《城市轨道交通变电所运行与维护》 课件 项目3任务1 断路器的认知与维护

项目3开关及开关柜的认知与维护任务1断路器的认知与维护【任务描述】认识真空、SF6断路器结构并进行日常维护，分组对真空断路器进行手动储能、合闸操作及手动储能、分闸操作。01电弧的概述电弧的概述开合电路的瞬间，如果电压大于10V，电流超过80mA，断口处的游离气体在电场的作用下会自持放电，形成强烈的白光，这种白光被称为电弧。电弧是一种游离状态的气体放电现象。1.电弧的产生电弧的产生是开关电器开断负荷电路时，触头间的中性质点被游离的结果。电弧产生，第一是由于热的作用，发生热电子发射和热游离；第二是由于电场的作用，发生强电场发射和碰撞游离。在气隙间出现大量电子流，使气体由绝缘体变成导体。强电场发射和碰撞游离是产生电弧的主要原因，而电弧得以维持和发展的主要原因是热游离作用。电弧燃烧期间，起主要作用的是热游离。2.电弧的危害电弧对电力系统和电气设备的安全会产生很大的危害。1）延长开关电器切断电路的时间。2）电弧的温度很高，如果电弧长时间燃烧，不仅将触头表面的金属熔化或蒸发，而且引起电弧附近电气绝缘材料烧坏，引起事故。3）由于电弧能在外力的作用下迅速移动，很容易形成飞弧造成电源短路事故和伤人。3.熄弧方法电弧分直流电弧和交流电弧。直流电弧具体的灭弧方法有拉长电弧、开断电路时在电路中逐级串入电阻、在断口上装灭弧栅、吹弧冷却电弧。交流电弧广泛采用的灭弧方法有速拉灭弧法、冷却灭弧法、多断口灭弧法、吹弧或吸弧灭弧法、长弧切短灭弧法、粗弧分细灭弧法、狭沟灭弧法、真空灭弧法、六氟化硫（SF6）灭弧法、油灭弧法。02断路器概述断路器概述断路器是高压电气回路的开关，在所有的高压系统中，断路器是最主要的设备之一，它是一种能对电路进行控制（开断、关合）和保护的高压电器。1.断路器的作用及基本要求（1）作用系统正常运行时，断路器用来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。1.断路器的作用及基本要求（2）基本要求1）合闸状态为良好的导体。2）分闸状态时应有良好的绝缘性。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。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。6）断路器在正常工作时，可以切断和接通负载电流；短路时可以切断短路电流。7）能承受额定电压、最大工作电压、内部过电压及外部过电压等作用。8）具有自动重合闸能力。9）结构简单，价格低廉。在满足安全可靠前提下，断路器还应有结构简单、安装检修方便、体积小、重量轻等优点。2.结构断路器由开断元件、绝缘支撑元件、传动元件、操动机构、底座组成。3.断路器的型号断路器的类型很多，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：[1][2][3][4］—［5][6][7]／[8][9]—［10］[11]其意义为：[1]产品名称，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…表示。[4]改进顺序号：以A、B、C…表示。[5]额定电压，kV。[6]其他补充工作特性标志：C—手车式；G—改进型；W—防污型；Q—防震型；F—分相操作型。[7]特殊使用条件标志：W—污秽；TH—湿热；G—高海拔。[8]操动机构类别：CS—手动；CD—电磁；CY—液压；CT—弹簧。[9]额定电流，A。[10]额定开断电流，kA。[11]企业自定义符号。如：SW4-35/1000表示35kV三相户外用的少油断路器，其额定电流为1000A。[1][2][3][4］—［5][6][7]／[8][9]—［10］[11]4.断路器的分类依据灭弧介质来分，可分为油断路器、空气断路器、六氟化硫断路器、真空断路器。依据操动机构，一般可分为电动操动机构、手动操动机构、气动操动机构、弹簧操动机构等。依据安装地点分为户内式断路器和户外式断路器。5.断路器的主要技术参数断路器因开断负载大小和周围环境的不同，其额定值的大小也分别不同，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。（2）额定电流额定电流是表征断路器长期允许通过电流能力的参数。即断路器在规定环境温度允许连续长期通过的最大电流有效值。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的主要技术参数（3）额定开断电流额定开断电流是指额定电压下，断路器能可靠开断的最大短路电流有效值。它反映了断路器开断短路电流的能力。（4）额定断流容量断路器在负载端发生短路时,会通过很大的故障电流，而断路器具有开断的能力，能安全地将断路器的触头打开，此容量称为断流容量，通常以MVA为单位。断路器的主要技术参数（5）分、合闸时间分闸时间是指断路器接到分闸命令瞬间起到各相电弧完全熄灭为止的时间间隔，它包括断路器固有分闸时间和燃弧时间，即两者之和。合闸时间是指断路器接到合闸命令起到断路器触头刚接触时所经过的时间间隔。（6）额定关合电流额定关合电流指在额定的电压下，断路器能可靠闭合的最大短路电流峰值。（7）动稳定电流动稳定电流是指断路器在合闸位置时，允许通过的最大短路电流峰值。它反映了断路器承受短路电流电动力效应的能力。（8）热稳定电流热稳定电流是指在规定的某一段时间内，允许通过断路器的最大短路电流有效值。它反映了断路器承受短路电流热效应的能力。断路器的主要技术参数（9）自动重合闸自动重合闸是为防止架空线路的瞬时性短路故障(雷害、鸟害等)引起电力系统不稳定而设置的，它可以防止因一些瞬时性故障而造成的断电，从而提高供电的可靠性。03真空断路器结构认知与原理真空断路器结构认知与原理真空断路器利用真空度约为10-4Pa（运行中不低于10-2Pa）的高真空作为绝缘和灭弧介质。当灭弧室内被抽成10-4Pa的高真空时，其绝缘强度要比绝缘油、一个大气压力下的SF6和空气的绝缘强度高很多。目前在我国，真空断路器主要应用在35kV及以下电压等级的配电网中。1.真空断路器的结构真空断路器用于灭弧的动、静触头封在真空泡内，利用真空作为绝缘和灭弧介质，因而具有可以频繁操作、维护工作量小、体积小等优点，这是其他类型断路器不可比拟的。1.真空断路器的结构图3-4真空断路器基本结构1—上部接线端子2—真空灭弧室3—绝缘支撑4—下部接线端子5—软连接6—触头压力弹簧7—绝缘拉杆8—传动轴9—形成调节器10—开关位置检测传感器11—合闸线圈12—电磁铁13—铁心14—分闸线圈15—紧急分闸装置16—机构外壳（1）基本组成及作用真空断路器主要由断路器本体、操动机构、传动机构和绝缘支撑四部分组成。1）断路器本体：由导电回路、绝缘系统、密封件和壳体组成。其中导电回路由上部接线端子、真空灭弧室、软连接、下部接线端子连接构成的电流通道组成。1.真空断路器的结构图3-4真空断路器基本结构1—上部接线端子2—真空灭弧室3—绝缘支撑4—下部接线端子5—软连接6—触头压力弹簧7—绝缘拉杆8—传动轴9—形成调节器10—开关位置检测传感器11—合闸线圈12—电磁铁13—铁心14—分闸线圈15—紧急分闸装置16—机构外壳2）操动机构：断路器合、分闸的动力驱动装置。3）传动机构：把操动机构的运动传输至灭弧室，实现灭弧室内动静触头的合、分闸操作。

4）绝缘支撑：绝缘支持件将各功能元件架接起来满足断路器的绝缘要求。1.真空断路器的结构图3-4真空断路器基本结构1—上部接线端子2—真空灭弧室3—绝缘支撑4—下部接线端子5—软连接6—触头压力弹簧7—绝缘拉杆8—传动轴9—形成调节器10—开关位置检测传感器11—合闸线圈12—电磁铁13—铁心14—分闸线圈15—紧急分闸装置16—机构外壳（2）动作过程合闸过程：当操动机构接到合闸信号后（开关处于断开，已储能状态），操动机构推动传动轴，使之推动绝缘拉杆向上压缩触头弹簧，使之作用于真空灭弧室里的动触头向上运动，完成合闸操作。分闸过程：断路器合闸后，接到分闸信号，操动机构推动传动轴，使之拉动绝缘拉杆7向下拉触头弹簧，使之作用于真空灭弧室里的动触头向下运动，断路器分闸。2.真空灭弧室（1）基本组成及作用真空灭弧室是真空断路器中最重要的部件。真空灭弧室的外壳是由绝缘筒、两端的金属盖板和波纹管所组成的密封容器。灭弧室内有一对触头，静触头焊接在静导电杆上，动触头焊接在动导电杆上，动导电杆在中部与波纹管的一个断口焊在一起，波纹管的另一端口与动端盖的中孔焊接，动导电杆从中孔穿出外壳。由于波纹管可以在轴向上自由伸缩，故这种结构既能实现在灭弧室外带动动触头作分合运动，又能保证真空外壳的密封性。图3-5真空灭弧室1—静端盖板2—屏蔽罩3—动静触头4—波纹管5—动端盖板6—静导电杆7—外壳8—动导电杆2.真空灭弧室图3-5真空灭弧室1—静端盖板2—屏蔽罩3—动静触头4—波纹管5—动端盖板6—静导电杆7—外壳8—动导电杆1）外壳：整个外壳通常由绝缘材料和金属组成。外壳的气密封要好，且有一定的机械强度及良好的绝缘性能。2）波纹管：波纹管既要保证灭弧室完全密封，又要在灭弧室外部操动时使触头作分合运动，允许伸缩量决定了灭弧室所能获得的触头最大开距。3）屏蔽罩：触头周围的屏蔽罩主要是用来吸附燃弧时触头上蒸发的金属蒸气，防止绝缘外壳因金属蒸气的污染而引起绝缘强度降低和绝缘破坏，同时，也有利于熄弧后弧隙介质强度的迅速恢复。在波纹管外面用屏蔽罩，可使波纹管免遭金属蒸气的烧损。2.真空灭弧室图3-5真空灭弧室1—静端盖板2—屏蔽罩3—动静触头4—波纹管5—动端盖板6—静导电杆7—外壳8—动导电杆4）导电系统：静导电杆、动静触头、动导电杆构成了灭弧室的导电系统。由真空灭弧室组装成的真空断路器合闸时，操动机构通过动导电杆的运动，使两触头闭合，完成了电路的接通。5）触头：触头结构对灭孤室的开断能力有很大影响。采用不同结构触头产生的灭弧效果有所不同，早期采用简单的圆柱形触头，结构虽简单，但开断能力不能满足断路器的要求，仅能开断10kA以下电流。目前，常采用的有螺旋槽型结构触头、带斜槽杯状结构触头和纵磁场杯状结构触头三种，其中以采用纵磁场杯状结构触头为主。2.真空灭弧室图3-5真空灭弧室1—静端盖板2—屏蔽罩3—动静触头4—波纹管5—动端盖板6—静导电杆7—外壳8—动导电杆（2）真空灭弧原理真空断路器核心部件真空灭弧室是利用高真空度绝缘灭弧介质，用密封在真空中的一对动静触头来实现电路通断。当其断开一定数值的电流时，动静触头在分离的瞬间，电流收缩到触头刚分离的某一点或某几点上，导致电极间电阻剧烈增大和温度迅速提高，直至发生电极金属的蒸发，同时形成极高的电场强度，导致剧烈的电场强发射和间隙击穿，产生真空电弧。当工作电流接近零时，同时触头间距的增大，真空电弧的离子体很快向四周扩散，电弧电流过零后，触头间隙的介质迅速由导电体变为绝缘体，于是电流被分断。由于触头的特殊构造，燃弧期间触头间隙会产生适当的纵向磁场，这个磁场可使电弧均匀分布在触头表面，维持低的电弧电压，电弧得以熄灭。04SF6断路器结构认知与原理SF6断路器结构认知与原理SF6断路器是以SF6气体作为绝缘和灭弧介质的断路器。它属于气吹断路器，工作气压较低，在吹弧过程中，气体不排向大气，而在封闭系统中循环使用。SF6气体主要是起绝缘、灭弧和散热作用，化学性质非常稳定，是一种无色、无味、无毒、不会燃的气体。1.SF6断路器的结构SF6断路器主要有瓷柱式、落地罐式两种类型。SF6气体优良的绝缘和灭弧性能，使SF6断路器具有如下优点：开断能力强，断口电压适于做得较高，允许连续开断次数较多，适用于频繁操作、噪音小、无火灾危险、机电磨损小等场合，是一种性能优异的“无维修”断路器，在高压电路中应用越来越多。1.SF6断路器的结构（1）基本组成及作用SF6断路器采用SF6气体作为灭弧介质，主要是由导电部分、绝缘部分、灭弧部分以及操动机构组成。图3-8瓷柱式断路器结构1—高压接线端2—灭弧室瓷套3—支柱瓷套4—分子筛5—横梁6—传动箱7—支架8—连杆9—操动机构箱10—断路器位置指示器11—合闸弹簧位置指示器12—密度计13—分闸弹簧14—绝缘拉杆1.SF6断路器的结构2）绝缘部分：包括SF6气体、瓷套、绝缘拉杆等，其作用是保证导电部分对地之间、不同相之间、同相断口之间具有良好的绝缘状态。3）灭弧部分：灭弧室，其作用是提高熄灭电弧的能力，缩短燃弧时间。4）操动机构：控制通断元件，实现各种操作，接到命令时动作，经中间传动机构驱动动触头，实现合闸或分闸。1）导电部分：包括动、静弧触头和主触头或中间触头以及各种形式的过渡连接等，其作用是通过工作电流和短路电流。1.SF6断路器的结构图3-8瓷柱式断路器结构1—高压接线端2—灭弧室瓷套3—支柱瓷套4—分子筛5—横梁6—传动箱7—支架8—连杆9—操动机构箱10—断路器位置指示器11—合闸弹簧位置指示器12—密度计13—分闸弹簧14—绝缘拉杆（2）动作过程合闸过程：当操动机构接到合闸信号后，操动机构推动连杆，通过传动箱将能量传递给绝缘拉杆，使之作用于灭弧室里的动触头向上运动，完成合闸操作。分闸过程：断路器合闸后，接到分闸信号，操动机构拉动连杆，使之拉动绝缘拉杆，通过传动箱将能量传递给绝缘拉杆，使之作用于灭弧室里的动触头向下运动，断路器分闸。2.SF6灭弧室（a）合闸位置（b）压气过程（c）吹弧过程（d）分闸位置图3-9SF6灭弧室工作过程1—静主触头2—静弧触头3—动弧触头4—动主触头5—压气缸6—活塞7—操作杆8—喷嘴9—压气室（1）基本组成及作用SF6断路器采用三种灭弧结构：①压气式（或称单压式）；②旋弧式；③自能灭弧式。其中单压式灭弧室由静触头、动触头、气缸及喷嘴等零件组成。2.SF6灭弧室（a）合闸位置（b）压气过程（c）吹弧过程（d）分闸位置图3-9SF6灭弧室工作过程1—静主触头2—静弧触头3—动弧触头4—动主触头5—压气缸6—活塞7—操作杆8—喷嘴9—压气室（2）灭弧原理灭弧室内动、静触头间的开距随着压气室的运动而逐渐加大。即在吹弧过程中电极开距不断变大故称为变开距灭弧室。在开断电流时，由操动机构通过绝缘拉杆使带有动触头和绝缘喷嘴的压气缸运动，使其内部的SF6气体受到压缩，建立高气压，并使高压气体形成高速气流经喷嘴吹向电弧，使电弧强烈冷却而熄灭。1）合闸位置：主触头与弧触头并联，电流基本上经过主触头流通。2）压气过程：电流已由主触头转移到弧触头上流通，但还没形成电弧。压气室SF6气体被压缩，而喷嘴还没有被打开，先进行一段预压缩过程使压气室气体压力提高后再打开喷口产生吹弧作用。2.SF6灭弧室3）吹弧过程：动、静弧触头刚刚分离并已产生电弧，随着动触头及运动系统继续向下运动，压气缸中SF6气体继续被压缩,同时高压气体经被打开的喷嘴吹向被拉长的电弧，当电流过零时就被熄灭。4）分闸位置：当电弧熄灭之后，动触头及运动系统继续运动到分闸位置。（a）合闸位置（b）压气过程（c）吹弧过程（d）分闸位置图3-9SF6灭弧室工作过程1—静主触头2—静弧触头3—动弧触头4—动主触头5—压气缸6—活塞7—操作杆8—喷嘴9—压气室05断路器操动机构断路器操动机构断路器的操动机构是用来使断路器分闸、合闸，并将断路器合闸后保持在合闸位置的电气设备。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，关合比较容易。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达到几万安以上。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（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。2.操动机构的组成（1）能量转换装置将其他形式的能量转换为机械能，使操动机构按规定目的发生机械运动。如电磁铁、电动机、弹簧、液压传动工作缸、压缩空气工作缸等均属此装置。它应能提供足够的操作功，用以克服断路器的静力矩和短时的电动力矩，保证断路器的分、合闸速度。（2）传动机构将能量转换装置提供的操作功，传递使断路器改变工作状态。要求机械惯性小，传动速度大，能耗小，动作可靠、准确。（3）保持与脱扣机构使断路器可靠地保持在合闸位置，又可迅速解除合闸位置，使断路器进入自由分闸状态的装置称为保持与脱扣机构。保持与脱扣机构应稳定可靠、动作灵活。（4）控制系统操动机构的控制系统有电控、气控、油控等类型，用于实现对断路器的远距离控制、保持或释放操作功。2.操动机构的组成（5）缓冲装置用于吸收做功元件完成分、合闸操作后剩余的操作功，使机构免受机械冲击。缓冲装置应有较短的复位时间，以便为下次动作做好准备。常见缓冲装置有弹簧缓冲器、橡胶缓冲器、油缓冲器、气体缓冲器。（6）闭锁装置防止断路器的误操作和误动作。3.类型11）手动操动机构（CS型）指用人力进行合闸的操动构。22）电磁操动机构（CD型）指用电磁铁产生的电磁力合闸，靠已储能的分闸弹簧或分闸线圈分闸的操动机构。33）弹簧操动机构（CT型）指事先用人力或电动机使合闸弹簧储能进行合闸，靠已储能的分闸弹簧进行分闸的操动机构。44）电动机操动机构（CJ型）指用电动机合闸与分闸的操动机构。55）液压操动机构（CY型）指用高压油推动活塞实现合闸与分闸的操动机构。66）气动操动机构（CQ型）指用压缩空气推动活塞实现合闸与分闸的操动机构。4.弹簧操动机构图3-10弹簧操动机构示意图-合闸位置（合闸弹簧储能状态）1—棘爪2—凸轮3—分闸弹簧4—合闸弹簧5—棘轮6—合闸保持掣子7—合闸触发器8—合闸线圈9—分闸线圈10—分闸触发器11—灭弧室12—分闸保持掣子13—拐臂（1）基本组成弹簧操动机构主要由储能系统、电磁系统和机械系统组成。弹簧操动机构以弹簧作为储能元件。弹簧的储能借助电动机通过减速装置来完成，并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，经过机械传递单元使触头运动。4.弹簧操动机构（2）工作过程1）储能过程弹簧操动机构分合闸操作采用两个螺旋压缩弹簧实现。储能电机给合闸弹簧储能，合闸时合闸弹簧的能量一部分用来合闸，另一部分用来给分闸弹簧储能。合闸弹簧一释放，储能电机立刻给其储能。运行时分合闸弹簧均处于压缩状态，而分闸弹簧的释放有一独立的系统，与合闸弹簧没有关系。这样设计的弹簧操动机构具有高度的可靠性和稳定性。2）分闸操作分闸信号使分闸线圈带电并使分闸撞杆撞击分闸触发器，分闸触发器以顺时针方向旋转并释放分闸保持掣子，分闸保持掣子也以顺时针方向旋转释放主拐臂上的轴销，分闸弹簧力使主拐臂逆时针旋转，断路器分闸。图3-11弹簧操动机构示意图-分闸位置（合闸弹簧储能状态，分闸弹簧能量释放）4.弹簧操动机构（2）工作过程图3-11所示状态为开关处于分闸位置，此时合闸弹簧为储能（分闸弹簧已释放）状态，凸轮通过凸轮轴与棘轮相连，棘轮受到已储能的合闸弹簧力的作用存在顺时针方向的力矩，但在合闸触发器和合闸弹簧储能保持掣子的作用下使其锁住，开关保持在分闸位置。图3-11弹簧操动机构示意图-分闸位置（合闸弹簧储能状态，分闸弹簧能量释放）4.弹簧操动机构（2）工作过程3）合闸操作合闸信号使合闸线圈带电，并使合闸撞杆撞击合闸触发器。合闸触发器以顺时针方向旋转，并释放合闸弹簧储能保持掣子，合闸弹簧储能保持