高压电器技术原理

1、西安交通大学电气工程学院 高压电器技术原理高压电器技术原理在在2006年高压开关技术信息培训班上的讲座年高压开关技术信息培训班上的讲座西安交通大学西安交通大学 马志瀛马志瀛2006.10.17西安交通大学电气工程学院主要内容主要内容1 概论概论2 开关作用与现代高压断路器的理论基础开关作用与现代高压断路器的理论基础3 开关电器的共同性问题开关电器的共同性问题4 六氟化硫（六氟化硫（SF6）技术）技术5 真空开关技术真空开关技术6 高压开关绝缘高压开关绝缘7 相位控制断路器相位控制断路器8 智能操作断路器智能操作断路器西安交通大学电气工程学院1 概论概论 1.1 高压开关行业的定位高压开关行业的

2、定位 开关行业是电力行业的主要装备制造开关行业是电力行业的主要装备制造业之一，也是机电产品工业之一，是国业之一，也是机电产品工业之一，是国民经济的基础工业民经济的基础工业 。西安交通大学电气工程学院1 概论概论 我国虽然是一个我国虽然是一个“电力大国电力大国”，但不，但不是是“电力强国电力强国”，人均占有量仍是，人均占有量仍是“电力电力弱国弱国”，发展前景很好。，发展前景很好。 目前全国装机总容量已超过目前全国装机总容量已超过5亿亿kW，估计到估计到2015年可达年可达10亿亿kW。高压开关。高压开关的需求量仍然很大的需求量仍然很大 。 西安交通大学电气工程学院1 前言前言 1.2 开关电器的

3、定义与用途开关电器的定义与用途 定义：定义： 开关电器开关电器switching device：用作闭合：用作闭合（关合）或者开断一个或几个电路电流的器件。（关合）或者开断一个或几个电路电流的器件。 机械开关电器：用可分离的触头来合、分一机械开关电器：用可分离的触头来合、分一个或几个电路的的开关电器。个或几个电路的的开关电器。 半导体开关电器：设计用半导体可控导电性半导体开关电器：设计用半导体可控导电性来闭合（关合）电路电流的开关电器。来闭合（关合）电路电流的开关电器。西安交通大学电气工程学院1 前言前言用途：用途：（1）正常工作状态时的分合闸操作（控制用）正常工作状态时的分合闸操作（控制用）

4、（2）故障状态时的保护操作（保护用）故障状态时的保护操作（保护用） 断路器互感器继电保护断路器互感器继电保护 负荷开关熔断器保护负荷开关熔断器保护（3）设备的隔离）设备的隔离（4）检修时的接地保护）检修时的接地保护西安交通大学电气工程学院1 前言前言 分类：分类：（1）高压开关电器种类可分：断路器、隔）高压开关电器种类可分：断路器、隔离开关、负荷开关、接触器、重合器、分离开关、负荷开关、接触器、重合器、分段器、接地开关和熔断器（参见各自定段器、接地开关和熔断器（参见各自定义）。义）。 从不同电器的定义来看：主要是从功从不同电器的定义来看：主要是从功能区分，然后是结构性能的划分。能区分，然后是结

5、构性能的划分。 西安交通大学电气工程学院1 前言前言（2）从安装场所可分：）从安装场所可分： （a）户内式（）户内式（in door）：设计成安装在建筑）：设计成安装在建筑物（物（building）内或遮蔽物（）内或遮蔽物（other hosing）内使用的电器，这些地方可保护它们免遭风、雨、内使用的电器，这些地方可保护它们免遭风、雨、雪、尘埃、凝露、冰和浓霜等侵袭。雪、尘埃、凝露、冰和浓霜等侵袭。 （b）户外式（）户外式（out door）：适合安装于露天）：适合安装于露天（in the open air）使用的电器，它们能耐受）使用的电器，它们能耐受风、雨、雪、积尘（风、雨、雪、积尘（di

6、rt deposits）、露）、露（condensation）、冰及浓霜（）、冰及浓霜（hoar frost）等侵袭。等侵袭。西安交通大学电气工程学院2 开关作用与现代高压断路器的理论基础开关作用与现代高压断路器的理论基础 2.1 开关作用开关作用 所谓开关作用是指：在具有一定所谓开关作用是指：在具有一定电位的导体电路的一部分上进行导电位的导体电路的一部分上进行导体与绝缘体的相互迅速变换。体与绝缘体的相互迅速变换。西安交通大学电气工程学院2 开关作用与现代高压断路器的理论基础开关作用与现代高压断路器的理论基础 从原理上讲，作为具有这种功能的电路元从原理上讲，作为具有这种功能的电路元件有：件有：

7、 1、可分触头、可分触头 2、半导体（控制固体的电子的能级来改变电、半导体（控制固体的电子的能级来改变电导率）导率） 3、超导（在低温超导领域的温度控制）、超导（在低温超导领域的温度控制） 4、真空电子流（电位控制）、真空电子流（电位控制） 5、磁放大器（直流励磁控制）等、磁放大器（直流励磁控制）等西安交通大学电气工程学院2 开关作用与现代高压断路器的理论基础开关作用与现代高压断路器的理论基础 用触头分断电路，只要在起弧极限用触头分断电路，只要在起弧极限以上，就必然要产生电弧，只有在电弧以上，就必然要产生电弧，只有在电弧熄灭后，电路才能断开。电弧的高温、熄灭后，电路才能断开。电弧的高温、高压力

8、，给人们带来很大麻烦，对电器高压力，给人们带来很大麻烦，对电器本身也带来危害。本身也带来危害。 西安交通大学电气工程学院2 开关作用与现代高压断路器的理论基础开关作用与现代高压断路器的理论基础 长期来，只是努力地去限制电弧或长期来，只是努力地去限制电弧或更有效地去熄灭电弧。当然这也给开关、更有效地去熄灭电弧。当然这也给开关、断路器的技术不断带来一些进步。但总断路器的技术不断带来一些进步。但总认为认为“弊多利少弊多利少”，认为，认为“研究电弧主研究电弧主要在于熄灭电弧要在于熄灭电弧”。 甚至有人不断地在设想甚至有人不断地在设想“无电弧无电弧”的触头开断。的触头开断。西安交通大学电气工程学院2 开

9、关作用与现代高压断路器的理论基础开关作用与现代高压断路器的理论基础 由于认识上的局限性，使人们处于由于认识上的局限性，使人们处于“被动地位被动地位”。因此当一种新的不产生。因此当一种新的不产生电弧的开关元件出现时，就会夸大其作电弧的开关元件出现时，就会夸大其作用，认为可最终用，认为可最终“代替代替”有触点设备。有触点设备。 对高压交流断路器来说，目前还无对高压交流断路器来说，目前还无法取代，而且在（法取代，而且在（3050）年内还看不）年内还看不到这一前景。到这一前景。 西安交通大学电气工程学院2 开关作用与现代高压断路器的理论基础开关作用与现代高压断路器的理论基础 2.2 开关元件的性能比较

10、开关元件的性能比较 有触点开关元件有触点开关元件 无触点开关元件无触点开关元件（1）阻抗转换比）阻抗转换比 10101014 104107 （断开时与导通时的阻抗比）（断开时与导通时的阻抗比）（2）耐电压程度）耐电压程度 单断口单断口可达可达550kV 每个元件每个元件只达只达15kV （3）承受过载能力）承受过载能力 强强 弱弱（4）元件本身的）元件本身的 功率损耗功率损耗 小小 大大西安交通大学电气工程学院2 开关作用与现代高压断路器的理论基础开关作用与现代高压断路器的理论基础 2.3 现代交流断路器的理论基础现代交流断路器的理论基础 高压交流断路器由于它分合的电力高压交流断路器由于它分合

11、的电力系统的电压、电流在数值上特别大，要系统的电压、电流在数值上特别大，要求动作时间短，工作条件又特别复杂，求动作时间短，工作条件又特别复杂，因而在技术上存在很大的困难，在现代因而在技术上存在很大的困难，在现代电力设备中成为需要最高技术领域的产电力设备中成为需要最高技术领域的产品之一。品之一。西安交通大学电气工程学院2 开关作用与现代高压断路器的理论基础开关作用与现代高压断路器的理论基础 其关键还在于其关键还在于“电弧电弧”。电弧属于。电弧属于低温等离子体，其电导率是温度的强函低温等离子体，其电导率是温度的强函数。断路器的开断就是利用了等离子体数。断路器的开断就是利用了等离子体的温度控制来实现

12、的。从导体绝缘的温度控制来实现的。从导体绝缘体的相互变换，电弧等离子体具有重要体的相互变换，电弧等离子体具有重要的地位，利用电弧才能完成这一变换。的地位，利用电弧才能完成这一变换。其它办法还达不到要求（设备大、不经其它办法还达不到要求（设备大、不经济等）。济等）。 西安交通大学电气工程学院2 开关作用与现代高压断路器的理论基础开关作用与现代高压断路器的理论基础 只有产生电弧，才能利用等离子体只有产生电弧，才能利用等离子体的温度控制来实现导体绝缘体的迅的温度控制来实现导体绝缘体的迅速变换，这个观点就是现代高压交流断速变换，这个观点就是现代高压交流断路器的理论基础。对断路器技术的发展路器的理论基础

13、。对断路器技术的发展起了积极的作用。认为电弧是起了积极的作用。认为电弧是“利多弊利多弊少少”，而，而“研究电弧主要在于研究电弧主要在于利用利用电电弧弧”。这是积极、进取和正确的态度。这是积极、进取和正确的态度。西安交通大学电气工程学院2 开关作用与现代高压断路器的理论基础开关作用与现代高压断路器的理论基础 对于断路器中的等离子体来说，希望具有：对于断路器中的等离子体来说，希望具有：电导率的变化范围应尽可能大电导率的变化范围应尽可能大： 从良导体到完全绝缘体。若真能达到从良导体到完全绝缘体。若真能达到电阻从零变到无限大，这就是电阻从零变到无限大，这就是“理想电理想电弧弧”。电导率的变化速度应尽可

14、能快电导率的变化速度应尽可能快： 电导率的变化速度反映在电弧热时间电导率的变化速度反映在电弧热时间常数的大小。常数的大小。西安交通大学电气工程学院2 开关作用与现代高压断路器的理论基础开关作用与现代高压断路器的理论基础 第一项特性取决于等离子体的第一项特性取决于等离子体的介质材料介质材料，引，引进新的电弧介质是技术进步的关键，例如进新的电弧介质是技术进步的关键，例如SF6气体、气体、金属蒸汽的采用。金属蒸汽的采用。 第二项要求也与介质材料有关，但更大程度第二项要求也与介质材料有关，但更大程度上受等离子体的上受等离子体的温度控制方法温度控制方法的影响，这也就是的影响，这也就是灭弧原理的作用。灭弧

15、原理的作用。 现代断路器技术简单来说是尽可能造成导电现代断路器技术简单来说是尽可能造成导电性高的电弧、导通大电流，并在短时间内性高的电弧、导通大电流，并在短时间内“冷却冷却”变换成绝缘性能高的气体间隙。变换成绝缘性能高的气体间隙。 西安交通大学电气工程学院3 开关电器的共同性问题开关电器的共同性问题3.1 开关电器在功能和结构上的共性开关电器在功能和结构上的共性 要有带电和导电部分；要有带电和导电部分； 要有绝缘部分，带电部分与地及其它要有绝缘部分，带电部分与地及其它极间的隔离；极间的隔离； 导体与触头的电连接部分；导体与触头的电连接部分； 触头的运动与机构。触头的运动与机构。西安交通大学电气

16、工程学院3 开关电器的共同性问题开关电器的共同性问题3.2 从运行角度的共同要求从运行角度的共同要求 电的作用；电的作用； 热的作用；热的作用； 机械作用；机械作用； 大气环境的作用。大气环境的作用。西安交通大学电气工程学院4 六氟化硫（六氟化硫（SF6）技术）技术4.1 SF6气体的优良绝缘和灭弧特性气体的优良绝缘和灭弧特性 与目前使用状况与目前使用状况4.1.1 SF6气体的基本特性：气体的基本特性： SF6气体是一种无色、无嗅、无味、无毒、气体是一种无色、无嗅、无味、无毒、不可燃、不溶于水的惰性气体，是目前世界上不可燃、不溶于水的惰性气体，是目前世界上最不活泼的著名气体之一。不侵蚀与它接

17、触的最不活泼的著名气体之一。不侵蚀与它接触的物质。物质。 SF6是由六个氟原子以共价键的形式和硫是由六个氟原子以共价键的形式和硫原子结合成一个中性分子，分子量大原子结合成一个中性分子，分子量大（146.06）、密度也大，比空气重）、密度也大，比空气重5倍多。倍多。西安交通大学电气工程学院4 六氟化硫（六氟化硫（SF6）技术）技术 非理想气体。非理想气体。SF6靠对流和扩散同空靠对流和扩散同空气混合是很缓慢的，在未充分混合前，气混合是很缓慢的，在未充分混合前，SF6气体有向低处积聚的趋向，但一经气体有向低处积聚的趋向，但一经混合，就不分离。混合，就不分离。 SF6气体的液化温度高，在常温下稍气体

18、的液化温度高，在常温下稍加高压力就很容易液化。加高压力就很容易液化。 纯净的纯净的SF6气体热稳定性也好，气体热稳定性也好， SF6气体是很强的电负性气体。气体是很强的电负性气体。 西安交通大学电气工程学院4 六氟化硫（六氟化硫（SF6）技术）技术4.1.2 SF6气体的绝缘性：气体的绝缘性： SF6气体是高电气强度的气体介质，绝缘性气体是高电气强度的气体介质，绝缘性能好，在均匀电场中，是空气的能好，在均匀电场中，是空气的3倍。倍。 其原因：其原因：（1）SF6气体具有很强的电负性，其中性分子气体具有很强的电负性，其中性分子很容易吸附自由电子而形成负离子，活动性很很容易吸附自由电子而形成负离子

19、，活动性很差，自由电子减少，阻碍放电的形成和发展；差，自由电子减少，阻碍放电的形成和发展；（2）SF6分子的直径大，电子在分子的直径大，电子在SF6气体中的平气体中的平均自由行程短（约为均自由行程短（约为0.22m），不易积累足），不易积累足够的动能，碰撞电离的可能性减少。够的动能，碰撞电离的可能性减少。西安交通大学电气工程学院4 六氟化硫（六氟化硫（SF6）技术）技术 SF6气体的击穿电压随间隙距离和气体气体的击穿电压随间隙距离和气体压力的增加而升高，但并不是线性的，即随压力的增加而升高，但并不是线性的，即随着间距和压力的增加都会出现饱和现象。着间距和压力的增加都会出现饱和现象。 由于由于S

20、F6气体的电气强度高，通常在气体的电气强度高，通常在（0.50.7）MPa下就可得到很高的绝缘性下就可得到很高的绝缘性能，现广泛地被应用为电气设备的绝缘介质，能，现广泛地被应用为电气设备的绝缘介质，达到减少间隙尺寸和缩小设备的体积。达到减少间隙尺寸和缩小设备的体积。 西安交通大学电气工程学院4 六氟化硫（六氟化硫（SF6）技术）技术4.1.3 SF6气体的熄弧特性与熄弧原理：气体的熄弧特性与熄弧原理： （1）SF6气体具有特异的热化学性：气体具有特异的热化学性： （2）具有很强的电负性）具有很强的电负性 。 SF6气体电弧的熄灭原理与其他断路器不气体电弧的熄灭原理与其他断路器不同，它并不仅依靠

21、气流的压力梯度所形成的绝同，它并不仅依靠气流的压力梯度所形成的绝热膨胀（等熵）冷却作用，而主要是利用热膨胀（等熵）冷却作用，而主要是利用SF6气体的特异的热化学性和强电负性，才有特别气体的特异的热化学性和强电负性，才有特别强的灭弧能力。强的灭弧能力。供给足够量新鲜的供给足够量新鲜的SF6气体中气体中性分子并使之与电弧接触是熄灭电弧的有效方性分子并使之与电弧接触是熄灭电弧的有效方法，这也是法，这也是SF6气体灭弧的基本原理气体灭弧的基本原理。西安交通大学电气工程学院4 六氟化硫（六氟化硫（SF6）技术）技术4.1.4 SF6气体是电力设备中最佳的灭弧气体是电力设备中最佳的灭弧和绝缘用气体介质：和

22、绝缘用气体介质： 6070%用于电力设备：用于电力设备： 气体绝缘开关设备（气体绝缘开关设备（GIS） 气体绝缘电缆（气体绝缘电缆（GICcable）或气体）或气体绝缘输电线路（绝缘输电线路（GITL） 气体绝缘变压器（气体绝缘变压器（GIT） 配电电压等级的配电电压等级的CGIS。 西安交通大学电气工程学院4 六氟化硫（六氟化硫（SF6）技术）技术4.2 SF6气体的释放对健康和环境的影响气体的释放对健康和环境的影响4.2.1 对健康的潜在影响：对健康的潜在影响：4.2.2 环境影响：环境影响：（1）同温层的臭氧减小（臭氧层空洞）同温层的臭氧减小（臭氧层空洞） 这不起作用。破坏臭氧层的是氯气

23、。这不起作用。破坏臭氧层的是氯气。（2）平均全球温度增加（温室效应）平均全球温度增加（温室效应） 西安交通大学电气工程学院4 六氟化硫（六氟化硫（SF6）技术）技术 对气体温室效应，不仅要看到它所起作用对气体温室效应，不仅要看到它所起作用的大小，还应看它的潜在作用。目前是以的大小，还应看它的潜在作用。目前是以GWP(Global Warming Potential,全球温暖全球温暖化趋势，或称全球升温潜能值化趋势，或称全球升温潜能值)值来衡量或评值来衡量或评价气体的温室效应，有关研究报告指出，价气体的温室效应，有关研究报告指出，SF6气体在大气中的寿命最长，为气体在大气中的寿命最长，为3200

24、年。如以年。如以CO2（寿命为（寿命为100年）的年）的GWP值为值为1，则，则SF6气体的气体的GWP值为值为23900，是气体中，是气体中GWP值最值最高的气体，显然是最严重的温室气体，其潜在高的气体，显然是最严重的温室气体，其潜在危害也最大。危害也最大。 西安交通大学电气工程学院4 六氟化硫（六氟化硫（SF6）技术）技术4.3 京都议定书京都议定书规定了气体的限制使用规定了气体的限制使用 1997年年12月月10在日本京都会议上提出了在日本京都会议上提出了决定草案，即决定草案，即联合国气候变化框架公约联合国气候变化框架公约 京京都议定书都议定书，在该议定书的附录，在该议定书的附录A中，列

25、出了中，列出了六种温室效应气体：二氧化碳（六种温室效应气体：二氧化碳（CO2）、甲烷）、甲烷（CH4）、氧化亚氮（）、氧化亚氮（N2O）、氢氟碳化物）、氢氟碳化物（HFCS）、全氟化碳（）、全氟化碳（PFCS）、六氟化硫）、六氟化硫（SF6）；并列出了与这些温室气体相关的部）；并列出了与这些温室气体相关的部门类别和相应的产业，基本能源工业、制造工门类别和相应的产业，基本能源工业、制造工业和建设、六氟化硫的生产和消费等均在被指业和建设、六氟化硫的生产和消费等均在被指名之列。名之列。 西安交通大学电气工程学院4 六氟化硫（六氟化硫（SF6）技术）技术 京都议定书京都议定书规定规定2008年至年至2

26、012年为年为第一个排放量限制和削减承诺期，在附件第一个排放量限制和削减承诺期，在附件B中中列出了有关缔约方的排放量限制或削减承诺列出了有关缔约方的排放量限制或削减承诺（以（以1990为基准年，对于六氟化硫等后为基准年，对于六氟化硫等后3种气种气体则以体则以1995年为基准年）。年为基准年）。 欧洲国家的要求呼声最高，据说不久将由欧洲国家的要求呼声最高，据说不久将由欧共体共同制定的有关欧共体共同制定的有关SF6气体的限制或禁用气体的限制或禁用的法律法规将出台。的法律法规将出台。 我国已签署该议定书，也会按这一要求去我国已签署该议定书，也会按这一要求去做，正如对氟利昂的态度一样。对做，正如对氟利

27、昂的态度一样。对SF6气体的气体的政策如何还不太明确。政策如何还不太明确。西安交通大学电气工程学院4 六氟化硫（六氟化硫（SF6）技术）技术 京都议定书京都议定书对对SF6气体的限制使气体的限制使用应引起我们足够的重视。减少用应引起我们足够的重视。减少SF6气体气体的使用量这一目的应该是共同的。如何的使用量这一目的应该是共同的。如何减少减少SF6气体的使用直至最好尽量不用，气体的使用直至最好尽量不用，将是我们电气设备特别是高压开关设备将是我们电气设备特别是高压开关设备工作者的工作者的不可推卸的责任和义务不可推卸的责任和义务。西安交通大学电气工程学院4 六氟化硫（六氟化硫（SF6）技术）技术4.

28、4 高压开关设备制造业的对策高压开关设备制造业的对策4.4.1 作为绝缘用：作为绝缘用：（1） 寻找替代品：寻找替代品： （2） 采用混合气体，即采用混合气体，即SF6与与N2的混合的混合气体气体 西安交通大学电气工程学院4 六氟化硫（六氟化硫（SF6）技术）技术 4.4.2 作为灭弧介质：作为灭弧介质： 对对SF6断路器，混合气体没有好处，断路器，混合气体没有好处，随着随着SF6气体用量的减少，则开断性能也气体用量的减少，则开断性能也相应下降。这与灭弧原理有关。相应下降。这与灭弧原理有关。 目前仍无法取代的超高压断路器仍目前仍无法取代的超高压断路器仍可采用可采用SF6断路器外，应逐步减少断路

29、器外，应逐步减少SF6断断路器的产量，同时也应尽量少采用罐式路器的产量，同时也应尽量少采用罐式SF6断路器。断路器。 西安交通大学电气工程学院4 六氟化硫（六氟化硫（SF6）技术）技术 对于断路器的介质要求，电导率的变化范对于断路器的介质要求，电导率的变化范围和变化速度都应大或快，真空断路器是一个围和变化速度都应大或快，真空断路器是一个较好的发展方向，目前也是断路器的主要品种较好的发展方向，目前也是断路器的主要品种之一，用在之一，用在40.5kV以下断路器。污染最小的以下断路器。污染最小的绿色环保品。绿色环保品。 126kV断路器在高压断路器中用量最多。断路器在高压断路器中用量最多。目前主要仍

30、是目前主要仍是SF6断路器。日本已制成断路器。日本已制成126kV真空灭弧室真空灭弧室,并合作开发了断路器并合作开发了断路器,但仍用少量但仍用少量SF6作灭弧室外壳的绝缘。作灭弧室外壳的绝缘。 西安交通大学电气工程学院4 六氟化硫（六氟化硫（SF6）技术）技术 我国如能在我国如能在126kV真空灭弧室和断真空灭弧室和断路器方面近期内能投入力量并取得突破路器方面近期内能投入力量并取得突破,以取代以取代126kV的的SF6断路器，则可大量断路器，则可大量减少减少SF6在开关行业的用量在开关行业的用量,对环境保护对环境保护十分有意义。而且也可跟上国际技术发十分有意义。而且也可跟上国际技术发展的步伐，

31、并为在超高压等级取代展的步伐，并为在超高压等级取代SF6打打下扎实基础。下扎实基础。 西安交通大学电气工程学院5 真空开关技术真空开关技术5.1 真空中灭弧原理真空中灭弧原理 当触头在真空中分断电路时将产生当触头在真空中分断电路时将产生真空电弧。真空电弧实质上是真空容器真空电弧。真空电弧实质上是真空容器内在触头材料等的金属蒸汽中产生的电内在触头材料等的金属蒸汽中产生的电弧，属于低气压电弧。弧，属于低气压电弧。 西安交通大学电气工程学院5 真空开关技术真空开关技术真空电弧有两种基本形态：真空电弧有两种基本形态： （1）扩散型真空电弧：当电流小于某一）扩散型真空电弧：当电流小于某一数值时（几千安）

32、，数值时（几千安）， （2）集聚型真空电弧：当电流大于某一）集聚型真空电弧：当电流大于某一数值时。数值时。 西安交通大学电气工程学院5 真空开关技术真空开关技术交流真空电弧的熄灭原理：交流真空电弧的熄灭原理：（1）特点：小电流时始终是扩散型的；）特点：小电流时始终是扩散型的；大电流时，电流值超过集聚值很多时，大电流时，电流值超过集聚值很多时，则转变成集聚型后就始终是集聚型的。则转变成集聚型后就始终是集聚型的。当电流只在幅值附近时超过，则先转变当电流只在幅值附近时超过，则先转变成集聚，后又可转为扩散型。成集聚，后又可转为扩散型。西安交通大学电气工程学院5 真空开关技术真空开关技术（2）熄弧原理：

33、扩散型，过零后，电极阴阳极）熄弧原理：扩散型，过零后，电极阴阳极对调，新阴极不会产生阴极斑点，而真空中介对调，新阴极不会产生阴极斑点，而真空中介质强度恢复又特别快，只要间隙（开断）距离质强度恢复又特别快，只要间隙（开断）距离足够，过零后电弧不会重燃，一次过零熄灭。足够，过零后电弧不会重燃，一次过零熄灭。 集聚型，由于阴极和阳极都有较大的熔区，集聚型，由于阴极和阳极都有较大的熔区，需要需要ms级时间才能冷却，在未冷却前，级时间才能冷却，在未冷却前， 电极不断提供大量金属蒸汽，过零后，在电极不断提供大量金属蒸汽，过零后，在恢复电压作用下，不可避免地发生重燃。不采恢复电压作用下，不可避免地发生重燃。

34、不采取相应措施，则集聚型交流真空电弧不能熄弧，取相应措施，则集聚型交流真空电弧不能熄弧，即没有开断能力。即没有开断能力。西安交通大学电气工程学院5 真空开关技术真空开关技术 两种措施：两种措施： a.在工频半波末尾使转化为扩散型，在工频半波末尾使转化为扩散型，用横向磁场吹弧的方式，使阴、阳极用横向磁场吹弧的方式，使阴、阳极 斑点快速移动，降低电极表面温度。斑点快速移动，降低电极表面温度。 b.提高集聚电流值，在开断范围内不提高集聚电流值，在开断范围内不发生集聚，通常是加纵磁。发生集聚，通常是加纵磁。 西安交通大学电气工程学院5 真空开关技术真空开关技术（3）开断小电流时的截流现象：与触头）开断

35、小电流时的截流现象：与触头材料和电流值有关。材料和电流值有关。西安交通大学电气工程学院5 真空开关技术真空开关技术5.2 真空灭弧室的结构和工作原理真空灭弧室的结构和工作原理 真空灭弧室是真空开关的一个最重要的部真空灭弧室是真空开关的一个最重要的部件，由绝缘外壳、端盖、导电杆、波纹管、触件，由绝缘外壳、端盖、导电杆、波纹管、触头、屏蔽罩等部件组成。由绝缘外壳、端盖和头、屏蔽罩等部件组成。由绝缘外壳、端盖和波纹管构成封闭的容器，波纹管的使用才能实波纹管构成封闭的容器，波纹管的使用才能实现在灭弧室外带动动触头作分合运动。灭弧室现在灭弧室外带动动触头作分合运动。灭弧室在无机械外力作用时，由于自闭力，

36、其动静触在无机械外力作用时，由于自闭力，其动静触头始终保持闭合位置。头始终保持闭合位置。西安交通大学电气工程学院5 真空开关技术真空开关技术 触头是真空灭弧室内的最为重要的触头是真空灭弧室内的最为重要的元件，开断能力和电气寿命主要由触头元件，开断能力和电气寿命主要由触头结构来决定。真空开关的触头目前都是结构来决定。真空开关的触头目前都是对接式的。对接式的。n 西安交通大学电气工程学院5 真空开关技术真空开关技术非磁吹型触头： 圆柱形平板状，开断能力与直径有关。真空触头横向磁场磁场型触头纵向磁场螺旋槽杯状结构线圈多极西安交通大学电气工程学院5 真空开关技术真空开关技术5.3 真空断路器的发展趋势

37、真空断路器的发展趋势 由于真空断路器的品种和结构繁多，但基本原理由于真空断路器的品种和结构繁多，但基本原理一样。也就不详细讲各种类型，只说明几个发展趋势。一样。也就不详细讲各种类型，只说明几个发展趋势。（1）电压等级：目前真空断路器已广泛用在）电压等级：目前真空断路器已广泛用在40.5kV以以下的配电电压等级，今后将向更改电压等级发展，首下的配电电压等级，今后将向更改电压等级发展，首先是先是72.5kV126kV。（2）小型化：一方面已采用新的电弧控制技术，在不降）小型化：一方面已采用新的电弧控制技术，在不降低开断能力的条件下不断缩小真空灭弧室的尺寸和体低开断能力的条件下不断缩小真空灭弧室的尺

38、寸和体积，另一是采用新的复合绝缘技术和浇注技术将真空积，另一是采用新的复合绝缘技术和浇注技术将真空灭弧室与非绝缘体浇注在一起使体积缩小。灭弧室与非绝缘体浇注在一起使体积缩小。西安交通大学电气工程学院5 真空开关技术真空开关技术（3）采用永磁保持式电磁操动机构）采用永磁保持式电磁操动机构（4）各种专用真空断路器：）各种专用真空断路器： 切合电容器：西门子切合电容器：西门子3AH2 60000次；次；3AH4 12000次次 东芝东芝 24kV/1250A/20kA 和和 36kV/1250A/2000A/12.5kA 达达12万次万次 选相分合真空断路器选相分合真空断路器 合闸和分闸合闸和分闸

39、0.5ms 和和1ms（5）智能型真空断路器：传感技术和数字控制技术的应）智能型真空断路器：传感技术和数字控制技术的应用。用。（6 6） 对于超高电压等级，应首先解决额定电流的提高对于超高电压等级，应首先解决额定电流的提高及灭弧室外壳绝缘的技术难题。及灭弧室外壳绝缘的技术难题。 西安交通大学电气工程学院6 高压开关绝缘高压开关绝缘6.1 绝缘的工作条件绝缘的工作条件6.1.1影响绝缘的因素：影响绝缘的因素：（1）电的作用；）电的作用；（2）热的作用；）热的作用；（3）机械力的作用；）机械力的作用；（4）大气条件的作用。）大气条件的作用。西安交通大学电气工程学院6 高压开关绝缘高压开关绝缘n 内

40、绝缘内绝缘：处于密封容器或介质中的绝缘和各：处于密封容器或介质中的绝缘和各种绝缘介质，它的电气绝缘强度由介质的击穿种绝缘介质，它的电气绝缘强度由介质的击穿强度或沿液（气）体表面的闪络强度所决定。强度或沿液（气）体表面的闪络强度所决定。大气条件对内绝缘不起作用大气条件对内绝缘不起作用。n 外绝缘外绝缘：处于大气中以空气作为介质的绝缘。：处于大气中以空气作为介质的绝缘。它的电气绝缘强度决定于空气间隙的击穿强度它的电气绝缘强度决定于空气间隙的击穿强度或沿空气中绝缘表面的闪络强度。或沿空气中绝缘表面的闪络强度。大气条件对大气条件对外绝缘就起很大作用外绝缘就起很大作用 。西安交通大学电气工程学院6 高压

41、开关绝缘高压开关绝缘6.1.2电气绝缘强度：电气绝缘强度：（1）干放电电压：沿绝缘介质的干燥和清洁的表面发生）干放电电压：沿绝缘介质的干燥和清洁的表面发生放电（闪络）的电压。放电（闪络）的电压。（2）湿放电电压：沿被雨淋湿的绝缘介质的表面发生放）湿放电电压：沿被雨淋湿的绝缘介质的表面发生放电（闪络）的电压。电（闪络）的电压。（3）击穿电压：绝缘介质发生击穿的电压。）击穿电压：绝缘介质发生击穿的电压。 绝缘击穿和闪络的电压值与所施加的电压类别有关：绝缘击穿和闪络的电压值与所施加的电压类别有关： 直流还是交流；直流还是交流； 工频电压、操作冲击电压和雷电冲击电压。工频电压、操作冲击电压和雷电冲击电

42、压。 还有还有VFTO的冲击电压。的冲击电压。西安交通大学电气工程学院6 高压开关绝缘高压开关绝缘6.2绝缘的部位、材料和结构绝缘的部位、材料和结构6.2.1绝缘部位：绝缘部位： 开关中的三种不同的绝缘：开关中的三种不同的绝缘： （1）带电导体与地之间（对地绝缘）；）带电导体与地之间（对地绝缘）； （2）不同极导体之间（极间绝缘）；）不同极导体之间（极间绝缘）； （3）断开位置时同极触头之间（开关同）断开位置时同极触头之间（开关同极触头间的纵绝缘）。极触头间的纵绝缘）。西安交通大学电气工程学院6 高压开关绝缘高压开关绝缘6.2.2绝缘材料：绝缘材料： （1）气体；）气体； （2）液体；）液体；

43、 （3）固体；）固体； （4）高真空。）高真空。西安交通大学电气工程学院6 高压开关绝缘高压开关绝缘6.2.3绝缘结构：绝缘结构：（1）固体绝缘；）固体绝缘；（2）气体绝缘；）气体绝缘；（3）液体绝缘。）液体绝缘。 对于开关柜的绝缘结构，有空气（大气）对于开关柜的绝缘结构，有空气（大气）绝缘、气体（主要是绝缘、气体（主要是SF6气体）绝缘，还没有气体）绝缘，还没有看到固体绝缘的开关柜。目前有的在宣传的所看到固体绝缘的开关柜。目前有的在宣传的所谓谓“固体绝缘开关柜固体绝缘开关柜”，只是在空气和气体绝，只是在空气和气体绝缘的开关柜中，较多地采用固体绝缘，而元件缘的开关柜中，较多地采用固体绝缘，而元

44、件与柜体金属外壳间仍有较多的空气和气体绝缘。与柜体金属外壳间仍有较多的空气和气体绝缘。西安交通大学电气工程学院6 高压开关绝缘高压开关绝缘6.3开关部件的绝缘配合和电场计算开关部件的绝缘配合和电场计算6.3.1部件的绝缘配合：部件的绝缘配合： 在同一绝缘强度要求下，给各部件在同一绝缘强度要求下，给各部件有不同的裕度（安全系数）。有不同的裕度（安全系数）。6.3.2电场计算：电场计算： 用计算机和有限元方法对电场进行用计算机和有限元方法对电场进行计算和分析计算和分析 。西安交通大学电气工程学院7 相控断路器（同步开关）相控断路器（同步开关） 相控断路器（俗称同步开关），是相控断路器（俗称同步开关

45、），是指具有分指具有分/合闸相位控制的高压交流断路合闸相位控制的高压交流断路器，或具有选（定）相（位）分器，或具有选（定）相（位）分/合闸功合闸功能的高压交流断路器。能的高压交流断路器。 西安交通大学电气工程学院7 相控断路器（同步开关）相控断路器（同步开关） 传统断路器由于分传统断路器由于分/合闸信号本身合闸信号本身的随机性和断路器（包括操动机构）的随机性和断路器（包括操动机构）动作的分散性，断路器触头闭合或断动作的分散性，断路器触头闭合或断开的相位也是随机的，可在一个周波开的相位也是随机的，可在一个周波360的任一相位下闭合或断开，而的任一相位下闭合或断开，而且通常认为各相位是等概率事件。

46、且通常认为各相位是等概率事件。 固有分/合闸时间西安交通大学电气工程学院7 相控断路器（同步开关）相控断路器（同步开关） 选相分选相分/合闸（或称相位控制）技术的合闸（或称相位控制）技术的概念在几十年前就早已经被提出，相控断概念在几十年前就早已经被提出，相控断路器的结构框图路器的结构框图: 控控制制器器断断路路器器分分/ /合合闸闸信信号号电电网网信信号号采采集集西安交通大学电气工程学院7 相控断路器（同步开关）相控断路器（同步开关） 从图可看出，相控断路器也就是在传从图可看出，相控断路器也就是在传统的断路器上外加了一个控制器，以便实统的断路器上外加了一个控制器，以便实现对分合闸信号的选相控制

47、。这里要解决现对分合闸信号的选相控制。这里要解决两个问题：两个问题： （1） 控制器的相位控制要正确和可靠；控制器的相位控制要正确和可靠； （2） 断路器固有分断路器固有分/合闸时间的分散性合闸时间的分散性应足够小。应足够小。 西安交通大学电气工程学院7 相控断路器（同步开关）相控断路器（同步开关） 断路器在电网中起到重要的控制和断路器在电网中起到重要的控制和保护作用。运行中经常需要进行正常开保护作用。运行中经常需要进行正常开合的操作，在操作过程中常伴随着电网合的操作，在操作过程中常伴随着电网中电压和电流出现的浪涌现象，造成操中电压和电流出现的浪涌现象，造成操作过电压和过电流，严重影响电网的安

48、作过电压和过电流，严重影响电网的安全运行。全运行。 西安交通大学电气工程学院7 相控断路器（同步开关）相控断路器（同步开关） 理论分析和实践证明：操作中出现理论分析和实践证明：操作中出现的暂态现象不仅与所控制的电路参数有的暂态现象不仅与所控制的电路参数有关，还与断路器实际分、合闸的相位有关，还与断路器实际分、合闸的相位有关。一般来讲，合闸和分闸时发生的机关。一般来讲，合闸和分闸时发生的机理不相同，合闸过程中出现的暂态过程理不相同，合闸过程中出现的暂态过程是由于线路中的电磁暂态振荡所引起，是由于线路中的电磁暂态振荡所引起，而开断时所出现的过电压则由于弧隙的而开断时所出现的过电压则由于弧隙的复燃或

49、重击穿而产生。复燃或重击穿而产生。 西安交通大学电气工程学院7 相控断路器（同步开关）相控断路器（同步开关） 对于合闸操作，从理论上讲，断路对于合闸操作，从理论上讲，断路器能选定相位合闸是最好的。器能选定相位合闸是最好的。 对于对于感性感性负载（空载变压器、电抗负载（空载变压器、电抗器）则应在器）则应在电压峰值时关合电压峰值时关合； 而对于而对于容性容性负载（空载长线、电容负载（空载长线、电容器组）则应在器组）则应在电压为零时关合电压为零时关合。 这样就可以抑止合闸过程产生的各这样就可以抑止合闸过程产生的各种涌流和合闸过电压。种涌流和合闸过电压。 西安交通大学电气工程学院7 相控断路器（同步开

50、关）相控断路器（同步开关） 但由于当时技术水平的限制，断路但由于当时技术水平的限制，断路器最终控制的正确性和可靠性难以保证，器最终控制的正确性和可靠性难以保证，得不到推广使用。得不到推广使用。 只得采取断路器断口并联合闸电阻只得采取断路器断口并联合闸电阻或其他措施来抑止过电压和涌流。或其他措施来抑止过电压和涌流。 西安交通大学电气工程学院7 相控断路器（同步开关）相控断路器（同步开关） 随着技术水平的不断提高，特别是随着技术水平的不断提高，特别是半导体器件和微机技术的发展，控制器半导体器件和微机技术的发展，控制器本身的正确性和可靠性已基本得到解决，本身的正确性和可靠性已基本得到解决，相控断路器

51、在国外已开始实际应用，取相控断路器在国外已开始实际应用，取得了较好的成果。得了较好的成果。 西安交通大学电气工程学院7 相控断路器（同步开关）相控断路器（同步开关） 国内也开始重视这一问题，对相控断路器国内也开始重视这一问题，对相控断路器的需求也不断地提出，特别是对空载长线和并的需求也不断地提出，特别是对空载长线和并联电容器组的投切问题。联电容器组的投切问题。 例如，在例如，在500kV系统中已有安装系统中已有安装ABB公司公司的同步合闸装置的同步合闸装置CAT和和Simens公司的同步装公司的同步装置。据报道，云南太朝山置。据报道，云南太朝山500kV系统中就是采系统中就是采用用CAT装置，

52、解决了系统的内过电压问题。装置，解决了系统的内过电压问题。 无功补偿的需要，大量电容器组在系统中无功补偿的需要，大量电容器组在系统中被应用，又特别关心电容器组的投切问题。被应用，又特别关心电容器组的投切问题。 西安交通大学电气工程学院7 相控断路器（同步开关）相控断路器（同步开关）关合电容电流的等值电路图（图中假定为集中参数）关合电容电流的等值电路图（图中假定为集中参数） C U0 L线路电感，R电阻，C电容，U0电容上的初始电压 ,合闸瞬间的电源电压相位角 RLAC西安交通大学电气工程学院7 相控断路器（同步开关）相控断路器（同步开关）可得： 式中： 。00sin()(sin)costcmm

53、UUtUUt e01,2RLL C西安交通大学电气工程学院7 相控断路器（同步开关）相控断路器（同步开关） 其最大值：其最大值： 过电压大小与合闸相位角、电容上的初始过电压大小与合闸相位角、电容上的初始电压和极性有关。电压和极性有关。 在在U00时，时， 当当90时，时， Ucm2Um，最大；，最大； 而当而当0时，没有暂态，按正弦规律上升，时，没有暂态，按正弦规律上升，也就没有过电压；也就没有过电压； 偏离偏离0时，有暂态，与偏离角大小有关，时，有暂态，与偏离角大小有关，一般讲不发生过电压。一般讲不发生过电压。 02sincmmUUU西安交通大学电气工程学院7 相控断路器（同步开关）相控断路

54、器（同步开关）在在U00时，同极性时，时，同极性时，Ucm2Um； 反极性时，反极性时，Ucm2Um。若若U0Um， 当当90时，则时，则Ucm3Um； 而当而当0时，有过渡过程，但时，有过渡过程，但Ucm不会超过不会超过Um；而偏离；而偏离0时就会有过电压，时就会有过电压，但数值受到抑止。但数值受到抑止。 西安交通大学电气工程学院7 相控断路器（同步开关）相控断路器（同步开关） 从上面分析中可以看出：从上面分析中可以看出： 当当90时合闸出现的过电压最高，时合闸出现的过电压最高，有可能达有可能达23倍。倍。 而当而当0时合闸，就不会有过电压时合闸，就不会有过电压（偏离零度时，会有过电压，但已

55、受到（偏离零度时，会有过电压，但已受到抑止）。抑止）。西安交通大学电气工程学院7 相控断路器（同步开关）相控断路器（同步开关） 对于不同电压等级的系统和设备，对于不同电压等级的系统和设备，承受过电压的能力是不相同的。过电压承受过电压的能力是不相同的。过电压的允许倍数也有不同的规定和要求。对的允许倍数也有不同的规定和要求。对于于110kV以下，通常能承受以下，通常能承受3倍倍以下的以下的过电压，而过电压，而500kV已要求为已要求为2.0，750kV为为1.8，1000kV为为1.7。 对于超高压断路器来说，能够实现对于超高压断路器来说，能够实现相控和同步合闸是很有必要的。相控和同步合闸是很有必

56、要的。 西安交通大学电气工程学院7 相控断路器（同步开关）相控断路器（同步开关） 在配电电压等级，通常由于合电容在配电电压等级，通常由于合电容器组而产生的过电压是能够承受的，同器组而产生的过电压是能够承受的，同时又由于中压断路器原都为三极一个操时又由于中压断路器原都为三极一个操动机构，三相本身的合闸相位就不同，动机构，三相本身的合闸相位就不同，也无法控制，所以并非急于需要解决合也无法控制，所以并非急于需要解决合闸过电压问题。闸过电压问题。 但终究电容器虽能承受频繁操作所但终究电容器虽能承受频繁操作所出现的过电压，却影响了其使用寿命。出现的过电压，却影响了其使用寿命。因此实现同步合闸也是有好处的。因此实现同步合闸也是有好处的。 西安交通大学电气工程学院7 相控断路器（同步开关）相控断路器（同步开关） 配永磁机构的真空断路器为分极操配永磁机构的真空断路器为分极操作提供了可能性，实现相位控制也较为作提供了可能性，实现相位控制也较为现实，据报道已经能做到同步投入在现实，据报道已经能做到同步投入在0.5ms以内。以内。 西安交通大学电气工程学院7 相控断路器（同步开关）相控断路器（同步开关） 从目前的技术水平来看，要实现同从目前的技术水平来看，要实现