高压电气及成套配电装置幻灯教材

电工进网作业许可考试参考教材高压类理论部分高压电器及成套配电装置高压电器及成套配电装置包括断路器、隔离开关、负荷开关、熔断器、电容器等作用：在高压电路中起着控制或保护等作用。第一节高压电器相关知识一、电力系统短路的基本概念1、短路：电力系统中相与相之间或相对地之间（中性点直接接地系统而言）通过金属导体、电弧或较小阻抗连接而形成的非正常状态。高压电器及成套配电装置2、短路的类型：三相短路、两相短路、两相接地短路和单相短路。短路电流的电动力效应和热效应短路电流通过平行导体产生的电磁效应,当两根平行导体中分别有电流对过时,导体间将产生作用力。同时短路电流在导体和电器中引起的热效应。第一节高压电器相关知识3、短路电流的危害1）短路电流通过电器设备时，将引起导体严重发热，造成导体温度升高甚至溶化，并且回损坏绝缘。2）短路电流通过电器设备时，在相间产生很大的电动力作用于导体之上，可能造成设备的变形或损坏。3）短路处往往有电弧产生，高温电弧会烧毁故障设备或烧伤周围人员，甚至引起火灾。4）短路电流通过变压器、线路等阻抗元件时，将产生很大的电压降，还会引起发电机端电压的降低，因此影响电力系统的正常供电。第一节高压电器相关知识二、高压电器中的电弧1、什么是电弧？电弧是电气设备运行中产生的一种物理现象,其特点是光亮很强温度很高。2、高压电路中开关电器切断具有电流的电路时，断开的触头之间将会产生电弧。电弧温度极高，可达5000℃以上,对电器设备有很大危害。研究电弧的目的,是要迅速熄灭电弧,以保证电器设备运行安全。第一节高压电器相关知识3、电弧产生的原因？

在拉开刀闸时，动、静触头之间的空气原来是绝缘体为什么会形成导电的弧道呢？这是由于此时的空气已被游离，游离状态下的空气和导体一样具有导电性能。在切断电路时介质（如空气）由绝缘状态转变为导电状态，可分为如下几个过程：

a.强电场发射：

在开关触头刚刚分离的瞬间，触头间距离s很小，虽然触头间电压U不一定很高，则可能产生很强的电场强度E（E=U/s）。如果电场强度超过3×106V/M以上，金属触头阴极表面的电子就会被电场力拉出而形成触头空间的自由电子。这种游离方式称为强电场发射，也是在弧隙间最初产生电子的原因。

b.热电子发射:

在触头即将分开的瞬间，触头压力以及接触面积减小，接触电阻(Rc）增大，电能损耗（I2Rc）增大，在触头表面出现炽热点；特别是电弧形成后，弧隙间的高温亦使触头表面受热出现强烈的炽热点。高温使得自由电子能量增加，运动加剧，阴极表面就会有电子跑出，形成热电子发射。

c.碰撞游离：

强电场的作用下，自由电子向阳极加速运动，具有很高的速度和巨大的动能，不断地与其他中性质点（介质原子或分子）发生碰撞，使束缚在原子核周围的电子释放出来，形成自由电子和正离子，这种现象就称为碰撞游离。新产生的电子也向阳极加速运动，同样也会使它所碰撞的中性质点游离。碰撞游离连续进行就可能导致触头间充满了电子和离子，它具有很大的电导，在外加电压作用下，触头间介质可能被击穿而形成电弧。

d.热游离：

电弧的温度很高，介质在分子高温作用下，产生迅速的不规则运动，具有很大的动能，相互碰撞游离出自由电子和正离子，形成热游离，维持电弧燃烧，增加了开关电器灭弧困难。第一节高压电器相关知识触头断开后，触头之间如果有电弧存在，则电路实际上没有被断开，直到触头间电弧熄灭后电路才真正断开。第一节高压电器相关知识交流电弧的熄灭条件

交流电弧中电流每半个周期要经过一次零值，这时电弧暂时自然熄灭，电流停止向弧隙输入电能，弧隙介质因高温而产生的热游离迅速减弱，此时，设法加强去游离，使弧隙介质的绝缘能力达到不会被弧隙外施电压击穿的程度，则在下半周电弧就不会重燃而最终熄灭。因此交流电弧的熄灭条件就是电弧不发生重燃的条件。第一节高压电器相关知识触头间介质击穿电压是指触头间产生电弧的最小电压触头间恢复电压是指触头间电弧暂时熄灭后外电路施加在触头之间的电压。第一节高压电器相关知识因此在电弧电流过零时，电弧自然熄灭。此时，弧隙中同时存在着两个恢复过程，即介质强度恢复过程和电源电压恢复过程。如果触头间的击穿电压高于触头间的恢复电压，弧隙就被击穿，电弧重燃。反之，如果触头间的击穿电压低于触头间的恢复电压时，电弧便熄灭。因此，交流电弧熄灭的条件是：电弧电流过零，电弧自然熄灭时，触头间的恢复电压始终高于触头间的击穿电压。

第一节高压电器相关知识第二节高压断路器真空断路器一、真空断路器的特点具有体积小、重量轻、噪音小、无可燃物、维护工作量少等突出的优点。尤其适用于频繁操作及故障较多的场合。真空断路器的组成结构真空断路器的组成结构真空灭弧室真空灭弧室动静触头屏蔽罩动静导电杆波纹管外壳真空灭弧室特点：整个寿命期内真空有保证①瓷壳好，质地细腻，光滑无杂色，如玉石与航空陶瓷共用，减少漏气的可能；②真空电弧冶炼触头含气量特低，在触头烧蚀时，释放出来的气体造成真空度下降的影响大大降低。开断原理先进，31.5kA以下采用杯状横磁场，31.5kA以上采用纵磁场。触头的平面较规则，电场分布极佳，所需开距小，即可达到断口耐压的要求，开断的截流质低真空泡的工作原理真空泡是用密封在真空中的一对触头来实现电力回路的接通与分断功能的一种电真空器件，是利用高真空作绝缘灭弧介质。真空灭弧室中的触头断开过程中，依靠触头产生的金属蒸汽使触头间产生电弧。当电流接近零值时，电弧洗煤。一般情况下，电弧熄灭后，弧隙中残存的带电质点继续继续向外扩散，在电流过零后很短时间（约几微秒）内弧隙便没有多少金属蒸汽，立刻恢复到原有的“真空”状态，使触头之间的介质击穿电压迅速恢复，达到触头间介质击穿电压大于触头间恢复电压条件，使电弧彻底熄灭。真空灭弧室内触头的技术要求

真空熄弧时触头(最重要构件)必须满足下述要求：导电好、耐弧性好、含气量低、导热好、机械强度高和加工方便的优点。

常用材料：铜铬合金、铜合金等等触头分闸过程中，开断电流将产生金属蒸汽电弧放电并持续在等离子体内流动，一直到下一个电流过零点为止。电弧在接近电流零点处熄弧，金属蒸汽在几微秒内不再导电，断口间迅速恢复绝缘。真空灭弧室真空度高于10-9bar，6-20mm的触头开距足以保证真空灭弧室的绝缘强度。屏蔽罩的作用1、防止燃弧过程中电弧生成物溅到绝缘外壳的内壁，从而降低外壳的绝缘强度；2、改善灭弧室内部电场分布的均匀性，有利于降低局部场强，促进真空灭弧室小型化；3、冷凝电弧生成物，吸收一部分电弧能量，有助于弧后间隙介质强度的恢复,提高真空开关管开断电流的能力。一般使用铜和不锈钢两种材料制作，铜具有较高的导热率和优良的凝结能力，但铜材熔点低，和电弧生成物有较大的亲和力，且屏蔽罩内壁上附有的金属屑会使燃弧后的灭弧室内电场分布不均匀。选用不锈钢做主屏蔽罩就能克服上诉缺点。波纹管的作用由厚度为0.1～0.2mm的不锈钢制成的薄壁元件，使动触头在真空状态下运动成为可能，动触头的运动而又不破坏灭弧室的密封状态。真空开关的每次合分操作，都会使波纹管产生一次机械变形，因此，它是真空泡中最易损坏的部件。波纹管的疲劳寿命就决定了真空灭弧室的机械寿命。（波纹管有液压成型和膜片焊接两种，使用的材料大多是不锈钢）ZN系列真空断路器ZN系列真空断路器第二节高压断路器SF6断路器SF6气体SF6气体作为绝缘介质和灭弧介质使用，目前使用SF6的电气设备在电力系统中广泛使用。SF6气体性质SF6气体是一种无色、无味、无毒、不可燃、易液化，对电器设备不腐蚀的气体。但开断后的SF6气体是有毒的。比重比空气重5倍。SF6气体绝缘性能和灭弧性能强。它的绝缘强度是空气的2.33倍，灭弧能力是空气的100倍。SF6气体在电弧高温作用下会分解为低氟化物，但在电弧过零值后，又很快再结合成SF6气体。SF6气体化学性质稳定，但是遇有水份后，在电弧的作用下分解为低氟化合物和低氟氧化物，其中某些成份决有严重腐蚀性，会腐蚀内部的金属部件，并会威胁运行及检修人员的安全。——SF6微水测试——缺点SF6气体的检漏和气体回收。SF6断路器结构——支柱式SF6断路器结构——落地罐式SF6断路器的基本结构SF6断路器的基本结构与其它高压断路器一样，由导电回路、灭弧装置、绝缘部件、操动机构和附属部件等5部分组成。其中的灭弧装置由于灭弧介质不同，在结构上有其特点，与其它断路器比较有较大差异，而其余几个部分与其它断路器大致相类似。支柱式SF6断路器支柱式SF6断路器对断路器SF6气体要求对SF6气体的要求：——新装SF6断路器投入运行前必须复测气体含水量和漏气率。灭弧室应小于150ppm，其它气室应小于250ppm，SF6气体的年漏气量小于1％。SF6断路器定期检测微水，静置24h后，方可测量，新装或大修后，每三个月测量一次，待含水量稳定后可每年测量一次。SF6气体中含水量增大的可能原因(1)气体或再生气体本身含有水分。(2)组装时进入水分。组装时由于环境、现场装配和维修检查的影响，高压电器内部的内壁附着水分。(3)管道的材质自身含有水分，或管道连接部分存在渗漏现象，造成外来水分进入内部。(4)密封件不严而渗入水分。

SF6气体水份严重超标的影响水分严重超标将危害绝缘，影响灭弧，并产生有毒物质，原因如下:

(1)含水量较高时，很容易在绝缘材料表面结露，造成绝缘下降，严重时发生闪络击穿。含水量较高的气体在电弧作用下被分解，SF6气体与水分产生多种水解反应，产生WO3、CuF2、WOF4等粉末状绝缘物，其中CuF2有强烈的吸湿性，附在绝缘表面，使沿面闪络电压下降，HF、H2SO3等具有强腐蚀性，对固体有机材料和金属有腐蚀作用，缩短了设备寿命。

(2)含水量较高的气体，在电弧作用下产生很多化合物，影响SF6气体的纯度，减少SF6气体介质复原数量，还有一些物质阻碍分解物还原，灭弧能力将会受影响。

(3)含水量较高的气体在电弧作用下分解成化合物WO2、SOF4、SO2F2、SOF2、SO2等，这些化合物均为有毒有害物质，而SOF2、SO2的含量会随水分增加而增加，直接威胁人身健康，因此对SF6气体的含水量必须严格监督和控制。第二节高压断路器断路器操动机构断路器操动机构的作用和要求用来控制断路器跳闸、合闸和维持合闸状态的设备。其性能好坏将直接影响断路器的工作性能断路器操动机构的作用和要求足够的操作功较高的可靠性动作迅速具有自动脱扣装置操作机构分类根据正常操动合闸所直接利用的动能形式的不同，操动机构分为手动型（CS）、电磁型（CD）、电动型、液压型（CY）、气动型（CQ）和弹簧型（CT）等多种类型。除手动型外，其他均为自动操动机构。其中，电磁型和电动型需直接依靠合闸电源提供操动功率；液压型、气动型和弹簧型则只需间接利用电能，并经转换设备和储能装置用非电能形式操动合闸，故短时失去电源后可由储能装置提供操动功率，因而减少了对电源的依赖程度。电磁操动机构直接依靠电磁力合闸的操动机构称为电磁操动机构。一般只用于110kV及以下的断路器。CD型操动机构是一种户内壁挂式操动机构。可以电动合闸、电动分闸、手动分闸、非正常手动合闸，也可进行自动重合闸。操动电源采用直流220V或110V。电磁操动机构优点：结构简单、价格较低、加工工艺要求低。缺点：合闸功率大、需要配备大容量的直流合闸电源、机构笨重、机构耗材多。图14－2CDl0型电磁操动机构的结构（a）前视图；（b）侧视图1-合闸铁心2-磁扼；3-接线板；4-信号用辅助开关；5-分合指示牌；6-罩壳；7-分合闸用辅助开关；8-分闸线圈；9-分闸铁心；10-合闸线圈；11-接地螺栓；12-拐臂；13-操作手柄；14-盖图14-3CD10机构动作过程示意图

(a）准备合闸状态；(b)合闸过程中；(c）合闸到顶点位置；(d)合闸动作结束；(e)分闸动作；(f)自由脱扣动作1－止钉；2、3－连杆；4－输出轴；5－连杆机构；6－支架；7－轴；8－合闸铁心顶杆；9－分闸铁心电磁操动机构——合闸合闸前连板2和3接近1800（图14-3a）、合闸信号发出，合闸电磁铁线圈受电、铁心向上运动推动滚轮轴7上移，通过连杆机构使输出主轴4顺时针转动，使断路器合闸（图14-3b）与此同时断路器的分闸弹簧被拉伸储能。当铁心达到终点时，滚轮轴7与托架出现1-1.5mm的间隙（图14-3c），此时由于输出主轴的转动带动了辅助开关，使合闸回路接点打开，合闸信号消失、合闸线圈断电，铁心下落，滚轮轴被托架支撑住，使断路器保持在合闸位置（图14-3d）。电磁操动机构——分闸分闸信号发出，分闸电磁铁线圈受电，铁心9向上运动，撞击连板2和3，使连板2和3的中间轴向上移动并越出“死区”（图14-3e），滚轮轴脱离托架、在断路器分闸弹簧的作用下，输出拐臂逆时针转动，断路器分闸，与此同时，输出轴带动辅助开关运动，切断分闸回路，分闸信号消失，分闸线圈失电，铁心回落。电磁操动机构——自由脱扣自由脱扣：合闸过程中，合闸铁心顶住滚轮轴7向上运动，如果接到分闸信号、分闸铁心向上撞击连板2和3，使其中间轴越出“死区”，这时临时固定中心不固定，四连杆机构变成五连杆机构，在断路器分闸弹簧力的作用下，滚轮轴7即从合闸铁心顶杆8的端部滑下，实现自由脱扣（图14-3f）。

弹簧储能操动机构优点：只需要小容量合闸电源，对电源要求不高（交、直流均可）。缺点：操动机构的结构复杂，加工工艺要求高、机件强度要求高、安装调试困难。液压操动机构利用气体压力储存能量，依靠液体压力传递能量进行分合闸的操动机构。优点：体积小、操作功大、动作平稳、无噪音、速度快、不需要大功率的合闸电源。缺点：结构复杂、加工工艺要求高、动作速度受温度影响大、价格昂贵。液压操动机构操动机构型号及含义手动型（CS）、电磁型（CD）、电动型、液压型（CY）、气动型（CQ）和弹簧型（CT）CT型操动机构↓已储能分闸状态

↓已储能合闸状态

合、分闸过程采用二级脱扣，脱扣力小且稳定（三维二级脱扣过程）

二级脱扣的概念，四两拔千斤的作用

说明：每相灭弧室工作时的需要闭合力约350kg,三相合计约1吨，通过二级脱扣后，仅需约2kg的脱扣力，这样合、分闸线圈体积小，脱扣耗能小，合、分时间离散性小．国内外其它操作机构多采用一级的半轴脱扣，所需脱扣力达10kg以上，需要线圈体积大，脱扣耗能大，较易磨损。

其它脱扣线圈→脱扣线圈↓合闸过程演示开始分闸过程演示开始第二节高压断路器断路器运行维护断路器投入运行必须验收合格后方可投运验收项目按相关规范执行断路器正常运行巡视检查必须定时进行巡视检查巡视检查周期：一般有人值班的变电所和升压变电所每天不少于一次，无人值班根据具体情况制定，通常每月不少于2次。对运行断路器及操动机构的一般要求技术参数符合要求分、合闸指示便于观察、准确接地金属外壳应有明显的接地标志，接触良好温腊片或试温措施运行标号及名称相色标志油断路器巡视检查ZF11—252（L）型全封闭组合电器ZF14—126（L）型全封闭组合电器ZF5T—126（L）型全封闭组合电器第三节隔离开关隔离开关作用、分类和型号隔离开关作用隔离电源刀闸操作拉、合无电流或小电流的电路，其中，允许拉和的电路有：拉、合电压互感器或避雷器回路拉、合母线合直接与母线相连设备的电容电流拉、合励磁电流小于2A的空载变压器拉、合电容电流不超过5A的空载线路隔离开关类型按安装地点分：户内式合户外式按刀闸的运动方式分：水平旋转式、垂直旋转式和插入式按支柱绝缘子的数目分：单柱式、双柱式和三柱式按操作特点分：单极式和三极式按有无地刀分：带接地刀闸和不带接地刀闸隔离开关的基本要求基于隔离开关的工作特点，它在结构上应满足的要求如下：

1）应具有明显的间隙（断开点）

2）应具有可靠的绝缘

3）应具有一定破冰能力

4）应有锁扣装置

5）应能相互联锁隔离开关的基本结构户内式三相高压隔离开关结构主要包括导电部分、绝缘部分和操动部分等。隔离开关的基本结构户外式高压隔离开关结构图，由图可见它也包括导电部分、绝缘部分和操作部分。隔离开关型号及含义字母G---代表隔离开关安装地点，N—户内，W—户外数字---为设计序号，代表不同的系列数字---代表额定电压（kV）字母---代表补充特性，T—统一设计，G—改进型，D—带接地刀闸，C—穿墙式数字---代表额定电流（A）字母---G—代表高原型隔离开关的操动机构手动操动机构、电动操动机构、液压操动机构第四节高压负荷开关高压负荷开关的作用和分类高压负荷开关的作用高压电路中用于在额定电压下接通或断开负荷电流的专用电器。一般配合高压熔断器使用，由熔断器起短路保护作用。具有灭弧装置，但灭弧能力较弱，只能切断或接通正常的负荷电流。高压负荷开关的分类按使用场所分为：户内式、户外式按灭弧方式分为：油浸式、产气式、压气式、真空和SF6负荷开关高压负荷开关型号和含义户内式高压负荷开关——FN3-10R/400

户内式高压负荷开关——FN3-10R/400隔离开关有工作触头和灭弧触头，负荷开关合闸时，灭弧触头先闭合，然后工作触头再闭合。合闸后，工作触头与灭弧触头同时接通，工作触头与灭弧触头形成并联贿赂，电流大部分经过工作触头。分闸时，工作触头先断开，然后灭弧触头再断开。灭弧原理：灭弧是利用分闸时，主轴带动活塞内的压缩空气，使压缩空气从喷嘴中高速喷出以吹熄电弧，因此灭弧性能较好。灭弧系采用固体产气元件。负荷开关在分闸状态时有明显的断口，可起隔离开关作用。高压负荷开关为什么高压负荷开关要与熔断器配合使用？答：高压负荷开关在10kv系统和简易的配电室中被广泛采用。它虽有灭弧装置，但灭弧能力较小，因此高压负荷开关只能用来切断或接通正常的负荷电流，不能用来切断故障电流。为了保证设备和系统的安全运行，高压负荷开关应与熔断器配合使用，由熔断器起过载和短路保护作用。通常高压熔断器装在高压负荷开关后面，这样当更换高压熔断器时，只拉开负荷开关，停电后再进行更换是比较安全的。第五节高压熔断器高压熔断器用途和型号用途：在通过短路电流或过载电流时熔断，以保护电路中的电气设备。高压熔断器是6-35kv电力系统小容量电路中常用的保护电器。它由熔体、支持触头和保护外壳三部分组成。串接于电路中，主电路发生过负荷或短路故障时，故障电流超过熔体的额定电流，熔体被迅速加热熔断，切断故障电流。在不太重要而又允许较长时间停电的线路中，高压熔断器和隔离开关或负荷开关配合使用可代替价格高的断路器。高压熔断器分类安装地点：户内式、户外式动作特征性：固定式、自动跌落式工作特性：限流式、非限流式限流式熔断器：冲击短路电流达到之前能切断短路电流的熔断器。非限流式熔断器：冲击短路电流达到之前不能切断短路电流的熔断器。高压熔断器用途和型号熔断器的保护特性I0称为最小熔断电流。在理论上，熔体通过I0时，熔断时间为无穷大，即不应熔断。而通过熔体的电流大于I0很多时，熔断时间迅速降低至最小值（0.01秒以下）。通过熔体的电流愈大，熔体熔断时间愈短，通过相同的短路电流，熔体额定电流愈大，熔断时间愈长。熔断器的保护特性，在许多情况下需要通过实测确定。户内式高压熔断器户内式高压熔断器RN1：限流型熔断器以石英砂作为熔断器填充物。用于电力线路过载及短路保护。RN2：用于电压互感器回路做短路保护的专用熔断器。熔断器的选择对于限流型熔断器可不进行动、热稳定的校验；而对于非限流型熔断器，要求进行动、热稳定的校验工作。保护电压互感器的熔断器只需要按额定电压和开断能力选择。户外式熔断器——跌落式熔断器RW3RW4跌落式熔断器的安装Ⅰ、安装时务必检查熔丝是否拴紧，以防止触头过热。Ⅱ、熔管轴线与铅垂线成300倾角，不得垂直或水平安装，以保证熔件熔断时熔管能靠自重自行跌落。Ⅲ、不得装于变压器及其他设备的上方，以防熔管掉落发生事故。若装于被保护设备的侧上方，与被保护设备外廓的水平距离应不小于0.5米。Ⅳ、应保持足够的安全距离。6-10KV户外安装时相间距离应不小于70m