2023年高压开关设备技术培训教材

高压开关设备技术培训教材

目录

第一章、高压断路器基础知识................................................4

第一节、高压断路器的基本功能...........................................4

第二节、高压断路器的分类和发展状况.....................................5

第三节、开关电弧理论和绝缘介质特性.....................................6

第四节、高压断路器的性能参数...........................................8

第二章、高压SF6断路器....................................................11

第一节、SF6高压断路器的特点和发展历程.................................11

第二节、SF6高压断路器的灭弧原理及结构.................................14

第三节、高压断路器的操动结构...........................................18

第三章、高压组合电器......................................................22

第一节、SF6封闭组合电器(GIS)的发展方向和技术问题...................22

第二节、SF6封闭组合电器(GIS)的技术特点..............................25

第三节、户外紧凑型组合式开关设备.......................................26

第四章、真空断路器结构特点和技术特点.....................................28

第一节、真空断路器的技术特点............................................28

第二节、真空断路器的整体结构............................................31

第三节、永磁机构真空断路器简介..........................................33

第五章、隔离开关设备......................................................34

第一节、隔离开关设备的功能和型式.........................................35

第二节、技术先进厂家的高压隔离开关设备技术...............................36

第六章、高压开关设备的运行管理..............................................39

第一节、概述...............................................................39

第二节、高压开关设备的验收和投运..........................................39

第三节、高压开关设备的运行维护............................................40

第四节、高压开关设备的操作.................................................45

第五节、缺陷管理...........................................................48

第六节、事故处理及预案.....................................................50

第七节、技术管理...........................................................53

第八节、技术培训...........................................................56

第七章、高压开关设备的检修工作..............................................57

第一节、检修的一般规定.....................................................57

第二节、检修的周期.........................................................58

第三节、检修前的准备工作...................................................60

第四节、检修人员的要求.....................................................61

第五节、检修环境的要求.....................................................61

第六节、检修项目及技术要求.................................................61

第七节、检修报告...........................................................71

第八节、检修废油、废弃等的处理.............................................71

第九节、检修后设备的投运...................................................71

第八章、高压开关设备技术监督................................................73

第一节、高压开关设备的设计选型............................................73

第二节、高压开关设备的监造................................................73

第三节、高压开关设备的安装及投产验收......................................75

第四节、高压开关设备运行监督..............................................76

第五节、高压开关设备检修监督..............................................77

第六节、高压开关设备技术改造监督..........................................78

第七节、高压开关设备缺陷监督...............................................78

第八节、高压开关设备技术监督分析评估......................................79

第九节、高压开关设备监督告警...............................................80

第十节、高压开关设备技术档案监督..........................................81

第九章、高压开关设备预防事故措施............................................81

第一节、管理措施...........................................................81

第二节、运行措施...........................................................81

第三节、技术措施...........................................................82

第十章、高压开关设备交接、预防性试验........................................89

第一节、高压开关设备交接、预防性试验.......................................89

第二节、高压开关设备交接、预防性试验规程..................................102

第一章高压断路器基础知识

第一节、高压断路器的基本功能

断路器（circuit-breaker）的定义为：能够关合、承载、开断运行回路的正常

电流，也能在规定时间内关合、承载及开断规定的过载电流（包括短路电流）的

开关设备。一般来讲对地电压高于IkV的断路器为高压断路器。

高压断路器也应该能开断空载长线的充电电流（容性电流）、空载变压器的

励磁电流（感性小电流）等等。通常使用的断路器分合频度不大，不经常承载、

开断和关合短路电流，但有些特殊断路器也用于频繁分合。

总的来说，为实现断路器的作用，要求断路器具备以下最基本的功能：

（1）在关合状态时为良好的导体，在长时间工作时各部位温度和温升低

于最大允许发热温度和允许温升，能够承受短路情况下热的和机械的作用。

（2）在开断状态时，具有良好的绝缘性能。在不同环境条件下，皆能承

受对地同相以及不同相端子间的电压。

（3）在关合状态的任一时刻，在尽可能短的时间内，能够开断额定开断

电流及以下的各种故障电流。

（4）在开断状态的任意时刻，在短时间内能关合处于短路状态下的电路。

在实际的生产运行中，存在着各种类型的开关设备，国家相关标准也对其进

行了定义。

隔离开关（disconnector）：在分位时，触头间有符合规定要求的绝缘距离和

明显的断开标志；在合闸位置时，能承载正常线路条件下的电流及在规定时间内

异常条件（短路）下的电流的开关。

负荷开关（switch,load-breakingswitch）：能关合、开断及承载运行线路正

常电流（包括规定的过载电流），也能在规定的时间内承载规定的异常电流（短

路电流）的开关。

接地开关（earthingswitch）：用于将回路接地的一种机械式开关装置。在异

常条件（短路）下，可在规定时间内承载规定的异常电流。但在正常的回路条件

下，不要求承载电流。

接触器（contactor）：手动操作除外，只有一个休止位置，能关合、承载及开

断正常电流及规定的过载电流的开断和关合装置。

重合器（automaticcircuitrecloser）：能够按照预定的顺序，在导电回路中进

行开断和重合操作，并在其后自动复位、分闸闭锁或合闸闭锁的自具（不需要外

加电源）控制保护功能的开关设备。

金属封闭开关设备：开关柜（metal-enclosdswitchgear）：除进出线外，其余

完全被接地金属外壳封闭的开关设备。

组合电器（composite叩paratus）：将两种或两种以上的高压电器按电力系统

主接线要求组成一个有机的整体而各电器仍保持原规定功能的装置。

气体绝缘金属封闭开关设备；封闭式组合电器（gasinsulatedmetal-enclosed

switchgear,GIS）：至少有一部分采用高于大气压的气体作为绝缘介质的金属封

闭开关设备。

第二节、高压断路器的分类和发展状况

1.断路器的分类

按断路器灭弧原理来划分，有油断路器、压缩空气断路器、SF6断路器、真

空断路器、磁吹断路器。

按照断路器的用途来划分，有发电机保护用断路器、线路用断路器（包括输

电用断路器和配电用断路器）、供电用断路器（一般为6.9kV~40.5kV）、高压直

流断路器（开断直流回路）。

2.断路器的发展状况

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，另一方面由于基础理论，工艺水平，材料技术的不断进步，使得

高压开关设备的技术有了长足的进步。目前，高压开关设备正在向着高压大容量、

自能化、小型化、组合化、智能化的方向发展。

（1）高压大容量断路器。

目前随着特高压输电系统工程的开展，500kV电压等级系统的不断发展，并

且从技术经济性和可靠性角度的要求，都需要发展单元断口、容量大、电压高的

断路器。

（2）断路器灭弧的自能化。

自能式灭弧室最大限度的利用了电弧自身的能量，使灭弧室建立起气吹熄弧

所必需的操作功可降低为压气式的20%o由于自能式的断路器的操作功大大减

小，必将大大提高断路器机械动作的可靠性。

自能式断路器由于熄弧技术先进、操作功小、整体体积小、因而在126~252kV

电压等级应用逐渐增多，大有取代压气式断路器之势。

(3)高压开关设备的小型化。

高压开关设备小型化的目的是为了减少占地空间、进一步与环境相协调和易

于组合化。小型化有着重要的社会意义。

(4)高压开关设备的组合化。

高压开关设备的组合化要求主要基于小型化技术，最重要的目的是可以实现

体积小、具有成套性、可靠性高、少维护、易于安装、抗严酷环境等。例如GIS,

GIS几乎囊括了大部分高压电器和保护检测电器，使原来分立的电器功能成为一

个整体概念，可以说目前GIS的设计生产水平成为高压开关设备水平的代表。

(5)高压开关设备的智能化。

目前随着光电互感器、数字化变电站理论的成熟和技术的发展，逐渐提出了

电器智能化的要求，目前集中在断路器智能化上的要求主要有：断路器自身状态

的检测和故障诊断；对电网故障的诊断和信息远传技术；自动重合闸的智能控制；

同步操作技术等。

(6)高压开关设备的高可靠性。

高压开关设备的可靠性主要体现在两方面，一方面为电气可靠性，另一方面

则是机械可靠性。就目前的技术条件来说，电气可靠性已经大大提高，困扰高压

电器整体水平的是机械可靠性问题。因为机械可靠性是和设计制造水平，材料技

术息息相关的。提高机械可靠性是高压电器发展的主要努力方向。

第三节、开关电弧理论与绝缘介质特性

(一)电弧相关知识

开关设备使用触头分断回路中的电流，在大气环境中开断电流，只要电压超

过12~20V,被开断的电流超过O.25~1A,在触头的间隙(弧隙)中通常产生一

团温度极高、发出强光和能够导电的近似圆柱形的气体，这就是电弧。

电弧是由三个部分构成的，阴极区域、弧柱区域和阳极区域。电弧的阴极区

域对电弧的发生和物理过程具有重要的意义，形成电弧放电的大部分电子是在阴

极区产生或由阴极本身发射的。电弧放电时，实际上并不是整个阴极全部参加放

电过程，阴极表面的放电只集中在一个很小的区域上。这个小区域称为阴极斑点，

它是一个非常集中，面积很小的光亮区域，其电流密度很大，是电弧放电中强大

电子流的来源。同样阳极表面也存在阳极斑点，它接受从弧柱中过来的电子。弧

柱是由高温、游离了的气体形成的充满了带电粒子的等离子体。

（二）SF6气体的基本特性

近年来，SF6气体作为断路器的灭弧介质得到了迅速的发展。SF6气体本来

是作为具有空气数倍的绝缘强度的绝缘气体为人们所熟悉。它的灭弧能力非常

强，由导电电弧向绝缘体的变化速度非常快。因此在高压断路器中SF6气体既

作为灭弧介质，也作为绝缘介质。

纯净的SF6气体是无色、无味、无毒和不可燃的卤素化合物气体。纯净的

SF6气体是稳定和无毒的介质，但是高温分解出来的低氟化物却具有剧毒。尽管

在温度降低后大部分低氟化物也会复合，但是总会残留一些，因此在生产检修中

要格外注意。

在20℃和O.IMPa时，其相对密度为6.135,即为空气相对密度的5倍。在

O.IMPa气压时，沸点为-60C。至150C为止，SF6为化学惰性，和高压断路器

中常用的金属等其他材料不发生化学作用。然而，在大功率电弧引起的高温下，

它能分解和游离成各种不同的成分，主要为SF4和SF2,以及少量的S2、F2、S、

F等，在有湿气的时候对玻璃和金属有腐蚀作用。并且这些成分和蒸发的金属结

合成一种极细的金属氟化物粉末，其电阻很高影响断路器的电气性能。因此断路

器的触头表面必须有自洁功能，以除去在接触面上散布的这种金属氟化物。

（三）真空灭弧的基本特性

在真空中熄灭电弧的研究很早就开始了。而真空灭弧室到20年代实际50年

代才被迅速应用，并且在电力系统中进行应用。

在真空中开断电流有很多优点：①开断时不需要外加气体或者液体灭弧介质，

真空是不可燃的，也不会放出火焰或者气体，无火灾或爆炸的危险；②触头的电

气寿命长；③有较大的开断能力，开断近区故障时不需要并联电容器或电阻；④

真空中介质强度高，触头开距很小，需要的操作功也小。

真空中灭弧过程会出现一种特有的现象。对于工频电流的电弧，在电弧电流

接近自燃零点时，由于金属蒸汽不足和电源电压不够高而会突然熄灭。熄灭后的

真空间隙最终可以承受很高的电压。从熄弧前的几十伏电弧电压到能承受近

lOOkV的电压（12mm真空间隙）需要一个过程，这个过程即为真空燃弧间隙介

质强度恢复过程。在恢复过程中，真空间隙能承受外加电压的能力随时间的变化

规律即为该真空间隙介质强度的恢复特性。熄弧后真空间隙在恢复电压的作用下

有可能被击穿而引起电弧的重燃。引起重燃的原因有：①燃弧和燃弧后电极放出

过量的气体②阴极表面吸附微小的绝缘物和金属微粒等维持着较强的场致发射

作用而重新形成阴极斑点③恢复电压的电场强度超过500kV/cm以上产生场致击

穿④电流过零后间隙有残余粒子碰撞继续维持较高的游离密度。在恢复初期①②

为重燃的主要原因，后期③④为主要原因。

第四节、高压断路器的性能参数

（一）电流的通过能力

断路器在闭合的状况下导电系统长期通过的电流，或在限定时间内能够安全

通过的一定的负荷电流成为断路器的额定电流。在通过这个一电流时，断路器各

部分的允许温度不能超过国家标准中规定的数值。国家标准中给出的断路器额定

电流值为:200、400、630、1000、1250、1600、2000、2500、3150、4000、5000、

6300、8000>10000、12500>16000、20000（A）。

额定短时耐受电流又称额定热稳定电流，是在规定的短时间T内，断路器闭

合位置所能耐受的电流。在流过这一电流的时间内，断路器的温升应不超过规定

的数值。我国规定的短时间为2s。短时电流的通过能力，主要决定于触头的温

升、熔焊、接触面的劣化和承受电动力的强度。

额定峰值耐受电流即为额定动稳定电流，是指断路器在闭合位置所能耐受的

峰值电流，其值等于额定短路关合电流是其额定短路开断电流交流分量有效值的

2.5倍。在通过这一电流时，断路器应不受损坏而能继续正常工作。

（二）开断性能

开断能力是断路器最重要的性能之一。额定开断电流也即额定短路开断电流,

标志着高压断路器开断短路故障的参数。国家标准规定断路器的额定短路开断电

流是在标准规定的相应的工频及瞬态恢复电压下，能够开断的最大短路电流。有

两个特征值表示：一是交流分量有效值，简称“额定短路电流”，二是直流分量

百分数。标准规定，若直流分量不超过20%,则额定短路开断电流仅以交流分量

有效值表征。

（三）合闸能力和操作性能

1.合闸能力

（1）.额定短时耐受电流（热稳定电流）：

表示热稳定电流通过断路器时，在规定的时间（Is、4s、5s或10s,我国国标

规定为4s）内，温度不超过规定的允许发热温度，且无触头熔焊或妨碍断路器正

常工作的导体退火，变形的现象。热稳定电流一般用多少秒内允许通过的电流有

效值来表示。且一般采用与额定开断电流相等的数值。

（2）.额定峰值耐受电流（动稳定电流或极限通过电流）：

指断路器的触头未分开之前或合闸时，允许通过短路电流的最大值。其值等

于额定短路关合电流，是额定短路开断电流交流分量有效值的2.5倍。短路电流

的最大峰值一般出现在短路电流发生后电流波形的第一个周波内。在通过此电流

后，断路器应不受电动力的破坏且能继续正常工作。极限通过电流决定于断路器

的导电部分和支持绝缘部分的机械强度，以及触头的结构形式。极限通过电流表

示断路器对短路电流电动稳定性。

2.操作性能和动作时间

（1）分闸时间：从开关分闸操作起始瞬间（即接到分闸指令瞬间）起到所有

极的触头都分离瞬间的时间间隔。

（2）燃弧时间：从首先分离极主回路触头刚脱离金属接触起，到各极中的电

弧最终熄灭为止的时间间隔。

（3）合闸时间：处于分闸状态的断路器，从接到合闸指令瞬间起到所有极的

触头都接触瞬间的时间间隔。

（4）分合时间（自动重合时）：重合操作时，从所有极的弧触头都分离瞬间起

到首合极各弧触头都重新接触瞬间的时间间隔。

（5）合分时间（金属短接时间）：合操作中，从首合极各触头都接触瞬间起到

随后的分操作时所有极中弧触头都分离瞬间的时间间隔。

（6）合（分）闸同期性：开关合（分）时各极间及（或）同一极各断口间的

触头接触（分离）瞬间的最大时间间隔。

（7）合闸弹跳时间：指对于真空断路器在合闸过程中，动、静触头在接触瞬

间发生的短暂、多次的合分过程所需的时间。

图1-1-1断路器分闸时间

图1-1-2断路器合闸时间

图1-1-3断路器自动重合闸时间(0—t—CO)

3.机械寿命

由于开关设备属于变电设备中唯一的机械运动为主的设备，因此其机械寿命

的参数显得尤为重要，我国标准规定，在常温下应能正常连续进行3000次操作。

但是由于断路器不仅仅正常操作，在实际情况中，经常需要开断故障电流，

因此对断路器还应有电寿命的要求，一般对220SF6断路器开断额定短路电流次

数的要求为20次。

第二章、高压SF6断路器

第一节、SF6高压断路器的特点和发展历程

SF6高压断路器是采用高绝缘性能的SF6气体作为绝缘和灭弧介质的新型气

吹断路器。断路器可以按结构分为磁柱式(PGCB)和罐式(T.GCB)两种，

按安装位置分为户内和户外两种。

SF6高压断路器的主要优点有：

(1)灭弧能力强，介质强度高，单断口的电压可以做得很高，因此与少油

和空气断路器相比，在同一额定电压等级下，SF6断路器所用的串联单元数较少。

(2)介质恢复速度特别快，因此开断近区故障的性能特别好，通常不加并

联电容即能可靠地切断各种故障而不产生过电压。

(3)由于SF6气体的电弧分解物中不含有碳等影响绝缘能力的物质，在严

格控制水分的情况下分解物又没有腐蚀性，再加上触头在SF6气体中的烧损极轻

微，因此SF6断路器允许开断的次数多，检修周期长。

鉴于SF6断路器的优秀特性，使其受到重视，自20世纪50年代第一台SF6

断路器诞生之后，发展速度很快。最初的断路器和普通的充气式空气断路器的原

理是一样的，高压力区气压为1.5MPa,低压区为0.3MPa。开断时，气流由高压

区向低压区流动从而实现熄弧，故此种开关也称双压式断路器。双压气式断路器

结构复杂而且容量低，经过研究和改进，逐渐利用开断过程中压缩气体的方式，

取消了压缩机，改成单压气式断路器。60年代以后，单压气式断路器进入高速

发展时期，主要改进的方面为气流设计和优化压缩气体容积上。

单压气式断路器按照灭弧结构分成定开距式断路器和变开距式断路器，定开

距能开断较高的电流，而变开距式则有断口电压高的优势。目前，这两种型式的

断路器都有了很大的发展，开断电流从20kV增大到63kV；开断电流从最初的

72kV提高到360kV、420kV及目前最高的550kVo

到了20世纪80年代后期至90年代，人们提出了一种崭新的灭弧原理，即

自能吹弧原理。这种原理利用电弧本身能量熄灭电弧本身，不需要操动机构提供

很大的能量，简化了结构，减少了操动功。

SF6断路器的外形结构可以分为绝缘子支柱式（图2-1）和落地罐式（图2-2）两

大类。

图l-2-1550kV绝缘子支柱式SF6断路器图1-2-2550kV罐式SF6断路器

1均压电容2合闸电阻3灭弧室1套管式电流互感器2灭弧室3套管

4绝缘拉杆5操动机构6支柱瓷套4合闸电阻5吸附剂6操动机构

7连杆箱8接线端子7并联电容器8罐体

K绝缘子支柱式高压SF6断路器的总体结构属积木式结构。这种型式的断

路器的结构特点是安置触头和灭弧室的容器是金属筒或是绝缘筒，且处于高电

位，靠支持绝缘子对地绝缘。这种型式的优点是可以用串联若干个开断元件和加

高对地绝缘的方法组成更高电压等级的断路器。但是由于这样组成的高电压等级

断路器中心高，抗震能力较差。同时由于结构的特点，电流互感器不能装在断路

器本体上，只能单独装在自己的绝缘支柱上，通过空气绝缘的连接线连接到断路

器上。

2、接地金属箱式（或称落地罐式）SF6断路器的结构特点是触头和灭弧室

装于接地的金属箱中，导电回路靠绝缘套管引入，高压带电部分与外壳之间的绝

缘主要靠SF6气体和环氧树脂浇注绝缘子承担。它的主要优点是可以在出线套管

上装设电流互感器，也可以利用出线套管的电容制成电容式分压器，同时还可以

和隔离开关、接地开关、避雷器等组成复合式开关设备。罐式断路器重心低，抗

震能力好，结构稳固。然而罐式断路器制造难度较大，壳体与环氧树脂浇注件都

需要大型成套加工设备，因此比一般的磁柱式断路器贵。

第二节、SF,,断路器灭弧原理及结构

（一）双压气式灭弧室

双压式灭弧室有高压和低压两个气压系统，灭弧时，喷口打开，高压SF6

气体经过喷口吹响低压系统，与电弧发生能量交换使电弧熄灭。图2-3为双压式

灭弧室结构示例。如图所示，当触头闭合，静触头只和动触头周围接触，定弧极

处于静触头一侧的中间部分。通过喷口和吹弧屏罩的作用控制电弧的位置和高压

SF6气体的流动方向。

图1-2-3双压式SF6灭弧室结构示例

1动触头的横担2动触头侧面上孔3绝缘支持棒

4定弧极5静触头的载流触指6灭弧室

7吹弧屏罩8中间触头9绝缘操作棒

动触头为中空的喷口形状，动触头侧面有孔，使热的SF6气体从高压区流向低

压区。

分闸过程中，动触头和静出头分离的瞬间，静触头的定弧极和动触头的内壁

先分离，也就最早产生电弧，这时，通向高压气室的阀已经打开，SF6气体从高

气压区顺着箭头的方向流动，通过喷口和吹弧屏罩的作用，按着一定的方向流动，

最后电话在SF6气吹的作用下熄灭。

双压式实现的必要条件是有一台在密封循环中的气体压缩机，从而提供高压

的SF6气体，这使得双压式SF6断路器的结构复杂，造价昂贵。

（二）单压式SF6断路器

因为压缩机的存在，导致断路器结构复杂，造价很高，所以人们通过研究，

利用开断过程中压缩SF6气体的方式，取消了压缩机，简化了结构，这种结构就

成为单压气式SF6断路器。

单压气式断路器只有一个气压系统，动触头部分带有压气装置，在分闸过程

中，使活塞汽缸相对运动，造成短时间的气压升高，产生吹弧作用，从而熄灭电

弧。

单压气式SF6断路器灭弧室分为变开距式和定开距式两种。

图1-2-4压气式变开距单向吹弧灭弧室工作原理

1静触头2绝缘喷口3动触头4压气缸5活塞

1.变开距

图2-4即为变开距式灭弧室，如图2-5所示，活塞是固定不动的。分闸时，

操动机构通过连杆带动动触头、喷口、压气缸运动，活塞对压气缸内的气体进行

压缩，使气体压力升高，当动触头进一步的动作，喷口打开进入气吹阶段，气体

在压气缸的作用下吹向电弧，产生能量交换使电弧熄灭。这个过程中，要求动静

触头分开到喷口打开有一段距离，称为超行程，因此压气式的SF6断路器分闸时

间要比其他断路器稍长。

更进一步的气吹方式为双向气吹式，这种灭弧结构主气流流过大直径的绝缘

喷口，支气流流过两个空心触头。这种结构限制了绝缘材料进入绝缘喷口，提高

了开断容量，和单向吹弧方式相比，能提高开断电流20%以上。

图1-2-5压气式变开距双向吹弧灭弧室工作原理

a）合闸位置b）开始气吹阶段c）双向吹弧阶段

2.定开距

在定开距灭弧室中（图2-6）,电弧最后被引到两个固定开距的触头上燃烧,

然后通过气吹熄灭。a中所示为合闸位置，当分闸时，操动机构带动动触头和压

气缸运动，在活塞和压气缸之间的SF6气体被压缩，产生高气压。当动触头脱离

左边的带喷口的空心触头后，产生电弧，电弧被吸引到两个喷口之间燃烧，并且

被SF6气体熄灭。

图1-2-6压气式定开距灭弧室的工作原理

a）合闸位置b）灭弧c）分闸位置

1压气缸2动触头3带喷嘴的空心触头4活塞

（三）自能吹弧式SF6断路器

自能式灭弧原理即是最大限度的利用电弧能量，加热膨胀室或者压气室中

SF6气体建立高气压，形成压差，通过高压力SF6气体膨胀，在喷口处形成高速

气流，与电弧发生强烈的能量交换，在电流过零时，熄灭电弧。

由于利用电弧能量，使得不需要操动机构提供很大的操作功，同时气体的气

压是电弧建立的，所以在分闸中不需要很高的分闸速度，也减少了对操作机构做

功的要求。这样做可以减少操动机构的操作功减低为单压式的25%~30%。

目前的SF6高压断路器大多采用混合式灭弧原理，即用膨胀+助吹或者压气

十助吹式，这样做能提高灭弧效能和断路器性能。

图2-7中是自能式SF6断路器开断过程示意图，这种断路器是以电弧本身的

能量为主的热膨胀+助吹SF6断路器。

图1-2-7热膨胀+助吹SF6断路器开断过程

a）合闸位置b）开断短路电流c）开断小电流d）分闸位置

1静弧触头2绝缘喷口3静触头4动弧触头5动主触头

6热膨胀室7主触头8、11阀门9辅助压力室10汽缸

当开断大电流时，触头分开产生电弧，电弧加热周围的气体，被电弧加热的

气体通过气孔进入膨胀室，热气体与膨胀室中原有的冷气体混合，形成高压力低

温气体，当喷口打开时，高压气体吹至喷口，与电弧发生强烈的能量交换，当电

流经过过零点时熄灭电弧。在这个过程中，由于开断电流产生的电弧足以提高膨

胀室的压力，所以整个过程中，膨胀室和辅助压气室之间的上逆止阀是关闭的，

而辅助气室的下逆止阀一直打开，辅助气室不起作用。

当开断小电流时，产生的电弧不足以提供灭弧所需的压力，因此在动触头系

统相对于固定活塞移动时，在辅助气室形成压力。受膨胀室和辅助室内气体压力

的作用，辅助室的阀门动作，当膨胀室内的压力小于辅助室的时候，逆止阀打开,

形成熄灭小电流电弧的助吹，从而增强熄灭小电流电弧的能力。

第三节、高压断路器的操动机构

操动机构是高压断路器的重要组成部分。断路器的操动机构由储能单元、控

制单元和力传递单元组成。

（一）对操动机构的要求

1合闸

当断路器关合工作电流时，相对容易，但是在故障状态下，需要关合的回路

中有上万安培的电流时，断路器的导电回路会承受数千牛顿以上的电动力，这时

候需要操动机构所做的功非常大。

2保持合闸

操动机构中需要有保持合闸的部分使得断路器在合闸命令和操作力消失后

断路器能保持在合闸位置，提供足够的保持力是这部分需要承担的任务，否则就

会出现回路发热等危险情况。

3分闸

操动机构的分闸操作应能满足断路器分闸时间和分闸速度的要求。

（二）弹簧操动机构

弹簧机构以弹簧作为储能元件，弹簧储能借助电动机通过减速装置完成，并

且经过锁扣系统保持在储能状态。开断时，锁扣借助磁力脱扣弹簧释放能量，经

过机械传递单元驱动触头运动。

弹簧操动机构工作原理为：电动机通过减速装置和储能机构的动作，使合

闸弹簧储能，储能完毕以后通过合闸闭锁装置使弹簧保持在储能状态，然后切断

电动机电源。当接收到合闸信号时，将释放脱扣器闭锁合闸装置，使弹簧能量释

放。这部分能量一部分通过传动机构使断路器合闸，另一部分能量通过传动机构

使分闸弹簧储能，为分闸操作进行准备。另外当合闸过程结束，电动机会立即接

通电源，通过储能机构使合闸弹簧重新储能，准备下一次合闸。当接收到分闸信

号时，脱扣装置释放分闸弹簧能量，使触头分开。

图1-2-8弹簧操动机构结构示意图

a）分闸位置（分合闸弹簧均未储能）b）分闸位置（合闸弹簧已储能）

c）合闸位置（分闸弹簧储能，合闸弹簧未储能）

d）合闸位置（分合闸弹簧均已储能）

1合闸保持挚子2分闸触发器3分闸电磁铁4合闸触发器5合闸电磁铁

6分闸保持挚子7合闸弹簧8油缓冲器9分闸弹簧10凸轮11棘轮

12拐臂13棘爪轮14棘爪15主轴16滚轮

弹簧操动机构动作时间不受天气变化影响和电压变化影响，保证了合闸的可

靠性，工作稳定，合闸速度较快，同时操动机构对电源的要求不高。

（三）气动机构

气动操动机构利用压缩空气作为能源产生推力，从而进行操作。因为利用压

缩空气作为能源，所以气动机构不需要大功率的直流电源。

4

8

b)

图1-2-9气动操动机构原理图

a）合闸位置b）分闸位置

1差动活塞2工作缸3控制阀4管道

5差动活塞受压面16差动活塞受压面2

7管道8压缩空气入口

如图2-9所示，分合闸操作主要由控制阀3来完成。分闸时，控制阀使压缩

空气经过管道7进入差动活塞1上方，由于差动活塞受压面6大于压面5,因此

活塞向下运动，带动断路器操作杆，完成分闸操作并保持在分闸位置。合闸时，

通过阀门3向外排至大气，压力下降，于是差动活塞受压面5在压缩空气推动下

向上运动，完成断路器合闸操作。

气动机构中压缩空气的质量对操动机构工作的可靠性有着重要的影响。压缩

空气应该干燥，否则潮气太重会使活塞和汽缸表面生锈，妨碍正常工作。

（四）液压操动机构

液压操动机构是用液压油作为能源来进行操作的机构。

图1-2-10液压机构原理示意图

1储能缸2操作缸3活塞杆4主阀5合闸电磁铁6分闸电磁铁

7油箱8油泵9电机10过滤器11辅助开关

如图2-10,合闸时液压阀通过电磁方式开启，液压储能缸的压强作用在两侧

表面积不同的活塞杆，操作杆被活塞表面积较大的力所推动，经过传动机构进行

合闸。操动机构要求在压力发生下降时断路器仍能保持合闸位置。分闸时，液压

阀释放活塞表面积较大的压强，将活塞移动到开断位置。

第三章、高压组合电器

组合电器一般是将高压断路器、负荷开关、熔断器、隔离开关、接地开关、

避雷器等电器设备组合在一起，还有电压互感器、电流互感器以及控制、测量、

保护等装置组合成组合电器。组合电器的最根本好处是减小设备的占地面积，提

高设备运行的可靠性。

高压组合电器一般有封闭式组合电器（GIS）、绝缘金属封闭式组合电器（C-

GIS）（充气柜）以及发展迅速的户外紧凑型组合式开关设备。

第一节、SF6封闭式组合电器（GIS）的发展方向和技术问题

封闭式组合电器（GIS）是20世纪60年代中期才出现的一种新型电器装置。

是在SF6断路器基础上发展起来的。GIS是将断路器、隔离开关、接地开关、电

流和电压互感器、避雷器和连接母线等封闭在金属壳体内，充以有优异绝缘性能

和灭弧性能的SF6气体，作为相间和对地的绝缘。由于GIS既封闭又组合，所以

占地面积小，占用空间少，不受外界环境条件的影响，不产生噪声和无线电干扰,

运行安全且维护工作量少，因而得到大力发展。一般情况下GIS的占地面积仅

为敞开式布置的10%一下甚至更小，占用空间也更小。

（一）GIS的结构特点

GIS有单相封闭式和三相封闭式（三相共筒式）两种不同结构。

早期的GIS是单相封闭式，各种高压电器的每一相放在各自独立的接地圆筒形

外壳中，运行中不会出现相间短路故障，并且带电部分电场分布均匀。但是分筒

式的结构钢外壳中感应电流引起的损耗大，外壳数量以及密封面大，增加了漏气

的可能性。同时随着电压的升高占地面积也会增大。

图1-3-1三相母线共筒式排列结构示意图

1-屏蔽罩2-盖3-母线4-外壳5-绝缘体

三相共筒式（图3-1）就是将主回路元件的三相装在公共的接地外壳内，通

过环氧树脂浇注绝缘子支撑和隔离。这种GIS结构紧凑，与单相封闭式GIS相

比一般可缩小占地面积40%以上。由于外壳数量少，可以大大节省材料，同时密

封点数少所以漏气故障率就低。此外还可以减少涡流损耗和现场安装维修的工作

量。三相共筒式的缺点是内部电场不均匀，相间影响大，易出现相间短路。目前

三相共筒式已能做到363kV全三相共筒化，500kV等级做到母线三相共筒化。

图1-3-2252kV三相共筒式GIS结构图

（二）GIS高电压、大容量小型化

GIS从问世以来一直向着高电压大容量和小型化的方向发展。断路器是GIS

中最重要的组成部分。目前363kV和550kV单断口的断路器已经研制成功，大

大缩小了GIS的体积。在126kV~252kV电压等级上开发出了配弹簧操动机构的

自能式小型化的SF6断路器，也使得GIS的体积大大减小。

高性能氧化锌（ZnO）避雷器的使用降低了雷电冲击绝缘水平，大大减小了

绝缘尺寸和GIS尺寸。另外目前许多GIS中使用了三工位的隔离开关，即关合、

隔离和接地由一个开关完成。还有环氧树脂浇注技术的进步使得浇注大型绝缘筒

成为可能。

（三）GIS设备需要考虑的其他因素

1、金属异物

试验表明，当存在金属异物时，如果使外电压上升，则金属异物首先在外壳

上立起来，不久浮起；如果进一步是电压升高，则金属异物浮起的高度增加，最

终在高压导体和外壳之间来回移动，当电压继续升高时就会发展为闪络。

2、水分影响

SF6气体内含有水分的主要原因有：新气体中含有水分；安装过程中进入水

分。当SF6中混入的水分为气态存在的时候，对绝缘性能几乎没有什么影响，如

果SF6气体中存在固体绝缘件，当水分附着在绝缘件表面，沿面绝缘特性就会受

到影响。同时水分对SF6气体的分解生成物也有影响。分解气体及水分含量达到

一定量以上，则会使绝缘性能降低。

（四）GIS的发展方向

1、复合化

GIS向着更加小型化的方向发展，复合化的主要措施有：将电缆终端、电压

互感器、避雷器、隔离开关、接地开关置于一个罐内，以减少充气罐的数目，从

而大大缩小体积。

2、二次智能化

现代高压SF6断路器和GIS发展的一个显著特征是二次系统现代化，即由传

统的机电系统向以计算机为中心的现代智能化系统发展。利用的新的传感器技术

采集信息，用光纤传输信息，用计算机处理信息，监视断路器和GIS运行状态,

实现状态检修，这样做可以大大的提高运行可靠性，同时大大节省检修费用，带

来巨大的经济技术效益。

第二节SF6绝缘金属封闭式组合电器（C-GIS）的技术特点

C-GIS是GIS技术与开关柜技术相结合的产物，也称作气体绝缘开关柜（C

代表cubicle）。C-GIS具有柜式外壳，它是将三相高压元件装在内设间隔的焊接

钢板箱体内，箱体内充略高于大气压的SF6气体作为绝缘，及时压力降到零表压,

仍具有全耐压强度。C-GIS不受外界条件的限制，可以运行在环境恶劣的场所。

目前在12~126kV的电压等级中，国外各大制造公司都有C-GIS的产品。目前

12~72.5kV等级中的产品种类较多。

（一）、C-GIS的特点

C-GIS有以下的有点：缩小变电所面积，因为主回路导电部分全部封闭在

SF6气体中，不受尘埃、湿气和周围环境的影响，可长期保持可靠性和安全性。

由于C-GIS占地面积小，从而与变压器的接线布置方便，不受地面和建筑物的

限制。

（二）、C-GIS的分类和结构

C-GIS的分类可以按断路器分为SF6断路器和真空断路器；按照用途分为电

力配电、变电和工业配电用；按照内部结构高压元件分为有隔板和无隔板、气体

绝缘母线与固体绝缘母线式；按照结构可以分为圆筒式和箱式结构。目前C-GIS

从早期的圆筒式结构发展成和通常开关柜相似的箱式结构。

第三节、户外紧凑型组合式开关设备

户外紧凑型组合式开关设备就是将高压元件高度集成化，开发研制出的，这种

紧凑型组合式开关有两大优点：一是相对于敞开式开关，可以大大减少占地面积。

二是相对于GIS,可以大大节省费用。

（一）高度集成的高压开关设备（HIS）

西门子推出的HIS是一中高度集成的高压开关设备，是将现有的空气绝缘

和SF6绝缘的优势结合在一起的组合。HIS的特点是断路器的直接连接，不需要

许多的户外套管或绝缘子，也不需要基础和支撑结构，这种组合式的开关设备的

基础就是水平放置在支架上的断路器。断路器可以和电流互感器组合，在一侧或

者两侧可装隔离开关，还可以装封闭式接地开关。

（二）PASS组合开关设备

PASS意为插接式开关系统，是ABB公司基于敞开式开关和全封闭式组合电

器开发的。PASS的主要特点是它的集成化和多个功能集成在一起的模块化。这

种模块包括断路器、隔离开关、电压和电流互感器，母线为空气绝缘。

PASS与敞开式开关设备的接线的最大区别是没有线路侧隔离开关和接地开

关。由于线路侧的隔离开关作用是在维修时起到隔离作用，由于PASS的高可靠

性所以很多PASS接线中取消了线路侧隔离开关。

图1-3-38DN8型145kV三相封闭HIS示意图

1断路器2断路器弹簧操作机构

3隔离开关和接地开关4分离模块

5电流互感器6电压互感器

7高速接地开关8电缆终端模块

9室外封闭10框架

母线।

图1-3-4MO型双母线PASS的接线图

1隔离开关和接地开关2断路器3电流互感器

第四章、真空断路器结构特点和技术

第一节、真空断路器的技术特点

真空灭弧室是真空断路器中的一个重要部件。由于真空间隙的绝缘强度很

高，开断后介质恢复速度快，因此灭弧室触头开距很小，利用金属波纹管与操动

机构连接操作。

一、外壳

外壳用来密封真空灭弧室，不仅要容纳和支持真空灭弧室内的种种零件，而

且当动、静触头在开断位置时起绝缘作用。因此对外壳首先要求气密性好，不能

有漏孔存在，其次要有一定的机械强度和绝缘性能。

二、波纹管

金属波纹管被普遍用作动触头运动的真空密封。波纹管的一端固定，连在灭

弧室的一个端面上，另一端运动，连至动触头的导杆上。常用的波纹管有液压成

型式和焊接式。波纹管的伸缩量决定了触头开距的大小，寿命决定了开关开断的

次数，目前真空断路器的机械寿命一般在几万次以上。

a)b)

a）液压成型b）膜片焊接

图1-4-2真空灭弧室波纹管

三、屏蔽罩

在触头周围设置屏蔽罩，可以挡住电弧生成物的去路，防止绝缘外壳因为电

弧生成物的污染而导致的绝缘强度的降低和绝缘破坏。

屏蔽罩结构一般分为两种：一种为内屏蔽罩，外壳承担两端之间的绝缘；另外一

种为外屏蔽罩，屏蔽罩成为真空壳体的一个主要部分，两端的陶瓷（或玻壳）承

担绝缘。在真空灭弧室的设计中，屏蔽罩的结构形状和表面状态对绝缘性能影响

很大。

四、触头

触头是真空灭弧室内最为重要的元件，真空灭弧室的开断能力和电气寿命主

要由触头决定。目前真空开关的触头接触方式为对接式。

真空灭弧室的开断能力主要和触头的结构有关，真空触头主要有三种型式：平板

触头，横磁场触头，纵磁场触头。

o

d)

a）平板触头b）杯状横磁场触头c）螺旋横磁场触头

d）纵磁场触头1e）纵磁场触头2

图1-4-3真空断路器触头型式

1.平板触头

最初的真空灭弧室采用简单的平板触头。要增大开断电流，就得增大触头面

积，当触头面积较小的时候，其极限开断电流和直径几乎呈线性关系，但是当触

头直径大于50mm后，直径的增加，极限开断电流就很少增加了。当电流超过

10kA时，真空电弧聚集，并聚集在局部地区，随着电弧温度的增加，产生严重

的熔焊点，失去了开断电流的能力。所以平板电流一般用于8000A以下。

2.横磁场触头

为了防止触头局部熔焊，利用电弧沿特殊路径流过触头产生横磁场而驱动电

弧在触头表面上运动。横磁场触头通常为杯状横磁场触头和螺旋横磁场触头。

3.纵磁场触头

纵磁场触头沿正极性真空弧柱的轴向施加一磁场，使其熄灭更加强烈。目前

纵磁场触头在实验室中能做到200kA,并且仍有可能进一步发展。

4.触头材料

现在真空断路器的触头材料一般为CuCro由于真空断路器一直被过电压问

题困扰，目前国外大力研究低过电压触头材料来限制过电压。比如以银为主的铜

银硒低过电压触头材料，在CuCr触头中添加高蒸汽材料以及用铜格-a多元材料

等。但是由于CuCr触头将截流值成功的限制在3~5A,故一般情况下不采用限

制过电压的措施。

第二节、真空断路器的整体结构

真空断路器外绝缘分为空气绝缘和复合绝缘两种，空气外绝缘断路器结构简

单，造价低。复合绝缘产品采用的是整体固封环氧树脂工艺，由于环氧树脂具有

许多良好的特性，如良好的加工工艺，良好的绝缘性能以及非常高的耐压强度和

机械强度，因此可以大大提高真空断路器的绝缘强度。减少相间绝缘距离，可以

使断路器体积大大减小。

另外真空断路器的整体结构有组合式和一体化式，组合式的断路器操动机构

是独立的，有利于加工配套。一体化式布置断路器为目前的使用较多的型式，比

如VS1型断路器，这种断路器操动机构为断路器的固有组成部分，一体化成型，

这样的设计减少了中间的传动环节，使结构简单、紧凑。同时这样的设计也能使

用户不经过调试而直接投入使用。

图1-4-4VS1型户内真空断路器总体结构

1上出线座2上支架3真空灭弧室4绝缘筒5下出线座

6下支架7绝缘拉杆（内加触头簧）8传动拐臂9分闸弹簧

10传动连板11主轴传动拐臂12分闸保持掣子13连板

14分闸脱口器15手动分闸顶杆16凸轮17分合指示牌连杆

25

图1-4-5VS1弹簧操动机构

1储能到位切换用微动开关2销3限位杆

4滑块5拐臂6储能传动轮7储能轴

8滚轮9储能保持掣子10合闸弹簧

11手动储能蜗杆12合闸电磁铁13手动储能传动蜗轮

14电机传动链轮15电机输出轴16储能电机17联锁传动弯板

18传动链条19储能保持轴20闭锁电磁铁21拐臂22凸轮

23储能传动链轮24边板25储能指示牌

图1-4-6在开启位置下的弹簧机构示意图

第三节、永磁机构真空断路器简介

和传统的断路器操动机构相比，永磁机构采用了一种全新的工作原理和结

构、工作时主要运动部件只有一个，无需机械脱扣、锁扣装置，故障发生情况少,

可靠性较高。

（一）永磁机构的合闸都是采用电磁操动。按照机构在分闸操作时的不同

可以分为电磁操动（也即俗称的双稳态）和弹簧机构（也就是单稳态）两种型式。

从线圈数目上分为单线圈和双线圈两种（图4-7）,从外形上可以分为方形机构和

圆形机构。

方形电磁铁圆形电磁铁

图1-4-7两种形状电磁铁和永磁机构纵向剖面图

1静铁心2动铁心3、4永磁体5分闸线圈

6合闸线圈7驱动杆

(-)永磁机构的特点和技术先进性

1、永磁机构最大的特点就是工作时主要运动部件只有一个，无需机械脱扣、

锁扣装置，结构简单。从而使永磁机构的使用寿命非常长，能做到10万次以上

甚至更高。另外因为没有机械脱扣、锁扣装置，高速运动部件少，使得永磁机构

发生故障的几率非常小，机械可靠性非常高。

2、在操作动力方面，永磁机构可以采用储能电容或者电池进行供电，和弹

簧机构一样可用小功率电源进行驱动。

3、目前钛铁硼永磁体产生的磁场很强，永磁机构能够提供非常大的吸合力，

使真空开关触头的压力更大。

第五章、隔离开关设备

第一节、隔离开关设备功能和型式

装设隔离开关的最大目的是为了确实可靠地隔离电源。要求隔离开关在分断

状态下应有明显可见的断口。在关合状态下，导电系统中可以通过正常的工作电

流和故障下的短路电流。

一、隔离开关实现的功能

1、隔离开关在分闸后应建立可靠的绝缘间隙，将被检修线路和设备与电源

隔开。隔离开关在任何状态下都不能被击穿，因此它的断口耐压一般比其对地绝

缘的耐压高出10%~15%o

2、根据运行需要变换母线接线方式。

3、可以用隔离开关开断或者关合一定长线路的充电电流和一定容量空载变

压器的励磁电流。

4、某些分断速度较快的隔离开关与接地开关配合的话，可以在某些终端变

电站代替断路器使