第三章城市軌道交通變電所中的一次設(shè)備65課件

第三章城市軌道交通變電所中的一次設(shè)備第五節(jié)斷路器一、斷路器概述

1、斷路器的作用斷路器是電力系統(tǒng)及牽引供電系統(tǒng)中的最重要的一種開關(guān)電器。它具有兩方面的作用：一是控制作用，即根據(jù)電力系統(tǒng)的運(yùn)行要求，接通或斷開工作電路；二是保護(hù)作用，即在電氣設(shè)備或線路發(fā)生故障時(shí)，通過繼電保護(hù)裝置及自動(dòng)裝置使斷路器動(dòng)作，將故障部分從電力系統(tǒng)中迅速切除，防止事故擴(kuò)大，保證電力系統(tǒng)的無故障部分正常運(yùn)行。第五節(jié)斷路器2.對(duì)高壓斷路器的基本要求高壓斷路器工作的好壞，直接影響到電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。因此，對(duì)高壓斷路器的基本要求是：（1）工作可靠，具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度和良好的穩(wěn)定性能（2）具有足夠的開斷能力（3）具有盡可能短的切斷時(shí)間（4）具有自動(dòng)重合閘性能（5）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉在滿足安全、可靠的前提下，高壓斷路器還應(yīng)有機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝、檢修方便、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)。第五節(jié)斷路器3.高壓斷路器的分類高壓斷路器種類很多，按其安裝地點(diǎn)的不同可分為戶內(nèi)式斷路器和戶外式斷路器兩種。按操動(dòng)機(jī)構(gòu)可分為：電磁式、彈簧式、液壓式、氣動(dòng)式等。按其滅弧的不同，可分為：1）油斷路器2）真空斷路器3）空氣斷路器，又稱壓縮空氣斷路器。4）SF6斷路器5）自產(chǎn)氣斷路器6）磁吹斷路器

第五節(jié)斷路器4.高壓斷路器的基本參數(shù)（1）額定電壓UN（kV）（2）額定電流IN（A）（3）額定短路開斷電流INbr（kA）（4）額定關(guān)合電流INcl（kA）（5）額定熱穩(wěn)定電流It（kA）（6）額定動(dòng)穩(wěn)定電流Ies（kA）（7）合閘時(shí)間thz（s）（8）全分閘時(shí)間tkd（s）

圖3-32斷路器開斷電路時(shí)的有關(guān)時(shí)間第五節(jié)斷路器(9)額定操作順序是根據(jù)實(shí)際運(yùn)行需要制定的對(duì)斷路器的斷流能力進(jìn)行考核的一組標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定操作。其操作順序分為無自動(dòng)重合閘斷路器的額定操作順序和能進(jìn)行自動(dòng)重合閘斷路器的額定操作順序兩類：無自動(dòng)重合閘斷路器的額定操作順序。它又分為兩種：一種是發(fā)生永久性故障斷路器跳閘后兩次強(qiáng)送電的情況，即“分—180s—合分—180s—合分”；另一種是斷路器合閘在永久故障線路上跳閘后強(qiáng)送電一次的情況，即“合分—15s—合分”。能進(jìn)行自動(dòng)重合閘斷路器的額定操作順序。該操作順序?yàn)椤胺帧?.3s—合分—180s—合分”。第五節(jié)斷路器5.高壓斷路器的型號(hào)斷路器的類型很多，根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T8754-2007《高壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備型號(hào)編制方法》的規(guī)定，目前我國(guó)斷路器的型號(hào)一般由文字符號(hào)和數(shù)字按以下方式組成：□□□-□□/□-□其中：第一位表示產(chǎn)品名稱：S—少油斷路器，D—多油斷路器，L—六氟化硫（SF6）斷路器，Z—真空斷路器，K—壓縮空氣斷路器，Q—自產(chǎn)氣斷路器，C—磁吹斷路器；第二位表示安裝地點(diǎn)：N—戶內(nèi)型，W—戶外型；第三位表示設(shè)計(jì)序號(hào)，用數(shù)字1，2，3，…表示；第四位表示額定電壓（或最高工作電壓）（kV）；第五位表示補(bǔ)充特性：C—手車式，G—改進(jìn)型，w—防污型，Q—防震型；第六位表示額定電流（A）；第七位表示額定開斷電流（kA）。第五節(jié)斷路器6.高壓斷路器的基本結(jié)構(gòu)圖3-33高壓斷路器的基本結(jié)構(gòu)支持絕緣件操動(dòng)機(jī)構(gòu)開斷元件傳動(dòng)機(jī)構(gòu)基座第五節(jié)斷路器二、真空斷路器

1.關(guān)于真空的基本概念真空是指在給定的空間內(nèi)絕對(duì)壓力低于一個(gè)大氣壓力的氣體狀態(tài)。人們通常把這種稀薄的氣體狀態(tài)稱為真空狀態(tài)。真空的程度用真空度表示圖3-34不同介質(zhì)的絕緣間隙擊穿電壓第五節(jié)斷路器真空中電極間電弧是這樣產(chǎn)生的：當(dāng)觸頭行將分離前，觸頭上原先施加的接觸壓力開始減弱，動(dòng)靜觸頭間的接觸電阻開始增大，由于負(fù)荷電流的作用，發(fā)熱量增加。在觸頭剛要分離瞬間，動(dòng)靜觸頭之間僅靠幾個(gè)尖峰聯(lián)系著，此時(shí)負(fù)荷電流將密集收縮到這幾個(gè)尖峰橋上，接觸電阻急劇增大，同時(shí)電流密度又劇增，導(dǎo)致發(fā)熱溫度迅速提高，致使觸頭表面金屬產(chǎn)生蒸發(fā)。同時(shí)微小的觸頭距離下也會(huì)形成極高的電場(chǎng)強(qiáng)度，造成強(qiáng)烈的強(qiáng)電場(chǎng)發(fā)射，間隙擊穿，繼而形成真空電弧。真空電弧一旦形成，就會(huì)出現(xiàn)電流密度在104A/cm2以上的陰極斑點(diǎn)，使陰極表面局部區(qū)域的金屬不斷熔化和蒸發(fā)，以維持真空電弧。在電弧熄滅后，電極之間與電極周圍的金屬蒸氣迅速擴(kuò)散，密度快速下降直到零，觸頭間恢復(fù)高真空絕緣狀態(tài)。第五節(jié)斷路器真空中的電弧有兩種形態(tài)，擴(kuò)散型電弧和集聚型電弧。圖3-37電弧的形態(tài)（a）擴(kuò)散型（b）集聚型第五節(jié)斷路器2.真空斷路器的基本結(jié)構(gòu)真空斷路器的結(jié)構(gòu)如圖3-36所示。它由真空滅弧室（真空泡）、保護(hù)罩（屏蔽罩）、動(dòng)觸頭、靜觸頭、導(dǎo)電桿、開合操作機(jī)構(gòu)、支持絕緣子、支持套管、支架等構(gòu)成，其核心是真空滅弧室（真空泡）。

圖3-36真空斷路器的基本結(jié)構(gòu)第五節(jié)斷路器真空滅弧室由真空容器（外殼）、觸頭系統(tǒng)（包括動(dòng)觸頭和靜觸頭）、波形管（不銹鋼材料）、保護(hù)罩（屏蔽罩）、法蘭、支持件等構(gòu)成,如圖3-37所示。圖3-37真空滅弧室剖視圖第五節(jié)斷路器圖3-38各種觸頭結(jié)構(gòu)形狀a）橫向磁場(chǎng)杯狀觸頭b）螺旋觸頭c）線圈型觸頭d）縱向磁場(chǎng)杯狀觸頭

（a）（b）（c）圖3-41螺旋式葉片觸頭a）縱向剖面圖b）動(dòng)觸頭頂視圖c）橫向磁場(chǎng)觸頭和旋轉(zhuǎn)電弧第五節(jié)斷路器3、真空斷路器的分類由于真空斷路器的滅弧室既可以垂直安裝，又可以水平安裝，還可以選擇任意角度進(jìn)行安裝，因此真空斷路器有多種多樣的總體結(jié)構(gòu)形式。按真空滅弧室的布置方式可分為落地式和懸掛式兩種基本形式，以及這兩種方式相結(jié)合的綜合式和接地箱式。（a）落地式（b）懸掛式圖3-40真空滅弧室的布置方式第五節(jié)斷路器4.真空斷路器的操作過電壓及抑制方法：用真空斷路器斷開電路時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)操作過電壓，主要形式有：1）截流過電壓，所謂截流就是強(qiáng)制交流電流在自然過零前突然過零的現(xiàn)象，由于電路中存在電感，因此會(huì)發(fā)生過電壓；2）切斷電容性負(fù)載時(shí)的過電壓，這是因熄弧后間隙發(fā)生重?fù)舸┒鸬摹Ｋ?，真空斷路器的重?fù)舸茁试叫≡胶茫?）高頻多次重燃過電壓，斷路器開斷感性電流時(shí)，當(dāng)間隙被擊穿后電弧重燃，因電路參數(shù)影響，擊穿后電流中含有高頻分量。當(dāng)高頻分量的幅值很大時(shí)，受其影響，間隙被反復(fù)擊穿，使負(fù)載側(cè)的電壓不斷升高，從而產(chǎn)生較高的過電壓。第五節(jié)斷路器高壓真空斷路器常用的抑制操作過電壓的方法有：1)采用低電涌真空滅弧室。這種滅弧室既可降低截流過電壓，又可提高開斷能力。2)在負(fù)載端并聯(lián)電容。既可以降低，也可減緩恢復(fù)電壓的上升陡度。3)在負(fù)載端并聯(lián)電阻和電容。它不僅能降低截流過電壓及其上升速度，而且在高頻重燃時(shí)可使振蕩過程強(qiáng)烈衰減，對(duì)抑制多次重燃過電壓有較好的效果，電阻一般選100～200Ω，電容選0.1～0.2μF。4)串聯(lián)電感?？山档瓦^電壓的上升陡度和幅值。5)安裝避雷器。用它限制過電壓的幅值。第五節(jié)斷路器5.真空斷路器的特點(diǎn)真空斷路器具有體積小、無噪聲、無污染、壽命長(zhǎng)、可以頻繁操作、不需要經(jīng)常檢修等優(yōu)點(diǎn)，因此特別適合配電系統(tǒng)使用。此外，真空斷路器滅弧介質(zhì)或絕緣介質(zhì)不用油，沒有火災(zāi)和爆炸的危險(xiǎn)。觸頭部分為完全密封結(jié)構(gòu)，不會(huì)因潮氣、灰塵、有害氣體等影響而降低其性能，工作可靠，通斷性能穩(wěn)定。滅弧室作為獨(dú)立的元件，安裝調(diào)試簡(jiǎn)單方便。由于它開斷能力強(qiáng)、開斷時(shí)間短，還可以用作其他特殊用途的斷路器。第五節(jié)斷路器三、高壓SF6斷路器1.SF6氣體的基本特性

SF6的分子量為146，它的比重約為空氣的5倍，在常溫下不易液化。SF6氣體是一種無色、無臭、無毒和不可燃的惰性氣體，在常溫常壓下化學(xué)性能穩(wěn)定，具有較高的介電強(qiáng)度，它的絕緣強(qiáng)度是空氣的2.5～3倍，是目前最優(yōu)良的滅弧和絕緣介質(zhì)。

SF6氣體具有很強(qiáng)的滅弧能力，靜止的SF6氣體的滅弧能力比空氣大100倍以上。利用SF6氣體吹弧時(shí)，在氣體壓力和吹弧速度都不是很大的情況下，就能在高電壓下開斷相當(dāng)大的電流。第五節(jié)斷路器SF6氣體滅弧性能的原因主要是：

1）SF6氣體熱熱量大。

2）SF6氣體環(huán)境下的電弧能量小。

3）SF6氣體分子的負(fù)電性強(qiáng)。所謂負(fù)電性，是指SF6氣體分子極易捕獲、吸附自由電子形成低活動(dòng)性負(fù)離子的特性。SF6氣體負(fù)電性強(qiáng)，加強(qiáng)了去游離，降低導(dǎo)電率。在電弧電流過零后，弧柱溫度將急劇下降，分解物急速?gòu)?fù)合。因此，SF6氣體弧隙的介質(zhì)性能恢復(fù)速度很高，能耐受很高恢復(fù)電壓，電弧在電流過零后不易重燃。第五節(jié)斷路器SF6氣體絕緣性能好的原因主要是：

SF6氣體的分子體積大，使得電子的自由行程減小，從而減少碰撞游離的發(fā)生。且SF6氣體分子又具有負(fù)電性，容易俘獲電子形成負(fù)離子，使電子失去產(chǎn)生碰撞游離的能力，對(duì)去游離有利，故絕緣強(qiáng)度高。SF6的絕緣性能穩(wěn)定，不會(huì)老化變質(zhì)，當(dāng)氣壓增大時(shí)，其絕緣能力也隨之提高，以此可以提高SF6的使用壓力來縮小絕緣尺寸和斷路器的體積。第五節(jié)斷路器2.SF6斷路器分類

SF6斷路器按結(jié)構(gòu)形式可分為落地罐式、瓷柱式和手車式；按滅弧室壓力分可分為雙壓式（復(fù)壓式）和單壓式；按觸頭工作方式分可分為定開距式和變開距式。

圖3-41落地罐式SF6斷路器結(jié)構(gòu)1—套管2—支柱絕緣子3—電流互感器4—靜觸頭5—?jiǎng)佑|頭6—噴口工作缸7—檢修窗8—絕緣操作桿9—油緩沖器10—合閘彈簧11—操作桿體

圖3-42支柱瓷套式SF6斷路器的外形結(jié)構(gòu)第五節(jié)斷路器

高壓手車式SF6斷路器，適用于三相交流50Hz，35kV，10kV電力系統(tǒng)?？捎脕矸帧⒑项~定電流和故障電流，并可用于頻繁操作場(chǎng)合，也可作聯(lián)絡(luò)斷路器和開斷關(guān)合電容器組斷路器。具有結(jié)構(gòu)緊湊、輕巧，檢修方便的特點(diǎn)。圖3-43是LN2-10型SF6斷路器安裝在手車上后的外形示意圖。圖3-43LN2-10型SF6斷路器外形示意圖1-上接線端；2-絕緣筒；3-下接線端；4-操動(dòng)機(jī)構(gòu)；5-小車；6-分閘彈簧第五節(jié)斷路器、四直流斷路器直流斷路器也稱為直流快速斷路器。廣泛應(yīng)用于地鐵、輕軌、冶金、化工等領(lǐng)域，所有滅磁開關(guān)均為直流快速斷路器。直流快速斷路器是機(jī)械式、無極性單極裝置，具有電磁吹弧，直接瞬時(shí)過電流釋放，間接快速釋放（可選用在3000A以上），自然空氣冷卻和電氣操作系統(tǒng)等技術(shù)。第五節(jié)斷路器目前，在城軌供電中較為常見的是瑞士賽雪龍公司生產(chǎn)的UR系列（500～4000A）和HPB系列（4500～6000A）的斷路器。它是一種雙向、單極快速直流空氣斷路器。圖3-5-14為HPB系列斷路器的外形，圖3-5-15為UR系列斷路器的外形，圖3-5-16為UR系列與HPB系列應(yīng)用范圍圖示。UR和HPB型直流快速斷路器特別適用于直流牽引配電網(wǎng)絡(luò)中，作為接觸網(wǎng)和鐵軌的保護(hù)以及故障區(qū)域的隔離。圖3-5-14HPB45系列斷路器和HPB60系列斷路器圖3-5-15UR26/36/40系列斷路器第五節(jié)斷路器直流斷路器的結(jié)構(gòu)直流高速斷路器由主電路（包括下部連接、動(dòng)觸頭、上部連接、左連接、右連接等組件）、脫扣裝置、滅弧罩、閉合裝置、輔助觸頭組成。圖3-5-17為直流斷路器的結(jié)構(gòu)示意圖。第五節(jié)斷路器直流斷路器的工作原理高速斷路器有吸合、保持、斷開、滅弧、脫扣5種狀態(tài)第五節(jié)斷路器五、框架斷路器框架式斷路器是一種智能型低壓斷路器，又被稱為萬能式斷路器。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是有一個(gè)鋼制的框架，所