压缩空气断路器

由于出现了结构简单、灭弧性能良好和电寿命长的六氟化硫断路器，使得压缩空气断路器的使用范围缩小。但北欧等一些高寒地区，由于SF6气体液化和开断能力降低（降低20%左右）等原因，有些国家在高压、超高压电网中还在使用压缩空气断路器。此外，大容量发电机断路器，要求开断容量大，动作迅速，还广泛应用压缩空气断路器。

压缩空气断路器是利用压缩空气来吹弧并用压缩空气来作为操作能源的一类断路器。先用压缩空气机将空气压缩储存在灭弧室内。当进行分闸操作时，打开阀系统使灭弧室内的压缩空气按一定的要求自喷口喷出，对电弧进行强烈的冷却和气吹，从而使电弧熄灭。

压缩空气断路器的主要构成部分是灭弧室。按压缩空气吹弧方式，断路器灭弧室分为横吹和纵吹两种。在实际应用中，通常是两种吹弧方式同时存在，但以一种吹弧方式为主。灭弧室的几种基本形式如《压缩空气断路器结构图》所示：

（a）是具有绝缘隔板的横吹灭弧室。气流方向与电弧轴向垂直。压缩空气气流将电弧吹入隔板,因此电弧有曲折的形状，长度增加,同时与隔板紧密接触，使去除电离过程加速。横向吹弧方式虽然熄弧效果较好,但灭弧室结构复杂，体积较大,一般只用于电压等级较低的断路器中（例如发电机保护断路器），而不适用于高电压，大容量的场合。

（b～f）是几种纵吹形式。气流方向与电弧轴平行。纵吹可分为单向吹弧(b，c,d)和双向吹弧(e,f)。在单向吹弧中,两个触头可均为实心（棒），或者一个是空心而另一个是实心。在双向吹弧中，两个触头均为空心。

（b）是实心触头单向纵吹的灭弧室。压缩空气沿电弧轴向高速运动而强烈吹弧，从而使电弧直径缩小、表面冷却，并从弧隙去除电离粒子。这种结构的缺点是，触头顶端附近未能受到气吹而易受电弧烧损，弧隙中易有金属蒸气而降低弧隙介质强度，电弧易重燃。

（c）是具有一个空心和一个实心触头的单向纵吹灭弧室。压缩空气从弧隙带走电离粒子，经过空心静触头迅速排到大气中。气吹使电弧从静触头喷口的工作面移动到其内表面。实心触头端部采用圆锥形。

（d）是自由喷射式。在开断时，实心动触头离开静触头，在灭弧室外部发生电弧。当动触头进入灭弧室体内而完全开放喷口时，压缩空气冲入大气中，使电弧受到强烈的横吹和纵吹。

（e）是具有两个空心触头的双向吹弧灭弧室。压缩空气开始时对电弧径向吹弧，然后分成两个气流纵向吹弧。对于双喷口，两个弧根都在触头的内表面。双向吹弧比单向吹弧能更迅速地从弧隙去除电离粒子。但弧隙气压较低。为了提高弧隙气压，可以将其中一个空心触头做成收缩截面，成为双向非对称纵吹（如f所示）。

压缩空气断路器自20世纪40年代问世以来，在五六十年代迅速发展，广泛用于高压和超高压的电力系统中。其主要特点是：①动作快，开断时间短，70年代已使用一周波断路器，这在很大程度上提高了电力系统的稳定性。②具有较高的开断能力，可以满足电力系统所提出的较高额定参数和性能要求。③可以采用积木式结构，系列性强。其缺点是结构复杂，加工和装配要求高，需要较多的有色金属，价格要比油断路器高，而且使用时还要附加空气压缩装置。

压缩空气断路器的灭弧室主要由喷口组成。电弧在喷口处燃烧，利用喷口喷出的气流对电弧的散热作用来熄灭电弧．因此它是一种外能式灭弧装置。其灭弧能力主要取决于喷口处气体的流量与气流速度。增大压缩空气的工作压力是提高压缩空气断路器开断能力的最有效措施。随着工艺技术的提高，压缩空气断路器的工作气压不断提高，早期的工作气压多为1～2MPa(即10～20倍标准大气压)，已普遍采用3～4MPa，个别产品可高达5～6MPa。

少油和压缩空气断路器的泄露电流试验能比较灵敏地反应：

（1）外表的严重污秽

（2）压缩空气断路器因压缩空气相对湿度增高时带进潮气于瓷套内壁和导气管管壁造成结露

（3）少油断路器提升杆，灭弧室以及绝缘油受潮劣化等缺陷

机械式直流断路器

机械式直流断路器通常是由交流断路器改造之后得到的，根据灭弧原理的不同，可分为真空断路器、六氟化硫断路器、多油(少油)断路器、压缩空气断路器、磁吹断路器和产气断路器。目前真空断路器和六氟化硫断路器已经大范围替代其他断路器并在电力系统中得到广泛应用。真空断路器利用真空作为触头间的绝缘与灭弧介质，触头间隙绝缘强度高，具有安全可靠、寿命长等优势，广泛应用在10kV,35kV配电系统中，关断电流水平可达20-63kA；SF6断路器使用SF6气体作为绝缘和灭弧的介质，由于SF6气体特性优异，使断口处的电压和电流参数优于少油断路器和压缩空气断路器，并且不需要较高气压和较多串联断口数，在252kV电压等级应用中开断电流能力可达40kA 。

固态直流断路器

随着电力电子技术不断进步，固态直流断路器也逐渐兴起，基本拓扑如图1所示。20世纪70年代出现了采用晶闸管关断的固态直流断路器；80年代随着门极可关断晶闸管(GTO)、绝缘栅极双极型晶体管(IGBT)等全控器件的诞生，使固态直流断路器所用器件有了新的选择。90年代，随着ABB和日本三菱的集成栅极晶闸管等新型大功率器件的问世，为固态直流断路器拓扑提供了更多的选择余地。

国外在固态直流断路器研究方面起步较早。1987年，美国研制的200 V/15 A固态直流断路器以门极可关断晶闸管作为主开关器件；1999年，Dr. Jefffrey A.Casey等人详细阐述和列举了固态直流断路器在配电网的分布、成本和工程应用；Houston大学随后研发出电压等级为500V的固态直流断路器样机；2005年，美国电力电子系统研究中心(CPES)研制出2.5 kV/1.5kA和4.5 kV/4kA直流断路器样机并通过测试 。

国内主要集于直流断路器电路拓扑的研究，试验样机容量较小且集中在航空航天和舰船系统等特殊领域。国内的海军工程大学开展的应用于舰艇系统的固态断路器研究侧重于低压、大电流下的开断和限流等，应用场合受到限制。中国工程物理研究所研制的20 kV晶闸管固态开关侧重于晶闸管串联技术的研究，电流等级较低。

混合型直流断路器

为充分利用机械开关通态压降小和电力电子器件关断速度快的优势，混合型直流断路器成为当前研究热点。混合型直流断路器可通过机械开关和电力电子器件的合理组合得到，常见的拓扑主要有机械开关与电力电子器件直接并联、机械开关与电力电子器件先串联再并联以及由此衍生出的其他拓扑。

2012年底，ABB公司研发的混合型直流断路器通过样机试验，采用高速机械开关与IGBT先串联再并联的拓扑，用于320kV直流输电系统中，5ms之内断流能力达9kA。在该拓扑下用新型大功率器件代替IGBT已实现16kA左右关断能力 。

2013年，Alstam公司研发出可在2.5ms内关断超过3kA电流的混合型直流断路器，采用机械开关与电感、电容和电力电子器件构成的振荡电路串联再与电力电子器件并联的拓扑。