发电厂电气部分 第4章 高压开关电器

第4章高压开关电器4.1概述总述：高压开关电器按其功能与作用分为高压断路器、高压隔离开关、高压负荷开关及熔断器等

4.2高压断路器总述：高压断路器是电力系统中最重要最复杂的电气设备之一。它具有完善的灭弧装置和高速传动机构，能接通和断开各种情况下高压电路中的电流，用以完成主接线运行方式的改变和尽快切除故障电路。

4.2.1高压断路器概述一、高压断路器的用途及对它的基本要求

在发电厂和变电所中，高压断路器是1000V以上电路中的重要控制设备。1．作用：正常运行时，接通和断开负荷电流；故障时，用来迅速断开短路电流，切除故障电路。2．基本要求（1）合闸状态为良好的导体，不但能通过正常的负荷电流，即使通过短路电流时，也不应因热和电动力的作用而损坏。（2）分闸状态时应有良好的绝缘性。在规定的环境条件下，能承受相对地电压以及一相内断口间的电压。（3）开断规定的短路电流时，应有足够的开断能力和尽可能短的开断时间。一般在开断临时性故障后，要求能进行重合闸。（4）在接通规定的短路电流时，短时间内断路器的触头不能产生熔焊等情况。（5）在制造厂的技术条件下，高压断路器要能长期可靠地工作，有一定的机械寿命和电气寿命。此外，高压断路器还应有机构简单、安装、检修方便、体积小、重量轻等优点。二、高压断路器类型1．根据安装地点分类：户内和户外。2．按灭弧介质分类（1）油断路器：多油断路器少油断路器（2）空气断路器

空气断路器以压缩空气作为灭弧介质，具有灭弧能力强、动作迅速等优点。但结构复杂、工艺要求高、有色金属消耗多。因此，空气断路器用在110kV及以上的电力系统中。压缩空气断路器的灭弧性能与空气压力有关，空气压力愈高，绝缘强度愈高，灭弧性能也愈好，在0.7MPa压力下的绝缘强度与新鲜的绝缘油相当，我国一般选用的压力为2MPa。（3）SF6断路器

SF6断路器采用具有优良的灭弧能力和绝缘能力的SF6气体作为灭弧介质。具有开断能力强、动作快、体积小等优点。但金属消耗多，价格较贵。SF6断路器也是近几年来发展起来的一种新型断路器。可是SF6价格昂贵，结构复杂，还需要回收装置。同样SF6断路器存在一个泄漏问题，泄汛出的SF6气体与空气作用的结果，生成的低氟化硫有毒，会对人体带来危害。但是SF6断路器的缺点正在克服，今后110kV以上的高压系统，SF6断路器是主要发展方向。（4）真空断路器

真空断路器是在高度真空中灭弧。它的优点是可以频繁操作，维护工作量小，体积小等。真空断路器用于灭弧的动、静触头封在真空泡内，利用真空作为绝缘介质和灭弧介质，因而带来了其它类型断路器无法比拟的优点。国际上一些工业发达的国家，都致力于真空断路器的开发和应用。一些著名的电气制造公司，如美国的通用电器公司、德为的西门子公司、日本的东芝、日立公司，英国的通用电气公司等都有规模宠大的真空断路器研究机构和制造工厂。这些国家在中压等级的断路器中，真空断路器的生产量达到５０％以上。在我国真空断路器的生产和使用可以说是刚刚起步，就显示了强大的生命力，在电压等级较低（3～35kV）要求频繁操作、户内装设的场合，真空断路器作为今后一个时期的方向性产品，是毋庸置疑的。

户外真空断路器户内真空断路器三、高压断路器的型号

高压断路器的类型很多，目前我国断路器的型号根据国家技术标准的规定，一般由文字符号和数字按以下方式组成：

123－45/6－78

其代表意义为：1—产品字母代号，用下列字母表示：S—少油断路器；D—多油断路器；K—空气断路器；L—六氟化硫断路器；Z—真空断路器；Q—产气断路器；C—磁吹断路器。2—装置地点代号，N—户内；W—户外。3—设计序号，以数字1、2、3、4…表示。4—额定电压，kV。5—其他补充标志，C—手车式；G—改进型；W—防污型；Q—防震型；F—分相操作型。6—额定电流，A。7—额定开断电流，kA。8—特殊环境代号。

四、高压断路器的基本技术参数通常用下列技术参数表示高压断路器的基本性能1．额定电压额定电压是表征断路器绝缘强度的参数。它是断路器长期工作的标准电压。我国的标准规定，高压断路器的额定电压有以下各级：3、6、10、20、35、60、110、220、330、500kV。为了适应电力系统工作的要求，断路器又规定了与各级额定电压相应的最高工作电压。对3～220kV各级，其最高工作电压较额定电压约高15％左右，对330kV及以上的最高工作电压较额定电压高10％。断路器在最高工作电压下，应能长期可靠地工作。2．额定电流额定电流是表征断路器通过长期电流能力的参数。即断路器允许连续长期通过的最大电流。通过这一电流时，断路器各部分（如接触部分、端子及导体连接部分、与绝缘体接触的金属部分）的允许温度不超过国家标准规定的数值。断路器在正常使用环境条件规定为：周围空气温度不高于40℃，海拔不超过1000m。当周围环境温度高于40℃但不高于60℃时，周围环境温度每增高1℃，额定电流减少1.8％。当周围环境温度低于40℃时，周围环境温度每降低1℃，额定电流增加0.5％，但最大不超过20%。我国的高压断路器额定电流值为200、400、630、1000、1250、1600、2000、2500、3150、4000、5000、63000、8000、10000、12500、16000、20000A等。3．额定开断电流表征断路器开断性能的参数。在额定电压下，断路器能保证可靠开断的最大短路电流，称为额定开断电流。其数值用断路器触头分离瞬间短路电流周期分量的有效值表示，单位kA。4．动稳定电流表征断路器通过短路电流能力的参数。反映断路器承受短路电流电动力效应的能力。短路电流值为最大峰值，称为动稳定电流，又称为极限通过电流。5．关合电流关合电流是表征断路器关合电流的能力的参数。断路器在接通电路时有可能会出现短路故障。此时需要关合很大的短路电流。可能会使触头熔焊，使断路器造成损伤。断路器能够可靠关合的电流最大峰值称为额定关合电流，与动稳定电流在数值上相等，二者都为冲击电流。即为额定开断电流的2.55倍。6．热稳定电流和热稳定电流的持续时间热稳定电流也是表征断路器通过短路电流能力的参数。反映断路器承受短路电流热效应的能力。热稳定电流是指断路器处于合闸状态下，在一定的持续时间内，所允许通过电流的最大周期分量有效值。此时断路器不应因电流短时发热而损坏。热稳定电流等于开断电流。7．合闸时间与分闸时间表征断路器操作性能的参数。各种型号断路器的分、合闸时间不同，但要求迅速。

（1）合闸时间：从断路器操动机构合闸线圈接通到主触头接通这段时间。

（2）分闸时间：

（1）固有分闸时间：操动机构分闸线圈接通到触头分离这段时间。

（2）熄（燃）弧时间：从触头分离到各相电弧熄灭这段时间。也称全分闸时间。8．断路器的机械和电气寿命

断路器多次分合可造成触头及操动机构等可动部分的机械磨损，我国标准规定，在常温下连续进行2000次操作，试验中不允许进行任何机械调整及修理，但允许按照制造厂的规定进行润滑。对用于频繁操作的场所或有特殊要求的断路器，其试验次数程序由有关专业标准或用户同制造厂协商确定。当断路器分合大电流时，由于产生电弧，热能会使触头及喷口烧损，将使开断性能大大降低，这就有了断路器的电气使用寿命，也称电寿命的问题。关于电气的使用寿命，在标准上规定只要满足一次标准循环即可。对于较重要的断路器，每次开断短路之后都进行停电检修是不太合适。因此，用户迫切希望具有一次动作循环以上的耐用性能。目前断路器电寿命试验主要依据用户技术条件要求进行。如：对于12kV、31.5kA级少油断路器一般做额定短路开断3次，这主要考虑油的劣化因而需检修换油。同一等级真空断路器开断额定短路电流50次。而我国对220kVSF6断路器电寿命约做20次额定短路电流的开断。对于开断频度不很高的场合，基本上可以满足10年以上不检修。4.2.2真空断路器户内真空断路器户外真空断路器真空灭弧室二、真空断路器灭弧室结构和工作原理真空断路器灭弧室结构图真空断路器极住剖视图三、真空断路器的类型悬臂式真空断路器落地式真空断路器4.2.3六氟化硫断路器一、SF6气体性能1．物理化学性质：①SF6分子以硫原子为中心、六个氟原子对称地分布在周围形成的呈八面体结构。氟原子有很强的吸附外界电子的能力，SF6分子捕捉电子后成为低活动性的负离子，对去游离有利；另外，SF6分子较大，使得电子的自由行程减小，从而减少碰撞游离的发生。②SF6为无色、无味、无毒、不可燃、不助燃的非金属化合物；在常温常压下，密度为空气的5倍；常温下压力不超过2MPa时仍为气态。热传导能力比空气好。③SF6的化学性质非常稳定。在干燥情况下，温度低于110℃时，与铜、铝、钢等材料都不发生作用；温度高压150℃时，与钢、硅钢开始缓慢作用；温度高于200℃时，与铜、铝才发生轻微作用；温度达500～600℃时，与银也不发生作用。④SF6的稳定性极好，但在有金属存在的情况下，热稳定性大为降低。2．绝缘和灭弧性能①绝缘性能：SF6气体的绝缘性能稳定，不会老化变质。当气压增大时，其绝缘能力也随之提高。在0.1MPa下，绝缘能力超过空气的2倍；在0.3MPa时，其绝缘能力和变压器油相当。②灭弧性能：SF6在电弧的作用下分解成低氟化物，但需要的分解能却比空气高得多，因此，SF6分子在分解时吸收的能量多，对弧柱的冷却作用强。当电弧电流流过零时，低氟化物则急速再结合成SF6

，故弧隙介质强度恢复过程极快。故SF6气体的灭弧能力相当于同等条件下空气得100倍。二、SF6断路器灭弧室工作原理分闸状态灭弧室特写

合闸状态灭弧室特写“Y”布置“T”布置“I”布置三、SF6断路器的类型落地罐式4.2.4断路器的操动机构

一、操动机构的用途和类型断路器的操动机构是用来使断路器分闸、合闸并将断路器保持在合闸位置的设备。在断路器本体以外的机械操动装置称为操动机构。1．操动机构的基本要求：（1）应具有足够的操作功率在电网正常工作时，用操动机构使断路器关合，这时电路中流过的是工作电流，关合是比较容易的。但在电网事故情况下，如断路器关合到有预伏性短路故障时，情况要严重得多。因为断路器关合时，电路中出现的短路电流可到达几万安以上。断路器导电回路受到的电动力可达几千牛以上，另一方面，电动力又常常是阻碍断路器关合的，因此在关合有预伏性短路故障的电路时，由于电动力过大，断路器有可能出现触头不能关合，从而引起触头严重烧伤，油断路器出现严重喷油甚至爆炸等严重事故。因此，断路器应具有关合故障电路的能力。（2）要求动作迅速通常要求快速断路器的全分闸时间不大于0.08S，近代高压和超高压断路器甚至要求为0.02～0.04S，在断路器全分闸时间中，固有分闸时间约占一半以上，它与操动机构结构有关。（3）要求操动机构工作可靠，结构简单，体积小，重量轻，操作方便等。2．操动机构的类型操动机构依据能量形式的不同可分为：①手动操动机构（CS）：②电磁操动机构（CD）：③电动机操动机构（CJ）：④弹簧操动机构（CT）：⑤气动操动机构（CQ）⑥液压操动机构（CY）①手动操动机构（CS）优点：（1）结构简单、价廉；（2）不需要合闸能源。缺点：（1）不能遥控和自动合闸；（2）合闸能力小；（3）就地操作、不安全。应用：用于12kV以下，开断电流小的断路器。②电磁操动机构（CD）优点：（1）结构简单、加工容易；（2）运行经验多。缺点：（1）需要大功率的直流电源；（2）耗费材料多。应用：过去126kV及以下的油断路器大部分采用电磁操动机构，但不是发展方向。③电动机操动机构（CJ）优点：可用交流电源。缺点：要求电源的容量较大（但小于电磁操动机构）应用：只用于容量较小的断路器，国内很少生产。④弹簧操动机构（CT）：优点：（1）要求电源的容量小；（2）交、直电源都可用；（3）暂时失去电源时仍能操作一次。缺点：（1）结构较复杂；（2）零部件的加工精度要求高。应用：（1）用于中、小型断路器，是发展方向。弹簧操动机构动画弹簧储能⑤气动操动机构（CQ）优点：（1）不需要直流电源；（2）暂时失去电源时仍能操作多次。缺点：（1）需要空压设备；（2）对大功率的操动机构，结构比较笨重。⑥液压操动机构（CY）

优点：（1）不需要直流电源；（2）暂时失去电源时仍能操作多次；（3）功率大、动作快、操作平稳。缺点：（1）加工精度要求高；（2）价格较贵。应用：适用于126kV及以上的高压断路器，是发展方向。液压操动机构原理图3.三柱式隔离开关断开状态闭合状态4.3隔离开关一、隔离开关的主要作用及特点1．隔离电源：隔离开关断开点明显可见，隔离开关的动触头和静触头断开后，两者之间的距离应大于被击穿时所需的距离，以保证安全。2．倒闸操作：运行、备用、检修时用来配合断路器协同完成倒闸操作。如倒母线操作。3．分、合小电流：隔离开关没有灭弧装置，因此仅能用来分、合只有电压没有负荷电流的电路。否则在隔离开关的触头间形成强大电弧，危及设备和人身安全，造成重大事故。一般只能在断路器已将电路断开的情况下，才能接通断开。但隔离开关也具有一定的分、合小电流的能力。如：能用来分、合电压互感器、避雷器或分、合变压器的接地中性点；分、合励磁电流不超过2A的空载变压器；关合电容电流不超过5A的空载线路等。4．自动快速隔离：在一定条件下能迅速隔离开已发生故障的设备和线路，达到节省断路器用量的目的。二、分类1.按装置地点分：户外式户内式2.按产品组装级数分：三极式单极式3.按有无接地闸刀可分为：带接地闸刀不带接地闸刀4.按每极支撑绝缘子数目分为：双柱式单柱式三柱式5．按用途分：

一般用快速分闸用变压器中性点接地用三、型号T－统一设计，G－改进型，D－带接地开关，K－快速分闸型，E－带支持导电杆，W－防污型，TH－湿热带型，TA－干热带型，Z－强震地区。四、户内隔离开关断开状态闭合状态五、户外隔离开关1.单柱式隔离开关断开状态闭合状态2.双柱式隔离开关（GW4系列）断开状态闭合状态闭合状态断开状态2.双柱式隔离开关（GW5系列）六、隔离开关的操动机构1．手力式操动机构特点：结构简单，价格便宜，使用比较广泛。2．动力式操动机构特点：需要对隔离开关进行远方操作时才用。4.4熔断器一、熔断器1．用途

熔断器是最简单和最早使用的一种保护电器，用来保护电路中的电气设备使其免受过载和短路电流的危害。熔断器不能用来正常地切断和接通电路，必须与其他电器（隔离开关、接触器、负荷开关等）配合使用。广泛用于1000V及以下的装置中；在电压为3～35kV高压装置中，主要作为小功率电力线路、配电变压器、电力电容器、电压互感器等设备的保护。2．熔体的材料及其特性

要求熔体得材料熔点低、导电性能好、不易氧化和易于加工。一般有