易形成爆炸气体引发爆炸或者燃烧。

2）当油面过高时，可容纳气体的空间变小，高温电弧产生的气体得不到缓冲变得压力过大，同样会造成邮箱起火爆炸。

3）油含杂质或水分量的比例大时导致绝缘性差，易引起油断路器内部闪络。

4）由于维护的工作量大，周期短，当部件调整失误时，造成操作慢或者线路接触不良。一旦线路不灵且电弧没有及时熄灭，电弧会分解产生大量可燃气体无法消耗，容易引起燃烧爆炸。

5）油开关的遮断容量是个重要参数，对输配电系统来说，当容量相对系统来说太小时，断路器将失效，系统短路电流无法中断，极易造成断路器爆炸燃烧，这样会造成配电系统的重大事故。

6）目前应用的少油断路器在油箱等零部件处很易出现接触不良，导致油箱进水受潮或者绝缘管套有损伤都可能造成线路短路，容易引起燃烧或火灾事故。而油断路器的这些潜在隐患，对供电的持续性和工作人员的人身安全存在很大的危害。

3 真空断路器的工作原理和特点

真空断路器的主要部件的工作原理：

1）真空包内的屏敞保护层：在断路器的内壁上，用一层紫铜片制成真空泡的屏蔽层，这样一层屏蔽层可以有效防止触头燃狐产生的气体造成内壁污染，一旦内壁遭到污染会降低管内绝缘强度下降。另外电弧分解的气体中有很多含有电子的气体颗粒，通过改变真空泡内的电场，也可冷凝电弧生成物，提高真空弧室开断电流能力。

2）真空灭弧室工作原理：真空灭弧室的性能关键在于真空开关的技术指标，高真空的灭弧室内部环境可以隔绝灭弧介质，然后通过真空环境来密封触头实现对电路的控制，通俗来讲真空灭弧室是利用真空进行通断电路的一种真空器件。在一部分电流被断开时动静触头会瞬间分离，电流收缩，这样会造成电极之间温度迅速升高，电阻增大，最终造成电极金属蒸发而产生极强的电子击穿，产生真空电弧。之后触头会随着工频电流减小而间距增大，当电流接近零时触头间距最大，电流断开时，金属蒸发形成的等离子流会快速向四周扩撒，真空空间中的介质迅速有导体变为绝缘体，于是电流非分断。

4 真空断路器和油断路器的对比

真空断路器和油断路器相比，有许多优越的地方：

1）在真空气泡灭弧室中，电弧和所产生的气体不会外露。

2）触头仅有很少甚至几毫米的间隙。

3）真空断路器的触头磨损明显减小，电弧的能量和电压不大，造成燃弧时间短，当然也是断路器的开段次数多。一般SN10Ⅲ型小油断路器，机械寿命是3000次，而ZN28型真空断路器机械寿命是10，000次。

4）动导电杆适宜频繁操作，惯性很小，操作起来更加便宜。

5）真空断路器的整体体积和重量都很小，操作起来很简单，适合操作人员使用。

6）控制功率小，ZN28型真空断路器配CD17型机构直流电压220V合闸55A、分闸1.5A；SN10Ⅲ型1250A少油断路器配CD10Ⅱ型机构、直流电压220V，合闸147A，分闸2.5A。

7）真空断路器操作起来比传统的少油断路器噪音小的多。

8）油断路器依靠油的分解产生气体来控制断路器，而真空断路器不存在可燃物就不会造成爆炸燃烧危险。

9）真空断路器内触头完全与空气隔离，这样避免了水分与触头接触，就不会被污染而产生有害气体而降低真空断路器的使用寿命，减小触头的磨损，增强是用效能。

同样相对于其他断路器，真空断路器有诸多技术优点。

1）真空断路器利用的是真空来控制电路的开段，用它来保护电路设备其短路电流开断次数可达30～100次。

2）真空的气泡室不存在介质就不会导电，所以绝缘性良好，不会造成电路失灵，造成爆炸燃烧。

3）散热条件良好，在正常负载电流下，能长期正常工作。

4）具有较强的过载能力。

5）工作性能稳定、可靠，使用维护简单方便。

从上述的对比我们可以知道，油断路器和真空断路器相比，不仅存在一些技术上的弱点也存在很大的安全隐患。

5 真空断路器更换油断路器后的社会和经济效益

在本县范围的变电站大多分布在乡镇，而乡镇的输电线路经常存在接地、速断等故障。这就加重了断路器操作任务，同时也加快了老化和提高了故障率。所以说，更换油断路器是一项急需完成的任务。是提高系统的安全性和可靠性的有效前提。使用真空断路器之后，明显降低设备的成本和维护的周期，特别在用电负荷逐年增大的情况下，供电可靠性和稳定性是保证各行业生产用电和居民生活用电重要保障。

6 真空断路器的缺点

1）由于灭弧室是真空环境，很可能会造成在开断电流时出现电流截断现象，这样会造成电压过高，为了改造装置，会增加设备，维护量和费用也上升了。

2）真空技术需要交高的设备，操作过程中不宜检测。

3）国内产品体系不多。

4）真空断路器对环境的要求过高，否则造成积灰而缩短寿命。

7 结语

真空断路器的应用在电力系统的高压输、配电系统改造中获得了成功，消除了油断路器爆炸的安全隐患，保证了设备的正常运行，不仅为企业创造了实实在在的效益，其社会效益也是很显著的。设备的这些特点可以显著提高经济效益，安全性、可靠性技术指标提高了，并且技术在不断发展和完善，这些技术优点决定了设备在配电系统中的推广使用注定会得到满意的结果。