高压断路器原理与应用BD课件

1、高压断路器原理与应用高压断路器原理和应用教学计划绪论（第1章）电动力（第2章）发热（第3章）电接触（第4章）电弧（第5章）高压断路器短路电流的开合（第6章）高压断路器负荷电流的开合（第8章）高压断路器的试验（第7章）真空断路器（第10章）六氟化硫断路器（第11章）金属封闭开关设备（第12章）绪论 一、高压断路器的用途和基本结构 定义断路器（Circuit Breaker）是指能关合、承载和开断正常电路条件下的电流，也能在规定的异常条件（例如过载、短路）下关合、承载一定时间和开断电流的机械开关器件。3kV及以上电力系统中使用的断路器称为高压断路器 。高压断路器的在电力系统中的作用高压断路器是电力

2、系统中最重要的控制和和保护设备。无论电力线路处在什么状态，例如空载、负载或短路故障当要求断路器动作时。它都应能可靠地动作，或是关合，或是开断电路。概括地讲，高压断路器在电网中起着两方面的作用：第一，控制作用。根据电网运行需要，用高压断路器把一部分电力设备或线路投入或退出运行。这种作用称为控制。第二，保护作用。高压断路器还可以在电力线路或设备发生故障时将故障部分从电网快速切除，保证电网中的无故障部分正常运行。这种作用称为保护。总之，高压断路器能够开断、关合及承载运行线路的正常电流也能在规定时间内承载、关合及开断规定的异常电流，如过载电流和短路电流。 高压断路器在电力系统中的使用情况高压断路器的分

3、类 根据控制、保护的对象不同，高压断路器可分为以下几种类型：发电机断路器控制、保护发电机用的断路器。断路器的额定电压在40.5kV以下额定电流大不需要快速自动重合闸。输电断路器见于110（66）kV及以上输电系统中的断路器。其中110kV、220kV电压等级使用的断路器称为高压断路器，330kV及以上电压等级使用的断路器称为超高压断路器。输电断路器除要求具备快速自动重合闸功能外、还常要具备开合近区故障、失步故障架空线路和电缆线路充电电流的能力。由于电压高，断路器的结构也比较复杂。配电断路器用于35（66）kV及以下的配电系统中的断路器。这类断路器除要求具备快速自动重合闸的功能，有时还要求具备开

4、合电容器组（单个电容器组或多个并联电容器组）和电缆线路充电电流的能力。由于电压低，断路器的结构应该简单。控制断路器用于控制、保护经常需要启停的电力设备(加高压电动机、电弧炉等)的断路器。断路器的额定电压在12kv以下。要求断路器能够频繁操作并具有高的机械和电寿命。 按断路器灭弧原理来划分，有油断路器(多油和少油)、压缩空气断路器、六氟化硫断路器、真空断路器、磁吹断路器和（固体）产气断路器。目前应用较多的是真空断路器和六氟化硫断路器。按外壳结构划分，有外壳带电断路器和外壳接地断路器开断元件放在绝缘支柱上，使处于高电位的触头、导电部分及灭弧室与地电位绝缘，绝缘支校则安装在接地的基座上。这类结构称为

5、外壳带电断路器，也有人称之为绝缘支柱式断路器。外壳接地断路器（又称落地罐式），开断元件放在接地的箱壳中，其间的绝缘依靠气体（压缩空气或六氯化硫）或液体（变压器油）来承担，导电部分经套管引入，结构比较稳定，常在额定电压高的高压和超高压断路器中使用，抗地震性能好。按安装场所来划分，有户内和户外断路器 按操动机构类型来划分，有手力贮能，电磁，液压，弹簧，气动，永磁 机构等断路器高压断路器的分级 按维护工作量分级，可分为E1级和E2级断路器两种E1级断路器：不属于E2级断路器范畴内的，具有基本电寿命的断路器E2级断路器：主回路灭弧元件在其使用期中不需要维护，而其余部件维护工作量为最少的断路器。目前，大

6、多数配电用断路器的灭弧室都是密闭型或闭合式，有些只能加气，有一些灭弧室内部根本不能打开。过去的配电型断路器并不要求它是“少维护型”，但用户一方非常需要这种“少维护”品种，因此，增设E2级。1 维护工作量为最少，指的是诸如润滑、更换气体、以及清除外表面等。 2 只适用于额定电压在40.5kV及以下的断路器。 按容性电流开断性能分级，可分为C1级和C2级断路器两种C1级断路器：一种在规定的型式试验验证容性电流开断过程中具有低的重击穿概率的断路器C2级断路器：一种在规定的型式试验验证容性电流开断过程中具有非常低的重击穿概率的断路器按机械寿命分级，可分为M1级和M2级断路器两种。M1级断路器：一种不属

7、于M2级断路器定义范围内的，具有正常的机械寿命（2000次操作的机械型式试验）的断路器M2级断路器：一种用于特殊使用要求的频繁操作的、设计要求非常有限的维护且通过特定的型式试验（具有延长的机械寿命的断路器，机械型式试验为10000次操作）验证的断路器 1 一般电气性能方面 高压断路器长期在电网中使用时。就应与其它电力设备一样。能够耐受各种电压、电流的作用面不致损坏。根据IEC和国家标准，首先应分清电工术语的两个名词：标称值（nominal value）：用以标识一个元件、器件或设备的合适的近似量值。额定值（rated value）：一般由制造厂对一个元件、器件或设备在规定工作条件下所规定的一个

8、量值。 （1）电压方面 标称电压：系统被指定的电压。系统最高电压：运行中所出现的电压最高值，不包括异常和暂态、瞬态的电压。电气设备的额定电压：根据规定的工作条件，由制造厂确定的电压。设备最高电压：考虑到设备绝缘性能所确定的最高运行电压，其数值等于所在系统的系统最高电压。(2)电流方面 断路器长期通过工作电流时，各部分的温度不得超过允许值，以保证断路器的工作可靠。关于断路器各种情况下的允许温度在有关标准中都有规定。断路器在关合位置通过短路电流时，不应因电动力受到损坏，各部分温度也不应超过短时工作的允许值，触头不应发生熔焊和损坏。标志这方面功能的参数有：额定电流，额定峰值耐受电流，额走短时耐受电流

9、相额定短路持续时间， 额定电流：在规定使用和性能条件下能持续通过的电流有效值。额定电流值应从优先数系的R10中选取。所谓R10系列即是按比值为递增或递减的级数。R10数系包括：1、1.25、1.6、2、2.5、3.15、4、5、6.3、8各数及其与10的倍数之乘积。额定电流的大小确定了电器导电部分和触头的尺寸、结构以及散热结构。这是因为允许的发热温度有规定，当额定电流增大时，就要求导电部分的截面增大，以减小损耗和增大散热面积。 额定短时耐受（热稳定）电流： 在规定的使用和性能条件下，在额定短路持续时间内，断路器在关合位置时能承载的电流有效值。额定短时耐受电流的标准值应从R10系列中选取，且应与

10、断路器的任何其它短路额定值不矛盾。额定短路持续时间：断路器在合闸位置时能承载额定短时耐受电流的时间间隔。252kV及以上断路器的额定短路持续时间为2s；126kV及以下为4s 额定峰值耐受（动稳定）电流：在规定的使用和性能条件下，机械开关在合闸位置时能承载的额定短时耐受电流第一个大半波的电流峰值。其后短时耐受电流持续时间不应小于0.3s。 额定峰值耐受电流标准值等于2.5倍额定短时耐受电流。按照电力系统特性和开关设备的操作特点，可能要求高于2.5倍额定短时耐受电流的值，例如，当系统直流分量的衰减时间常数大于45ms，或发电机、开关等，其倍数由产品技术条件作出规定。 2开断、关合电路方面 (1)

11、开断短路故障断路器开断有电流的电路时，触头分离后触头间会出现电弧，只有使电弧熄灭，电路的开断任务才能完成。在电力系统发生短路故障时短路电流比正常负荷电流大得多，这时电路最难开断。因此，可靠地开断短路故障是高压断路器主要的也是最困难的任务。额定短路开断电流是标志高压断路器开断短路故障能力的参数。它是在规定的使用和性能条件下，断路器能开断的最大短路电流。额定短路开断电流由两个值来表征交流分量有效值 额定短路开断电流的交流分量有效值应从下列数值中选取： 6.3，8，10，12.5，16，20，25，31.5，40，50，63，80，100kA。直流分量百分数 如果直流分量不超过20%，额定短路开断电

12、流仅由交流分量有效值来表征（2）快速开断 电力系统发生短路故障后，要求继电保护系统尽快动作，断路器开断得越快越好。这样可以缩短电力系统故障存在的时间，减轻短路电流对电力设备造成的危害，更重要的是在超高压电力系统中，缩短断路器开断短路故障的时间可以增加电力系统的稳定性，从而保证输电线路的输送容量。开断时间是标志断路器开断过程快慢的参数。开断时间是指断路器接到分闸指令起到所有极中电弧都熄灭的时间间隔。开断时间由分闸时间和燃弧时间两部分组成。分闸时间指断路器接到分闸指令起到所有极的弧触头分离瞬间的时间间隔。燃弧时间是指断路器从首先分离极灭弧触头开始分离到所有极电弧最终熄灭的时间间隔。对于高压断路器分

13、闸时间和燃弧时间都必须尽量缩短。 额定短路关合电流是指断路器在额定电压以及规定的使用和性能条件下，能保证正常关合的最大短路峰值电流。 关合时间是指断路器接到合闸指令起到任一极中首先通过电流（因预击穿引起）时为止的时间，它是合闸时间与预击穿时间之差。合闸时间指断路器接到合闸指令起到所有极触头均接触为止的时间预击穿时间是指关合时从任意一极中首先出现电流到所有极中触头均接触的时间。 （4）快速自动重合闸操作 架空输电线路的短路故障，大多数是雷害、鸟害等临时性故障。团此为了提高供电的可靠性并增加电力系统的稳定性，线路保护多采用快速自动重合操作的方式，即输电线路发生短路故障时，根据继电保护发出的信号，断

14、路器开断短路故障；然后，经很短时间又再自动关合。断路器重合后，如故障并未消除，断路器必须再次开断短路故障。此后，在有的情况下，由运行人员在断路器第二次开断短路故障后经过一定时间（例如180s）再令断路器关合电路，称做“强送电”。强送电后，故障如仍未消除、断路器还需第三次开断短路故障。上述操作顺序称为快速自动重合闸断路器的额定操作顺序，可写为 OtCOtCOO外闸操作；CO断路器合闸后元任何有意延时就立即进行分闸操作；t无电流时间，是指自动重合操作中，断路器开断时从所有极中电弧均已熄灭到随后重新关合时任意一极中开始通过电流时的时间间隔。对于快速自动重合闸的断路器，取0.3s；t强送时间，一般取1

15、80s。 分合时间（自动重合闸时）：所有各极的弧触头都已分离的瞬间和重合闸操作时某一极触头首先接触瞬间之间的时间间隔。无电流时间（自动重合闸时）：在分闸操作中，从所有各极的电弧最终熄灭到随后的合闸操作中任意极首先重新出现电流之间的时间间隔。重合闸时间：重合闸操作时，分闸时间的起始瞬间和所有各极中触头均接触瞬间之间的时间间隔。重关合时间：分闸时间的起始瞬间和随后的合闸操作中任意极首先重新出现电流瞬间之间的时间间隔。合分时间：合闸操作中，某一极触头首先接触的瞬间和随后的分闸操作中所有极弧触头都分离瞬间之间的时间间隔关合开断时间：合闸操作时，从某一极中电流首先流通起到随后的分闸操作时燃弧时间结束为止

16、的时间间隔。 （5）开合各种空载、负载电路断路器在电力线路中工作时除开合一般负荷外，有时需要关合、开断空载架空线路和电缆线路，空载变压器、并联电抗器、电容器组、高压电动机等电路。开合这些电路的主要问题是可能产生过电压。这时，对断路器的要求是在开合过程中，不应产生危及绝缘的过电压，即过电压必须限制在规定的范围内。标志这方面开合能力的主要参数是额定电压和各种开合电流，如额定线路充电开断电流、额定电缆充电开断电流、额定电容器组开断电流、额定电容器组关合涌流和额定小感性开断电流等。 额定线路充电开断电流，是断路器在规定的使用和性能条件下，在其额定电压下应能开断的最大线路充电电流，开断时不得重击穿，且过

17、电压不得大于规定的数值。额定线路充电开断电流的规定，局限于指定使用在开合三相架空线，且额定电压等于或大于40.5kV的断路器。 额定电缆充电开断电流，是断路器在其额定电压和规定的使用和性能条件下，应能开断的最大电缆充电电流，开断时不得重击穿，且过电压不得大规定的数值。 额定单个电容器组开断电流，是断路器在其额定电压和规定的使用和性能条件下，应能开断的最大电容电流，开断时不得出现重击穿，且操作过电压不得大于规定的数值。此开断电流系指开合一组并联电容器的电流，断路器的电源侧并没有连接多个并联电容器。单个电容器组开断电流的额定值应从R10数系中选取。 额定背对背电容器组开断电流，是断路器在其额定电压

18、和规定的使用和性能条件下，应能开断的最大电容电流，开断时不得出现重击穿，在运行中操作过电压未超过规定的最大允许值。此开断电流系指开合一组并联电容器的电流，断路器电源侧连接有一组或几组并联电容器，其关合涌流等于额定电容器组关合涌流。背对背电容器组开断电流的额定值应从R10数系中选取。 额定电容器组关合涌流，是断路器在其额定电压及相应于使用条件的涌流频率下，应能关合的电流峰值。电容器组关合涌流的额定值应从R10数系中选取。在运行中，涌流的频率通常在2kHz5kHz范围内。 3自然环境方面 （1）周围空气温度温度过低，会使断路器内部的变压器油、润滑油、液压油的粘度增加，影响断路器的分合闸速度。温度过

19、低还可能使密封材料的性能劣化，造成断路器漏气、漏油。反之，温度过高可能造成导电部分过热等。国家标准“交流高压电器在长期工作时的发热”产规定，当电器设备使用在周围字气温度高于40（但不高于60）时，允许降低负荷长期工作。推荐周围空气温度每增高IK，额定电流减小1.8；反之，周围空气温度低于40时，每降低1K，额定电流增加0.5。但其最大过负荷不得超过额定电流的20。温度过高，空气的绝缘强度也会降低。 （2）海拔海拔会对断路器的外绝缘产生影响。海拔高的地区，大气压力低，空气稀薄，空气的绝缘强度也低。因此，有关标准规定、对用于海拔高于1000m但不超过4000m处的断路器，海拔每升高100m，其外绝

20、缘的绝缘强度大约降低1。高海拔地区空气稀薄、散热差，电器各部分的温升随之升高。因此，在向海拔地区工作的断路器在1000m处进行温升试验时，温升的允许值必须降低。标服规定断路器在海拔高于1000m但不超过4000m处且周围空气温度为40工作时，断路器的允许温升每超过100m（以海拔1000m为起点）温升降低0.3%。 （3）湿度我国长江以南地区湿度很大，全年很长时间的湿度在90以上，甚至表面出现凝露。这样大的湿度，容易引起断路器的金属件锈蚀绝缘件受潮、油漆层脱落，甚至影响机构的可靠动作和出现绝缘件表面的闪络事故。我国断路器标准中规定，断路器应能在日平均相对湿度不大于95，月平均相对湿度不大于90

21、的环境下工作。 （4）地震在多地震地区选用高压和超高压断路器时，应选用抗地震性能好、结构比较稳定的接地箱壳（落地罐式）断路器及六氟化硫气体绝缘全封闭开关设备(GIS)。 （5）污秽沿海地区和重工业集中地区，尤其是火电厂、炼油厂、水泥厂、化工厂和沿海的油田等地区，空气中污秽严重，经常发生断路器外绝缘的污闪事故。特别是秋末冬初和冬末春初之际，以及天气久晴之后，绝缘件上积秽较多，碰到毛毛雨天气就更为严重。 户内使用的断路器的污秽问题也不容忽视。对于污秽地区，门窗不严的断路器室，如果清扫不及时，又不像户外断路器有雨的自然清扫作用，污秽积累程度并不亚于户外断路器。加上南方地区户内湿度高，对于环氧玻璃钢一

22、类的有机绝缘材料来说其沿面闪络电压将显著降低。对于污秽引起的污闪事故除加强清扫、改善室内环境（密封、空调）外，还可以通过增加爬电比距（外绝缘爬电距离与断路器额定电压之比）和选用合适的绝缘材料（如硅橡胶）等来解决。 （6）风力 过大的风力合可能使结构细长的高压断路器变形其至断裂，断路器结构设计中应考虑这种风力载荷。 （7）覆冰 断路器的正常使用条件 （1）户内断路器 a)周围空气温度：最高-2540。 b)海拔：1000m c)周围空气没有明显的尘埃、烟、腐蚀性或可燃性气体、水蒸气或盐的污染。 d)湿度： 日相对湿度平均值不大于95%； 日水蒸气压力平均值不大于2.210-3MPa； 月相对湿度

23、平均值不大于90%； 月水蒸气压力平均值不大于1.810-3MPa； 日温差不大于15K。 e)一般地，对尺寸较小的产品不考虑地震的耐受能力。 地震烈度和水平加速度分级： 地震烈度：8度，9度。 水平加速度：0.15g，0.3g(g为地心引力加速度)。 f)户内开关设备的公称爬电比距 公称爬电比距为外绝缘爬电距离与其额定电压（即最高电压）之比，单位mm/kV。 实际的爬电比距要求为最小公称爬电比距值乘以应用系数a。 g)单纯以空气作为绝缘介质的开关柜，柜内各相导体的相间与对地净距 h)无线电干扰电压在 下的无线电干扰电压不得超过500V，U为产品的额定电压。 （2） 户外断路器 a)周围空气温

24、度： 1)最高：40（24h平均值不超过35）。 2)最低：-35，-45。 3)日温差：25K，32K。 b)海拔： c)公称爬电比距值： 级污秽地区的对地爬电比距不得小于16mm/kV； 级污秽地区的对地爬电比距不得小于20mm/kV； 级污秽地区的对地爬电比距不得小于25mm/kV； 级污秽地区的对地爬电比距不得小于31mm/kV。 实际的爬电比距为上述公称爬电比距值乘以应用系数a。 d)覆冰： 1级的覆冰层厚度不超过1mm； 10级的覆冰层厚度不超过10mm； 20级的覆冰层厚度不超过20mm。 e)风压不超过700Pa（相应于34m/s的风速）。 f)应该考虑有凝露或雨、温度突变以及

25、阳光辐射的影响。阳光辐射强度以0.1W/cm2为依据。 注：这并不意味着，户外设备在上述辐射强度下仍能通过额定电流而温升不超过规定值。如有必要，应采取加屋顶或强迫通风等措施。 g)耐受地震的能力与户内断路器相同。 h)无线电干扰电压与户内断路器相同。高压断路器的特点结构的多样性试验的重要性高度的可靠性 高压断路器的技术发展由于电力系统对输变电的质量和可靠性要求提高，对高压开关设备的性能要求也越来越高，为了满足当今社会对高质量产品的需求，许多研究设计生产部门开展了大量的工作。另一方面由于基础理论、材料技术、生产设备和加工工艺的不断进步，使得高压断路器的技术水平有了长足的进步，并在许多方面突破了传统开关电器的概念。主要归功于：（1）新介质的应用（2）新型触头材料的研制（3）理论研究的提高（4）制造工艺水平的提高目前，高压断路器正向着高电压大容量、自能化、小型化、组合化和智能化的方向发展。 （1）高电压大容量断路器随着电力系统工作电压的提高和输电容量的增加，带来了很多理论问题和技术问题。对短路而言，从技术经济性和可靠性角度要求，都需要发展单元断口容量大、电压高的断路器。多年来围绕高压断路器的许多问题，如灭弧方式、灭弧室结构、灭弧介质、开断性能及绝缘性能和操动机构等做了大量工作。500kV输电系统的不断发反以及考虑到正在发展的750kV特高压输电系统，使得开发研制550k