低压电器：第五章 常用高压电器(上)

1、第五章 常用高压电器 高压断路器概论 5.1断路器的定义和分类1、定义性质：正常、过载（ ）、短路（ ）动作：关合，打开电力源：人工（手动）、其他（弹操、电操）操作机构开断2、分类：按灭弧介质分： 油断路器：10kV、35kV、 按用途分：发电机断路器额定电压Ue较低(620KV）额定电流Ie大（上万安）短路电流Iek极大（几十万安）动作时间较长（0.10.2秒）能开断失步故障输电断路器额定电压Ue高(110KV 220KV 330KV 500KV）额定电流Ie大（几千安）短路电流Iek大（几万安）开断时间短（小于0.08秒）能多次重合闸配电断路器额定电压Ue低(35KV及以下）额定电流Ie小

2、（1KA以下）开断容量Iek中等（2031.5KA） 开断容量：额定电压、额定功率因素下，所能开断电流大小（过去常用功率兆伏安表示）控制断路器关合、开断高压电动机额定电压Ue低(35KV及以下）额定电流Ie小（1KA以下）开断短路电流Iek较小（20KA以下）能频繁操作5.2额定参数 一、额定电压 ：目的使得高压电器制造品种不致过多二、额定电流 ：R10 系列，比值按 递增三、额定短时耐受电流 ：热稳定电流 2s、4s四、额定峰值耐受电流 ：动稳定电流 冲击系数五、额定短路开断电流 1、工频恢复电压：三相不得小于最高95%单相试验：中性点接地系统=1.3倍最高电压95% 中性点不接地系统=1.

3、5倍最高电压95% 2、功率因素3、开断电流非周期分量 周期分量 参见P188 图14.24、固有恢复电压 表3.13.45、重合闸断路器、非重合闸断路器 重合闸：分 合分t合分 非重合闸：分 t合分t合分合分：灭弧室的消游离，即电弧的介质恢复强度要求快，使得其能第二次开断短路电流六、额定短路关合电流 （峰值）： 一般同于七、开断时间：接到分闸命令 三极触头分离 电弧熄灭 固有分闸时间tgf：受操作机构设计水平、工艺水平影响 燃弧时间trh：受灭弧室结构、灭弧室介质影响八、合闸时间 ：接到合闸命令 三极触头均接触 5.3 油断路器一、概述 1、凡是以变压器油作为灭弧介质或兼起绝缘作用的断路器，

4、统称为油断路器少油断路器和多油断路器的主要区别是： 少油断路器中用的变压器油少，它只起灭弧介质的作用多油断路器中用的变压器油多，不仅起灭弧介质的作用，同时还兼起主绝缘作用（相对地、相间以及断口间的绝缘） 外形庞大，笨重（1）用油量不同 （2）结构复杂程度不同 少油较多油复杂（包括灭弧装置、绝缘结构、导电结构等比较） 多油的全部结构都安装在金属外壳内，不受环境条件的影响 少油则裸露于大气中 , 易受气候环境的影响 少油较多油而言，灭弧结构好 开断性能好，开断容量也较大 （4） 环境条件适应性不同（3）开断性能不同 2、型号意义SN 10 10 S 少油 N 户内设计序号 电压等级10kV D 多

5、油W 户外S：油灭弧介质 10kV 35kV 110kV 220kVD：油灭弧 35kV 绝缘二、电弧在油中的简单开断2.电弧在灭弧室中能量分配情况 使触头温度升高、熔化与蒸发 7% （损害触头）向四周传导和辐射 11%使变压器油加热蒸发 9%使变压器油分解 28%使气体膨胀 3%使气体温度升高 39%使H2分解为H 3% 每一千瓦秒电弧能量，产生700cm3气体三、灭弧装置 1.按照吹弧的能源，分为三类： 自能：利用电弧放出的能量 外能：利用外界能量 综合： 兼用 2.吹弧方向： 纵吹、 横吹、 纵横吹 （环吹） 3.灭弧原理： 早先认为是“位移”理论（错误）：电弧区油分解、移走，将其余冷油

6、补充，即将电弧区油的能量移走后认为是“扩散”理论 比拟法 实验法整个过程分为三阶段： 4.自能、外能、综合三者对照 图8.3 8.4 8.5自能： 灭弧能力与开断电流IK大小有关，小电流开断能力差 存在临界电流 Ilj 相应于trhm Ijx 极限开断电流 此时变压器油极大蒸发、分解压力， 爆炸 决定于灭弧装置的机械强度 （玻璃钢绝缘外筒）在开断小电流时灭弧能力不强 开断电容性电流时、击穿、重燃过电压 外能：构造原理图8.4 ，6和7在机械上连在一起保证同步 灭弧能力与开断电流IK大小无关（燃弧时间=const）Ijx 决定于活塞运动时所产生的压力 图8.5在开断小电感性电流时，截流，过电压综

7、合：杆7和活塞4分离 ， 大电流：自能 小电流：外能 5 油断路器的结构 一、多油断路器 1、原理结构图（图8.6 ）瓷套： 斜装 ：增大箱外两出线端之间的距离而缩小箱内灭弧装置之间的距离 裙边 ：加大沿面放电距离的尺寸 电流互感器 串联 利用电容套管中的导电杆作为原线圈 2.灭弧装置的结构 图8.7 工作原理： 动触头退出中灭弧片之前，横向吹弧通道被堵住 油气， 压力 小气室气体被压缩 退出后，横吹 空气室4的作用：缓冲作用 当外部压力大，被压缩，吸收一部分压力 当外部压力小，空气室压力被释放，辅助横向吹弧3.空气垫：高度必须选择适当 不致喷油，喷火 20%30% 足够冷却油气4.大电流时，

8、常有主触头、灭弧触头 合闸：灭弧触头先合，主触头后分闸：灭弧触头后开，主触头先材料不同： 紫铜 金属陶瓷二、少油断路器 1、绝缘介质：瓷、空气2、类型：悬臂式、落地式、（中支式）3、SN10-10原理结构，灭弧装置结构 图8.8、8.9 铝帽下接线端子上接线端子SN10-10型高压少油断路器绝缘筒基座主轴框架油标断路弹簧SN10-10系列断路器的灭弧装置的特点：利用了逆流原理，就是使灭弧气体的运动方向与电弧运动的方向相反；目的是使电弧始终逆着强烈的高压气流而运动，有利于电弧的熄灭利用了体积补偿原理，即由新鲜的油来补充导电杆向下运动时让出来的体积，使电弧弧根始终能与新鲜的油接触，以利电弧熄灭采用

9、了纵横吹灭弧室，而且它的横吹喷口扁而矮，在吹弧过程中不致把电弧拉得太长，这就大大降低了电弧电压，从而也降低了电弧能量，因此，在开断同样大小的电流时，这种灭弧室的压力低，喷油少，熄弧能力好它在开断大电流和小电流时的灭弧过程有何不同：大电流时，电弧能量大，使变压器油分解、气化时能产生相当高的灭弧压力，在灭弧室的横吹喷口打开时，高压气流猛烈吹向电弧，将电弧熄灭，这时，逆流原理和体积补偿原理基本上不起作用，完全靠横吹来熄灭电弧小电流时，电弧能量小，变压器油气化、分解时产生的气体量极少，以致横吹喷口处没有足够的吹弧压力，基本上不起熄弧作用，此时，就靠原理的效应来熄弧。电流愈小，这两种灭弧的效应就越大4、

10、落地式 35kV 图8.11 8.125、110kV 220kV 330kV 图8.13 三种少油式断路器采用相同的灭弧装置，110kV的用两个串联，两个灭弧装置共用一个机构箱，连同支持瓷筒组成一个Y形单元，支持瓷筒4内穿过绝缘拉杆，用以将操作机构的运动传向断路器的动触头，220kV、330kV分别为两个和三个Y形单元组成，同时相应地加长支持瓷筒的高度 为保证每一断口上在灭弧过程中以及断路口在开断位置时电压均匀分布，在灭弧装置1旁并联有均压电容器2SW6-110少油断路器 6.影响油断路器灭弧装置性能的因素 一、灭弧介质对电弧的作用方式1、吹弧介质 a、油气吹弧 b、冷油吹弧2、吹弧方向 纵吹

11、、横吹、纵横吹、对横吹、纵吹变形3、吹弧部位 a、弧柱 b、弧根二、触头参数 1.触头材料 多采用耐熔金属+导电金属金属陶瓷 （铜钨 、银钨合金）2.触头形状 当弧隙中气体被冷却到变成绝缘介质时，弧隙中的电场分布情况就和触头形状密切相关。不良的触头形状（尖角、棱边）将使弧隙中局部地方的电场过强，从而降低弧隙的击穿电压3.动触头的运动方向 与介质吹弧的方向相同、相反 相反好4、动触头的运动速度 答：断路器中这三个速度对性能影响极大，其中刚分速度直接影响断路器的开断能力；刚合速度不仅影响到断路器关合短路电流的能力，而且还影响到自动重合闸操作中第二次分断的性能；最大分闸速度则影响断路器的机械寿命。

12、因此三者是断路器的重要参数，在技术条件中都有明确规定，如果超出了允许范围，QD将不能保证其可靠工作。 为什么要规定断路器的刚分速度，刚合速度和最大分闸速度？它们为什么不宜过大或过小？、Vgf过小，在一定熄弧距离下会延长燃弧时间，增加电弧释放的能量，使触头、灭弧室燃损严重，甚至出现切不断电弧的现象，这样导致灭弧室压力显著增加，喷油严重，容易发生爆炸事故 Vgf过大，也会给QD的灭弧带来不利因素，因为通常交流电弧都是在电流过零时才熄灭的，如果不能在预期的时间内熄灭，而是延续到下一个峰波，则电弧在再次过零时的长度将大为增加，结果造成电弧能量巨增，灭弧室内压力过大，在灭弧室机械强度承受不了的情况下就可

13、能发生爆炸事故。而且速度过快，有可能出现动触头完全脱离灭弧室而电弧尚未熄灭的现象，这时亦可引起QD的爆炸、Vgh过小，说明机构关合功不足，在关合额定短路关合电流时有可能出现合不到底的现象，此时就会减少断路器再分时的刚分速度，影响其灭弧性能。同时，在重合闸情况下关合短路时，由于触头间仍充满着绝缘性能很差的高温气体，很容易发生预击穿，使触头间产生电弧，这时，由于关合电流过大，触头烧损严重，有时甚至可出现触头熔焊事故，这就给再分带来了困难，严重时甚至会造成拒分事故，预击穿的出现还伴随着极大的电动力，使刚合速度进一步降低，这也容易导致关合不到底，严重时还会使QD发生爆炸 Vgh过大，会使断路器受到很大

14、的冲击与振动，以致机械寿命降低，同时还要求操作机构提供更大的合闸功，这又给缓冲器的设计带来了困难最大分闸速度过大，同样会降低断路器的机械寿命，特别是对于安装在开关柜内的断路器。过大的分闸速度会引起强烈的振动，极易造成继电保护的误动。当然，最大分闸速度也不能过小，因为它可能使刚分速度达不到要求这三个速度务必满足产品技术条件的严格要求，不允许有任何误差，必须指出，这三个速度范围值都是在额定操作能源下进行测量的，例如：电磁机构就应在额定分、合闸电压下进行测量，且该额定电压是指操作瞬间分、合闸线圈端钮上应保持的电压，决非空载时的电压。如果是液压或气动机构，则应在额定操作液压或气压下进行测量的 最小开断

15、时间 0.02S（一个周波）整个燃弧时间是电压的函数 132kV 710 11kV 23m/s 33kV 45 平均开断速度：触头分离后一周波内 11kV 34m/s关合速度 33kV 56 132kV 910 五、油面上空气垫体积 1、灭弧室中的油量2、吹弧道以上的油面高度 3、油的状况 四、油量和油的状况 问：QD油面过高或过低对运行有什么影响？ 答：油断路器的油面高度对断路器的灭弧性能有较大的影响，因此任何油断路器都规定了标准的油位，并在此标准上下规定了一个正负公差带。超过了此公差带范围在运行中都是绝对不允许的。原因：油面过高，会使QD油面上的缓冲空气减少，而在开断额定短路时，排入缓冲空

16、间的气体却不因油面的增高而减少。这样，势必增加缓冲空间的压力。如果此压力超过了缓冲空间容器的极限强度，就可能发生爆炸。同时，油面过高还会使吹弧时的预排气（即打通油层中的吹弧道）所需时间相应延长，也就是说，使燃弧时间增大，这又要引起灭弧室内压力的增高，因而易出现灭弧装置的损坏及造成喷油严重等不良现象 油面过低，则吹弧时排入缓冲室中使油层冷却的气体的路径短，以致有未经充分去游离的气体排出断路器，该气体混入空气中易酿成燃烧，甚至爆炸事故在运行时要经常注意油位的变化 六、上帽排气孔面积S4采用较小的S4对灭弧装置的灭弧性能并无显著影响，而这样做却可以获得减少喷油和喷火之利七、灭弧片材料多采用三聚氰胺玻

17、璃纤维经热压制成此外：硬钢纸板（反白板）；聚酰胺（尼龙）；浸渍的木料；聚碳酸脂；三聚氰胺；SMC不饱和聚脂树脂八、串联的灭弧装置数多油QD必须进行整极试验，而不可以仅试验一个灭弧装置的开断能力通过*2得出其整极的开断能力少油QD，较高电压级别，只要试验一个灭弧装置的开断能力*n5.4 ：真空断路器 一、概述：六十年代后，迅速发展起来，被称为“有触点之王” 利用真空有很高的击穿绝缘强度，灭弧能力强真空开关：真空断路器，真空负荷开关，真空接触器 频繁的接通与开断负荷电流（最大至Ie）真空灭弧室：10-4Pa（单位：帕，Torr ,mmHg，大气压） 1Torr=133.3帕，1大气压=101324

18、.75帕， 1大气压=760.0mmHg主要问题：密封 真空度只能从10-4Pa10-2Pa 绝缘筒与金属之间热膨胀系数不同（用一过渡金属制造端盖） 动触头运动的密封（波纹管） 高压真空断路器主要有以下产品： ZN1-10(10kV,50MVA) ZN3-10(10kV,150MVA) ZN4-10(10kV,300350MVA) ZN5-10(10kV,350MVA) ZW6-12、ZW7-12、ZW8-12生产的主要产家： 国外：GE（美），伊顿（美），东芝（日），三菱（日），明电舍（日），Siemens（西德），ABB（西德） AEG（西德），EIB（比利时）、HOIEC（荷兰） 国内：

19、西安高压电器研究院、北京北开电器有限公司、陕西宝光电气有限公司、天水长城开关厂等ZN28A-12户内交流高压真空断路器ZN12B型35kV户内真空断路器真空断路器的优点：燃弧时间短体积小，重量轻，开距小寿命长，维修周期长 10KV电压等级 机械寿命10000次（30000次） 电寿命3050次（70次） 对比油断路器，几次操作功小，振动小能开断高频电流无火灾，无爆炸国内真空断路器的发展简况 20世纪60年代开始研究真空灭弧室，70年代初开始生产真空灭弧室和真空断路器。21世纪初已研制成功单断口126kV户外真空断路器。 国内真空断路器的生产现状 1、合资合作情况 引进ABB公司的VD4系列，西

20、门子公司的3AF、3AG、3AH3、3AH5系列，东芝公司的VK系列，Alstom公司的HVX型，以及比利时EIB公司、荷兰HOIEC公司的产品等2、国产新一代真空断路器西安高压电器研究所与其他单位联合研制的ZN28-12系列，额定电流12504000A，额定开断电流2063kA西安高压电器研究所与厦门华电开关有限公司联合开发的ZN96-12系列固封极柱式真空断路器，配模块化弹簧操动机构天水长城开关厂的ZN90-40.5型福州天宇电器股份有限公司的ZN91-40.5型中国电力科学研究院高压开关所研制的ZW32-12型、ZW-40.5型，北京北开电气股份有限公司研制的单断口ZW35-72.5型、

21、ZW36-126型（采用日本明电舍公司的真空灭弧室，连续开断40kA短路电流20次不检修，机械寿命10000次，已处于国际同类产品的先进水平）真空断路器的发展方向 a.向高电压等级发展 b.大容量、小型化、高可靠性、免维护和智能化 c.开发低过电压产品。真空断路器最大的缺点是开断小电流时容易发生截流而产生过电压。近年来日本在采用低过电压触头材料解决真空断路器过电压的技术方面走在前列：富士公司开发了CuCr添加高蒸汽材料，三菱公司开发了CuCrBi多元触头材料，东芝公司开发了新型AgWC触头材料。实践证明采用低过电压触头材料来抑制过电压的方法是十分有效的，可以使过电压降低到1/10，满足使用需要

22、 1.真空间隙的绝缘特性 一、机理：一般空气中，介质被击穿，游离，从绝缘状态导电状态真空中，电极之间距离4mm6mm,而电子自由行程（26m）(即电子走了26m后，才有可能撞击别的粒子，使之电离)，并不是电子和气体分子相碰撞真空间隙的击穿机理必然只同电极情况有关12mm小间隙，场致发射为主，更长间隙，团粒说为主二、影响主要因素：（与击穿电压大小相关因素） 1、真空间隙距离：小距离 d10mm,额定电压较高时，宜采用两个较短的间隙串联而不宜采用一个较长的间隙。 2、真空度10-410-2Pa 图9.23、电极材料1mm间隙 高压老炼前 高压老炼后 钛 80kV 140kV 无氧铜 76kV 90

23、kV 铬铜 64kV 96kV上述值与材料在电场中发射的电子及高温情况下材料的蒸发大小有关 4、电极表面状况5、电极老炼方法：高压老炼，电流老炼三、真空电弧的特性（真空电弧在低气压的触头材料金属蒸汽中燃烧的电弧） 1、扩散型：电弧电流小于几千安 ，最终能熄灭100A，由电极中心沿半径方向向电极边缘运动有阴极斑点且快速运动，无阳极斑点“逆向运动”，“截流现象”（阴极斑点产生的金属蒸汽和带电粒子不能补偿扩散的损失）电弧伏安特性正特性2、聚集型：集中在某一点燃烧，电弧（自身）不能熄灭只有一个阴极斑点，有阳极斑点，运动速度低真空电弧由扩散型转变为聚集型的电流，即是弧隙的极限开断电流表9.3扩散型和聚集

24、型对比。3、加一“纵向磁场”电弧电压大为降低，从而触头的电腐蚀速率电弧扩散型聚集型的电流，即Ijx2.灭弧室的结构1、图9.42、真空灭弧室主要由动静触头、屏蔽罩、动静导电杆、波纹管、外壳等部分组成3、为一整体，不能拆装，损坏时应整个调换一、外壳1、绝缘筒1，静端盖板2，动端盖板7，波纹管8 要求高密封性：10-410-2Pa2、绝缘筒材料：玻璃高氧化陶瓷微晶玻璃热膨胀系数都比一般金属材料小得多，过渡金属陶瓷灭弧室 玻璃灭弧室 3、端盖材料：无氧铜，铁钴镍合金4、波纹管 壁厚0.10.15mm，呈波纹状的薄壁管作用：保证密封完全，传递运动 波纹管的疲劳寿命决定了真空灭弧装置的机械寿命 好：几十

25、万次，几万次； 不好：几百次波纹管屏蔽罩作用：保护波纹管，使燃弧时的金属蒸汽不致凝结到其表面上波纹管制造工艺a 、液压成形12mm拉伸，拉成0.10.15mm壁厚薄圆管，再用液压成弯曲状。自由长度最大行程=20%30%自由长度寿命较短（几万次），价格便宜b、膜片焊接最大行程2/3自由长度寿命长（几十几百万次），价格贵目前波纹管绝大多数都是采用0.15mm厚度的不锈钢油压成型的 二、触头 形状对接式，不带触头弹簧非磁吹触头（圆柱形，特殊形状）磁吹触头（纵吹） 触头结构形状，影响到内部磁场分布情况，若结构不合理，磁场不均匀，产生局部放电，影响耐压1、圆柱形触头：开断电流小 铜合金：67kA以下扩散

26、型 7kA聚集型2、带螺旋槽触头：10kV可达4060kA 电弧沿着圆盘做圆周运动，最后在其外缘上旋转，沿中心到外沿运动3、杯状4、带纵向磁场触头为了提高真空灭弧器灭弧能力，外加磁场，现多用纵向吹弧电流通过触头，也通过线圈，产生的磁场结构如图以上，各种触头形状的极限开断电流，取决于触头直径在相同的触头直径时，带纵向磁场触头的极限开断电流最大，而圆柱状触头最小设计原则： Iek6kA 圆柱状 625kA 带螺旋槽触头或杯状触头 25KA 带纵向磁场触头 材料1、要求：高开断能力小的截流电流（小的操作过电压）高的击穿电压（其余断路器对击穿的要求是针对间隙，真空指的是触头，亦即电弧作用下，拉长的电子

27、、团粒少，飞溅的金属蒸汽少）高的抗熔焊能力低含气量（真空开关制成后，储存期间含气量变化小）高导电率、导热率、低电阻率、硬度高、其它2、合金材料：铜铋合金铜铋 铜铋铈 铜铋银 铜铋铝铜铬合金（各50%） 耐压、耐磨损国内常用触头材料：真空接触器：钨（60%90%）+铜铋（0.5%12.5%）锆（0.10.25%）合金真空断路器 钨+铜（18%30%）铋（0.011%） 钼+锑（90%）铋（10%） 触头开距10kV 912mm. 35kV 3540mm 触头材料含气量 含气量：由触头材料上散发或蒸发出来的气体原子量G电磨损率 g/AS i电弧电流瞬时值AM材料原子量 g K修正系数1气体原子/金

28、属原子 原子含量m 气体分子量I电流平均值，th燃弧时间金属蒸气沉积层吸气作用在平衡状态下，气体压力P(Torr)，温度T(k)时1S内射向1cm2固体表面的气体分子数三、屏蔽罩主屏蔽罩：可以吸收70%电弧能量，不使金属蒸汽附于绝缘筒内壁波纹管屏蔽罩主屏蔽罩固定方式： 固定电位式 悬浮电位式：中间封接式、绝缘支柱式、外屏蔽罩式、绝缘端盖式 3.真空断路器的结构和特点 一、真空断路器的结构和工作原理如何？答：真空断路器的结构主要由导电部分、真空灭弧室、绝缘部分、传动部分和操作机构等组成。 为适应安装于开关柜使用，一般有固定式和手车式二种方式真空灭弧室和操动机构的布置方式有二种：二者为前后布置，即

29、操动机构在前面，真空灭弧室在后面，通过转轴拐臂等部件进行联动操作（悬臂式）二者为上下布置，即操动机构在下面，真空灭弧室在上面（落地式） 电磁操动机构基本由分、合闸电磁铁，支架和锁扣等部件组成，机构较为简单，真空断路器的工作原理如下：（1）、合闸过程：当操动机构的合闸线圈通电，合闸铁心被吸合，通过拐臂及连杆使真空灭弧室的动导电杆运动，将断路器合闸（2）、分闸过程：当操动机构的分闸线圈通电，分闸铁心被吸合，从而使锁扣释放，断路器在分闸弹簧的作用下迅速分闸 二、真空断路器合闸失灵的原因 真空断路器合闸失灵的原因有电气方面的，也有机械方面的属于电气方面的有：（1）电压过低或整流部分的故障（2）合闸电源

30、容量不够（3）合闸线圈匝间短路（4）线路接错属于机械方面的有：（1）在合闸过程中分闸锁扣跳闸（未扣住）（2）分闸锁扣的尺寸不对（3）辅助开关的行程调整得太大三、真空断路器分闸失灵的原因电气方面：（1）电压过低（2）分闸线圈断线（3）辅助开关接触不良机械方面：（1）分闸铁心的行程未调整好（2）分闸锁扣扣住过多（3）分闸锁扣上的销子脱落四、真空断路器主要技术参数1、固有分闸时间：消耗在机械传动中，从接到命令到触头开始分断的时间2、触头终压力：保证触头完全闭合时，触头的接触电阻不致过大，长期通过正常电流时，触头不致过热3、触头初压力：保证触头刚接触时，接触电阻不会很大，不致使触头发生熔焊五、真空开关操作系统 作用： 1、传递力，传递运动（与高压系统绝缘） 2、变直 3、省力据统计，国内5080%真空开关出故障在