开关设备应用教程

1、开关设备应用教程 一.概述1. 开关电器简介 在发电厂和变电站必不可少地需要使用大量的开关设备，以完成对发电厂和变电站大量电气设备、机械设备以及电路的控制和保护作用。通常可按以下两种方式对开关装置进行分类：1.1 按电压等级分： （1）额定电压大于或等于1kV 的开关设备 称为高压开关。如：断路器、负荷开关、隔离开关、高压熔断器 （2）额定电压低于1kV的开关设备称为低压开关。如：自动空气开关、接触器、磁力起动器、闸刀开关、低压熔断器1.2 按作用分： （1）只用于接通和断开电路正常负荷电流的开关设备。如：负荷开关、接触器 （2）只能用于断开不正常状态和故障电流的开关设备。如：熔断器 （3）既

2、能接通和断开正常负荷电流又能接通和断开不正常状态和故障电流的开关设备。如：断路器、自动空气开关 （4）不能用于断开负荷电流，也不能用于断开不正常及故障电流的开关设备。如：隔离开关、闸刀开关2. 电弧的形成和熄灭 开关电器在切断电压大于1020V、电流大于80100mA的电路时，在触头刚分离的瞬间，触头间产生电弧。这时虽然电路触头分离，但电弧继续燃烧，电流仍在触头间通过，直到触头分开至足够长的距离时，电弧熄灭，电路才算真正的切断。 电弧的温度很高，表面温度可达300040000C，电弧中心温度可高达100000C以上。这种高温，即使作用的时间很短，触头表面也会因剧烈熔化和蒸发而损坏，触头附近的绝

3、缘材料（包括绝缘油、电工瓷、有机绝缘材料）被严重烧损，以致设备损坏。所以，在切断电路时，必须采取措施尽快地熄灭电弧。2.1 电弧的形成 电弧的形成是触头间中性质点（分子和原子）被游离的过程，这一过程很复杂，产生电弧放电和维持电弧的主要原因和过程如下 (1) 高电场发射 当通过电流的开关触头刚分离时，触头间距离很小，由于外加电压的作用，在这很小的间隙中，形成很高的电场强度（可超过100010000kV/cm），足以从阴极表面拉出电子，这就是高电场发射。随着触头间的距离增大，电场强度减小，高电场发射的作用将减弱。(2) 热电子发射 当触头刚分离时，由于触头间的压力和接触点减少，使触头接触电阻迅速增

4、大，在电极表面出现局部集中的电流，使电极上出现炽热点，阴极中的电子因此获得足够的动能逸出到空间。这种因炽热使电极表面向周围空间发射电子现象，称为热电子发射。(3) 碰撞游离 从阴极表面发射出来的自由电子，在电场的作用下，向阳极做加速运动，并不断地与触头间介质的中性质点碰撞。当自由电子在加速运动过程中所积累起来的动能大于中性质点的游离能（使电子释放出来的能量）时，中性质点被碰撞分离为电子和正离子，称为碰撞游离。新产生的电子和原来的电子一起向阳极做加速运动。当他们和其他中性质点碰撞时又再一次发生碰撞游离，碰撞游离连续进行的结果，将在触头间产生了大量的电子和正离子，使介质击穿，引起电弧。 使触头间介

5、质被击穿的电压称为击穿电压。(4) 热游离 介质在高温作用下产生游离称为热游离。在电弧产生后，弧隙温度很高，此时在高温下的介质分子和原子的无规则热运动将更严重加剧，中性质点间也会因此碰撞而发生碰撞游离，游离出电子和正离子。 电弧稳定燃烧时，弧柱温度很高，电弧电压和弧柱的电场强度很低，碰撞游离作用减弱，此时弧柱的游离作用由热游离维持。当电弧温度很高时，一方面阴极表面发射电子，另一方面会引起金属触头熔化、蒸发，以致介质中混有金属蒸气，使弧隙电导增加，电弧将继续炽热燃烧。 从以上可见，阴极表面在高电场作用下发射电子，这些电子在触头间电压作用下产生碰撞游离，形成电弧。在电弧高温下阴极表面热发射及介质中

6、的热游离，使电弧得以维持和发展。这就是电弧的形成过程。2.2电弧的熄灭 游离是在外加电压和电弧电流作用下，电子和离子不断产生的过程，也就是电弧的产生和维持的过程。与此同时，在弧柱中还存在着电子和离子消失（减少）的过程，使电弧电流减少，以致使电弧熄灭，称为去游离。在稳定燃烧的电弧中，这两个过程处于动态平衡。如果游离现象大于去游离现象，电弧将继续炽热燃烧；如果去游离大于游离，电弧越来越弱，最后熄灭。因此使去游离大于游离就是电弧熄灭的基本原理。去游离的方式主要是复合与扩散：(1)复合 弧隙中带正电或带负电的质点，在运动中彼此结合形成中性质点的过程，称为复合。电子的运动速度约为离子运行速度的1000倍

7、，因此，电子和离子的直接复合可能性很小。但是，电子在碰撞时先附着在中性质点上形成负离子，然后与运动速度大致相等的正离子相互吸引、接触而形成中性质点（中性分子）。 复合过程的快慢，主要决定于离子运动的速度。使弧柱场强减小，降低电弧温度，增大气体压力，升高气体密度等，均可减小离子运动速度，增加离子间接触机会，加强复合。(2) 扩散扩散是弧柱中的自由电子及正离子由于热运动从弧柱内逸出进入周围介质的一种现象。电弧中的高温自由电子和正离子由密集的空间向周围密度小、温度低的介质扩散，并与介质中带异性电的质点结合，形成中性分子。电弧与周围介质温度差以及离子浓度差愈大，扩散作用愈强。采用冷的、新鲜的、未游离的

8、气体吹动电弧，可使电弧在周围介质中移动，加强与新鲜介质接触，一方面带走电弧的热量，另一方面增大电弧与周围介质的温差，加强扩散，有利于灭弧。 电弧熄灭与否，取决于游离与去游离两个因素作用的结果。当弧柱中去游离大于游离时，电弧中离子减小，电弧电阻增加，电流减小，最后电弧趋于熄灭。 直流电弧的熄灭 在开断直流电路时，若灭弧能力过强，灭弧速度过快，将会产生过电压。因为电路中有电感存在，在电流变化时，在电路中产生自感电势，这电势叠加在电源电压上，在线路上产生操作过电压，危及线路中的电器绝缘，并会使电弧重燃。过电压的数值与线路电感和电流变化速度有关。线路电感一定，熄弧时电流下降的速度愈快，过电压愈高。 在

9、高电压大容量的直流电路（如大容量发电机的励磁回路），多采用冷却电弧原理等方法来熄弧；也可采用逐渐增大串联电阻的方法来灭弧。这样就增大了灭弧能力，又限制了电流下降的速度，避免产生过高电压。交流电流每半个周期经过一次零值。此时，电源停止向弧隙输入能量，而弧隙由于不断散出热量，温度下降，热游离作用迅速减弱，电弧暂时熄灭。但是由于弧隙的温度很高，热游离尚在继续，在弧隙电压的作用下，弧隙仍有电流通过，电源仍向弧隙输入能量，使弧隙温度升高，热游离加强。若输入能量大于散出能量，即弧隙中游离过程大于去游离过程，电弧将重燃。这种由于热游离而引起电弧的重燃称热击穿。反之，如果电流过零后，输入能量小于散出能量，弧隙

10、温度将继续下降，热游离基本停止，弧隙由导电状态向介质状态转变，电弧即熄灭。电流过零时，电弧暂时熄灭，但弧隙介质绝缘能力要恢复到正常情况需要一定时间，称为介质强度恢复过程。在此过程中，弧隙所承受而不致使弧隙击穿重燃的临界电压称为介质的击穿电压uj（t）。与此同时，弧隙电压由熄弧电压，经一定时间，逐渐恢复到电源电压，这是弧隙电压的恢复过程。随着电压的升高，游离因素加强，可能引起间隙再击穿，称为电击穿，电弧重燃。交流电弧的熄灭 交流电流过零后，电弧熄灭是否会重熄，取决于介质强度恢复过程与弧隙电压恢复过程相互作用的结果。只要电流过零后，弧隙的介质击穿电压uj永远大于弧隙恢复电压uhf，弧隙不被击穿，电

11、弧即熄灭。否则，电弧将重燃，如图6.1-1。因此交流电弧的熄灭条件是：电流自然过零后，弧隙介质强度恢复曲线高于电压恢复曲线，uj（t）uhf（t）。交流电弧的熄灭3.3 熄灭电弧的方法 加强弧隙的去游离，或减小弧隙电压的恢复速度，都可以促进电弧熄灭。广泛采用的灭弧方法，有以下几种。(1)吹弧温度对熄弧影响很大，温度愈低，热游离愈不易发生，能加快去游离，而且介质的绝缘强度随温度的降低而增加。介质强度恢复的快慢，在很大程度上决定于弧隙温度降低的速度。因此，冷却电弧是熄弧的重要方法之一。用气体或液体介质吹弧，既能起到对流换热、强烈冷却弧隙的作用，也可以部分取代原弧隙中游离气体或高温气体。气体流速大，

12、对流换热的能力强，能使电弧散热加剧，对弧隙的冷却作用更大。在断路器中，常制成各种形式的吹弧室，使气体或液体产生较高的压力，有力地吹向弧隙。吹动电弧的方法有纵吹和横吹，如图6.1-2。吹动方向与弧柱轴线平行的叫纵吹；吹动方向与轴线垂直的叫横吹。纵吹主要是使电弧冷却变细，最后熄灭；而横吹则将电弧拉长，表面积增大并加强冷却，熄弧效果较好。采用纵横混合吹弧方法，熄弧效果更好。油断路器是利用电弧本身的能量，将油加热，形成油蒸汽和大量气体所组成的高压力气泡实现吹弧。这种靠电弧本身的能量熄弧方法，称为自动式灭弧。自动式灭弧的优点是，不需要外加很大能量。但其灭弧能力与电弧电流有关，电弧电流愈大，灭弧能力愈强；

13、电弧电流很小时，由于电弧能量也小，产生油蒸汽和气体就少，弧隙压力减少，吹动能力小，熄弧能力就减弱。利用其他能量熄弧的方法，称为外能式灭弧。如空气断路器、SF6断路器，都是利用机械能将气体压缩，并用高压力的压缩气体吹弧。吹弧的能力与电弧电流无关，故外能式灭弧的开断特性稳定。采用多断口灭弧如图6.1-3为双断口的灭弧方式。双断口将电弧分段在相等的触头行程下，双断口比单断口的电弧拉长了，从而增大弧隙电阻，而且电弧被拉长的速度（触头分离速度）也增加，加速了弧隙电阻的增大，同时也增大介质强度的恢复速度。由于加在每个断口的电压降低，弧隙的恢复电压降低，灭弧性能更好。（3）利用将长电弧分成多个短电弧灭弧短电

14、弧中，当电流过零时，阴极附近的介质强度迅速恢复。因此，把电弧分成多个串联的短电弧，可使阴极介质强度总和大于加在触头上的电压时，电弧将被熄灭。如图6-6为低压电器中广泛采用的灭弧栅装置。栅片由铁磁物质制成。触头间发生电弧后，利用电弧电流产生的磁场与铁磁物质间产生的相互作用力，把电弧引入栅片，分成一串短弧。栅片制有缺口，以减小电弧进入栅片的阻力。这种灭弧方法主要用于低压电器。（4）利用固体介质的狭缝灭弧如图6-7为用于低压开关电器中的狭缝灭弧装置，灭弧片是由石棉水泥或陶土材料制成的。当触头间产生电弧后，在磁吹线圈的磁场的作用下，对电弧产生电动力，将电弧拉入灭弧片的狭缝中，一方面将电弧拉长，同时将电

15、弧直接与灭弧片冷壁紧密接触，加强冷却，促使电弧熄灭。1.2 低压开关电器1.2.1 接触器 接触器是用来远距离接通或断开低压电路中负荷电流的开关，广泛地使用在频繁起动及控制电动机的回路中，但不宜用于具有导电性灰尘多，腐蚀性强或有爆炸性气体的环境中。1. 原理接线接触器的原理结构和原理接线如图6.9-1。当操作开关10接通电磁铁吸持线圈7的电源时，电磁铁产生电磁力吸引衔铁6使动触点2动作，使动、静触点闭合。打开操作开关10之后，电磁铁吸持线圈断电衔铁在返回弹簧15的作用力下返回，使动、静触点断开。接触器的灭弧罩是用陶土材料作外罩的金属灭弧栅，利用将电弧分为多个串联的短电弧原理实现灭弧。接触器辅助

16、触点4是为满足自动控制与信号回路的需要而设置的。2. 结构原理如图6.9-2。交流接触器的铁芯和衔铁一般采用“E”型铁芯。交流电磁铁的吸持力与其磁通的平方成正比，为保持交流接触器吸持力的均衡，通常在铁芯部分装有短路环，如图所示，接触器铁芯部分的短路环是用紫铜材料制成电阻很小的铜环。当交变磁通穿过短路环时，短路环内将会有感应电流产生，感应电流所产生的磁通阻止原交变磁通通过，使穿过短路环部分磁通的相位滞后于未穿过短路环磁通的相位。因此，接触器电磁铁的 吸持力，是由不穿过短路环的磁通和穿过短路环的磁通两部分磁通所决定。这样，保持交流电磁铁吸持力的均衡，使得动、静触点接触稳定。运行中，如果接触器的短路

17、环损坏或断裂，将会由于电磁铁吸持力不均衡，使接触器产生振动，发出较大的声音。这时应及时查找原因，进行处理以防烧坏接触器。1.2.3 热继电器 热继电器是一种过负荷保护用的继电器。双金属片热继电器的基本原理是：继电器的双金属片由线膨胀系数小的被动层和线膨胀系数大的主动层两种金属合金材料结合而成。当双金属片受热后，由于两层材料的线膨胀系数不同，因而产生定向弯曲变形而带动热继电器触点断开。如图6.9-3。热元件1串联接入电动机主电路中，双金属片2不通过电动机主电路的电流，它被热元件间接加热。电动机正常运行时，发热元件温度不高，双金属片不会使热继电器动作。电动机发生过负荷后，热元件温度升高，并使双金属

18、片因过热膨胀而产生向上的弯曲变形，扣板3因失去双金属片的支撑，在弹簧4的作用下沿逆时针方向转动，扣板的下端经绝缘拉板5带动热继电器触点6断开。1.2.4 磁力起动器 磁力起动器是由三极交流接触器、热继电器和按钮开关等组合而成的电器，又称为低压电磁开关。磁力起动器主要用于远距离控制三相异步电动机，并具有过负荷和低电压保护功能，但不能起短路保护作用，应与熔断器配合使用。 可逆式磁力起动器用于控制电动机的起动、停机和正反转。其原理如图。 1KM为控制电动机正转用接触器，2KM为控制电动机反转用接触器。S2为停止按钮。S3为正转起动按钮，S4为反转反转起动按钮，KB1、KB2为热继电器。需要正转时，接

19、通电源开关Q1，按下正转起动按钮触点S3，使正转用接触器1KM吸持线圈电源接通，接触器1KM的主触点和辅助触点闭合。接触器1KM的主触点接通电动机电源，电动机起动，其辅助触点1KM1实现自保持。接触器1KM的另一对辅助触点1KM2串入反转用接触器2KM的控制电路，使接触器2KM不能再起动。需要电动机停止运转，按下停止按钮触点S2，切断接触器1KM的吸持线圈电路，接触器1KM断开切断电动机电源。S2为1KM、2KM公用的停止按钮。用磁力起动器控制电动机单向转动的原理接线如图6.9-5。在电动机静止状态下，需要反转时，按下反转起动按钮S4，使接触器2KM闭合接通电源，因接入电动机定子绕组的电源相序

20、改变，所以电动机反转。在正转接触器1KM吸持线圈的回路中，串入反转接触器2KM的动断触点和反转起动按钮S4的动断触点；同样，在反转接触器2KM吸持线圈的回路中，串入正转接触器1KM的动断触点和正转起动按钮S3的动断触点，这种连接称为闭锁接线。作用是：使接触器1KM、2KM不能同时接通，避免两个接触器同时闭合造成接触器电动机侧两相短路。1.3隔离开关隔离开关 隔离开关是一种简单的高压开关设备，由于没有设置专门的灭弧装置，因此不能断开负荷电流和短路电流。1.3.1 隔离开关的作用 隔离开关的主要用途有：1 隔离电源，保证检修安全。 在停电检修时，用隔离开关将需要检修的部分，与其他带电部分可靠地断开

21、隔离，即形成明显可见的空气绝缘断开间隔。从而做到既不影响其他非检修部分的正常工作，又保证检修人员的安全。2. 切换电路的倒闸操作。 在双母线或带旁路母线的主接线中，可利用隔离开关作为操作电器，进行母线切换或代替出线操作，但此时必须遵守“等电位原则”3. 接通和切断小电流电路。 由于隔离开关可以通过拉长电弧的方法熄灭小电流电弧，具有切断小电流的能力，所以，隔离开关可以用于以下操作：（1）断开和接通电压互感器和避雷器（2）断开和接通母线或直接连接在母线上的电容电 流（3）断开和连接励磁电流不超过2A的空载变压器或 电容电流不超过5A的空载线路（4）断开和接通变压器中性点的接地线（系统没有接地故障时

22、才能进行）。1.2.2 隔离开关应满足的基本要求 隔离开关的断开点应具有可靠的绝缘，保证在过电压的情况下，不致击穿而危及工作人员的安全。 隔离开关应具有足够的短路稳定，保证能承受短路电流的热效应与电动力效应。尤其不能因电动力的作用而自动断开，这样会因误动作而造成严重事故。 隔离开关应结构简单，动作可靠。 带有接地刀闸的隔离开关，必须装设联锁机构以保证先断开隔离开关，后闭合接地刀闸；先断开接地刀闸，后闭合隔离开关的操作顺序。 在相关的断路器未断开前，不得操作隔离开关。即在操作过程中不得带电分、合隔离开关。操作顺序为：断开电路时，先断开断路器，后断开两端的隔离开关；在接通电路时，先接两端的隔离开关

23、，后接通断路器。1.4熔断器熔断器 熔断器通常俗称“保险”，它是最简单的一种保护电器。当熔断器接入被保护电路之后，如果被保护电路中发生过载或短路故障时，熔断器会自动地切断该电路的电源，起到保护作用。1. 基本构成 熔断器主要由熔管、支持熔管的载流部分、绝缘底座等组成2. 保护原理 熔断器的基本工作原理是：熔断器串联接入被保护电路之中，在该电路中的电流增大到一定数值后，熔管中的熔件（或熔丝）熔断形成电弧，电弧熄灭后 则电源被切断。3. 保护特性熔断器的断路时间与通过熔断器的电流之间的关系称为熔断器的保护特性曲线，如图6.3-1。图中的保护特性曲线1和2分别对应两个熔件，两个熔件的额定电流分别为I

24、N1、IN2，且IN1IN2；当两个熔件通过电流为I1时，它们的断路时间分别为t1、t2，显然t1t2。如果适当地选择熔件额定电流，将它们串联使用，使额定电流小的熔件安装在接近负荷处。这样，当被保护电路中发生过载或短路故障时，熔断器则会有选择地熔断。从熔断器的保护特性曲线中还可看到：同一熔件（或熔丝）的断路时间与其通过的电流有关，当熔件所通过电流越大时，其熔断时间越短；但通过电流大到某个数值后，其熔断时间则维持不变 4 低压熔断器 低压熔断器的种类繁多，目前常用的熔断器有：无填料封闭纤维管式熔断器和具有填料的封闭式熔断器两种。1. 无填料封闭纤维管式熔断器无填料封闭纤维管式熔断器结构原理如图6

25、.3-2。它主要由铜帽1、纤维绝缘管2、熔件3、特种垫片4等部分组成。当熔断器的额定电流为60A及以下时，没有触刀5时铜帽1同样起到触头的作用。熔件一般由锌板冲压成截面形状，通过正常工作时，锌板发热但不熔断，当通过过负荷或短路电流时，发热量增大，使锌板以不同的形式熔断，但过负荷时比短路时熔断得慢，这是因为过负荷电流小于短路电流。纤维绝缘管2是由钢纸加工而成的，它能耐受高温，并具有较高的机械强度，在高温作用下可分解出气体。运行中，当熔件熔断后，纤维绝缘管内壁材料在电弧作用下气化分解为氢、二氧化碳、水汽等气体。由于绝缘纤维管端部被铜帽和特种垫片封闭，而纤维绝缘管内壁材料又被气化分解，所以纤维绝缘管

26、内压力迅速升高，随着压力的增加使电弧受到强烈的压缩，加速了游离气体的复合，并增加导热性，从而促进电弧的熄灭。具有填料的封闭式熔断器具有填料的封闭式熔断器结构如图6.3-3。 它的熔管1采用滑石陶瓷或高频陶瓷制作，具有较高的机械强度和耐热性能，管内充满石英砂（一种固体绝缘灭弧介质）。熔件6是用薄紫铜板冲成筛孔状，形成多根并联状栅片，栅片中间窄部焊有降低熔点的锡桥。熔件在熔管内围成笼形，熔件两端点焊在金属底板上以保证良好的接触。指示器4是一个机械信号装置，在正常工作情况下指示器由康铜丝（它与熔件并联）拉紧；熔件熔断后，康铜丝也随即熔断，红色指示器在弹簧的作用下弹出，指示熔件已熔断。运行中，被熔断器

27、保护的电路若发生过负荷，熔件温度随之升高，当温度升高到锡的熔点时，熔件锡桥部分的锡首先熔化。被锡包围的紫铜部分会逐渐溶化在锡滴中（通常称为冶金效应），随后熔件熔断，产生电弧，电弧使熔件整体熔化，而形成多个并联的细电弧。电弧全部被细颗粒状的石英砂包围，在石英砂的强烈复合和降温作用下电弧迅速熄灭。这是利用了与固体截止接触的狭缝灭弧的方法。运行中，被熔断器保护的电路中发生短路时，熔件几乎同时熔断，形成许多并联的细电弧。由于原熔件的狭缝压力突然增加，使得金属蒸汽向周围石英砂的缝隙喷射，金属蒸汽遇到石英砂在其表面凝结为固体。因此，造成每条细电弧弧道中残存的金属蒸汽较少，使电弧更容易熄灭。1.5 负荷开关

28、 负荷开关用来开断正常工作电流（包括规定的过负荷电流），并具有一定的关合短路电流的能力和动稳定、热稳定能力。在发电厂和变电站负荷开关常与熔断器或断路器一起配合使用，由负荷开关起控制电路通、断，由断路器或熔断器起电路短路保护的作用。 由于负荷开关只需断开并不很大的负荷电流，因此它的灭弧装置比断路器简单得多1.5.1 分类及原理 按灭弧原理不同，通常负荷开关可分为： （1）固体产气式利用电弧能量使固体产气材料产生气体，气体吹动电弧使电弧熄灭。 （2）压气式利用活塞压气产生气吹使电弧熄灭，气体可以是空气或SF6气体。 （3）油浸式在绝缘油中利用电弧能量将绝缘油蒸发和分解产生气体，气体吹动并冷却电弧使

29、之熄灭。其结构类似多油断路器。 （4）利用真空灭弧的真空负荷开关其结构与真空断路器相似，但采用截流值较小的触头材料。 （5）在SF6气体中灭弧的SF6负荷开关。1.5.2 压气式负荷开关的原理 压气式负荷开关的结构如图6.4-1。 分闸时，在分闸弹簧的作用下，主轴转动，一方面通过连杆机构使活塞向上运动，使气缸中的气体压缩，另一方面通过连杆机构使主刀闸打开，然后再接着打开辅助刀闸，在动弧触头和静弧触头之间，产生电弧。气缸中的压缩空气经管道通过喷口吹动电弧并使之熄灭。合闸时，动弧触头和静弧触头首先关合电路，然后主刀闸随后合入，与此同时，分闸弹簧储能，以供下一次操作使用。其中动弧触头和静弧触头是燃弧

30、触头，起到在产生电弧时保护主触头的作用。1.6高压断路器高压断路器 高压断路器是发电厂和变电站中最重要的电气设备之一，主要用于在正常和故障情况下接通或断开电路。因为它具有完善的灭弧装置，所以既能接通和断开正常工作电流，又能接通或断开短路电流和过负荷电流。1.6.1 类型 按断路器的灭弧原理，可分为：油断路器、压缩空气断路器、六氟化硫（SF6）断路器、真空断路器、磁吹断路器等 1. 油断路器采用绝缘油作为灭弧介质的断路器。又分为多油断路器和少油断路器。多油断路器中的油除作为灭弧介质使用以外，还作为触头断开后的弧隙绝缘以及带电部分与接地外壳之间的主绝缘使用。少油断路器中的油主要用作灭弧介质，而带电

31、部分与地的绝缘主要采用瓷介质或其他有机绝缘材料。油断路器的灭弧原理是：灭弧的主要元件是灭弧室，静触头、动触头和导电杆均设置在灭弧室，灭弧室内充有绝缘油。动触头与静触头闭合或分开时，电弧产生于触头之间，在电弧的高温下，灭弧室内的绝缘油将蒸发和汽化，并吹动电弧，从而熄灭电弧。目前，少油断路器在我国得到广泛的应用，具有用油量小、体积小、耗材量少等优点。 2. 压缩空气断路器 压缩空气断路器又称空气断路器它采用压缩空气作为灭弧介质灭弧。当断路器的触头断开之后，利用压力较高的压缩空气吹动电弧，致使触头间电弧迅速熄灭。压缩空气断路器中的压缩空气除作为灭弧介质外，还作为断路器内部的绝缘介质与断路器的合闸操作

32、能源，即利用气动操动机构。 压缩空气断路器具有灭弧能力强，动作迅速等优点。但是，由于压缩空气断路器结构复杂，要求制造时的加工工艺水平很高，而且有色金属消耗量较大，因此，压缩空气断路器一般应用于220kV及以上电压、短路功率较大的电力系统之中。 3. 六氟化硫（SF6）断路器 采用具有优良灭弧性能和绝缘性能的SF6气体作为灭弧介质的断路器。断路器触头分开时，利用具有一定压力的SF6气体吹动电弧，致使其电弧迅速熄灭。SF6断路器是近年来出现的一种新型断路器，它具有开断容量大，体积小等优点。但是，其结构复杂，金属消耗量大，价格昂贵。SF6断路器主要用于220kV及以上电压、短路功率较大的配电装置中。

33、 目前生产以SF6为绝缘介质的封闭式组合电器较多，由于它体积小可节省占地面积，降低了配电装置的总造价，使得它在城市高压配电装置中使用较多。 4. 真空断路器 利用真空的高介质强度来实现灭弧的断路器，称为真空断路器。真空断路器具有灭弧速度快，结构简单，耗材少，开断能力强，维护简便，使用寿命长，体积小等优点。但是，它的造价较高，制造工艺复杂。真空断路器是近些年来研制、生产的新型断路器，在额定电压较低的系统中有着很广泛的使用场所。随着大机组对厂用电可靠性的提高，真空断路器在大机组厂用电的使用日益增多。 5. 磁吹断路器 依靠电磁力吹动电弧，将电弧吹入固体灭弧介质的狭缝中，利用固体介质灭弧的断路器称为

34、磁吹断路器。它具有频繁开断性能好，不需要油或压缩空气等灭弧介质，维护工作量少等优点。但是，它结构复杂，加工工艺要求严格，成本较高。磁吹断路器一般用于额定电压不超过10kV、需要频繁操作的回路中，如高压厂用电动机回路等等。 1.6.2 主要技术参数 1. 额定电压断路器的额定电压是指断路器的线电压。它是保证断路器正常长期工作的电压。由于输电线路首、末端运行电压的不同，所以要求断路器所能承受的电压高于额定电压10%15%。通常，国家有关标准规定，断路器的额定电压等级有3kV、6kV、10kV、35kV、63kV、110kV、220kV、330kV、500kV等各级。核电站断路器的额定电压等级有：3

35、80V、6.6kV、220kV、400kV、500kV等。 断路器的额定电压反映断路器的绝缘能力，额定电压的不同将影响断路器绝缘部分的设计和选择，影响断路器的使用场所和继电保护的配置，还会影响断路器的整体尺寸和一些构成部件的尺寸，也决定断路器的灭弧条件等。 2. 额定电流 断路器的额定电流是指在规定的环境温度下，当断路器的绝缘和载流部分不超过其长期工作的最该允许温度时，断路器允许通过的最大电流值。按国家有关标准规定，断路器的额定电流有200A、400A、630A、1000A、1600A、2000A、2500A、4000A、5000A、6300A、8000A、10000A、12500A、1600

36、0A、20000A等各级。 断路器的额定电流反映断路器的通流能力，额定电流的不同将影响断路器触头的截面的大小和形状等。 3. 额定开断电流 额定开断电流是指断路器在额定频率为50Hz时的瞬态恢复电压下，能够开断的最大短路电流的有效值，有时也用额定开断容量来表示。短路电流由周期分量和非周期分量两部分组成。 额定开断电流反映断路器的灭弧能力，它与断路器灭弧介质的选择和灭弧方法的选择等因素有关。 4. 额定峰值耐受电流（动稳定电流） 额定峰值耐受电流是表明断路器能承受短路电流电动力作用的能力，即断路器在闭合状态时能通过的不妨碍其正常工作的最大短路电流（峰值）。断路器额定峰值耐受电流约等于断路器额定开

37、断电流周期分量有效值的2.55倍 5. 额定短时耐受电流（热稳定电流） 额定短时耐受电流是表明断路器能承受短路电流热效应的能力。额定短时耐受电流等于额定开断电流。 6. 额定短路持续时间（额定热稳定时间） 当额定短时耐受电流通过断路器的时间为额定短路持续时间实施，断路器的各部分温度不超过其短时所允许发热的最高温度，并且不发生触头熔接或其他妨碍正常工作的异常现象。额定短路持续时间通常可以是1s、2s、3s、4s。 7. 额定短路关合电流 当断路器进行重合闸操作时，保证断路器能关合短路电流而又不致于发生触头熔焊或其他损伤，所允许接通的最大短路电流。 8. 动作时间分闸时间 处于合闸状态的断路器，从

38、分闸回路接到分闸命令瞬间起，直到所有弧触头均分离的瞬间为止的时间间隔。此时，虽然所有的弧触头均已分开，但电弧仍然维持燃烧，因此电路实际上并没有断开，即电路仍有短路电路流过。燃弧时间 从首先分离的主回路触头刚脱离电接触起，到断路器各极中触头间的电弧最终熄灭瞬间为止的时间间隔。全开断时间 从断路器接到分闸命令瞬时起，到断路器各极触头间的电弧最终熄灭瞬间位置的时间间隔。 通常近似认为：全开断时间等于分闸时间与燃弧时间的和。合闸时间 断路器从接通到合闸命令瞬时起，到各极主触头刚接触瞬时为止的时间间隔。要求合闸时间稳定。 9. 自动重合闸性能 架空输电线路的短路故障，大多数是暂时性故障，为了提高供电可靠

39、性和提高电力系统运行稳定性，输电线路都装有自动重合闸装置。当发生短路故障时，继电保护装置动作，通过断路器将故障切除。然后，断路器自动快速重合上，如故障是暂时性故障则重合闸成功，继续供电；如故障为永久性故障，断路器将再次跳闸，切断故障电流。此后，在有些情况下，在断路器开断一定时间后，有运行人员再次将断路器合上，一般称为强送电。强送电后，故障如仍未消除，断路器即再分断一次。断路器的上述动作过程称为自动重合闸操作循环 1.6.3 SF6（六氟化硫）断路器 1. SF6气体 六氟化硫（SF6）是一种无色、无臭、无毒、不可燃的惰性气体，化学性能稳定，有优良的灭弧和绝缘性，它的许多物理性质与二氧化碳（CO

40、2）相似。 （1）SF6的状态参数 SF6是一种分子量很大的重气体，容易液化，因此与理想气体模型差异较大，用理想气体的状态方程来计算，在高气压、低温度下会产生很大差异。这是由于SF6分子的体积大，当容积缩小时分子间距减小，吸力增大，使分子与容器器壁间的作用力减弱，即气体压力值降低。 （2）SF6的绝缘特性 SF6具有优良的绝缘性能，如0.3MPa 压力的SF6气体的绝缘强度就可达到变压器油的水平，而压缩空气要达到此绝缘水平需要0.60.7MPa。SF6气体的高绝缘强度是由卤族化合物的电负性（即对电子的吸附能力）造成的。在温度不太高的情况下（103K以下），易吸附自由电子，形成负离子，使空间的自

41、由电子减少，抑制了空间游离过程的发展，不易形成击穿，因此大大提高绝缘强度。 SF6气体的绝缘强度受电场均匀程度、气体含杂质量、电极表面形状等因素的影响。SF6气体的绝缘强度在不均匀电场中要下降；SF6气体中如混杂了金属细屑等杂质，绝缘击穿电压将降低；电极表面如粗糙不平，局部电场增强，极间SF6气体间隙的绝缘强度将下降。 （3）SF6的导热特性 作为电器的绝缘介质，导热性要好，以避免温度升高。SF6气体的导热率虽然不比空气高，但由于分子质量大，比热也大，对流能力（即由于分子的流动而携带能量转移）强，作为灭弧介质，在高温条件下，实际传热过程主要是对流传热，因此SF6气体具有优越的特性。 （4）SF

42、6的化学特性 SF6气体在常温下化学性能十分稳定，不易分解、变质。在大气压力下，在5000C以下可保持高度的化学稳定性，与金属材料、绝缘材料的反应极微。从电工设备方面应用来讲，至少在E级的绝缘水平下是可以安全使用的。 但如果SF6气体中含水量较大，在高温下（如电弧或电晕放电作用下），将产生金属氟化物和硫的低氟化物，对绝缘材料、金属材料都有很大腐蚀作用。 （5）SF6的灭弧特性 气体中的电弧是通过分子（或原子）的游离而形成的导电现象，电弧放电通道中主要是热游离方式，气体温度在40006000K以上时就开始出现热游离导电现象；但在电弧的电极金属蒸汽参与下，实际的热游离起始温度将降低到3000K左右

43、。SF6气体的导热能力随温度的变化特性是它具有优异的灭弧特性的重要原因，当整个弧柱温度降低到3000K以下时，由于SF6气体的导热高峰，使温度迅速下降，介质绝缘强度迅速恢复；另外，SF6气体的电负性也是形成优异灭弧性能的一个因素，在弧焰区和电弧电流过零后的恢复阶段，电负性起重要作用，它使弧隙自由电子减少，电导率下降，介质绝缘强度提高。 2. SF6断路器的基本使用性能 （1）开断性能 由于采用SF6气体，与具有相同气压和大致相同尺寸的开断部件的空气断路器比较，具有特别优越的开断特性。特别是对短路故障开断来讲，即使暂态恢复电压上升率很高，其开断性能仍然很好，同时对于较高工频恢复电压的特性也很优越

44、。因此，对于高电压可用较少的断口制成大容量的开断性能优越的断路器。并且对于近距故障开断、失步开断、一相接地故障等特别苛刻的开断条件，也能充分发挥其性能。 （2）操作过电压由于SF6断路器的极间绝缘强度的恢复和耐压强度特性优越，因此，对于电流的开断不发生再起弧的安全系数较大。另一方面SF6气体的固有特性还具有不易产生小电流截断，即使发生截断其截断电流值也非常低，因此，几乎不会发生截断变压器励磁电流等小电流而引起过电压。 （3）绝缘配合由于开断电流后的绝缘强度恢复特性高，因此，对于开断电极间绝缘问题，特别是多重雷击引起的开断后对雷击的极间绝缘的可靠性大大提高了。 （4）电流容量由于分子量大的SF6

45、气体的导热率大，因而对于放在SF6气体中的触头和导体的冷却效果也大，因此，在允许的温升限度内，可能通过较大电流。同时还由于SF6气体是不含有氧的稳定气体，不会发生象在空气中或油中使用的导体那样，在高温下发生氧化或产生油垢，故与普通断路器比较，可允许相当高的温升。亦即比较容易设计在电流通过能力上有裕度的大额定电流断路器。 （5）噪音低SF6断路器性能的特点，可以认为是集中在能够制成全封闭式这一特点上。由于优越的灭弧能力、纤细的电弧、较低的电弧能量以及分解气体的显著的复合特性等，因此，才可能在密闭的气体中开断大电流。其结果是当断路器开断或操作时，不产生排气噪音是很大的优点。 （6）触头的消耗SF6

46、电弧造成的触头消耗很小，也是这种断路器的特点之一。这可能是由于很低的电弧能量和特别低的电极电压降的缘故。在频繁产生电弧或产生大电流电弧的情况下，其触头和触头喷嘴的消耗非常小，这就意味着解决了触头检查和更换等维护上的问题。这对SF6断路器这种密闭结构的设备来讲，是非常重要的特点。 3. SF6断路器的结构和灭弧原理 （1）断路器的基本结构高压断路器的种类很多，具体结构也各不相同，但基本结构都包括操动机构、中间传动机构、电路通断元件、绝缘支撑元件、断路器基座几部分，如图6.5-1。 电路的通断元件是断路器的关键部件，它承担着接通或断开电路的任务。断路器的接通或断开由操动机构控制，进行分合闸操作时，

47、操动机构经中间传动机构操纵动触头来实现。电路的通断元件主要包括接线端子、导电杆、触头、灭弧室等，这些元件均安装在绝缘支撑元件上。绝缘支撑元件，起着固定通断元件的作用，并使其带电部分与地绝缘。绝缘支撑元件则安装在断路器的基座之上。（2）SF6断路器的灭弧室及灭弧原理 SF6断路器的灭弧室，按其结构特点，可以分为变开距和定开距两种形式。但是，无论那种结构，都必须保证在吹弧过程中，作为熄弧和绝缘介质的SF6气体，永远不能排向大气，只在封闭系统中循环使用。 4. 操动机构 断路器的操动机构，是用来使断路器合闸和分闸、维持合闸和分闸的设备。操动机构性能的好坏，直接影响着断路器的工作可靠性。因此，要求操动

48、机构具有动作可靠、具有足够的合闸功率、动作速度快和结构简单等特点。 操动机构按合闸能源取得方式的不同，可分为：手力式、电磁式、弹簧储能式、压缩空气式和液压式等几种。大亚湾核电站220kV的SF6断路器的操动机构采用液压式。 （1）液压式操动机构 液压式操动机构主要由机构箱、贮压筒、工作缸、阀系统、油泵、电动机和控制板等组成。是利用压缩气体为能源，以液压油作为传递能量媒介，推动活塞运动，带动断路器合闸或分闸。这种操动机构具有压力高、出力大、体积小、速度快、冲击力小、动作平稳、寿命长等优点，主要缺点是：工艺要求高、易漏油、速度特性受温度影响大、成本高。目前，液压式操动机构广泛应用于我国110kV及

49、以上少油断路器和SF6断路器。（2）电磁式操动机构 电磁式操动机构主要由电磁铁、脱扣机构和辅助开关等部分组成。是利用电磁力合闸直接作用于机构的操动机构，它合闸电流很大，需要足够容量的直流电源，优点是：结构简单、运行可靠、维护方便。普遍应用于大型发电厂和变电站的335kV断路器中1.6.4真空断路器 利用真空作为触头音质绝缘灭弧介质的断路器称为真空断路器。 真空一般指的是气体稀薄的空间。凡是绝对压力低于正常大气压力的状态都可称为真空状态。绝对压力等于零的空间稳定为绝对真空，这才是真正的真空或理想的真空。 真空的程度以气体的绝对压力值来表示，压力越低称之真空度越高。在国际单位制中，压力以帕（Pa）

50、为单位，即1N/m2的作用力。一个工程大气压约为0.1Mpa(兆帕)。下图（a）为12KV真空断路器的结构原理图，图（b）为真空灭弧室的剖面图。 真空断路器的结构其它断路器大致相同。主要由操动机构、支撑用的绝缘子和真空灭弧室组成。真空灭弧室的结构很像一个大型的真空电子管。外壳由玻璃或陶瓷制成，动触头运动时的密封靠波纹管。波纹管在允许的弹性变形范围内伸缩，要求有足够高的机械寿命（一万次以上）。动、静触头的外周装有屏蔽罩，它起着吸收、冷凝金属蒸汽，均匀电场分布的作用。对某些结构的灭弧室，屏蔽罩还起到保护玻璃或陶瓷外壳的内表面不受金属蒸汽的喷溅，防止降低内表面绝缘性能的作用。 真空灭弧室的绝缘性能好

51、，触头开距小（12KV真空断路器的开距约为10mm，40.5KV约为25mm），要求操动机构提供的能量也小；加上开距小，电弧电压低，电弧能量小，开断时触头表面烧损轻微。因此真空断路器的机械寿命和电气寿命都很高。通常机械寿命和开合负载电流的寿命都可达到一万次以上。允许开合额定开断电流的次数，少则8次，多的可到50次或更多，特别适宜用于要求操作频繁和场所。这是其它类型的断路器无法与之比拟的。真空负荷开关与真空接触器的机械寿命和电寿命比真空断路器更高。 真空灭弧室出厂时的真空度应保持在10-4Pa( 10-6Torr)以上，运行中不应低于10-2Pa( 10-4Torr)，因此密封问题特别重要，否则

52、就会导致开断失败，造成事故。 真空开关包括真空断路器、真空负荷开关和真空接触器，使用安全、维护简单。真空灭弧室是密封的，工作状态与外界大气条件无关，真空灭弧室开断性能既不受外部环境的影响，也不会像油断路器那样，在开断短路电流时产生喷油、排气给外界带来污染，更不会像SF6断路器那样，在开断短路电流时，电弧的高温会使SF6气体分解产生有毒物质而需要妥善处理。真空开关使用中，灭弧室无须检修；开断过程中不会产生很高的压力，爆炸危险性小；开断短路电流时也没有很大的噪声。 1、真空开关的触头、真空开关的触头 一般断路器的触头只是用来承载和开、合电流，电弧的熄灭另由专门的灭弧装置来完成。真空开关则不同，为了保持玻璃、陶瓷或微晶玻璃制成的绝缘外壳内高的真空度，外壳内除了有必要的动、静触头外，不可能再配置结构复杂的灭弧装置，因此触头设计显得格外重要。除了考虑触头的截流值外，还得考虑触头的形状以及触头材料的选用如何有利于开断电流的提高。纵观真空断路器开断电流的提高过程，实质上就是触头材