高壓斷路器的構(gòu)造及 工 作 原 理

高壓斷路器的構(gòu)造及工作原理第1頁/共64頁二、高壓斷路器的基本結(jié)構(gòu)：主要零部件：開關(guān)本體的底架、底座功能：整臺產(chǎn)品的基礎(chǔ)第2頁/共64頁開斷元件：主要零部件：主滅弧室主觸頭系統(tǒng)主導(dǎo)電回路輔助滅弧室輔助觸頭系統(tǒng)并聯(lián)電阻功能：開斷及關(guān)合電力線路，安全隔離電源第3頁/共64頁支持絕緣件：主要零部件：瓷柱瓷套管絕緣管等構(gòu)成的支柱本體拉緊絕緣子等功能：保證開斷元件有可靠的對地絕緣，承受開斷元件的操作力及各種外力第4頁/共64頁傳動元件：主要零部件：各種連桿齒輪拐臂液壓管道壓縮空氣管道等功能：將操作命令及操作功傳遞給開斷元件的觸頭和其它部件第5頁/共64頁操作機構(gòu)：主要零部件：彈簧、液壓、電磁、氣動及手動機構(gòu)的本體及其配件功能：為開斷元件分合閘操作提供能量，并實現(xiàn)各種規(guī)定的操作第6頁/共64頁三、高壓斷路器的技術(shù)要求及其基本參數(shù)(一)開斷、關(guān)合電路方面1.開斷短路故障標(biāo)志高壓斷路器開斷短路故障能力的主要參數(shù)是：額定電壓(kV)：斷路器銘牌上所標(biāo)明的該斷路器正常工作電壓的有效值。對于三相設(shè)備，一般指線電壓。最高工作電壓:

其值高出額定電壓約15%，如額定電壓10kV的斷路器，可以長期工作在11.5kV的線電壓下。額定開斷電流(kA，有效值)：在額定電壓下，斷路器能夠可靠開斷的最大電流為額定開斷電流。它主要表征斷路器熄滅大電流電弧的能力。第7頁/共64頁額定斷流容量(MVA)：由于開斷能力和額定電壓、開斷電流有關(guān)，因此，通常采用一個綜合參數(shù)，即以額定斷流容量來表示斷路器的開斷能力。對于三相電路有：

新的國家標(biāo)準(zhǔn)已取消這一術(shù)語，目前直接用額定開斷電流表示。選擇斷路器時，首先要校核的參數(shù)就是斷路器開斷短路故障電路的能力。第8頁/共64頁2.快速開斷標(biāo)志斷路器開斷過程快慢的參數(shù)是：開斷時間(s)：從斷路器接到開斷信號到短路電流終止(電弧熄滅)的全部時間。固有分閘時間：斷路器接到分閘命令(分閘線圈通電)開始至觸頭剛剛分離這段時間。是操動機構(gòu)動作時間燃弧時間：從觸頭剛分離開始至三相電弧完全熄滅為止。表明斷路器滅弧能力的大小。

低速動作斷路器﹥0.12s中速動作斷路器=0.08～0.12s高速動作斷路器﹤0.08s第9頁/共64頁第10頁/共64頁3.關(guān)合短路故障預(yù)伏故障：電力系統(tǒng)中的電器設(shè)備或輸電線路有可能在未投入運行前就已存在絕緣故障，甚至處于短路狀態(tài)。在這種預(yù)伏故障狀態(tài)下關(guān)合電路，將發(fā)生斷路器關(guān)合短路的嚴重情況。出現(xiàn)關(guān)合短路電流時在斷路器的動靜觸頭還沒有接觸閉合下，觸頭間隙即可被擊穿而形成電弧。由于短路電流強大的電動力，可使動觸頭因受阻力作用而不能與靜觸頭吻合，造成持續(xù)燃燒著的電弧。因此，斷路器應(yīng)具有足夠的關(guān)合短路電流的能力。標(biāo)志關(guān)合短路電流能力的參數(shù)是：額定短路關(guān)合電流(kA，峰值)斷路器在額定電壓以及規(guī)定的使用和性能條件下，能保證正常關(guān)合的最大短路峰值電流。第11頁/共64頁合閘時間：在額定操作電壓下，從斷路器合閘線圈通電開始至主觸頭剛接觸為止。第12頁/共64頁4.自動重合閘在線路保護中，通常都安裝有自動重合閘裝置，在輸電線路發(fā)生故障后，首先由繼電保護裝置動作驅(qū)動斷路器跳開輸電線路，然后經(jīng)過延時，由自動重合閘裝置驅(qū)動斷路器把輸電線路合上，如果線路中已經(jīng)不存在故障，則開關(guān)不在動作，輸電線路正常輸電，如果線路中故障仍然存在，則繼電保護裝置再次動作驅(qū)動斷路器跳開輸電線路。從這一過程來看，斷路器的動作情況可能是以下兩種情況之一：a.斷路器跳閘（輸電線路出現(xiàn)故障）→斷路器合閘（自動重合閘裝置驅(qū)動）b.斷路器跳閘（輸電線路出現(xiàn)故障）→斷路器合閘（自動重合閘裝置驅(qū)動）→斷路器跳閘（線路還存在故障）顯然，對于以上兩種情況，斷路器都面臨著在短時間內(nèi)進行多次操作，特別是后一種情況，斷路器更是在短時間內(nèi)多次分斷故障電流。對于進行自動重合閘的開關(guān)，沒有具體的指標(biāo)描述，但在進行開關(guān)選擇時，多選擇開斷容量大或開斷電流大的斷路器。第13頁/共64頁5.分合各種空載、負載電路斷路器在分合各種空載線路、容性負載和感性負載時，在分合過程中會遇到電壓和電流的過渡過程，通常影響到開關(guān)的是分合過程中的過電壓。標(biāo)志這方面分合能力的主要參數(shù)是額定電壓，分合架空輸電線路和電纜的長度（km）以及變壓器、電容器組的容量等。6.允許分合次數(shù)一般斷路器允許空載分合次數(shù)（也稱機械壽命）為2000次。第14頁/共64頁(二)一般電氣性能方面

1.電壓高壓斷路器除了要能長期承受相應(yīng)的最大工作電壓外，還應(yīng)耐受高于額定電壓的各種過電壓作用，而不會導(dǎo)致絕緣的損壞。標(biāo)志這方面性能的參數(shù)是：工頻試驗電壓、全波和截波沖擊試驗電壓、操作波試驗電壓。

2.電流(1)額定電流(A，有效值):

斷路器在閉合狀態(tài)下導(dǎo)電系統(tǒng)能長期通過的電流。在額定頻率下通過這一電流時，各個金屬部位和絕緣的溫升不能超過國家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的數(shù)值。額定電流在某種程度上決定了導(dǎo)體及觸頭的尺寸。

第15頁/共64頁(2)額定峰值耐受電流或動穩(wěn)定電流(kA，峰值)(PeakWithstandCurrent)是斷路器在閉合位置所能允許通過的最大電流峰值。表征開關(guān)導(dǎo)電部分及支持絕緣部分的機械強度，在通過這一電流后開關(guān)不應(yīng)損壞且能繼續(xù)正常工作。(3)額定短時耐受電流或熱穩(wěn)定電流(kA，有效值)是在規(guī)定的短時間內(nèi)，斷路器在閉合位置所能耐受的電流。流過這一電流期間，斷路器的溫升，不應(yīng)超過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的短時發(fā)熱允許溫度。

第16頁/共64頁額定電流額定短路開斷電流額定熱穩(wěn)定電流額定動穩(wěn)定電流額定短路關(guān)合電流除額定電流外，額定動穩(wěn)電流、額定關(guān)合電流、額定開斷電流、額定熱穩(wěn)電流都是同一短路電流在不同工況下或不同時刻出現(xiàn)的電流峰值或有效值，但各有其特指的表征含義。第17頁/共64頁幾個電流之間的關(guān)系為：都以短路發(fā)生后約半個工頻周期處出現(xiàn)的沖擊電流峰值表示第18頁/共64頁(三)自然環(huán)境方面1.海拔高度海拔高度對高壓電器主要有兩方面的影響：(1)對外部絕緣的影響。(2)對電器發(fā)熱溫度的影響2.環(huán)境溫度3.濕度4.地震5.污穢6.風(fēng)力7.覆冰第19頁/共64頁四、少油斷路器1.SN10-10少油斷路器1-鋁帽2-上接線端子3-油標(biāo)4-絕緣筒5-下接線端子6-基座7-主軸8-框架9-斷路彈簧外形結(jié)構(gòu)圖第20頁/共64頁DL在合閘位置時，形成的導(dǎo)電回為：上接線端子—靜觸頭—導(dǎo)電桿—中間觸頭—下接端子分閘時，導(dǎo)電桿與靜觸頭分開，導(dǎo)電回路即被切斷而產(chǎn)生電弧，油在高溫下蒸發(fā)分解成大量氣體，油壓增高。隨著動觸頭繼續(xù)下移，在滅弧室內(nèi)油氣混合物對電弧進行橫吹和附加縱吹，使電弧熄滅。第21頁/共64頁圖2.13SN10-10少油斷路器滅弧過程：從動、靜觸頭分開產(chǎn)生電弧到第一吹弧道打開，稱為封閉氣泡階段。在此階段電弧處在靜止的氣泡中，冷卻作用差，電弧難以熄滅。動觸頭繼續(xù)向下運動，第一、第二、三吹弧道相繼打開，滅弧室內(nèi)的高壓氣體經(jīng)吹弧道向外排出，對電弧橫向吹拂，使電弧強力冷卻與去游離。滅弧室由幾種不同形狀的滅弧片疊裝而成第22頁/共64頁操動機構(gòu)接到分、合閘信號后，在外界能源作用下，使主軸2轉(zhuǎn)動，再通過連桿5帶動斷路器主軸1和導(dǎo)電桿完成斷路器的分、合閘操作。第23頁/共64頁

高壓斷路器的可以進行手動操作和電動操作，無論何種操作方式，都要通過操作機構(gòu)完成開關(guān)的分合閘操作。操作機構(gòu)一般地由以下幾個部分組成：1）能量轉(zhuǎn)換機構(gòu)高壓開關(guān)的分、合閘的最后完成都要依靠機械能來實現(xiàn)，因此存在著把電能轉(zhuǎn)換為機械能的轉(zhuǎn)換機構(gòu)，這種把電能轉(zhuǎn)化為機械能的機構(gòu)有電磁鐵（早期斷路器多采用這種操作機構(gòu)，特點是分、合閘電流很大，特別是合閘電流，可達70~90安培）、電動機（多應(yīng)用于隔離開關(guān)）、液壓傳動機構(gòu)和壓縮空氣工作缸（目前斷路器采用比較多的操作機構(gòu)）。2）聯(lián)動機構(gòu)用于把能量轉(zhuǎn)換機構(gòu)中的機械能轉(zhuǎn)換為開關(guān)動作，一般由四邊形連桿機構(gòu)、拐臂和拉桿組成。3）保持機構(gòu)把操作過程保持在進行中的狀態(tài)，防止命令消失引起的操作失敗。4）釋放機構(gòu)在操作完成后實現(xiàn)對機構(gòu)狀態(tài)的返回。第24頁/共64頁

在進行分、合閘操作時，操作機構(gòu)可能出現(xiàn)的各種工作情況都要綜合考慮到，對開關(guān)操作機構(gòu)提出以下要求：1）合閘對于合閘操作，希望開關(guān)能迅速動作把電路接通，避免電弧對觸頭的燒傷，因此，對操作機構(gòu)要求有足夠的合閘能量，具體到不同的操作機構(gòu)有不同的要求，如液壓操作機構(gòu)的液壓要保持在適當(dāng)?shù)姆秶?，氣動操作機構(gòu)的氣壓要保持在適當(dāng)?shù)姆秶瑥椈蓛δ軝C構(gòu)在合閘前要預(yù)先完成儲能工作等，如果液壓、氣壓等不符合要求，將自動啟動油泵、風(fēng)機等機械加壓。第25頁/共64頁2）保持合閘開關(guān)的合閘和分閘，可以有以下幾種操作方式：由操作人員通過控制屏（一般設(shè)在主控制室）或開關(guān)跟前的端子箱通過操作把手或按鈕完成，也可以由操作人員通過遠動系統(tǒng)的調(diào)度端下達操作命令，通過遠動系統(tǒng)的信道把命令傳送到設(shè)在變電所的執(zhí)行端，執(zhí)行端對命令進行處理后發(fā)出分閘或合閘脈沖。無論是何種操作方式，都應(yīng)該有相應(yīng)的電路對分閘或合閘脈沖進行保持，同時，在操作完畢且相應(yīng)的操作信號撤消后，開關(guān)觸頭仍應(yīng)該保持在操作后位置，以上兩個功能的實現(xiàn)全賴操作機構(gòu)的保持功能完成。3）分閘斷路器在合閘過程中，需要在外力的作用下，把四邊形連桿機構(gòu)推動到一個位置，在這個位置上，四邊形連桿機構(gòu)達到一個平衡，因此進行開關(guān)的合閘操作所需要的力是比較大的（與分閘相比），與合閘過程不同，分閘則是需要一個外力打破四邊形連桿機構(gòu)的平衡，因此，所需外力要小一些。一般來說，斷路器的合閘和分閘操作都要經(jīng)外力實現(xiàn)。第26頁/共64頁4）自由脫扣自由脫扣指的是在斷路器合閘過程中接收到分閘命令時，機構(gòu)終止執(zhí)行合閘命令而改為執(zhí)行分閘命令。如果沒有自由脫扣功能，則斷路器在把設(shè)備合閘到故障上時，繼電保護將無法快速跳開斷路器，同樣地斷路器在把設(shè)備合閘到故障上而合閘命令尚未解除（保持），則會出現(xiàn)斷路器重復(fù)進行合閘---分閘的動作（跳躍現(xiàn)象）。5）防止跳躍6）復(fù)位在完成開關(guān)操作后，操作機構(gòu)能進入相應(yīng)狀態(tài)預(yù)備進行下一次操作。7）連鎖開關(guān)位置連鎖：利用開關(guān)之間的位置信號實現(xiàn)；操作機構(gòu)狀態(tài)閉瑣：在開關(guān)和操作機構(gòu)出現(xiàn)異常狀態(tài)時，對開關(guān)操作命令進行閉瑣。第27頁/共64頁2.SW-110型斷路器

SW-110型斷路器由三個獨立的Y形單元組成，每個Y形單元構(gòu)成一相的斷路單元。1---底架2---提升桿3---支持套管5---中間機構(gòu)箱6---滅弧室第28頁/共64頁第29頁/共64頁3.六氟化硫(SF6)斷路器一、氣體特性：SF6由F原子與S原子結(jié)合而成，分子結(jié)構(gòu)是個完全對稱的八面體，S原子居中，六個角上是F原子，F(xiàn)與S原子間以共價鍵聯(lián)結(jié)。物理性能：無色、無臭、無毒、不可燃的惰性氣體；化學(xué)性能：在常溫下是極為穩(wěn)定的氣體，其惰性遠遠超過氮氣；絕緣性能：在三個大氣壓時，它與變壓器油的絕緣強度相等，壓力越高，絕緣性能越好。在均勻電場及相同壓力下，它的絕緣性能為空氣2～3倍；滅弧性能：SF6具有很強的滅弧能力，在自由開斷的情況下，它的滅弧能力要比空氣大約100倍。第30頁/共64頁(二)六氟化硫斷路器的典型結(jié)構(gòu)瓷瓶支持敞開式結(jié)構(gòu)，如圖所示。滅弧室被密封在瓷套管1內(nèi)，并固定在支持瓷瓶上。斷路器出線端和靜觸頭座2相連，動觸桿3通過傳動機構(gòu)4、連桿5和斷路器的操作箱14相連接。操作箱內(nèi)裝有氣動操作機構(gòu)。第31頁/共64頁滅弧室內(nèi)由主動、靜頭6、7組成主導(dǎo)電回路，以及由輔助動、靜觸頭8、9組成的弧觸頭回路，前者僅通過電流，而電弧的燃燒與熄滅是在輔助觸頭上，這樣可以提高主觸頭的載流能力和使用壽命。13--密度繼電器可以直接反映氣體的泄漏情況。在發(fā)生氣體泄漏密度降低時發(fā)出信號，真實的反映氣體的泄漏情況第32頁/共64頁1—安全閥

2—箱體

3—觀察窗

4—箱蓋

5—操作機構(gòu)

6—車架

7—電流互感器

8—絕緣套管

9—隔離觸指10—氣壓表第33頁/共64頁4.真空斷路器第34頁/共64頁五、熔斷器與高壓負荷開關(guān)1.熔斷器熔斷器是一種最簡單的保護電器，串接在電路中使用。當(dāng)電路中通過短路電流或過載電流時，利用熔體產(chǎn)生的熱量使其本身熔斷，從而切斷電路。它不能用以正常切斷或接通電路，而必須和其它電器配合使用；當(dāng)熔斷器熔體熔化后必須更換，需短時停電。基本結(jié)構(gòu)：金屬熔體、支持熔體的觸頭裝置和外殼參數(shù)和型號：額定電壓、額定電流、熔體的額定電流、極限分斷能力熔體的額定電流不得超過熔斷器的額定電流。第35頁/共64頁型號表示方式：第36頁/共64頁2.高壓負荷開關(guān)有簡單的滅弧裝置和明顯的斷開點，可通斷負荷電流和過負荷電流，有隔離開關(guān)的作用，但不能斷開短路電流。負荷開關(guān)常與熔斷器一起使用，借助熔斷器來切除故障電流。第37頁/共64頁六、直流快速開關(guān)

由前面分析知，直流電弧是非線性電阻，其電弧的熄滅過程和交流電弧不同，其電弧電流在時間上不過零點，屬于非周期變化，要使直流電弧熄滅較為困難。除了在直流開關(guān)中加強各種熄弧措施外，最有效的方法是采用固有動作時間很小的快速開關(guān)，加速斷開短路的過負荷電流。為了說明直流開關(guān)快速動作的必要性，可從對直流牽引網(wǎng)短路電流增長特性的分析中得到解答。第38頁/共64頁

直流牽引網(wǎng)是含電感L和電阻R的路，特別是在近處短路時，R很小，如網(wǎng)壓為U，穩(wěn)態(tài)短路電流則極大?？杀磉_為：它是按指數(shù)曲線增長的。短路電流的增長迅速，為了避免對電氣設(shè)備的損壞，并改善直流開關(guān)的熄弧條件，必須在其在到危險值這前快速斷路。第39頁/共64頁第40頁/共64頁曲線1—穩(wěn)態(tài)短路電流曲線曲線2—快速開關(guān)的電流整定值和全分斷時間的關(guān)系曲線

--快速開關(guān)的電流整定值T—全分斷時間其中T包括：t1—電流達到整定值所需的時間；t2—開關(guān)斷路的固有時間，它由快速開關(guān)的結(jié)構(gòu)所決定；t3—電弧燃燒時間，它與熄弧措施和結(jié)構(gòu)所決定。第41頁/共64頁變壓器常用于儀器測量用途，以使電壓或電流匹配儀表和其它儀器的量程，例如，大多數(shù)電力系統(tǒng)的測量儀器，電壓以0—120V有效值為量程，電流以0—5A有效值為量程。由于電力系統(tǒng)的線-線電壓高達110kV，電流可能為數(shù)十kA，就需要一些方法，將這些信號以精確而又低量級的形式，提供給測量儀器。一個通用的方法是采用專用變壓器：電壓互感器電流互感器第42頁/共64頁第43頁/共64頁第44頁/共64頁七、互感器第45頁/共64頁互感器在電力系統(tǒng)中的作用是：①將一次回路的高電壓和大電流變?yōu)槎位芈窐?biāo)準(zhǔn)的低電壓和小電流，使測量儀表和繼電器標(biāo)準(zhǔn)化、小型化，電壓為100V、100/V，電流為5A或1A；②使二次系統(tǒng)設(shè)備與高壓側(cè)隔離，且互感器二次側(cè)均接地，從而保證了設(shè)備和人身的安全。第46頁/共64頁(一)電壓互感器工作原理與工作狀態(tài)：電壓互感器的工作原理、基本結(jié)構(gòu)、繞組的連接方式都與電力變壓器相同。一次側(cè)繞組并聯(lián)在線路上，儀表的電壓線圈與二次繞組并聯(lián)要求將一次側(cè)的高壓，變換為測量儀表需要的電壓(100V)，則PT相當(dāng)于一個降壓變壓器，N1>N2一次繞組多而細，二次繞組少而粗。第47頁/共64頁特點：容量小，類似一臺小容量變壓器；額定變壓比：

其中原繞組額定電壓是電網(wǎng)額定電壓，已標(biāo)準(zhǔn)化，副繞組額定電壓則統(tǒng)一設(shè)計為100V，所以Ke也標(biāo)準(zhǔn)化。三相PT為一、二次側(cè)線電壓之比。二次負荷恒定，在理想條件下可認為電壓互感器是電壓源。第48頁/共64頁電壓互感器的誤差：1.電壓誤差：電壓誤差能引起所有儀表和繼電器產(chǎn)生誤差。2.角誤差：原邊電壓相量與旋轉(zhuǎn)過180°的副邊電壓相量之間的夾角稱為角誤差。角誤差對功率型儀表和繼電器及反映相位保護裝置都有影響。?電壓互感器在正常運行中，其副繞組所接測量儀表和繼電器的電壓線圈阻抗很大，二次電流很小，電壓互感器副邊工作在近似開路狀態(tài)，相當(dāng)于變壓器副邊空載運行。第49頁/共64頁

通常0.1、0.2級互感器用于實驗室精密測量，0.5級用于供電給瓦時計，1級和3級用于一般測量儀表。電壓互感器使用注意事項：電壓互感器在工作時，其一、二次側(cè)不得短路。一次側(cè)短路時會造成供電線路短路；二次回路中，由于阻抗較大近于開路狀態(tài)，發(fā)生短路時，將在副繞組中流過一個很大的短路電流，有可能造成電壓互感器燒損。因此，應(yīng)在一、二次側(cè)裝設(shè)熔斷器進行短路保護。電壓互感器二次側(cè)有一端必須接地。目的是為了防止一、二次繞組的絕緣擊穿時，一次側(cè)的高壓竄入二次回路中，危及設(shè)備及人身安全，通常將公共端接地。第50頁/共64頁

隨著電網(wǎng)電壓的提高，電磁式電壓互感器的體積將越來越大，造價也越來越高，因此需尋求其他型式的電壓互感器來代替電磁式電壓互感器。電容式電壓互感器：體積小，重量輕，制造簡單，造價低。在110kV及以上中性點直接接地系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。其實質(zhì)：電容分壓器第51頁/共64頁型號：第52頁/共64頁(二)電流互感器一次側(cè)繞組串聯(lián)在線路上，儀表的電流線圈與二次繞組串聯(lián)要求將一次側(cè)的大電流，變換為測量儀表需要的小電流(5A)，N1<N2一次繞組匝數(shù)少，二次繞組匝數(shù)多。第53頁/共6