發(fā)電廠電氣部分 第4章 高壓開關電器

第4章高壓開關電器4.1概述總述：高壓開關電器按其功能與作用分為高壓斷路器、高壓隔離開關、高壓負荷開關及熔斷器等

4.2高壓斷路器總述：高壓斷路器是電力系統(tǒng)中最重要最復雜的電氣設備之一。它具有完善的滅弧裝置和高速傳動機構，能接通和斷開各種情況下高壓電路中的電流，用以完成主接線運行方式的改變和盡快切除故障電路。

4.2.1高壓斷路器概述一、高壓斷路器的用途及對它的基本要求

在發(fā)電廠和變電所中，高壓斷路器是1000V以上電路中的重要控制設備。1．作用：正常運行時，接通和斷開負荷電流；故障時，用來迅速斷開短路電流，切除故障電路。2．基本要求（1）合閘狀態(tài)為良好的導體，不但能通過正常的負荷電流，即使通過短路電流時，也不應因熱和電動力的作用而損壞。（2）分閘狀態(tài)時應有良好的絕緣性。在規(guī)定的環(huán)境條件下，能承受相對地電壓以及一相內斷口間的電壓。（3）開斷規(guī)定的短路電流時，應有足夠的開斷能力和盡可能短的開斷時間。一般在開斷臨時性故障后，要求能進行重合閘。（4）在接通規(guī)定的短路電流時，短時間內斷路器的觸頭不能產(chǎn)生熔焊等情況。（5）在制造廠的技術條件下，高壓斷路器要能長期可靠地工作，有一定的機械壽命和電氣壽命。此外，高壓斷路器還應有機構簡單、安裝、檢修方便、體積小、重量輕等優(yōu)點。二、高壓斷路器類型1．根據(jù)安裝地點分類：戶內和戶外。2．按滅弧介質分類（1）油斷路器：多油斷路器少油斷路器（2）空氣斷路器

空氣斷路器以壓縮空氣作為滅弧介質，具有滅弧能力強、動作迅速等優(yōu)點。但結構復雜、工藝要求高、有色金屬消耗多。因此，空氣斷路器用在110kV及以上的電力系統(tǒng)中。壓縮空氣斷路器的滅弧性能與空氣壓力有關，空氣壓力愈高，絕緣強度愈高，滅弧性能也愈好，在0.7MPa壓力下的絕緣強度與新鮮的絕緣油相當，我國一般選用的壓力為2MPa。（3）SF6斷路器

SF6斷路器采用具有優(yōu)良的滅弧能力和絕緣能力的SF6氣體作為滅弧介質。具有開斷能力強、動作快、體積小等優(yōu)點。但金屬消耗多，價格較貴。SF6斷路器也是近幾年來發(fā)展起來的一種新型斷路器?？墒荢F6價格昂貴，結構復雜，還需要回收裝置。同樣SF6斷路器存在一個泄漏問題，泄汛出的SF6氣體與空氣作用的結果，生成的低氟化硫有毒，會對人體帶來危害。但是SF6斷路器的缺點正在克服，今后110kV以上的高壓系統(tǒng)，SF6斷路器是主要發(fā)展方向。（4）真空斷路器

真空斷路器是在高度真空中滅弧。它的優(yōu)點是可以頻繁操作，維護工作量小，體積小等。真空斷路器用于滅弧的動、靜觸頭封在真空泡內，利用真空作為絕緣介質和滅弧介質，因而帶來了其它類型斷路器無法比擬的優(yōu)點。國際上一些工業(yè)發(fā)達的國家，都致力于真空斷路器的開發(fā)和應用。一些著名的電氣制造公司，如美國的通用電器公司、德為的西門子公司、日本的東芝、日立公司，英國的通用電氣公司等都有規(guī)模寵大的真空斷路器研究機構和制造工廠。這些國家在中壓等級的斷路器中，真空斷路器的生產(chǎn)量達到５０％以上。在我國真空斷路器的生產(chǎn)和使用可以說是剛剛起步，就顯示了強大的生命力，在電壓等級較低（3～35kV）要求頻繁操作、戶內裝設的場合，真空斷路器作為今后一個時期的方向性產(chǎn)品，是毋庸置疑的。

戶外真空斷路器戶內真空斷路器三、高壓斷路器的型號

高壓斷路器的類型很多，目前我國斷路器的型號根據(jù)國家技術標準的規(guī)定，一般由文字符號和數(shù)字按以下方式組成：

123－45/6－78

其代表意義為：1—產(chǎn)品字母代號，用下列字母表示：S—少油斷路器；D—多油斷路器；K—空氣斷路器；L—六氟化硫斷路器；Z—真空斷路器；Q—產(chǎn)氣斷路器；C—磁吹斷路器。2—裝置地點代號，N—戶內；W—戶外。3—設計序號，以數(shù)字1、2、3、4…表示。4—額定電壓，kV。5—其他補充標志，C—手車式；G—改進型；W—防污型；Q—防震型；F—分相操作型。6—額定電流，A。7—額定開斷電流，kA。8—特殊環(huán)境代號。

四、高壓斷路器的基本技術參數(shù)通常用下列技術參數(shù)表示高壓斷路器的基本性能1．額定電壓額定電壓是表征斷路器絕緣強度的參數(shù)。它是斷路器長期工作的標準電壓。我國的標準規(guī)定，高壓斷路器的額定電壓有以下各級：3、6、10、20、35、60、110、220、330、500kV。為了適應電力系統(tǒng)工作的要求，斷路器又規(guī)定了與各級額定電壓相應的最高工作電壓。對3～220kV各級，其最高工作電壓較額定電壓約高15％左右，對330kV及以上的最高工作電壓較額定電壓高10％。斷路器在最高工作電壓下，應能長期可靠地工作。2．額定電流額定電流是表征斷路器通過長期電流能力的參數(shù)。即斷路器允許連續(xù)長期通過的最大電流。通過這一電流時，斷路器各部分（如接觸部分、端子及導體連接部分、與絕緣體接觸的金屬部分）的允許溫度不超過國家標準規(guī)定的數(shù)值。斷路器在正常使用環(huán)境條件規(guī)定為：周圍空氣溫度不高于40℃，海拔不超過1000m。當周圍環(huán)境溫度高于40℃但不高于60℃時，周圍環(huán)境溫度每增高1℃，額定電流減少1.8％。當周圍環(huán)境溫度低于40℃時，周圍環(huán)境溫度每降低1℃，額定電流增加0.5％，但最大不超過20%。我國的高壓斷路器額定電流值為200、400、630、1000、1250、1600、2000、2500、3150、4000、5000、63000、8000、10000、12500、16000、20000A等。3．額定開斷電流表征斷路器開斷性能的參數(shù)。在額定電壓下，斷路器能保證可靠開斷的最大短路電流，稱為額定開斷電流。其數(shù)值用斷路器觸頭分離瞬間短路電流周期分量的有效值表示，單位kA。4．動穩(wěn)定電流表征斷路器通過短路電流能力的參數(shù)。反映斷路器承受短路電流電動力效應的能力。短路電流值為最大峰值，稱為動穩(wěn)定電流，又稱為極限通過電流。5．關合電流關合電流是表征斷路器關合電流的能力的參數(shù)。斷路器在接通電路時有可能會出現(xiàn)短路故障。此時需要關合很大的短路電流。可能會使觸頭熔焊，使斷路器造成損傷。斷路器能夠可靠關合的電流最大峰值稱為額定關合電流，與動穩(wěn)定電流在數(shù)值上相等，二者都為沖擊電流。即為額定開斷電流的2.55倍。6．熱穩(wěn)定電流和熱穩(wěn)定電流的持續(xù)時間熱穩(wěn)定電流也是表征斷路器通過短路電流能力的參數(shù)。反映斷路器承受短路電流熱效應的能力。熱穩(wěn)定電流是指斷路器處于合閘狀態(tài)下，在一定的持續(xù)時間內，所允許通過電流的最大周期分量有效值。此時斷路器不應因電流短時發(fā)熱而損壞。熱穩(wěn)定電流等于開斷電流。7．合閘時間與分閘時間表征斷路器操作性能的參數(shù)。各種型號斷路器的分、合閘時間不同，但要求迅速。

（1）合閘時間：從斷路器操動機構合閘線圈接通到主觸頭接通這段時間。

（2）分閘時間：

（1）固有分閘時間：操動機構分閘線圈接通到觸頭分離這段時間。

（2）熄（燃）弧時間：從觸頭分離到各相電弧熄滅這段時間。也稱全分閘時間。8．斷路器的機械和電氣壽命

斷路器多次分合可造成觸頭及操動機構等可動部分的機械磨損，我國標準規(guī)定，在常溫下連續(xù)進行2000次操作，試驗中不允許進行任何機械調整及修理，但允許按照制造廠的規(guī)定進行潤滑。對用于頻繁操作的場所或有特殊要求的斷路器，其試驗次數(shù)程序由有關專業(yè)標準或用戶同制造廠協(xié)商確定。當斷路器分合大電流時，由于產(chǎn)生電弧，熱能會使觸頭及噴口燒損，將使開斷性能大大降低，這就有了斷路器的電氣使用壽命，也稱電壽命的問題。關于電氣的使用壽命，在標準上規(guī)定只要滿足一次標準循環(huán)即可。對于較重要的斷路器，每次開斷短路之后都進行停電檢修是不太合適。因此，用戶迫切希望具有一次動作循環(huán)以上的耐用性能。目前斷路器電壽命試驗主要依據(jù)用戶技術條件要求進行。如：對于12kV、31.5kA級少油斷路器一般做額定短路開斷3次，這主要考慮油的劣化因而需檢修換油。同一等級真空斷路器開斷額定短路電流50次。而我國對220kVSF6斷路器電壽命約做20次額定短路電流的開斷。對于開斷頻度不很高的場合，基本上可以滿足10年以上不檢修。4.2.2真空斷路器戶內真空斷路器戶外真空斷路器真空滅弧室二、真空斷路器滅弧室結構和工作原理真空斷路器滅弧室結構圖真空斷路器極住剖視圖三、真空斷路器的類型懸臂式真空斷路器落地式真空斷路器4.2.3六氟化硫斷路器一、SF6氣體性能1．物理化學性質：①SF6分子以硫原子為中心、六個氟原子對稱地分布在周圍形成的呈八面體結構。氟原子有很強的吸附外界電子的能力，SF6分子捕捉電子后成為低活動性的負離子，對去游離有利；另外，SF6分子較大，使得電子的自由行程減小，從而減少碰撞游離的發(fā)生。②SF6為無色、無味、無毒、不可燃、不助燃的非金屬化合物；在常溫常壓下，密度為空氣的5倍；常溫下壓力不超過2MPa時仍為氣態(tài)。熱傳導能力比空氣好。③SF6的化學性質非常穩(wěn)定。在干燥情況下，溫度低于110℃時，與銅、鋁、鋼等材料都不發(fā)生作用；溫度高壓150℃時，與鋼、硅鋼開始緩慢作用；溫度高于200℃時，與銅、鋁才發(fā)生輕微作用；溫度達500～600℃時，與銀也不發(fā)生作用。④SF6的穩(wěn)定性極好，但在有金屬存在的情況下，熱穩(wěn)定性大為降低。2．絕緣和滅弧性能①絕緣性能：SF6氣體的絕緣性能穩(wěn)定，不會老化變質。當氣壓增大時，其絕緣能力也隨之提高。在0.1MPa下，絕緣能力超過空氣的2倍；在0.3MPa時，其絕緣能力和變壓器油相當。②滅弧性能：SF6在電弧的作用下分解成低氟化物，但需要的分解能卻比空氣高得多，因此，SF6分子在分解時吸收的能量多，對弧柱的冷卻作用強。當電弧電流流過零時，低氟化物則急速再結合成SF6

，故弧隙介質強度恢復過程極快。故SF6氣體的滅弧能力相當于同等條件下空氣得100倍。二、SF6斷路器滅弧室工作原理分閘狀態(tài)滅弧室特寫

合閘狀態(tài)滅弧室特寫“Y”布置“T”布置“I”布置三、SF6斷路器的類型落地罐式4.2.4斷路器的操動機構

一、操動機構的用途和類型斷路器的操動機構是用來使斷路器分閘、合閘并將斷路器保持在合閘位置的設備。在斷路器本體以外的機械操動裝置稱為操動機構。1．操動機構的基本要求：（1）應具有足夠的操作功率在電網(wǎng)正常工作時，用操動機構使斷路器關合，這時電路中流過的是工作電流，關合是比較容易的。但在電網(wǎng)事故情況下，如斷路器關合到有預伏性短路故障時，情況要嚴重得多。因為斷路器關合時，電路中出現(xiàn)的短路電流可到達幾萬安以上。斷路器導電回路受到的電動力可達幾千牛以上，另一方面，電動力又常常是阻礙斷路器關合的，因此在關合有預伏性短路故障的電路時，由于電動力過大，斷路器有可能出現(xiàn)觸頭不能關合，從而引起觸頭嚴重燒傷，油斷路器出現(xiàn)嚴重噴油甚至爆炸等嚴重事故。因此，斷路器應具有關合故障電路的能力。（2）要求動作迅速通常要求快速斷路器的全分閘時間不大于0.08S，近代高壓和超高壓斷路器甚至要求為0.02～0.04S，在斷路器全分閘時間中，固有分閘時間約占一半以上，它與操動機構結構有關。（3）要求操動機構工作可靠，結構簡單，體積小，重量輕，操作方便等。2．操動機構的類型操動機構依據(jù)能量形式的不同可分為：①手動操動機構（CS）：②電磁操動機構（CD）：③電動機操動機構（CJ）：④彈簧操動機構（CT）：⑤氣動操動機構（CQ）⑥液壓操動機構（CY）①手動操動機構（CS）優(yōu)點：（1）結構簡單、價廉；（2）不需要合閘能源。缺點：（1）不能遙控和自動合閘；（2）合閘能力小；（3）就地操作、不安全。應用：用于12kV以下，開斷電流小的斷路器。②電磁操動機構（CD）優(yōu)點：（1）結構簡單、加工容易；（2）運行經(jīng)驗多。缺點：（1）需要大功率的直流電源；（2）耗費材料多。應用：過去126kV及以下的油斷路器大部分采用電磁操動機構，但不是發(fā)展方向。③電動機操動機構（CJ）優(yōu)點：可用交流電源。缺點：要求電源的容量較大（但小于電磁操動機構）應用：只用于容量較小的斷路器，國內很少生產(chǎn)。④彈簧操動機構（CT）：優(yōu)點：（1）要求電源的容量?。唬?）交、直電源都可用；（3）暫時失去電源時仍能操作一次。缺點：（1）結構較復雜；（2）零部件的加工精度要求高。應用：（1）用于中、小型斷路器，是發(fā)展方向。彈簧操動機構動畫彈簧儲能⑤氣動操動機構（CQ）優(yōu)點：（1）不需要直流電源；（2）暫時失去電源時仍能操作多次。缺點：（1）需要空壓設備；（2）對大功率的操動機構，結構比較笨重。⑥液壓操動機構（CY）

優(yōu)點：（1）不需要直流電源；（2）暫時失去電源時仍能操作多次；（3）功率大、動作快、操作平穩(wěn)。缺點：（1）加工精度要求高；（2）價格較貴。應用：適用于126kV及以上的高壓斷路器，是發(fā)展方向。液壓操動機構原理圖3.三柱式隔離開關斷開狀態(tài)閉合狀態(tài)4.3隔離開關一、隔離開關的主要作用及特點1．隔離電源：隔離開關斷開點明顯可見，隔離開關的動觸頭和靜觸頭斷開后，兩者之間的距離應大于被擊穿時所需的距離，以保證安全。2．倒閘操作：運行、備用、檢修時用來配合斷路器協(xié)同完成倒閘操作。如倒母線操作。3．分、合小電流：隔離開關沒有滅弧裝置，因此僅能用來分、合只有電壓沒有負荷電流的電路。否則在隔離開關的觸頭間形成強大電弧，危及設備和人身安全，造成重大事故。一般只能在斷路器已將電路斷開的情況下，才能接通斷開。但隔離開關也具有一定的分、合小電流的能力。如：能用來分、合電壓互感器、避雷器或分、合變壓器的接地中性點；分、合勵磁電流不超過2A的空載變壓器；關合電容電流不超過5A的空載線路等。4．自動快速隔離：在一定條件下能迅速隔離開已發(fā)生故障的設備和線路，達到節(jié)省斷路器用量的目的。二、分類1.按裝置地點分：戶外式戶內式2.按產(chǎn)品組裝級數(shù)分：三極式單極式3.按有無接地閘刀可分為：帶接地閘刀不帶接地閘刀4.按每極支撐絕緣子數(shù)目分為：雙柱式單柱式三柱式5．按用途分：

一般用快速分閘用變壓器中性點接地用三、型號T－統(tǒng)一設計，G－改進型，D－帶接地開關，K－快速分閘型，E－帶支持導電桿，W－防污型，TH－濕熱帶型，TA－干熱帶型，Z－強震地區(qū)。四、戶內隔離開關斷開狀態(tài)閉合狀態(tài)五、戶外隔離開關1.單柱式隔離開關斷開狀態(tài)閉合狀態(tài)2.雙柱式隔離開關（GW4系列）斷開狀態(tài)閉合狀態(tài)閉合狀態(tài)斷開狀態(tài)2.雙柱式隔離開關（GW5系列）六、隔離開關的操動機構1．手力式操動機構特點：結構簡單，價格便宜，使用比較廣泛。2．動力式操動機構特點：需要對隔離開關進行遠方操作時才用。4.4熔斷器一、熔斷器1．用途

熔斷器是最簡單和最早使用的一種保護電器，用來保護電路中的電氣設備使其免受過載和短路電流的危害。熔斷器不能用來正常地切斷和接通電路，必須與其他電器（隔離開關、接觸器、負荷開關等）配合使用。廣泛用于1000V及以下的裝置中；在電壓為3～35kV高壓裝置中，主要作為小功率電力線路、配電變壓器、電力電容器、電壓互感器等設備的保護。2．熔體的材料及其特性

要求熔體得材料熔點低、導電性能好、不易氧化和易于加工。一般有