發(fā)電廠電氣部分 第4章 高壓開關(guān)電器

第4章高壓開關(guān)電器4.1概述總述：高壓開關(guān)電器按其功能與作用分為高壓斷路器、高壓隔離開關(guān)、高壓負(fù)荷開關(guān)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(fù)雜的電氣設(shè)備之一。它具有完善的滅弧裝置和高速傳動機構(gòu)，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(shè)備。1．作用：正常運行時，接通和斷開負(fù)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(dǎo)體，不但能通過正常的負(fù)荷電流，即使通過短路電流時，也不應(yīng)因熱和電動力的作用而損壞。（2）分閘狀態(tài)時應(yīng)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(nèi)斷口間的電壓。（3）開斷規(guī)定的短路電流時，應(yīng)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(jìn)行重合閘。（4）在接通規(guī)定的短路電流時，短時間內(nèi)斷路器的觸頭不能產(chǎn)生熔焊等情況。（5）在制造廠的技術(shù)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(yīng)有機構(gòu)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(nèi)和戶外。2．按滅弧介質(zhì)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(zhì)，具有滅弧能力強、動作迅速等優(yōu)點。但結(jié)構(gòu)復(fù)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(guān)，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(dāng)，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(zhì)。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(jié)構(gòu)復(fù)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(jié)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(hù)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(nèi)，利用真空作為絕緣介質(zhì)和滅弧介質(zhì)，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(dá)的國家，都致力于真空斷路器的開發(fā)和應(yīng)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(gòu)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(dá)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(nèi)裝設(shè)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(nèi)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(shù)標(biāo)準(zhǔn)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(nèi)；W—戶外。3—設(shè)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(biāo)志，C—手車式；G—改進(jìn)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(shù)參數(shù)通常用下列技術(shù)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(biāo)準(zhǔn)電壓。我國的標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(dǎo)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(biāo)準(zhǔn)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(dāng)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(dāng)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(yīng)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(guān)合電流關(guān)合電流是表征斷路器關(guān)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(guān)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(guān)合的電流最大峰值稱為額定關(guān)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(yīng)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(nèi)，所允許通過電流的最大周期分量有效值。此時斷路器不應(yīng)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(gòu)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(gòu)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．?dāng)嗦菲鞯臋C械和電氣壽命

斷路器多次分合可造成觸頭及操動機構(gòu)等可動部分的機械磨損，我國標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，在常溫下連續(xù)進(jìn)行2000次操作，試驗中不允許進(jìn)行任何機械調(diào)整及修理，但允許按照制造廠的規(guī)定進(jìn)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(guān)專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或用戶同制造廠協(xié)商確定。當(dāng)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(guān)于電氣的使用壽命，在標(biāo)準(zhǔn)上規(guī)定只要滿足一次標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)即可。對于較重要的斷路器，每次開斷短路之后都進(jìn)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(shù)條件要求進(jìn)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(nèi)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(jié)構(gòu)和工作原理真空斷路器滅弧室結(jié)構(gòu)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(xué)性質(zhì)：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(jié)構(gòu)。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(fù)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(dǎo)能力比空氣好。③SF6的化學(xué)性質(zhì)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(dá)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(zhì)。當(dāng)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(dāng)。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(dāng)電弧電流流過零時，低氟化物則急速再結(jié)合成SF6

，故弧隙介質(zhì)強度恢復(fù)過程極快。故SF6氣體的滅弧能力相當(dāng)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(gòu)

一、操動機構(gòu)的用途和類型斷路器的操動機構(gòu)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(shè)備。在斷路器本體以外的機械操動裝置稱為操動機構(gòu)。1．操動機構(gòu)的基本要求：（1）應(yīng)具有足夠的操作功率在電網(wǎng)正常工作時，用操動機構(gòu)使斷路器關(guān)合，這時電路中流過的是工作電流，關(guān)合是比較容易的。但在電網(wǎng)事故情況下，如斷路器關(guān)合到有預(yù)伏性短路故障時，情況要嚴(yán)重得多。因為斷路器關(guān)合時，電路中出現(xiàn)的短路電流可到達(dá)幾萬安以上。斷路器導(dǎo)電回路受到的電動力可達(dá)幾千牛以上，另一方面，電動力又常常是阻礙斷路器關(guān)合的，因此在關(guān)合有預(yù)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(guān)合，從而引起觸頭嚴(yán)重?zé)齻?，油斷路器出現(xiàn)嚴(yán)重噴油甚至爆炸等嚴(yán)重事故。因此，斷路器應(yīng)具有關(guān)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(gòu)結(jié)構(gòu)有關(guān)。（3）要求操動機構(gòu)工作可靠，結(jié)構(gòu)簡單，體積小，重量輕，操作方便等。2．操動機構(gòu)的類型操動機構(gòu)依據(jù)能量形式的不同可分為：①手動操動機構(gòu)（CS）：②電磁操動機構(gòu)（CD）：③電動機操動機構(gòu)（CJ）：④彈簧操動機構(gòu)（CT）：⑤氣動操動機構(gòu)（CQ）⑥液壓操動機構(gòu)（CY）①手動操動機構(gòu)（CS）優(yōu)點：（1）結(jié)構(gòu)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??；（3）就地操作、不安全。應(yīng)用：用于12kV以下，開斷電流小的斷路器。②電磁操動機構(gòu)（CD）優(yōu)點：（1）結(jié)構(gòu)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(yīng)用：過去126kV及以下的油斷路器大部分采用電磁操動機構(gòu)，但不是發(fā)展方向。③電動機操動機構(gòu)（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(gòu)）應(yīng)用：只用于容量較小的斷路器，國內(nèi)很少生產(chǎn)。④彈簧操動機構(gòu)（CT）：優(yōu)點：（1）要求電源的容量小；（2）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(jié)構(gòu)較復(fù)雜；（2）零部件的加工精度要求高。應(yīng)用：（1）用于中、小型斷路器，是發(fā)展方向。彈簧操動機構(gòu)動畫彈簧儲能⑤氣動操動機構(gòu)（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(shè)備；（2）對大功率的操動機構(gòu)，結(jié)構(gòu)比較笨重。⑥液壓操動機構(gòu)（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(yīng)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(gòu)原理圖3.三柱式隔離開關(guān)斷開狀態(tài)閉合狀態(tài)4.3隔離開關(guān)一、隔離開關(guān)的主要作用及特點1．隔離電源：隔離開關(guān)斷開點明顯可見，隔離開關(guān)的動觸頭和靜觸頭斷開后，兩者之間的距離應(yīng)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(guān)沒有滅弧裝置，因此僅能用來分、合只有電壓沒有負(fù)荷電流的電路。否則在隔離開關(guān)的觸頭間形成強大電弧，危及設(shè)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(guān)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(guān)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(shè)備和線路，達(dá)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(nèi)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(shè)計，G－改進(jìn)型，D－帶接地開關(guān)，K－快速分閘型，E－帶支持導(dǎo)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(nèi)隔離開關(guān)斷開狀態(tài)閉合狀態(tài)五、戶外隔離開關(guān)1.單柱式隔離開關(guān)斷開狀態(tài)閉合狀態(tài)2.雙柱式隔離開關(guān)（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(guān)（GW5系列）六、隔離開關(guān)的操動機構(gòu)1．手力式操動機構(gòu)特點：結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜，使用比較廣泛。2．動力式操動機構(gòu)特點：需要對隔離開關(guān)進(jìn)行遠(yuǎn)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(hù)電器，用來保護(hù)電路中的電氣設(shè)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(guān)、接觸器、負(fù)荷開關(guān)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(shè)備的保護(hù)。2．熔體的材料及其特性

要求熔體得材料熔點低、導(dǎo)電性能好、不易氧化和易于加工。一般有