高壓開關簡介

1、高壓開關設備簡介高壓設備是指額定電壓3.6KV及以上的電器設備，主要功能是在高壓線路中用來實現關合、開斷、控制、保護、調節(jié)和測量。高壓電器按其用途可分為開關電器、測量電器、限制電器和組合電器。其中開關電器又可分為斷路器、隔離開關、接地開關、負荷開關、熔斷器、重合器、分段器等；測量電器可分為電流互感器和電壓互感器；限制電器可分為電抗器（限制過電流）和避雷器（限制過電壓）；組合電器是指將兩種或兩種以上的高壓電器，按照電力系統(tǒng)的主接線要求組成一個有機的整體而各電器扔保持原功能的裝置，可以分為封閉式組合電器（GIS）、敞開式組合電器、復合式組合電器（HGIS）。高壓斷路器是電力系統(tǒng)中重要的電氣設備之一

2、， 它使用數量多、范圍廣，應用在電力系統(tǒng)的各種電壓等級中。主要作用是在正常情況下，控制各種電氣設備和電力線路的開斷及投入；在電力系統(tǒng)發(fā)生故障時，與繼電保護及自動裝置配合，快速地切斷電力系統(tǒng)中的故障電流，防止故障電流波及到整個電力系統(tǒng)中造成巨大的損失，以保持電力系統(tǒng)的正常運行。因此，斷路器各機構的工作可靠性，直接影響著整個電力系統(tǒng)的穩(wěn)定。 1.1高壓斷路器概述 1. 1. 1斷路器分類 自從1893年在美國誕生了世界第一臺斷路器以來，斷路器的理論和制造技術己取得了長足的進步和發(fā)展。通常，按照斷路器所采用滅弧介質和滅弧方法的不同，可將斷路器劃分為如下幾類： （1）油斷路器：以絕緣油為滅弧介質。進一

3、步可細分為多油斷路器和少油斷路器?，F在各種斷路器中，油斷路器是最早出現的、歷史最悠久的斷路器。在我國，油斷路器是電力系統(tǒng)中使用最多的高壓斷路器。油斷路器是在絕緣油中切斷電弧的，對大地的絕緣是靠支持絕緣件和絕緣油來保持的。 （2）真空斷路器：在高度真空中進行滅弧的斷路器，由美國Jennings公司于1955年推出。使用安全，維護簡單，噪聲小，壽命長，占地面積小，但散熱效果較差，提高額定電流也有困難。 （3）SF6斷路器：以六氟化硫等惰性氣體作為滅弧介質，由美國西屋公司于1956年推出。 利用高壓力的惰性氣體SF6吹拂、 冷卻電弧使之熄弧，用較低壓力的氣體作絕緣，而較高壓力的氣體作吹弧用。具有開斷

4、性能好，電壽命長，使用安全，檢修周期長等優(yōu)點。此斷路器在五十年代開始使用，七十年代后大量使用而且發(fā)展為全封閉式組合電器，成為超高壓等級電力斷路器的最主要的品種。6SF斷路器分為瓷柱式和罐式兩種。 （4）壓縮空氣斷路器：以壓縮空氣為滅弧介質，由德國AEG公司在1930年首先推出。壓縮空氣斷路器切斷電路是利用貯存罐內貯存的壓縮空氣作用 于斷開觸頭時產生的電弧而把電路斷開的。斷開電路后觸頭間絕緣是靠主觸頭間的斷口以及串聯的其它斷口來保持。對大地的絕緣靠支持絕緣件、壓縮空氣來保持。 （5）磁吹斷路器：磁吹斷路器在切斷電路時利用分斷電流所產生的磁場對觸頭分離時產生的電弧的作用，把電弧推入柵式滅弧裝置內使

5、其熄滅，對大地的絕緣是靠支持絕緣件來保持。 現在，運行中的斷路器大多采用少油或無油等方法來滅弧，多油斷路器由于存在事故隱患而逐漸被淘汰。目前，在我國的高壓電網中，少油斷路器和六氟化硫斷路器所占的比重較大；而在超高壓和特高壓電網幾乎都是六氟化硫斷路器。 1. 1. 2斷路器主要用途 高壓斷路器是高壓電力系統(tǒng)中最重要的控制和保護設備。高壓斷路器應該做到能夠開斷、關合及承載運行線路的正常電流， 也能在規(guī)定時間內承載、關合及開斷規(guī)定的異常電流，如過載電流和短路電流。概括的講，高壓斷路器在電網中起兩方面的作用:一方面，控制作用。根據電網運行需要，用高壓斷路器把一部分電力設備或線路投入或退出運行，這種作用

6、稱為控制。 另一方面，保護作用。高壓斷路器還可以在電力線路或設備發(fā)生故障時將故障部分從電網快速切除，保證電網中的無故障部分正常運行。這種作用成為保護。 1.2 SF6高壓斷路器的發(fā)展及其特點 2.2.1 SF6氣體的性質 近年來，SF6氣體作為斷路器的滅弧介質得到了迅速的發(fā)展。SF6氣體是理想的氣體絕緣介質和滅弧介質，在均勻電場中SF6氣體的絕緣強度約為空氣的2.5倍，其滅弧能力是則為空氣的100倍以上，它的滅弧能力非常強，由導電電弧向絕緣體的變化速度非?？?。因而在高壓斷路器中，SF6既可作為滅弧介質，又可作為絕緣介質。在各種特性中SF6氣體最顯著的特點有：優(yōu)良的基本性能，特異的熱化學性能和很

7、強的電負性。 （1）SF6氣體的基本性能 純SF6是無色、無味、無毒和不可燃的鹵素化合物氣體。在0-20C和0.1MPa時，其相對密度為6.135，即是空氣相對密度的5倍。在0.1MPa氣壓時，沸點為-060C。SF6氣體容易液化。在0.1MPa和0-62C時，SF6仍能保持氣體狀態(tài)，而在0.5MPa是，0-30C時其就要液化。 SF6的傳熱系數，包括對流作用，為0.034，是空氣的1.6倍。 純凈的6SF氣體是穩(wěn)定和無毒的介質，但是高溫分解出來的低氟化物卻具有劇毒。 （2）SF6氣體的化學特性 常溫常壓下SF6氣體是種可與氮氣相比的性能十分穩(wěn)定的氣體。SF6氣體的自分解溫度大約為800K，1

8、000K時出現SF4和F，3000K時SF6完全消失分解為+S，+F，-S和-F，5000K時SF4也消失， 7500K時形成了自由電子、原子或離子態(tài)的S和F組成的等離子體。 SF6斷路器開斷電路時，在電弧的高溫作用下，SF6氣體與觸頭材料（W，Cu）和金屬材料(A1)會產生化學反應，主要為4SF+W+Cu4SF+WFCuF+ （2-1） 其他還有 62622SF+W+Cu2SF+WFCuF+ （2-2） 622624SF+3W+Cu2SF+3WFCuF+ （2-3） 3Al+3FAlF （2-4） 此外，6SF氣體還可能與石墨（C）、絕緣材料（xCHy）和聚四氟乙烯（2CF）發(fā)生化學反應產生

9、HF和4CF。其中6WF與水繼續(xù)反應還會生成3WO，C ，2MF的固態(tài)金屬氟化物，呈粉末狀沉積在滅弧室底部， 而2SF和22SF在電弧作用下、還會再次反應成4SF。以上各種反應可以看成是6SF氣體在電弧作用下的一次反應過程，這一過程大約在出現電弧后一秒內完成。 （3）6SF氣體的電負性 不僅6SF氣體，通常鹵素元素及其化合物氣體，都具有電負性，即分子或離解原子具有生產負離子的傾向，而6SF氣體的這種傾向非常強。6SF和由它分解產生的鹵族分子和原子強烈地吸附電弧中的電子，形成負離子，而負離子的質量又比電子大得多。在電場作用下負離于的移動速度比電子小得多。因此，在電場中運動時很容易與正離子復合形成

10、中性分子。因此，空間導電性的消火過程非常迅速，此種現象與電離空間的冷卻能力非常強的情況具有同樣的效果，從而電弧在電流零依附近空間電導率的變化非?？?。 將上述過程簡化并得到一個反應過程表示如下：（2-7） 對于滅弧來說，大量6SF中性分子與電弧接觸是有效的方法。 2.2.2 6SF高壓斷路器的發(fā)展過程 根據6SF斷路器滅弧室結構的變化，6SF斷路器的發(fā)展過程可劃分為以下三個階段： （1）第一代6SF斷路器 第一代6SF斷路器是沿用壓縮空氣斷路器的原理，配置壓縮機將6SF氣體壓縮到高壓罐（1.21.5MPa）內。當觸頭開斷時打開主氣閥，高壓力的6SF氣體通過主氣閥，在滅弧室噴口中形成高速氣流經過弧

11、隙噴向低壓區(qū)（0.20.3MPa），是電弧過零時熄滅。因為滅弧室結構有兩種壓力，所以稱它為雙壓式滅弧室。這種斷路器需要氣壓泵和加壓裝置，結構復雜，適應環(huán)境能力差，已經被淘汰。 （2）第二代6SF斷路器 隨著各國對6SF斷路器的不斷研制和開發(fā)，設計出了單壓式滅弧室，產生了單壓式6SF斷路器。與第一代相比，具有結構簡單、滅弧性能好、生產成本低的特點。這中斷路器只充入較低壓力的6SF氣體（0.50.7MPa），分閘時靠動觸頭帶動壓氣缸，產生瞬時壓縮氣體吹弧。 （3）第三代6SF斷路器 第三代6SF斷路器是指具有“自能”滅弧功能的6SF斷路器。它具有開斷能力強，操動機構功率小的優(yōu)點，有利于新型操動機構

12、的小型化，應用前景廣闊。這種6SF斷路器在開斷電流時，依靠短路電路電弧自身的能量加熱6SF氣體，產生滅弧所需要的高壓氣；在開斷小電感電流和小電容電流時，電弧自身的能量不足于加熱6SF氣體，產生滅弧所需要的高壓氣，這時依靠機械輔助壓氣建立高氣壓，不易產生載流過電壓。 隨著電力系統(tǒng)電壓等級的不斷提高，人們迫切需要和尋求一種體積更小、性能更好、維護更簡單的高壓電氣設備，又研制和生產出了一種氣體絕緣金屬封閉式組合電器（GIS）。它是由斷路器、隔離開關、接地開關、電流互感器、電壓互感器、霹雷器、母線以及這些元件的封閉外殼、伸縮節(jié)、出線套管等組成，內部充入一定壓力的6SF氣體作為GIS的絕緣和滅弧介質。2

13、.2.3 6SF高壓斷路器的特點 （1）6SF路器的優(yōu)點 1）6SF氣體絕緣強度高。 電氣設備的絕緣距離可以大幅度減小，可優(yōu)化滅弧室結構， 單元電壓可以做得很高， 同樣的電壓等級下串聯斷口減少，有利于高壓斷路器的小型化。 2）滅弧能力強，觸頭燒損輕微，檢修周期長。目前6SF斷路器一般都能夠達到額定開斷短路電流1025次，大修周期達1520年之久。 3）開斷容量大，額定開斷短路電流可達4063kA，最大的已達到了80kA。斷開大短路電流時滅弧快，不重燃，不會有火災危險。 4）斷開小電感電流和小電容電流時，滅弧特性好，恢復電壓不高，過電壓值很小，不易產生操作過電壓。 5）操作所需操動能量小，操動機

14、構體積小，分、合閘特性好。 6）模塊化結構簡單，體積小，重量輕，安裝、調試方便，適用于各種不同的地理和環(huán)境要求。 7）封閉的6SF氣體保持了內部的干燥，不受潮，不受外部環(huán)境條件的影響。 8）操作簡單，安全，無火災危險，檢查巡視方便，運行維護工作量少。 9）技術含量高，制造工藝精良，機械、電氣特性好，使用壽命長。 （2）6SF斷路器的缺點 1）價格昂貴，一次性投資達。 2）技術標準、工藝要求高，一般要求安裝、調試、大修由制造廠家進行或制造廠委派專業(yè)技術人員并在其指導下進行作業(yè)。 3）試驗項目、試驗條件、試驗標準等要求嚴格，試驗設備復雜、精確度高，要求操作人員技術水平較高。 4）安裝、檢修、試驗時

15、，對6SF氣體的管理、回收、處理等要求嚴格。 5）安裝、檢修、試驗時，對水分含量的要求特別嚴格，處理方法復雜。 6）由于技術含量高，所需知識范圍廣，致使現場人員對一些現象的正確分析、判斷、處理比較困難。2.2.4 6SF斷路器的分類 （1）按滅弧室結構原理6SF斷路器可分為：雙壓式、單壓式、自能式 1）雙壓式：雙壓式滅弧室有高壓和低壓兩個氣壓系統(tǒng)，滅弧時，噴口打開，高壓6SF氣體經過噴口吹向低壓系統(tǒng)，與電弧發(fā)生能量交換使電弧熄滅。雙壓式6SF斷路器工作性能雖然良好，但必須配置一臺在密封循環(huán)中工作的氣體壓縮機，結構復雜、價格昂貴。 2）單壓式：單壓式6SF斷路器只有一個氣壓系統(tǒng)，滅弧室的可動部分

16、帶有壓氣裝置， 靠分閘過程中活塞氣缸的相對運動， 造成短時間的氣壓升高，產生吹弧作用來熄滅電弧。 3）自能式：自能式滅弧原理是最大限度地利用電弧自身的能量，加熱膨脹室或氣壓室中6SF氣體建立起高氣壓，形成壓差， 通過高壓力6SF膨脹，在噴口處形成高速氣流，與電弧發(fā)生強烈的能量交換，當電流過零時，達到熄滅電弧的目的。 （2）按外形結構可分為：絕緣子支柱式和落地罐式 1）絕緣子支柱式：這類型斷路器的結構特點是安置觸頭和滅弧室的容器是金屬筒或是絕緣筒，且處于高電位，靠支持絕緣子對地絕緣。 2）落地罐式：這類型斷路器結構特點是觸頭和滅弧室裝于接地的金屬箱中，導電回路靠絕緣套管引入，高壓帶電部分與外殼之

17、間的絕緣主要由SF6氣體和環(huán)氧樹脂澆注絕緣子承擔。它的主要優(yōu)點是可以在進出線套管上裝設電流互感器，以提供電流信號，和利用出線套管的電容制成電容式分壓器，以提供電壓信號，還能與隔離開關、接地開關、避雷器等融為一體，組成復合式開關設備。 （3）按電壓等級可分為： 3.3kv、10kv、40.5kv、55kv、72.5kv、126kv、252kv、363kv、550kv、660kv、765kv、800kv、1100kv。 2.3 SF6斷路器基本結構 SF6斷路器的基本結構組成，主要有： （1）導電部分。它包括動、靜弧觸頭和主觸頭或中間觸頭以及各種形式的過渡連接等，其作用是通過工作電流和短路電流。

18、（2）絕緣部分。主要包括SF6氣體、瓷套、絕緣拉桿等，其作用是保證導電部分對地之間、不同相之間、同向斷口之間具有良好的絕緣狀態(tài)。（3）滅弧部分。主要包括動、靜觸頭、噴嘴以及壓氣缸等部件，其作用是提高熄滅電弧的能力，縮短燃弧時間。 （4）操動機構。主要指各種型式的操動機構和傳動機構，它的作用是實現對斷路器規(guī)定的操作程序，并使斷路器能夠保持在相應的分、合閘位置。 2. 3. 1 SF6斷路器典型結構 SF6斷路器主要包括帶電箱殼式和接地箱殼式兩種典型的結構。 圖中開斷元件是斷路器用來進行關合、承載和開斷正常工作電流和故障電流的執(zhí)行元件，它包括觸頭、導電部分和滅弧室等。觸頭的分合操作是靠操動機構來帶

19、動的，常用操動機構有電磁操動機構、彈簧操動機構、壓縮空氣操動機構和液壓操動機構等。 開斷元件放在絕緣支柱上，如圖2-1 (a)，使處于高電位的觸頭、導電部分及滅弧室與地電位絕緣，絕緣支柱則安裝在接地的基座上。這類結構成為外殼帶電斷路器，也有人稱之為絕緣支柱斷路器。 另一類結構的斷路器稱為外殼接地斷路器(又稱落地罐式)，如圖2-1 (b)所示。開斷元件放在接地的箱殼中，其間的絕緣依靠SF6氣體來承擔，導電部分經套管引入，結構比較穩(wěn)定，常在額定電壓高的電壓、超高壓和特高壓斷路器中使用。 2. 3. 2 SF6高壓斷路器操動機構的構成 無論哪一種斷路器，都必須能夠進行機械運動，可以分離或接通觸頭，同

20、時還需要為控制電弧而操縱滅弧介質等的運動。為了操作這些可動部件，斷路器具有控制機械運動的部件，即操動機構。對此操動機構，要求具有獨特的結構和機能，以滿足斷路器的使用目的。 操動機構的機能簡單的說就是如下四項并成一體的反復操作：（1）接受合閘指令關合觸頭。(合閘) （2）使觸頭保持在關合位置。(保持合閘) （3）接受分閘指令使觸頭分離。(脫扣) （4）使觸頭保持在分離位置。(保持開路) 6SF斷路器的分合閘要靠一定的能源和機械操動系統(tǒng)來實現。合分閘能源可以是彈簧能、氣體或液體的壓縮能等；一般，6SF斷路器的操動機構分為壓縮空氣操動機構、彈簧操動機構以及液壓操動機構。 機械操動機構大致可分為三部分

21、： （1）操動機構：指斷路器本體外的和操動能源直接聯系的機械傳動裝置； （2）提升機構：指直接帶動斷路器動觸頭運動的機構； （3）傳動機構：是指連接操動機構和提升機構的中間環(huán)節(jié)。 此外，斷路器操作是速度很高，為了減輕斷路器在分合閘終了時的撞擊，避免零部件的損壞，需要在斷路器機構的適當部位(一般在提升機構的附近)裝設分、合閘緩沖器。斷路器的分閘緩沖一般都采用油緩沖器，合閘緩沖可用彈簧緩沖器。 操動機構、傳動機構和提升機構的職能雖然不同，但它們實質上都是以四連桿機構為基礎構成的。另外，絕大部分斷路器的觸頭都是作直線運動或近似直線運動，而斷路器的主軸則作旋轉運動，因此在斷路器的機械操動系統(tǒng)中必須有一

22、個能把旋轉運動變?yōu)橹本€運動的機構。 由此可見，斷路器的操動機構是由許多的機械部分組合而成。因此，斷路器能否開斷短路電流的前提是其操動機構的每一組成部分都能正確無誤的動作。 2. 3. 36SF高壓斷路器對操動機構的要求 （1）合閘 在電網正常工作時，用操動機構使斷路器關合，這是電路中流過的是工作電流，關合是比較容易的。但在電網事故情況下，如斷路器關合到有預伏短路故障的電路時，情況就要嚴重的多。因為斷路器關合時，電路中出現的短路電流可達幾萬安以上，斷路器導電回路受到的電動力可達幾千牛以上。另一方面，從斷路器導電回路的布置以及觸頭結構來看，電動力方向又常常是阻礙觸頭關合的。因此，在關合有預伏短路故

23、障的電路時，由于電動力過大，斷路器有可能出現觸頭不能關合，從而引起觸頭嚴重燒傷，甚至斷路器爆炸等嚴重故障。 總之，就合閘操作而言，操動機構應有足夠能力來帶動斷路器可靠關合電路。標志操動機構合閘能力大小的一項指標是操動機構輸出的機械功。 （2）保持合閘 由于合閘過程中，合閘命令的持續(xù)時間很短，而且操動機構的操作力也只在短時內提供，因此操動機構中必須有保持合閘的部分，以保證在合閘命令和操作力消失后，斷路器仍能保持在合閘位置。 （3）分閘 操動機構不僅要求能夠電動(自動或遙控)分閘，在某些特殊情況下，應 該可以在操動機構上進行手動分閘，而且要求斷路器的分閘速度與操作人員的動作快慢和下達命令的時間長短

24、無關。同時，為了減少分閘信號的能量，達到快速分閘，簡化繼電保護回路的要求，在操動機構中應有分閘省力措施。 （4）自由脫扣 自由脫扣就是，斷路器合閘過程中如操動機構又接到分閘命令，則操動機構不應繼續(xù)執(zhí)行合閘命令而應立即分閘。 （5）防跳躍 使斷路器關合短路而又自動分閘后，即使合閘命令尚未解除，也不會再次合閘。防止斷路器無謂的多次合、分短路電流，造成觸頭的嚴重燒損甚至引起爆炸事故。 （6）復位 斷路器分閘后，操動機構中的各個部件應能自動地恢復到準備合閘的位置。 （7）連鎖 為了保證操動機構的動作可靠，要求操動機構具有一定的連鎖裝置。常用的連鎖裝置有： 1）分合閘位置連鎖。保證斷路器在合閘位置時，操

25、動機構不能進行合閘操作；斷路器在分閘位置時，操動機構不能進行分閘操作。 2）低氣(液)壓與高氣(液)壓連鎖。當氣體或液體壓力低于或高于額定值時，操動機構不能進行合、分操作。 3）彈簧操動機構中的位置連鎖。彈簧出能不到規(guī)定要求時，操動機構不能進行分、合閘操作。 （8）重合閘 斷路器在自動分閘后，保證在接到重合閘指令后可靠重合閘。 2.4 6SF斷路器主要性能指標與6SF高壓斷路器的主要性能包括電壓、電流和開斷關合時間等幾項指標。 （1）額定電壓(NU) kV，斷路器的額定電壓是指在規(guī)定的正常使用和性能條件下，能夠連續(xù)運行的最高電壓。同時斷路器工作時還應耐受高于額定電壓的各種過電壓，而不會導致絕緣的損壞。具體數值與斷路器額定電