第二章-高压开关电器

第二章高压开关电器2.1电弧的基本知识2.2高压断路器2.3隔离开关2.4负荷开关2.5高压熔断器2.6重合器2.7分段器2.1电弧的基本知识电弧：是一种能量集中、温度很高、亮度很大的一种气体的游离放电现象.电弧温度很高，产生光和热，发出强烈的白光。它质量轻，迅速移动、伸长、弯曲和变形，运动速度可达每秒几百米，他使气体有绝缘状态变为导电状态。用开关电器开断电源电压大于10~20V，电流大于80~100mA的电路时，就会发生电弧。2.1.1电弧的主要危害1.电弧的高温，可能烧坏电器触头和触头周围的其他部件；对充油设备还可能引起着火甚至爆炸等危险。2.在开关电器中，触头间只要有电弧的存在，电路就没有断开，电流仍然存在，电弧的存在延长了开关电器断开故障电路的时间，加重了电力系统短路故障的危害。3.容易造成飞弧短路、伤人或引起事故扩大。要求尽快地灭弧，否则会烧坏开关触头，误拉隔离开关会造成相间短路和人身伤亡。2.1.2电弧的产生游离:使电子从围绕原子核运动的轨道中解脱出来，成为自由电子。电弧中自由电子的来源（1）热电子发射（2）强电场发射（3）电场游离（4）热游离结论：在断路器触头间隙中，由热电子发射和强电场发射产生电子，由电场游离产生电弧，由热游离维持电弧燃烧。1.气体介质的温度

2.气体介质的压力

3.触头之间的外加电压

4.触头之间的开断距离5.触头之间的介质种类

6.开关电器的触头材料

影响游离作用的物理因素2.1.3电弧的熄灭电弧的熄灭是电弧区域内已电离的质点不断发生去游离的结果。（1）复合：异号带电质点的电荷发生中和。（2）扩散：自由电子和正离子从电弧区逸出，到达电弧区以外。影响去游离的物理因素（1）介质的特性（2）电弧的温度（3）气体介质压力（4）游离质点的密度（5）触头材料2.1.3交流电弧的特性和熄灭条件

一）交流电弧的特性(1)电弧电流数值随时间变动，电弧的功率也跟随电弧电流变动。(2)电弧有热惯性。(3)交流电流每隔半个周期要经过零值一次，称为“自然过零”，过零后可能重燃。(4)触头间存在弧隙介质强度恢复和弧隙电压恢复两个过程。二）弧隙介质强度恢复过程近阴极效应：电弧电流过零后，电极极性改变时，弧隙中剩余带电质点的运动方向随之改变。电极极性改变的瞬间，质量较轻的自由电子因带负电荷迅速转向新的正极；而此时质量比电子大得多的正离子虽然因带正电运动方向也要改变，但由于惯性较大，来不及改变运动方向，还停留在原处未动。这就使新阴极附近被正的空间电荷充满，缺少导电的自由电子，这样就使阴极附近出现了介质强度。在极短时间内(约O.1～1.0μs)，弧隙介质强度将达到150～250V。影响介质强度恢复速度的因素

（1）弧隙温度（2）弧隙介质的特性（3）灭弧介质的压力（4）断路器跳闸时，触头的分断速度三）弧隙电压恢复过程弧隙恢复电压的变化规律分两种情况（1）弧隙恢复电压按指数规律变化;（2）弧隙恢复电压呈现周期性振荡的变化规律。电击穿如果恢复电压增大很快，超过介质强度增加速度，而且恢复电压数值大于介质强度，就要发生再击穿，使电弧重燃。重燃熄灭电击穿的特点（1）周期性振荡的恢复电压最大值，较指数规律的恢复电压最大值大得多。所以周期性振荡的恢复电压更容易发生再现象。（2）振荡型恢复电压的上升速率，比指数规律恢复电压的上升速率大得多，振荡频率越大，恢复电压的上升速率也越大。因此，振荡型恢复电压可能很快超过弧隙介质强度，造成电弧重新燃烧。（3）在触头间并联低值电阻（几欧至几十欧），可以改变弧隙电压恢复过程的上升速度和幅值，将周期性振荡恢复电压转变为非周期性恢复电压，改善断路器的灭弧条件。热击穿热击穿：电弧电流过零后短时间内，若弧隙温度仍然保持在3000K～4000K以上，使残余电流比较大，电源输入弧隙的能量大于弧隙散发到外界的热量，那么，弧隙导电性将越来越强，最终导致电弧重燃。四）交流电弧的熄灭条件在交流电流过零，电弧自然熄灭后，若加强弧隙的冷却，不发生热击穿；同时加强去游离作用，使弧隙的介质强度恢复数值始终大于加在弧隙两端的恢复电压，弧隙不会发生电击穿，则电弧不会重燃。故交流电弧熄灭的条件为：Ud(t)>Ur(t)

四.熄灭交流电弧的常用方法吹弧，降低弧隙温度多断口灭弧，长电弧截成多段串联的短电弧提高分闸速度，迅速拉长电弧耐高温金属材料做触头优质灭弧介质，油，压缩空气，SF6气体，真空等短弧灭弧原理，灭弧栅窄缝灭弧，用灭弧罩吸收电弧温度2.2高压断路器2.2.1高压断路器的定义额定电压为3kV及以上，能够关合、承载和开断运行状态的正常电流，并能在规定时间内关合、承载和开断规定的异常电流（如短路电流、过负荷电流）的开关电器称为高压断路器。2.2.2断路器的作用和功能1、高压断路器具有两方面的作用：（1）控制作用（2）保护作用2、高压断路器具有以下功能（1）导电（2）绝缘（3）开断（4）关合

根据电网运行要求，将一部分电气设备及线路投入或退出运行，转为备用或检修状态

在电气设备或线路发生故障时，通过继电保护装置及自动装置使断路器动作，将故障部分从电网中迅速切除，防止事故扩大，保证电网的无故障部分得以正常运行

在正常的闭合状态时应为良好的导体，不仅对正常的电流，而且对规定的短路电流也应能承受其发热和电动力的作用，保持可靠地接通状态

相与相之间、相对地之间及断口之间具有良好的绝缘性能，能长期耐受最高工作电压，短时耐受大气过电压及操作过电压

在闭合状态的任何时刻，应能在不发生危险过电压的条件下，在尽可能短的时间内安全地开断规定的短路电流

在开断状态的任何时刻，应能在断路器触头不发生熔焊的条件下，在短时间内安全地闭合规定的短路电流2.2.3高压断路器的结构

高压断路器具有的基本结构:（1）通断元件（2）操动机构（3）传动机构（4）绝缘支撑元件（5）基座通断元件基座绝缘支撑元件中间传动机构操动机构

执行接通或断开电路的任务。其核心部分是触头，而是否具有灭弧装置或灭弧能力的大小则决定了开关的开断能力

向通断元件提供分、合闸操作的能量，实现各种规定的顺序操作，并维持开关的合闸状态把操动机构提供操作能量及发出的操作命令传递给通断元件支撑固定通断元件，并实现与各结构部分之间的绝缘作用

用于支撑、固定和安装开关电器的各结构部分，使之成为一个整体2.2.4高压断路器的类型

高压断路器按灭弧介质的不同分类（1）油断路器（2）压缩空气断路器（3）真空断路器（4）六氟化硫（SF6）断路器采用绝缘油作为灭弧介质的断路器。

采用压缩空气作为灭弧介质及操作机构能源的断路器。

在真空中开断电流，利用真空的高绝缘强度来实现灭弧的断路器。

采用具有优良灭弧性能的SF6气体作为灭弧介质的断路器。瓷柱式SF6断路器罐式SF6断路器真空断路器2.2.5高压断路器的技术参数（1）额定电压（kV）（2）最高工作电压（kV）（3）额定电流（A）（4）额定短路开断电流（kA）（5）额定关合电流（kA）（6）额定热稳定电流（kA）（7）额定动稳定电流（kA）（8）合闸时间（s）保证断路器长时间正常运行能承受的工作电压（线电压）

我国采用的额定电压等级：3、6、10、35、60、110、220、330、500、750、1000kV等

通常规定，220kV及以下设备，其最高工作电压为额定电压的1.15倍；对于330kV及以上的设备规定为额定电压的1.1倍

我国采用的最高电压有：3.6、7.2、12、40.5、73.5、126、252、363、550、800、1200kV等

断路器在规定的基准环境温度下允许长期通过的最大工作电流有效值

我国采用的额定电流有：200、400、630、1000、1250、1600、2000、2500、3150、4000、5000、6300、8000、10000、12500、16000、20000A等在额定电压下，断路器能可靠开断的最大短路电流有效值

当电压不等于额定电压时，断路器能可靠开断的最大电流，称为该电压下的开断电流

在电压低于额定电压时，开断电流可以比额定开断电流大，称其最大值为极限开断电流

我国规定的高压断路器的额定开断电流为：1.6、3.15、6.3、8、10、13.5、16、20、25、31.5、40、50、63、80、100kA等

在额定电压下，断路器能可靠地闭合的最大短路电流峰值。额定关合电流反映断路器关合短路故障的能力，主要决定于断路器灭弧装置的性能、触头构造及操动机构的型式。

断路器在规定时间（通常为4s）内允许通过的最大短路电流有效值。

额定热稳定电流表明断路器承受短路电流热效应的能力，其值等于额定短路开断电流

断路器在闭合状态下，允许通过的最大短路电流峰值，又称极限通过电流

额定动稳定电流表明断路器在冲击短路电流的作用下，承受电动力效应的能力，它决定于导体和绝缘等部件的机械强度

额定动稳定电流大小等于额定关合电流，且等于额定短时耐受电流的3.55倍

断路器从接到合闸命令（合闸回路通电）起到断路器触头刚接触时所经过的时间间隔，称为合闸时间（9）分闸时间（s）分闸时间是反映断路器开断过程快慢的参数1）固有分闸时间t12）灭弧时间t23）全分闸时间tt

指断路器接到分闸命令起到灭弧触头刚分离时所经过的时间

触头分离到各相电弧完全熄灭所经过的时间

断路器从接到分闸命令起到断路器触头开断至三相电弧完全熄灭时所经过的时间间隔。它等于断路器固有分闸时间与灭弧时间之和

一般为0.06～0.12S。分闸时间小于0.06S的断路器，称为快速断路器2.2.5高压断路器的技术参数2.2.5高压断路器的技术参数（10）额定操作顺序根据实际运行需要制定的对断路器的断流能力进行考核的一组标准的规定操作操作顺序分为两类：

1）无自动重合闸断路器的额定操作顺序分为两类：一种是发生永久性故障断路器跳闸后两次强送电的情况，即“分－180s－合分－180s－合分”另一种是断路器合闸在永久故障线路上跳闸后强送电一次，即“合分－15s－合分”

2）能进行自动重合闸断路器的额定操作顺序为“分－0.3s－合分－180s－合分”2.2.6高压断路器的符号含义1234567产品名称；S—少油断路器，D—多油断路器，L—六氟化硫（SF6）断路器，Z—真空断路器，K—压缩空气断路器，Q—自产气断路器，C—磁吹断路器安装地点；N－户内型，W－户外型设计序号额定电压（或最高工作电压）（kV）补充特性：C－手车式，G－改进型，W－防污型，Q－防震型额定电流（A）额定开断电流（kA）

例如：ZN28－12/1250－25，表示户内式真空断路器，设计序号为28，最高工作电压12kV，额定电流我1250A，额定开断电流为25kA。2.3隔离开关隔离开关又名隔离刀闸，是高压电气装置中保证工作安全的开关电器。高压隔离开关在分闸状态有明显的间隙，并具有可靠的绝缘，在合闸状态能可靠的通过正常工作电流和短路电流。它没有专门的灭弧装置，不能用来开断负荷电流和短路电流，隔离开关通常与断路器配合使用。2.3.1隔离开关的作用隔离电源：电气设备检修时，用隔离开关将需要检修的电气设备与带电的电源隔离，形成明显可见的断开点，以保证检修人员和设备的安全。倒换线路或母线：用隔离开关将电气设备或线路从一组母线切换到另一组母线上。关合与开断小电流电路：关合和开断电压互感器、避雷器电路；电容电流；空载电力线路；空载变压器等。12kV的隔离开关，容许关合和开断5km以下的空载架空线路；40.5kV的隔离开关，容许关合和开断10km以下空载架空线路和1000kVA以下的空载变压器；126kV的隔离开关，容许关合和开断320kVA以下的空载变压器。2.3.2隔离开关的型号123456产品名称：G—隔离开关安装地点；N－户内型，W－户外型设计序号额定电压（kV）补充特性：C－瓷套管出线，D－带接地刀闸；K－快分型，G－改进型，T－统一设计额定电流（A）例如：GN19－10/630，表示户内隔离开关，设计序号19，额定电压10kV，额定电流630A。高压隔离开关的型号主要由以下六个单元组成：2.3.3隔离开关的结构导电部分：绝缘部分：操动机构：传动机构：支持底座：包括触头、闸刀、接线座。主要起传导电路中的电流，关合和开断电路的作用。包括支持绝缘子和操作绝缘子。实现带电部分和接地部分的绝缘。通过手动、电动、气动、液压向隔离开关的动作提供能源。由拐臂、联杆、轴齿或操作绝缘子组成。接受操动机构的力矩，将运动传动给触头，以完成隔离开关的分、合闸动作。将导电部分、绝缘子、传动机构、操动机构等固定为一体，并使其固定在基础上。导电部分支持底座绝缘部分传动机构操动机构2.3.4隔离开关的分类按装设地点可分为户内式和户外式；按极数可分为单极和三极；按绝缘支柱数目可分为单柱式、双柱式和三柱式；按动作方式可分为闸刀式、旋转式、插入式；按有无接地刀闸可分为带接地刀闸和不带接地刀闸；按操动机构可分为手动式、电动式、液压式；按用途可分为一般用、快分用和中性点接地用。GN19－10系列插入式户内高压隔离开关静触头拉杆绝缘子支柱绝缘子动触头转轴基座GN22－12隔离开关GN2－35隔离开关GN27－40隔离开关GW4-252III完善化改进型隔离开关GW4-126,145III完善化改进型隔离开关GW4-40.5高压隔离开关

开关由底座、棒式支柱绝缘子、导电闸刀、左右触头和传动部分等组成，也称为V型隔离开关。根据需要该隔离开关可配装接地闸刀，广泛用于35～110kV电压等级中。底座棒式绝缘支柱导电闸刀接线端子支承座接地刀闸GW5－110D隔离开关2.3.5操作注意事项(1)操作前检查断路器的分、合位置，严防带负荷操作隔离开关；

(2)手动合迅速果断，不能用力过猛；

(3)迅速拉开隔离开关，以便尽快灭弧；

(4)带负荷误合隔离开关后，不准将隔离开关再拉开；若发生错拉隔离开关，刀片刚离开固定触头时，应立即合上。如隔离开关刀片已离开固定触头，则不得将误拉的隔离开关再合上。

(5)合闸操作后，应检查接触是否紧密；拉闸操作后，应检查每相是否均已在断开位置；

(6)操作完毕后，锁住操作把手。2.4负荷开关负荷开关是一种带有简单灭弧装置，能开断和关合额定负荷电流的开关。它有一定的灭弧能力，可用来开断和关合负荷电流和小于一定倍数（通常为3～4倍）的过载电流；也可以用来开断和关合比隔离开关允许容量更大的空载变压器，更长的空载线路，有时也用来开断和关合大容量的电容器组。负荷开关不能开断短路电流。它与限流熔断器串联组合（负荷开关－熔断器组合电器）可以代替断路器使用，即由负荷开关承担开断和关合小于一定倍数的过载电流，而由限流熔断器承担开断较大的过载电流和短路电流。目前，国内外的环网供电单元和预装式变电站，广泛使用负荷开关＋熔断器的结构型式。负荷开关的类型负荷开关按其灭弧方式可分为油负荷开关、磁吹负荷开关、压气式负荷开关、产气式负荷开关、六氟化硫负荷开关和真空负荷开关。管式灭弧室压气式负荷开关结构：隔离开关、熔断器绝缘部分：灭弧功能，支持绝缘子，装设有由操动机构主轴传动的活塞，上部装有绝缘喷嘴和弧静触头。当负荷开关分闸时，在闸刀一端的弧动触头与绝缘子上的弧静触头之间产生电弧，由于分闸时主轴转动而带动活塞，压缩气缸内空气而从喷嘴喷出，对电弧形成纵吹，使之迅速熄灭。1－框架；2－上绝缘子；3－下绝缘子；4－闸刀；5－下触座；6－灭弧动触头；7－工作静触头；8－绝缘拉杆；9－拐臂；10－接地螺栓；11－小拐臂；12－绝缘拉杆；13－熔断器直动式结构的负荷开关

特点：载流和灭弧分开，压缩空气由操动机构提供压缩功，导电杆上下直动而压气熄弧。

基本结构：导电部分、绝缘部分和操动机构部分。其下半部分是熔断器，而上半部是负荷开关本身。1—框架；2—绝缘支持件；3—导电装置；4—熔断器；5—自动脱扣机构；6—接地开关；7—拐臂；8—合闸弹簧；9—操动机构；10—分闸弹簧真空负荷开关

为了减小负荷开关的高度，真空灭弧室2固定在隔离刀1上。主轴4可操动隔离操作轴3和真空灭弧室操作轴5。合闸时，轴3带动隔离刀先合，真空灭弧室在过中弹簧的作用下后合；分闸时，真空灭弧室在过中弹簧的作用下快速分闸后，隔离刀接着分开。1－隔离刀；2－真空灭弧室；3－隔离操作轴；4－机构主轴5－真空灭弧室操作轴2.5高压熔断器当流过熔断器熔体或熔丝的电流超过一定数值时，熔体自身产生的热量就能自动地将熔体熔断，从而达到开断电路、保护电气设备的目的。熔断过程可分为三个阶段：1）从熔体被电流加热到熔断所需的时间t1；2）熔体熔断到产生电弧所需的时间t2；3）从电弧产生到电弧熄灭所需的时间t3。熔断器的分类1.限流式熔断器是指熔体在短路电流未达到最大值（冲击电流值）之前，就立即熔断使电流减小到零，因而这种熔断器可以大大减轻电气设备在短路时所受的损害。2.非限流熔断器在溶体熔化后，电流几乎不减小，仍继续达到其最大值，在电流第一次过零或经过几个半周期之后电弧才熄灭。熔断器的结构带灭弧罩的10kV跌落式熔断器主要由绝缘子、静触头、灭弧罩、动触头、熔管、熔体、下动触头、下静触头及固定板等组成。熔体安装在熔管内，下端引线与下动触头相连，上端引线使熔管和上动触头上的活动关节锁紧。2.6重合器重合器是一种智能化设备，它可自动检测通过重合器主回路的电流，当确定是故障电流后，持续一定时间按反时限保护自动断开故障电流，并可根据要求进行多次自动重合，使线路恢复送电。如果故障是瞬时性的，重合器重合后线路恢复正常供电；如果故障是永久性故障，重合器按预先整定的重合闸次数(通常为三次)进行重合，确认线路故障为永久性故障，则自动闭锁，不再对故障线路送电，直至人为排除故障后，重新将重合器合闸闭锁解除，恢复正常状态(当与分段器配合时，由分段器隔离故障)。重合器的组成重合器由两部分组成，即灭弧部分与控制部分。灭弧部分的功能是开断故障电流。控制部分功能包括：选定或调整最小跳闸电流；选定和调整动作特性；记忆重合次数。重合器的分类按相数分为单相与三相；按灭弧介质可分为油重合器、真空重合器及SF6重合器；

按控制方式不同，可分为液压控制式和电子控制式。

按结构分为分布式结构和整体式结构。户外真空重合器户内真空重合器2.7分段器分段器是配电系统中用来隔离故障线路区段的自动保护装置，通常与自动重合器或断路器配合使用。分段器不能开断故障电流。当分段线路发生故障时，分段器的后备保护重合器或断路器动作，分段器的计数功能开始累计断路器或重合器的跳闸次数。当分段器达到预定的记录次数后，在后备装置跳开的瞬间自动跳闸分断故障线路段。断路器或重合器再次重合，恢复其它线路供电。若断路器或重合器跳闸次数未达到分段器预定的记录次数已消除了故障，分段器的累计计数在经过一段时间后自动消失，恢复初始状态。分段器的分类按相数分为单相、三相分段器；按灭弧介质分为油、空气、六氟化硫分段器；按控制方式分为液压控制、电子控制式分段器；按动作原理分为跌落式、重合式分段器等。跌落式分段器FDKl0-12/D--10自动跌落式分段器分段器装有检测回路电流值的电流互感器，当线