第9章 其它大功率開(kāi)關(guān)裝置.ppt

1、第九章 其它大功率開(kāi)關(guān)裝置,本章要點(diǎn)： 隔離開(kāi)關(guān) 負(fù)荷開(kāi)關(guān) 接地開(kāi)關(guān) 熔斷器 觸發(fā)真空開(kāi)關(guān),第一節(jié) 隔離開(kāi)關(guān),一、對(duì)隔離開(kāi)關(guān)的特殊要求 1. 功能：隔離開(kāi)關(guān)是高壓電器中使用得最多的一種電器。 它主要用于在斷路器分閘后建立可靠的（明顯可見(jiàn)）的絕緣間隙. 將被檢修線路和設(shè)備與電源隔離，根據(jù)運(yùn)行需要換接線路以及在某些特定的允許場(chǎng)合開(kāi)斷和關(guān)合一定長(zhǎng)度線路的充電電流和小容量的空載變壓器的勵(lì)磁電流,2、技術(shù)參數(shù),隔離開(kāi)關(guān)的技術(shù)參數(shù)有額定電壓、額定電流、短時(shí)耐受電流（額定熱穩(wěn)定電流）及其通過(guò)時(shí)間以及峰值耐受電流（額定動(dòng)穩(wěn)定電流）等。 靠斷口分開(kāi)時(shí)將電弧拉長(zhǎng)以及電弧在空氣中的自然去游離作用 隔離開(kāi)關(guān)具有一定的

2、開(kāi)斷小電流的能力。,3 .隔離開(kāi)關(guān)的分、合閘速度,對(duì)隔離開(kāi)關(guān)的分、合閘速度一般均不作要求。 它的分、合閘操作可以用人力通過(guò)操作拉桿或手動(dòng)操作機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，也可以用動(dòng)力，即電動(dòng)機(jī)構(gòu)或氣動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。 隔離開(kāi)關(guān)的操作機(jī)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，只要能可靠地實(shí)現(xiàn)分、合閘并可靠地保持在相應(yīng)的位置，而且動(dòng)作平穩(wěn)而無(wú)沖擊即可。,4. 隔離開(kāi)關(guān)在結(jié)構(gòu)上應(yīng)滿足以下要求,隔離開(kāi)關(guān)在分閘狀態(tài)應(yīng)有明顯可見(jiàn)的斷 口，使運(yùn)行人員能明確判定其工作狀態(tài)； 隔離開(kāi)關(guān)的斷口在任何狀態(tài)下都不能被擊 穿，因此它的斷口耐壓一般需比其對(duì)地絕 緣的耐壓高出1015； 必要時(shí)應(yīng)在隔離開(kāi)關(guān)上附設(shè)接地刀閘，供 檢修時(shí)接地用。,接地刀附設(shè)方式示意圖,圖91 接地

3、刀附設(shè)方式示意圖 (a) 單接地；(b) 雙接地 1主閘刀；2接地閘刀,圖92機(jī)械聯(lián)鎖原理圖 (a) B軸不能轉(zhuǎn)動(dòng) (b) A軸不能轉(zhuǎn)動(dòng),隔離開(kāi)關(guān)的主閘刀和接地閘刀間應(yīng)有操作聯(lián)鎖。常用的聯(lián)鎖方法是機(jī)械聯(lián)鎖，,二、隔離開(kāi)關(guān)的典型結(jié)構(gòu),按照安裝地點(diǎn)的不同，隔離開(kāi)關(guān)可劃分為戶內(nèi)、戶外兩種。戶內(nèi)隔離開(kāi)關(guān)的型號(hào)用GN表示，其額定電壓一般在35kV以下。戶外隔離開(kāi)關(guān)的型號(hào)用GW表示。 1. 戶內(nèi)隔離開(kāi)關(guān),圖9-3 戶內(nèi)配電用隔離開(kāi)關(guān)的原理圖 1底座；2支柱瓷瓶；3靜觸頭；4閘刀；5操作瓷瓶；6轉(zhuǎn)軸,圖9-4 磁鎖裝置的原理圖 1平行閘刀；2鐵片；3靜觸頭,磁鎖裝置的原理,2. 戶外隔離開(kāi)關(guān),圖9-5 形雙

4、柱戶外隔離開(kāi)關(guān) 1主觸頭；2棒形絕緣瓷瓶；3接地閘靜觸頭；4接地閘刀；5出線座；6主閘刀傳動(dòng)軸；7接地閘刀傳動(dòng)軸；8軸承座,圖9-6 V形雙柱隔離開(kāi)關(guān) 1主閘刀；2接地閘刀；3接地閘刀靜觸頭；4出線座；5導(dǎo)電帶；6絕緣子； 7軸承座；8傘齒輪,雙柱水平轉(zhuǎn)動(dòng)方式,單柱隔離開(kāi)關(guān)的原理圖,這類隔離開(kāi)關(guān)的靜觸頭被獨(dú)立地安裝在架空母線上，可動(dòng)閘刀安裝在瓷柱頂部，有操動(dòng)機(jī)構(gòu)通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)，象剪刀一樣向上運(yùn)動(dòng)，用夾住或釋放裝在母線上的靜觸頭的方法來(lái)合閘和分閘。使用單柱隔離開(kāi)關(guān)可以顯著地節(jié)省變電站的占地面積，但單柱隔離開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，一般只在220kV及以上的電壓等級(jí)中使用。,第二節(jié) 接地開(kāi)關(guān)和快分隔離開(kāi)

5、關(guān),接地開(kāi)關(guān)通常裝設(shè)在降壓變壓器的高壓側(cè)。當(dāng)輸電線向只有一臺(tái)變壓器的終端變電站供電時(shí)（圖98, a），在受電端發(fā)生故障的情況下，接地開(kāi)關(guān)應(yīng)自動(dòng)關(guān)合，造成人為接地短路，迫使受電端斷路器分閘，切除故障。,圖9-8 接地開(kāi)關(guān)使用時(shí)的接線圖,接地開(kāi)關(guān)和快分隔離開(kāi)關(guān)聯(lián)合使用時(shí)的配合原理,圖9-9 接地開(kāi)關(guān)和快分隔離開(kāi)關(guān)聯(lián)合使用時(shí)的配合原理圖 1、2、8鐵芯；3鎖閂；4合閘彈簧；5機(jī)械鎖；6電流互感器；7電流線圈；9電壓線圈； 10鎖鉤；11彈簧；12分閘彈簧,接地開(kāi)關(guān)和快分隔離開(kāi)關(guān)聯(lián)合使用時(shí)的配合,在正常情況下，快分隔離開(kāi)關(guān)靠鎖鉤10保持在合閘位置，鎖鉤10由鐵芯8控制，鐵芯8上繞有兩個(gè)線圈，即電流線圈

6、7和電壓線圈9，7由串聯(lián)在接地中的電流互感器6供電，9由電壓互感器供電。 在正常情況下電壓線圈9受電，鐵芯8被吸向下。當(dāng)接地開(kāi)關(guān)動(dòng)作后，線圈9即失壓，而電流線圈7在短路電流的作用下將得電，因此鐵芯8仍然被吸向下。在送電端斷路器開(kāi)斷短路電流后，鐵芯8在彈簧11的作用下向上運(yùn)動(dòng)，頂開(kāi)鎖鉤10使快分隔離開(kāi)關(guān)動(dòng)作。在正常情況下，快分隔離開(kāi)關(guān)靠鎖鉤10保持在合閘位置，鎖鉤10由鐵芯8控制，鐵芯8上繞有兩個(gè)線圈，即電流線圈7和電壓線圈9，7由串聯(lián)在接地中的電流互感器6供電，9由電壓互感器供電。在正常情況下電壓線圈9受電，鐵芯8被吸向下。當(dāng)接地開(kāi)關(guān)動(dòng)作后，線圈9即失壓，而電流線圈7在短路電流的作用下將得電，

7、因此鐵芯8仍然被吸向下。在送電端斷路器開(kāi)斷短路電流后，鐵芯8在彈簧11的作用下向上運(yùn)動(dòng)，頂開(kāi)鎖鉤10使快分隔離開(kāi)關(guān)動(dòng)作。,接地開(kāi)關(guān)按結(jié)構(gòu)形式,接地開(kāi)關(guān)按結(jié)構(gòu)形式可分為敞開(kāi)式和封閉式兩種。 前者的導(dǎo)電系統(tǒng)暴露于大氣中類似于隔離開(kāi)關(guān)的接地閘刀，后者的導(dǎo)電系統(tǒng)則被封閉在充SF6或油等絕緣介質(zhì)中,圖9-10 戶外單極敞開(kāi)式接地開(kāi)關(guān) 1屏蔽環(huán)；2靜觸頭；3閘刀； 4軟連接；5轉(zhuǎn)軸；6合閘彈簧,接地開(kāi)關(guān)單極、雙極和三極,各種結(jié)構(gòu)形式的接地開(kāi)關(guān)均有單極、雙極和三極之分。單極只用于中性點(diǎn)接地系統(tǒng)，雙極和三極則用于中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)。圖910為戶外單極敞開(kāi)式接地開(kāi)關(guān)。,第三節(jié) 高壓熔斷器,高壓熔斷器一般用在35k

8、V及以下電壓等級(jí)的小容量電網(wǎng)中。 它由置放熔斷件的熔管、接觸導(dǎo)電件、絕緣支持件等組成。 它的主要元件熔絲工作時(shí)串接在回路中，在正常工作情況下通過(guò)熔件的電流不應(yīng)使之熔斷。 當(dāng)系統(tǒng)中出現(xiàn)過(guò)載或短路時(shí)，熔絲將因過(guò)熱而自行熔斷，切斷電路，達(dá)到保護(hù)電網(wǎng)和電器設(shè)備的目的。,低壓熔斷器,一、熔斷器的特性,1. 額定電壓 2. 額定電流 3. 額定短路開(kāi)斷電流 4. 時(shí)間電流特性 5. 最小熔化電流,時(shí)間電流特性,圖9-11 熔斷器的時(shí)間電流特性,熔斷器的應(yīng)用,圖9-12 熔斷器的應(yīng)用 (a) 接線圖；(b)時(shí)間電流特性配合,最小熔化電流,熔絲熔化需要的最小電流。通過(guò)最小熔化電流時(shí)熔絲熔化需要時(shí)間接近無(wú)窮大。

9、 最小熔化電流與額定電流的比值稱為熔斷系數(shù)，其值要大于1，一般取1.22.5。 過(guò)高的熔斷系數(shù)會(huì)使熔斷器失去應(yīng)有的靈敏度而失去保護(hù)作用，過(guò)低的熔斷系數(shù)則會(huì)造成熔斷器某些部件的溫升過(guò)高或在工作電流下的誤動(dòng)作。,二、熔絲材料的選擇,冶金效應(yīng) 在高壓熔斷器中，為減小熔絲截面，避免熔斷后產(chǎn)生過(guò)多的金屬和金屬蒸汽，都用低電阻系數(shù)的銅或銀來(lái)制造熔絲。然而銅和銀是高熔點(diǎn)的材料（銅的熔點(diǎn)為1083，銀的熔點(diǎn)為961）。如果要使熔件的溫度在最小熔化電流下達(dá)到材料的熔點(diǎn)，那么在比最小熔斷電流小不多的額定電流下熔件的溫度必然也是相當(dāng)可觀的。要解決這一矛盾可以用在銅熔間上焊上錫球或搪上一層錫的方法來(lái)減低熔件的熔點(diǎn)。錫

10、的熔點(diǎn)為232，熔化的錫可使銅溶解。因此在銅絲上焊上錫球后，只要錫球一熔化，錫液附近的銅液就會(huì)隨之溶解而將電路開(kāi)斷。這一效應(yīng)稱為錫的冶金效應(yīng)，在目前高壓熔斷器中廣泛采用。,三、高壓熔斷器的典型結(jié)構(gòu)和工作原理,跌落式熔斷器（噴逐式熔斷器） 熔斷器由絕緣支座和開(kāi)口熔管兩部分組成,圖9-13 跌落式熔斷器 1絕緣支座；2熔斷器管；3安裝固定板； 4下觸頭；5、9軸；6壓板；7金屬支座； 8鴨嘴罩；10彈簧鋼片,跌落式熔斷器,熄弧,跌落式熔斷器利用固體產(chǎn)氣材料滅弧，當(dāng)熔絲熔斷，熔管內(nèi)產(chǎn)生電弧后，熔管的內(nèi)壁在電弧的作用下將產(chǎn)生大量氣體使管內(nèi)壓力升高。氣體在高壓力的作用下高速向外噴出，形成強(qiáng)烈的去游離作用

11、使電弧在電流過(guò)零時(shí)熄滅。,跌落式熔斷器優(yōu)缺點(diǎn),這種熔斷器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，開(kāi)斷電路時(shí)不會(huì)出現(xiàn)截流，故過(guò)電壓較低，但開(kāi)斷容量較小。 在滅弧時(shí)會(huì)噴射除大量的游離氣體并發(fā)出很大的響聲，所以一般只用在戶外。,2. 限流式熔斷器,圖9-14 限流式熔斷器 1熔斷器管； 2熔絲； 3動(dòng)作指示器； 4石英砂； 5瓷芯,35KV高壓限流式熔斷器,限流式熔斷器熔斷器優(yōu)缺點(diǎn),，當(dāng)熔絲很長(zhǎng)時(shí)，熔絲熔斷后所形成的間隙將很大，此時(shí)必須要有較高的電壓才能把它擊穿形成電弧，這就會(huì)使電力系統(tǒng)中出現(xiàn)很高的過(guò)電壓。 為了解決這一問(wèn)題，限流熔斷器的熔絲常用幾段粗細(xì)不等的熔絲串聯(lián)組成。在短路電流通過(guò)時(shí)細(xì)熔絲先熔斷，此時(shí)過(guò)電壓的大小只由細(xì)熔

12、絲的長(zhǎng)度來(lái)決定。間隙擊穿后，短路電流繼續(xù)流過(guò)粗熔絲。粗熔絲再熔斷。由于在粗熔絲熔斷時(shí)，原來(lái)的細(xì)熔絲間隙中已形成了電弧，發(fā)生了游離，因此粗熔絲熔斷形成的過(guò)電壓將只由粗熔絲的長(zhǎng)度決定。,動(dòng)作指示器,石英砂限流式熔斷器適用于戶內(nèi)裝置，它的全部動(dòng)作過(guò)程都發(fā)生在密閉的管子中，熄弧時(shí)無(wú)巨大的氣流沖出管外。為了使運(yùn)行人員能判定熔斷器是否動(dòng)作，需要在熔管內(nèi)設(shè)置動(dòng)作指示器。動(dòng)作指示器在正常工作時(shí)由熔絲拉住，在熔絲熔斷后可在彈簧的作用下彈出，指示動(dòng)作。,第四節(jié) 負(fù)荷開(kāi)關(guān),負(fù)荷開(kāi)關(guān)主要工作在1035kV小容量配電系統(tǒng)中. 用來(lái)開(kāi)斷和關(guān)合負(fù)荷電流及規(guī)定的過(guò)載電流 也可用來(lái)開(kāi)斷和關(guān)合電容器組和大容量輸電線路中的空載變壓

13、器和空載線路 按其滅弧方式可分為油浸式負(fù)荷開(kāi)關(guān)、固體產(chǎn)氣式負(fù)荷開(kāi)關(guān)、壓氣式負(fù)荷開(kāi)關(guān)等。 近年來(lái)發(fā)展了SF6負(fù)荷開(kāi)關(guān)和真空負(fù)荷開(kāi)關(guān)。,第五節(jié) 觸發(fā)真空開(kāi)關(guān),用途需要高速接通電路的場(chǎng)合 發(fā)展 觸發(fā)真空開(kāi)關(guān)(Triggered Vacuum Switch-TVS)又稱觸發(fā)真空間隙，是在真空間隙和觸發(fā)火花隙技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。 TVS的研究開(kāi)始于六十年代，當(dāng)時(shí)美國(guó)通用電氣公司的Lafferty等人，對(duì)TVS，特別是對(duì)采用涂復(fù)氫化物作觸發(fā)材料的TVS做了大量的研究。七十年代，印度科學(xué)研究院的S. Kamakshaiah和G. R. G. Raju等人對(duì)采用絕緣介質(zhì)和半導(dǎo)體涂層作為觸發(fā)材料的TVS，進(jìn)

14、行了大量試驗(yàn)。還出現(xiàn)了用激光觸發(fā)的TVS。 八十年代以后，隨著高功率脈沖技術(shù)的發(fā)展，對(duì)TVS的工作性能提出了更高的要求，客觀上促進(jìn)了TVS技術(shù)水平的發(fā)展。,一、TVS的基本結(jié)構(gòu),(a) 高壓觸發(fā)真空間隙； (b) 觸發(fā)極主電極放大圖 圖915 觸發(fā)真空開(kāi)關(guān)的基本結(jié)構(gòu),工作原理,觸發(fā)真空開(kāi)關(guān)是依靠觸發(fā)放電產(chǎn)生初始等離子體，再由初始等離子體來(lái)引起主間隙擊穿而工作的。 首先通過(guò)在觸發(fā)極上施加一電流或電壓脈沖，引起觸發(fā)間隙的放電而產(chǎn)生初始等離子體云，也有借助電子束流、激光束照射和X射線束輻照方式產(chǎn)生初始等離子體的。在主間隙電壓的作用下，觸發(fā)等離子體中的帶電粒子按不同的規(guī)律做遷移運(yùn)動(dòng)，結(jié)果使主電極之間的

15、電位分布發(fā)生嚴(yán)重畸變，從而引起主間隙的擊穿。,二、新型結(jié)構(gòu)的TVS,1. 磁延滯TVS(MDVS),圖9-17 磁延滯觸發(fā)真空開(kāi)關(guān),特別之處,工作原理,借助一個(gè)串接在TVS主放電回路中的飽和電抗器，利用電抗器電流不能突變的原理，將主放電電流的導(dǎo)通人為地延滯一定的時(shí)間，該延時(shí)一般為幾十至100多ns。由于經(jīng)過(guò)一定的延時(shí)后，初始等離子體已充滿了整個(gè)主間隙，從而使主電流的起始導(dǎo)通變得穩(wěn)定，避免了主放電電流在導(dǎo)通初始階段的振蕩現(xiàn)象以及由此引起的高的電流截?cái)喱F(xiàn)象。,2. 帶輔助陰極的TVS,圖9-18 帶輔助陰極的觸發(fā)真空開(kāi)關(guān),工作原理,初始等離子體由觸發(fā)極和輔助陰極間的放電產(chǎn)生，而輔助陰極通過(guò)一RL電

16、路與主陰極相連。通過(guò)調(diào)節(jié)Rb和Lb的參數(shù)，就可以調(diào)節(jié)初始等離子體相對(duì)于主陰極的電位，從而靈活控制主陰極上陰極斑點(diǎn)的動(dòng)力學(xué)特性，使導(dǎo)通性能達(dá)到最優(yōu)。對(duì)其導(dǎo)通特性的計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究表明，通過(guò)選擇恰當(dāng)?shù)妮o助放電電路參數(shù)，可以減少觸發(fā)裝置的電流負(fù)載和降低TVS中的起動(dòng)損耗，從而提高其使用壽命。,3. 觸發(fā)真空滅弧室（TVI）,觸發(fā)真空滅弧室（Triggered Vacuum Interrupter）綜合了TVS和真空滅弧室的特點(diǎn)，主要用于工頻條件下的大電流關(guān)合。 其工作過(guò)程是這樣的：首先給觸發(fā)電極加一控制脈沖，產(chǎn)生初始等離子體，在確定的電壓相位下經(jīng)一定的時(shí)延，TVI將系統(tǒng)與負(fù)載連接起來(lái)，當(dāng)觸發(fā)脈沖快結(jié)束

17、時(shí)，給滅弧室的操動(dòng)機(jī)構(gòu)發(fā)出合閘信號(hào)，使觸頭運(yùn)動(dòng)，從而將兩觸頭完全閉合起來(lái)。它由于有機(jī)械運(yùn)動(dòng)過(guò)程，因而重復(fù)頻率不可能很高，一般用于關(guān)合電流較大且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的場(chǎng)合。由于有一部分時(shí)間處于金屬短接狀態(tài)，因而減輕了電弧對(duì)觸頭的侵蝕，同時(shí)它的導(dǎo)通時(shí)刻控制又比真空滅弧室精確得多。,4. 棒狀電極和圓筒狀電極TVS,借助縱向磁場(chǎng)的作用使電弧保持?jǐn)U散型，以減輕電極侵蝕。 對(duì)持續(xù)時(shí)間非常短的脈沖大電流（如雷電流，電流峰值在100kA以上，持續(xù)時(shí)間在s量級(jí)），此時(shí)，由于電流的上升速度極高由此引起的觸頭渦流將使縱向磁場(chǎng)（AMF）嚴(yán)重滯后于電流相位，同時(shí)作用于線圈上的相當(dāng)大的電磁力也會(huì)給觸頭系統(tǒng)帶來(lái)相當(dāng)大的沖擊應(yīng)力。

18、為此，Damstra等人提出一種23棒狀電極結(jié)構(gòu)的TVS。這種TVS的工作電壓達(dá)40kV，可關(guān)合和分?jǐn)?00kA、持續(xù)時(shí)間200s的電流脈沖，壽命超過(guò)100次，觸發(fā)時(shí)延2s，介質(zhì)恢復(fù)時(shí)間2min。此外，Damstra等人還提出一種園筒狀電極結(jié)構(gòu)的TVS，也是用于上升速度較高的脈沖大電流場(chǎng)合。,第六節(jié) 高壓直流開(kāi)斷技術(shù),問(wèn)題的提出： 在某些特定的應(yīng)用場(chǎng)合，例如托卡馬克核聚變裝置中，常常需要開(kāi)斷數(shù)十kA甚至上百kA的高壓直流電流 隨著高壓直流輸電技術(shù)的發(fā)展，也促進(jìn)了高壓直流斷路器的研究。,直流開(kāi)斷原理,高壓直流電流由于沒(méi)有周期性的電流零點(diǎn)可以利用，故開(kāi)斷困難，同時(shí)它也不能象低壓直流那樣通過(guò)產(chǎn)生高于系統(tǒng)電壓的電弧電壓來(lái)使電流降低到零。目前，一般是通過(guò)一個(gè)轉(zhuǎn)換電路，使得在開(kāi)斷時(shí)產(chǎn)生一個(gè)人為的電流零點(diǎn)，然后再用交流高壓斷路器來(lái)開(kāi)斷。,開(kāi)斷高壓直流的換流線路原理圖,圖9-19 開(kāi)斷高壓直流的換流線路原理圖,電流合成,合成后電流,原理,當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到故障電流的上升時(shí)，斷路器的觸頭打開(kāi)，并產(chǎn)生高壓直流電弧。此時(shí)令開(kāi)關(guān)S閉合，使預(yù)先充好電的電容器C通過(guò)斷路器放電。這個(gè)放電電流I2的方向正好與主電流I1相反。如