高压电器与开关设备.ppt

第二章 高压电器与开关设备,负荷开关(FW)：用来在电路正常工作成过载时关合和开断电路，不能开断短路电流。 (2)限制电器，用来限制电路中电压或电流的电器。它包括： 电抗器(L)：主要用来限制电路中的短路电流。某些类型的熔断器也有限制短路电流的作用。 避雷器(BL)：用来限制电路中出现的过电压。 (3)变换电器，用来变换电路中的电压和电流使之便于检测的电器。它包括： 电流互感器(LH)：用来变换电路中的电流，以便供电给测量仪表、继电器或自动装置，并使之与高压电路隔离。 电压互感器(YH)：用来变换电路中的电压，以便供电给测量仪表、继电器或自动装置，并使之与高压电路隔离。,(4)组合电器。将上述某几种电器，按一定的线路装配成一个整体的电器组合。 按照安装地点，高压电器可以分为： (1)户内式。装在建筑物内不具有防风、雨、雷、灰尘、露、冰、浓霜等性能。户内式高压电器的工作电压一般为35kv及以下的电压等级。 (2)户外式。适于安装在露天，能承受风、雨、雷、灰尘、露、冰、浓霜等作用。户外式高压电器的工作电压一般都在35kv及以上电压。 按照电流制式，高压电器可以分为： (1)交流电器。工作于三相或单相工频交流制的电器，极少数工作在非工频系统。 (2)直流电器。工作于直流制系统。,对于电气化铁道及城市交通系统，交流电器是交流制电气化铁道及城市地铁供电系统中大量应用的电器；直流电器则是直流制电气化铁道、城市地铁及轻轨交通供电系统中大量使用的电器。 按照高压电器工作条件及所起作用的不同，其结构和工作性能应具有不同特点。高压电器应能可靠地在规定的工作电压及电流下工作，因此，应具有足够的绝缘强度和载流能力；用于切断载流电路的开关设备，应具有足够的熄灭电弧的能力；对电路运行状态进行监视、测量的电器元件(例如电压、电流互感器)应能满足测量精度的要求；对电路运行状态进行保护用的电压、电流互感器，除了应能满足测量精度的要求外、还应在高电压或大电流作用下不至于饱和。所有的高压电器都应满足运行可靠、工作灵活的要求，同时还必须考虑经济条件。,第二节 交、直流电弧的形成及熄弧原理与方法,研究和使用高压电器，尤其是高压断路器，要使它们可靠地工作，必须对开关设备在开断电路的过程中，其触头间产生电弧的性质有一个清楚的了解，以便掌握现代高压电器设备的结构特点，正确地进行选择和使用。 开关设备一般由导电体、触头和绝缘介质组成。介质由绝缘状态变为导电状态，使电流得以通过的现象，叫做放电。在一定的光、热和电场的作用下，介质中的中性的、不导电的质点将产生自由电子、正离子和负离于，从而形成游离。当介质达到一定的游离程度时。介质将被击穿而产生电弧。因此，研究电弧的形成必须掌握介质的游离过程。介质游离的过程如下。,（一）表面发射 由金属电极(触头)表面发射电子、叫表面发射。 (1)强场发射。当金属表面存在较高的电场强度(大干107Vmm)时，自由电子可能逸出金属，这种过程叫强场发射。断路器触头刚分离时，强场发射占主导地位。 (2)热发射。当金属温度升高列2000一5000 K，金属表面的自由电子可能获得足够的动能，克服将电子滞留在金属内部的力量而逸出金属，这种过程叫热发射。断路器触头分离后期，热发射较强烈。 (3)光发射。当红外线、紫外线及其他射线照射列金属表面时，引起电子从金属表面逸出的过程，叫光发射。光波越短，引起光发射的能力越强。触头分离过程中，随着电弧燃烧，存在着光发射现象。,(4)二次发射。当正离子在电场作用下高速撞击阴极，或者自由电子高速撞击阳极时。也可能使金属电极表面发射出电子，此过程叫二次发射。在气压较高的放电间隙中，通常阴极表面附近电场强度较高，所以阴极表面二次发射较强，并在气体放电过程中起重要作用。 (二)空间游离 电极(触头)间的介质在外界力量的影响下，其分子及原子分裂成自由电子和正离子的过程，叫空间游离。 (1)光游离。中性粒子受到光的照射，当光子的能量大于介质原于或分子的游离能时，在空间就产生光游离。光的波长越短，游离作同越强，可见光几乎不能引起气体游离。 (2)碰撞游离。由表面发射或光游离所产生的带电粒子，在触头间电场作用下被加速而获得动能。,若运动中的电子从电场中获得的动能足够大，当它与中性质点碰撞时，能从其中打出一个或几个电子，使失去电子的中性质点变成正离子。从中性质点中打出的电子在向阳极运动的过程中又与其他中性质点发生碰撞，造成新的中性质点的游离。这样的连锁反应，使大量的电子产生，移向阳极，并使电极(触头)间的介质迅速大量游离。断路器触头分离初期，碰撞游离起主导作用。 (3)热游离。当气体温度达到3000 一4000K以上时，气体中的中性原子或分子由于高速的热运动而相互碰撞，产生明显的热游离。在相同的温度下，由于金属蒸气的游离电位小于一般气体的游离电位，所以金属蒸气更存易产生热游离。断路器触头分离后期，热游离起主导作用。,开关设备在开断电路过程中，触头间介质达到一定游离程度时，触头间隙被击穿而产生电弧。产生电弧的条件是电路内的电流不小于80mA，触头间的电压不小于10 V一20V。 应当指出：光游离、热游离及碰撞游离可能同时进行，但在触头分离的不同阶段，各种游离所起的作用可能各不相同。在触头分离初期，开距小，电场强度高，碰撞游离作用明显；在触头分离后期，开距大，电场强度减小，但电弧温度较高(表面温度可达4000度一5000度，弧柱中心温度可高达10000度)，热游离作用加强，使电弧得以维持；在热游离和碰撞游离的同时，电子与正离子复合时释放的能量以光量子的形式辐射给周围中性粒子使中性粒子游离。,二、电弧的特点 (1)电弧是强功率的放电现象。在开断几十千安短路电流时以焦耳热形式发出的功率可达10000 kw。与此有关，电弧可具有上万摄氏度或更高的温度及强辐射，在其作用下，任何固体、液体或气体都会产生强烈的物理及化学变化。在有的开关中，电弧燃烧时间比正常情况只多10ms-20ms，开关就会出现严重烧坏，甚至爆炸。 (2)电弧是一种自持放电现象。不用很高的电压就能维持相当长的电弧稳定燃烧而不熄灭。例如：在大气中，每厘米长电弧的维持电压只需15V左右，在100 kV电压下开断仅5A的电流时，电弧长度可达7m电流更大时，可达30m。因此单纯采用拉长电弧的方法来熄灭电弧是不可取的。,(3)电弧是等离子体，质量极轻，极易改变形状（电孤区内气体的流动包括自然对流及外界甚至电弧电流本身产生的磁场都会使电弧受力，改变形状，有的时候运动速度可达每秒几百米）。因此，可利用这一特点来快速熄弧并预防电弧的不利影响及破坏作用。 三、电弧熄灭的物理过程 在电弧存在的过程中，介质发生游离过程的同时也存在着带电离子消失的去游离过程。如果在单位时间内，电弧中产生的带电离子数和消失约带电离子数相等，则通过电弧的电流不变，电弧燃烧是稳定的；如果离子消失的数量各多于产生的数量，则电弧电流减弱，直至最后熄灭。,游离气体的去游离作用由下述因素造成： (1)复合。带电粒子在弧隙中运动时，如果正负两种带电质点相互接触，交换各自多余的电荷，则形成中性质点。在弧柱内复合的是不同极性的离子，电子和正离子直接复合的机会极小，这是因为电子运动的速度几乎高出正离子100倍的缘故。复合强度与电场强度成反比、电场强度低时，离子运动的速度低，则进行复合的概率增加。当触头间电压接近零时，复合特别强烈。复合强度也与电弧温度有关，温度越低，弧柱截面越小，则复合越烈。 (2)扩散。弧柱中的带电质点由于弧柱与周围气体介质间的温差很大，并且质点的浓度差也很大，因而大量地扩散到周围的气体介质中去，与气体中的自由电子或负离子复合而失去电荷。扩散使电弧内的正离子数目减少，使电弧的电导变小，加强电弧的去游离。,(3)气体分离。气体分子落列电弧高温区内时，产生极快的热运动，如果气体温度足够高，使气体分子的运动速度极高，在分子相互碰撞之下，会使其分离成原子。分子在分离成原子时，吸收大量的能量(热能)。这些原子从电弧区域扩散到周围气体介质中，然后再结合成分子而释放分解时吸收的热能。如此周而复始，使电弧的冷却加速，热游离减弱而加强复合。 四、电弧电压分布 离子的去游离也发生在电极附近，弧柱中的正离子移向阴极，在离开阴极很近的地方(约103mm)，正离于的浓度最大，形成正体积电荷。正体积电荷在阴极表面形成很强的电场，其强度足以形成强场发射。同时该强电场也可以把带电正离子加速，使其和阴极表面碰撞，从阴极打出自由电子。从阴极拉出的电子，由于阴极区有大量正离子堆积，一部分消耗在与正离子的复合方面，一部分被电场推向阳极。,出离于复合而形成的中性质点，由于惯性继续向阴极运动，并碰撞阴极表而，结果阴极表面发热，触头的金属发生熔化和喷散现象。阴极表面最热的部分称为阴极斑点，在阴极斑点处也可以产生热电子发射现象。 在靠近阴极的“阴极区”内，正离了不断地消失，使电弧在这一区域内的电导变小，形成阴极区电压降。 弧柱内形成的负离子，一部分与正离子复合，一部分移向阳极。在离开阳极不远处，电子从负离于脱出而进入阳极，所形成的中性质点，由于惯件而继续向阳极运动，并冲击阳极。因此，在靠近阳极的空间内，离子的密度也是不大的，形成阳极区电压降。,在阴极区和阳极区以外的弧柱部分，正负电荷的数量大约相等，其电导近似为一不变的常数。 沿电弧的电压分布如图2.1所示。在阴极区lo内，集中着正体积电荷，阴极区电压降uk达10 -20V。阳极区电压降ua略小些。 显然，只有当加列电极上的电压总是大于阴极区电压降时，才会产生电弧。在低压短电弧情况下，阴极区电压降具有重大意义，因为它占电弧上电压降uH的比重较大；而在高压长电弧的情况下，阴极区电压降与弧柱电压降uhz相比则是较小的。,五、直流电弧的熄灭条件 从电路的角度看，电弧是一个非线性电阻，其阻值随电流以及其他因素而变化。对于如图22(a)所示的具有电弧的RL直流电路，当燃弧后其电压平衡方程式为：,式中：E为电源电压；iR为电阻压降；Ldi/dt为电感压降；uh为电弧压降。 当游离与去游离处于动平衡状态，电弧稳定燃烧，di/dt=0时，由(2.1)式有,若将f(i)E-iR定义为电路的伏安持性，uh定义为电弧的静伏安特性。 如图所示，两曲线的交点A和B能满足(22)式A点与B点是电弧的稳定燃烧点。 R点为稳定燃烧点，这是因为；如果i2略有增加则E一iRuh，电源电压减去电阻压降不足补偿电弧燃烧所需,压降，那么，电流自然又减小至i2值；如果i2略有减小，则因EiRuh，使电流又回升到i2值。 A点为视在稳定燃烧点，这是因为：若il略有减少，因E一iRuh，则电弧电流继续减小至电弧熄灭；若i1略有增加，则EiRuh，电流将继续增加最后稳定在i2值。 在使用开关电器开断或闭合电路时。人们自然不希望电弧稳定燃烧，而是力求其熄灭。从图2.2(b)来分析，若将电弧静伏安特性提高到虚线位置，使两条曲线没有交叉点、则电弧熄灭。即直流电弧的熄灭条件为,六、交流电弧的熄灭条件与熄灭过程 （一）交流电弧的熄灭条件 交流电弧与直流电弧有所不同，交流电流限时值随时间变化，每周期内有两次通过零点。因此，交流电弧一直处于动态过程，并且在电流过零时电弧自行熄灭，以后在一定条件下又重燃。 如图2.3(a)所示的交流电路，当电路处于稳定状态，且电弧长度不变时，其伏安特性如图2.3(b)所示。从图2.3(b)可以看出：电流由负位过零瞬间，电弧暂时熄灭，此时，电源电压加于触头之间。当触头间电压上升到电弧点燃电压udr时，重新燃弧。出于电弧的热游离相当强，特性曲线AB段是下降的。从B点以后，电流由峰值逐渐减小，电弧电压相应地回升，但因弧柱存在热惯性，因此，BC段低于AB段。当电弧趋近于零，C点电压通常称为熄弧电压uxm。,电弧过零后，又反向重燃，伏安特性与正半周对称。从电弧电流在前半周熄灭时起，到后半周重新燃弧时止的一段时间，称为零休期间。在零休期间，弧隙中的介质恢复过程与电压恢复过程是同时进行的，并且互有影响。电弧是否重燃，取决于两个过程的“竞赛”。 如图24(a)中，介质强度恢复曲线ujf上升较为缓慢，一段时间后恢复电压曲线uhf就超过了曲线ujf，电弧重燃。 图2，4(b)中，由于介质恢复强度曲线ujf高于电压恢复曲线uhf，两曲线没有交点，所以电弧不会重燃。 (二)交流电弧的熄灭过程 1纯电阻负载时，交流电弧的熄灭 图25表示开断电阻电路时交流电弧电压疆uh及电弧电流i 的波形。,(1)设在to时刻，触头分开起弧，当弧电流小到一定程度后，电弧就在t1时刻暂时熄灭了。 (2)在零休期间(t1t2)，触头间有两种矛盾着的因素在“竞赛”。一为弧隙游离状态逐渐消失，向介质状态转化。图中ujf代表电流第一次过零后弧隙介质强度恢复曲线。另一种“竞赛”因素为触头两端电压不断交化。在纯电阻负载时，触头两端恢复电压变化曲线uhf即为电源电压u。由于曲线ujf1与电源电压u有交点，所以在t1时电弧重燃，此时ujf1uhf。当电流第二次过零时(t2)，此时触头间距离更大了，去游离作用更强烈，所以弧隙介质强度恢复曲线ujf2高于电源电压曲线u，电弧不会重燃。 2电感性电路中，交流电弧的熄灭 在电感性电路中，电压超前于电流，如图26所示，设在t0时触头分开起弧，在电流第一次过零后，两种因素“竞赛”的结果，电弧重燃。,在第二次过零后由于同样原因又重燃。在第三次过零时，由于介质恢复强度曲线高于恢复电压曲线uhf，电弧熄灭。由图可见在各半波中电流波形畸变越来越严重，在t3时刻电弧虽然熄灭，触头间还有剩余电流is。,七、熄灭电弧的基本方法 在现代高压开关电器中，除在触头间隙采用不同灭弧介质外(如空气、油、SF6、真空等介质)，广泛采用的基本灭孤方法可以归纳为下列几种： (1)加速触头的分离速度，迅速拉长电弧。这措施是通过在断路器的操动机构中安装强力而灵敏的分闸弹簧来实现的。 (2)采用未游离的流体(如油或压缩空气等)吹动电弧。当流体与电孤接触后，电弧表面或内部的带电粒子被不断吹走，扩散作用增强；同时电弧受冷却作用，热游离减弱而复合作用有所加强。吹动方式可以是沿电弧的纵向吹动，也可以是垂直于电弧的横向吹动及纵、横向混合吹动，如图27、图28、图29所示。吹弧能源可以是如图28所示的油断路器自能式吹孤，也可以是如图29所示的空气断路器外能式吹弧。,(3)用磁吹法灭弧。按左手定则，当电弧电流垂直于外磁场方向通过时、将受到力的作用。外磁场可以由互为反向的电弧电流建立(如图210所示)，亦可使电流通过安装于触头外侧或触头两侧的线圈产生(如图211所示)。因211的线圈安装方法是使其产生的磁场垂直于通过触头的电弧电流，且其磁吹力向上。磁吹法熄弧多用于直流断路器中，交流真空断路器也采用磁吹法灭弧，在本章第四节将给以介绍。,(4)把长电弧分成短电弧。当电弧被分短以后，每段短弧在新的阴极和阳极区都要产生新的阴极压降和阳极压降，当两触头问的电压不变时，这许多短弧无疑增加了触头间总的压降，如果这个压降值大于触头端电压，则电弧即行熄灭。增加高压断路据断口的数目(图2.13)及在触头外侧加设金属熄弧栅(图213)，都可将长电弧分成短弧，达到快速熄弧的目的。,图213(b)中，电弧在缺口钢片(栅片)A处流动。在A处的电弧电流于钢片中建立的磁场可以把电弧电流拉向B点，迫使电孤进入熄弧栅中，这较冷的熄弧栅，除了把长弧分成短弧外，还有帮助电弧散热，增加复合面的多重作用。一旦电弧进入熄弧栅，就易于熄灭。这种方法也多用于交直流开关设备中。 此外，还可利用把电弧分成许多支并联细电弧或增大复合表面等方法强制熄弧。这里就不一一赘述了。,第三节 断路器开断短路电流的 工作状态及暂态分析,断路器要能闭合和开断各种性质的电路。以单相电路为模型，电力系统中常遇到的电路有如下几种：图214(a)为电阻性电路，图214(b)为电感性电路(感性小电流)，图214(c)为电容性电路(容性电流)，图214(d)为系统短路时的电路(感性大电流)。除电阻性电路外，开断和闭合其他性质的电路时均将在系统中引起暂态过程，出现异常的电压和电流，危害设备的安全运行。因此，对断路器触头在开断电路时的恢复电压进行暂态分析，不但可以使我们了解在不同电路参数下触头恢复电压的建立过程，而且为改善断路器的灭弧能力，提高开断容量，保证电力系统供电的可靠性提供了科学依据。,现以图2.14(d)断路器开断单相接地故障为例，说明弧隙电压的恢复过程，图2.14(d)的等值电路如图2.15所示。 图214(d)中L和R为电源电感和电阻：DL为断路器；Zf为负荷阻抗。当在断路器出口发生单相短路时，Zf被短接，断路器中通过单相短路电流id1，其波形如图2.16所示，其中u为电源电压。,在t1时，断路器触头分断而发生电弧，断口两端电压为uh。t2时电流过零，电弧熄灭，电压恢复过程开始，电源电压u逐渐加到断路器两端。电源侧对地电容C恰好与断路器断口并联，如图215所示。因此断路器DL断口电压恢复过程，就是交流电压u通过R、L对电容C充电的过程。,从熄弧角度看，电弧是否重燃，主要决定于电流过零后很短时间内的电压恢复过程。在这短时间内，电源电压变动很小，因此在分析电压恢复过程时，可以近似地把交流电源简化为直流电源，其电压取值为交流恢复电压u0。于是，断路器DL电压的恢复过程，相当于电压为u0的直流电源和电感L，电阻R及电容C组成的串联电路，在突然合闸时电容C两端的电压变化过程。这样可以用图217的电路来分析电压恢复过程。,当t0时，相当于开关K突然闭合，电路中有电流ic通过。假设断路器弧隙电阻在电流过零时为无限大，则电路的回路方程式为,则得：,通常R值很小，可以忽略不计，当忽略Ric部分时，则上式等于,式中：u0为微分方程的特解，或称稳态解。,为相应的齐次方程的通解，或称为暂态解。a1a2为待定常数，由初始条件决定。,1初始条件即电路电流过零时的状态 (1)t0时电容器电压uc即为电弧电压uh0。 即 t0，ucuh0 将代入(28)式得,(2)t0时，电流过零，由于电路中存在电感，电流不能跳变，因此,根据(2.16)式，可以画出恢复电压波形图如图2.18，它是围绕u0的振荡电压波，振荡频率为f0。因此u0相当于恢复电压的稳态值，即相当于工频恢复电压。当tm1/2f0时，恢复电压达最大值，等于电流过零时电源电压的两倍。 实际电路中，恢复电压最大值ushm达不列电源电压的两倍。一般在u0的1.31.6倍以下(图2.19)。由图2.19也可看出，恢复电压由两部分组成，瞬态部分和工频部分。瞬态部分即瞬态恢复电压以高频振荡形式出现，其振荡频率与电网参数省关。在实际电路中，这个瞬态部分衰减很快，持续时间很短。工频部分就是交流50 Hz正弦电压ugh。,第四节 高压断路器的构造及工作原理,在电力系统中，高压断路器是一种重要的控制和保护电器，高压断路器一般由下列各部分组成： (1)触头。用来实现电路通断的重要部件，触头闭合则电路关合，触头分离则电路开断。断路器中的触头分动触头和静触头两种，有时为了增加断口数目，还设置中间触头。动触头由运动机构带动，而静触头则固定在断路器的一端。 (2)灭弧室。在动静触头间隙发生电弧时，一般被限制在具备灭弧装置的灭弧室中，电弧在灭弧室中被纵向或横向吹长、冷却而熄灭。灭弧空的结构必须满足断路器一定开断容量下灭弧的要求。,按照绝缘和灭弧介质的不同，高压断路器可以分成油断路器、SF6断路器、真空断路器等，本节将分别予以介绍。 一、对高压断路器的技术要求及其基本参数 电力系统的运行状态、负荷的性质是多种多样的，作为控制、保护元件的高压断路器，为了保证电力系统的安全可靠运行对其要求是多方面的、分述如下。 (一)开断、关合电路方面 1开断负荷电路和短路故障 断路器在开断电路时，主要的困难是熄灭电弧。除了要求断路器能开断工作电路外，尤其要求断路器能开断各种形式的短路故障电路，因为短路电流要比正常负荷电流大得多，这时电路最难开断。 标志高压断路器开断短路故障能力的主要参数是：,额定电压Ue(kv)； 额定开断电流Iek（kA）； 额定断流容量Sed(MVA)，现在很少采用。对于三相电路，Sed的计算公式是,例如：ue220kV，Iek为21kA的断路器。额定断流容量为；,选择断路器时，首先要校核的参数就是断路器开断短路故障电路的能力。 2快速开断 电力系统发生短路故障后，要求继电保护系统动作越快、断路器开断越快越好。这样可以缩短系统的故障时间，减轻故障对电气设备及线路的危害并提高系统运行的稳定性。,(3)绝缘介质。可以分为灭弧用绝缘介质及支持用绝缘介质。灭弧用绝缘介质可以是变压器油、专用开关油、SF6气体、压缩空气或真空等。支持用绝缘介质可以是电工瓷、环氧树脂或玻璃钢等。 (4)壳体结构。把触头、灭弧室、绝缘介质等组装在一起，用以实现断路器工作的目的。它多由钢材、电工瓷、密封紧固件等组成，壳体构架必须满足断路器在电气绝缘方面、机构动力学方面以及工作环境的各种要求。,(5)运动机构。是使可动触头在规定范围内动作的联动机构，多由具有绝缘性能和一定材触强度的连杆机构组成，如在少油断路器户用得最多的椭圆直线连杆运动机构。运动机构可以直接和断路器的操动机构连接。执行操动机构对断路器的操作。,标志断路器开断过程快慢的参数是开断时间tg(s)，tg是从断路器接到开断信号到短路电流终止(电弧熄灭)的全部时间，它又分为：1.固有分闸时间tgf(s)：它是从断路器接到分闸命令到灭弧触头完全分离的时间；2.燃弧时间trh(s)：它是从触头分离到电弧全部熄灭的时间。 低速动作断路器tg0.12s 中速动作断路器 tg0.080.12s 高速动作断路器 tg0.08s 3关合短路故障 电力系统中的电器设备或输电线路有可能在末投入运行前就已存在绝缘故障，甚至处于短路状态，这种故障称为“预伏故障”。当断路器关合有预伏故障的电路时在关合过程中，通常在动、静触头尚未机械接触前，,触头间隙在电压作用下即被击穿(称为预击穿)，随即出现短路电流，短路电流产生的电动力往往对断路器的关合产生很大的阻力。有些情况下甚至产生动触头关合不到底的情况，这样在触头间会形成持续的电弧，可能造成断路器的损坏或爆炸。为了避免出现这一情况，断路器应具有足够的关合短路电流的能力。标志关合短路电流能力的参数是断路器的额定短路关合电流ieg(kA)，用峰值表示。,4.自动重合闸 在电力系统输电线路中因雷击闪电和鸟害等将发生大量的瞬时性故障，对此，自动重合闸是提高供电可靠性的有力措施。在短路故障发生时，断路器开断，然后，经很短时间再重新关合。如瞬时性故障已经消失，则重合成功；如短路故障仍未消除，断路器必须重新开断。,采用自动重合闸的断路器，其重合闸隔时间一般为1s左右。要在很短的时间内，可靠地连续分合几次短路故障，因此也就增加了断路器的工作负担。 5分合各种空载和负载电路 在电网运行过程中，断路器有时需要关合、开断空载长输电线、空载变压器、电容器组、高压电动机等电路。分合这些电路的主要问题是产生过电压。而断路器的绝缘能力应可以承受这种过电压。标志这方面分合能力的主要参数是额定电压ue，分合架空输电线路和电力电缆的长度(km)以及变压器、电容器组的容量等。,6允许分合次数 断路器应有一定的允许分合次数，以保证足够长的工作年限。根据标准，一般断路器允许空载分合次数(也称机械寿命)为2000次。控制电容器组、电动机等经常操作的断路器，其允许分合次数应当更多。,为了加长断路器的检修周期，断路器还应有足够的电寿命(允许连续分合短路电流或负荷电流的次数)。一般说来，断路器应有尽可能长的分合短路电流的电寿命。对用于保护、控制的经常操作的断路器，更应有连续分合几千次以上负荷电流的电寿命。电寿命也可用累计开断电流值(kA)来表示。 (二)一般电气性能方面 高压断路器既然要长期装设在电力系统中，就应能承受各种电压、电流的作用而不致损坏。 1电压 额定电压一定的断路器，要求其绝缘部分应能长期承受相应的最大工作电压，而且还要求能承受相应的大气过电压及内部过电压的作用。 标志这方面性能的参数是：最大工作电压、工频试验电压、全波和截波冲击实验电压、操作波试验电压。试验电压值可参看有关标准。,2电流 断路器在长期通过工作电流时，各部分温度不得超过允许值。关于断路器在各种情况下的允许温度，在有关标准中都有规定。断路器在通过短路电流时，不应因电动力而受到损坏，各部分温度也不允许超过短时工作的允许值，触头不应发生焊接或损坏。 标志这方面性能的参数是：额定电流Ie、额定动稳定电流idw(峰值)、额定热稳定电流Ire和额定热稳定时间tre(2s或4s)。 对断路器来说，额定动稳定电流idw (极限通过电流)、额定热稳定电流Ire、额定开断电流Iek、额定短路关合电流Ieg(峰值)都是同一短路电流在不同操作情况下或不同时刻出现的电流有效值或峰值。断路器标准中规定的各电流额定值的关系如图2.22所示。,(三)自然环境方面 断路器在周围各种环境条件下，都应可靠地工作，这些条件略述如下； 1.海拔高度 海拔高度对高压电器主要有两方而的影响： (1)对外部绝缘的影响。海拔高的地区，大气压力低，耐压水平随之降低。例如在海拔1000 m以下能承受工颇耐压42kv，1分钟的高压电器，在海拔超过3000m的地区，只能耐压38kV。根据标准规定，用于高海拔地区(高于1000m、低于3500m)的电器产品，如在低海拔地区进行耐压试验时，试验电压应该提高。其试验电压为标准规定值乘以修正系数,式中：H为安装地点的海拔高度(m)，1000H3500。 (2)对电器发热温度的影响。高海拔地区空气稀薄，散热差，允许通过的电流应该减小一些 在我国，海拔低于1000m的地区仅占全四面积的35，但全国90以上的变电站都在此地区内，所以有关标准规定，一般电器设备的使用环境按海拔低于1000m及2500m两档考虑。 2环境温度 高压电据有关标准规定，产品使用的环境温度为一40度一+40度。温度过低会使变压器油、液压油及润滑泊的粘度增加，影响开关电器的分、合闸速度。温度过低还会使SF6气体液化，使SF6电器设备无法正常工作。密封材料在低温下会出现性能劣化，造成电器设备的漏气漏油。温度过高，可能造成导电部分过热及电容套管的密封胶渗出等。特别是装设在户外的电器产品，,要考虑日照的影响，在太阳光的直射下很容易过热。标准建议，周围环境温度每增加1C，额定电流应减少1.8；每降低1度，额定电流可增加0.5%，但最大不得超过20。温度过高，空气绝缘性能也会降低。标准规定，用于高温地区的高压电器在常温地区进行耐压试验时、试验电压要适当提高。从40度开始，每超过3度，试验电压提高1。此外还应考虑环境湿度、风、雨、污秽、地震等多方面因素对断路器工作的影响。 各种断路器的主要技术参数可参见附录二附表6.16.3。,二、少油断路器 (一)电弧在油中的燃烧与熄灭 当触头间发生电弧时，在电弧高温(5000 K13000 K)作用下，油很快蒸发和分解，在电弧周围形成气泡，电弧在气泡内燃烧。,分解的气体占整个气泡体积的60，油蒸气占40。气体组成大致如下：氢气7080，乙快15一20，甲烷、乙烯占5%一10。在各种气体中，氢气具有最佳的导热性能，最小的粘度，扩散作用也比较强。这些都可以说明变压器油能熄灭电弧，主要是分解的氢气在起作用。分解的气体直接扩散到弧柱区域，使电弧间隙强烈地冷却和去游离。特别是在交流电弧电流过零时，这种作用更为强劲。 被电弧加热的气体和油蒸气力因膨胀，但是受到周围油和箱壁的阻碍，压力增高，游离气体的去游离作用加强，气体的介质强度恢复加快，这有助于电弧的熄灭。,图223表示简单开断(不采用任何灭弧装置)的油断路器触头间电弧燃烧的情况。,如果灭弧室内保持一定的压力，则氢、油气和未分解的油在灭弧室的空腔内形成急速流动的油和气流、对电弧产生吹的作用，可以增大灭弧能力。不过当压力超过油的容器和灭弧装置的机械强度时，将会产生爆炸。,(二)几种典型的灭弧室 在油中简单开断已不能满足电网要求时，为加强油气对电弧的冷却(通常是用油气吹弧)作用，目前油断路器中已全部采用灭弧装置。按照吹弧的能源，灭弧装置可以分成三类：自能吹弧灭弧装置。利用电弧放出的能量将油蒸发、分解而成油气，提高灭弧装置中的压力以驱动油气或油进行吹弧。外能吹弧火弧装置。利用外界能量(通常是关合断路器时储藏在弹簧中的能量)推动活塞，提高灭弧装置中的压力以驱动油进行灭弧。3综合吹弧灭弧装置。兼用上述两种能量来进行灭弧。,1纵横吹灭弧室 图2.24为10 kv SN1010I型少油断路器灭弧室结构。灭弧室由几种不同形状的灭弧片叠装而成。当动、静触头分离后，其间的电弧将油分解成高温气体，灭弧室内压力升高，促使逆止阀(图中没有画出)中的小钢球上升，堵住回油孔。加上绝缘套简的密封作用，所以在刚分闸的瞬间，电弧在封闭的空间内燃烧，电弧为气泡所包围，称为封闭气泡阶段。随着导电杆的向下运动，先后打开第一、二、三等横吹口和下面的纵吹囊，灭弧空室存的高温高压气体及油蒸气以高速分别由第一、二、三个横吹口和纵吹囊排出，产生强烈的横吹与纵吹效应。电弧被拉长和强烈去游离，称为纵吹横吹阶段。另一方面，出于导电杆迅速向下运动，排挤出与导电杆同体积的变压器油(通过附加油流通道)进入灭弧室的第一横吹孤道口，对电弧形成类似机械油吹作用(又称泵效应)。也有利于灭弧。,这种灭弧室采用横吹、纵吹和机械油吹三者相结合的灭弧结油断路器的灭弧室结构，所以灭弧性能好，在开断大电流时，采用连续横吹的原来，电弧在第一、二、三横吹作用，以及纵吹油囊的纵吹作用，使电弧熄灭；在开断更小的电流时，由附加油流速道的机械油吹作用，使电电弧熄灭。无论开断电流大小，开断过程中燃弧时间均不超过2个周波。,2纵吹灭弧室 图2.25为35kv少油断路器的纵吹灭弧宝。灭弧室由六块灭弧片组成，各灭弧片之间隔开一定距离形成油囊。灭弧室上部为静触头，动触头(导电杆)向下运动，触头分开后产生电弧，电弧使油蒸发和分解出大量气体。随着动触头向下运动，高压力气体通过灭弧片中间的圆孔向上对电弧进行纵吹。待动、静触头之间的距离足够长时，电弧即能熄灭。采用纵吹灭弧室的少油断路器有SW235、SW6110与SW6220等。,3环吹灭弧室 环吹灭弧室出现于20世纪60年代，在10 kv少油断路器中应用，灭弧效果良好。 灭弧室的结构原理如图2.26。在图2.26(a)中，上部为静触头1，动触头2为管状，侧面有小孔。与一般断路器不同，动触头端部是绝缘材料制成的。分断时，动触头向下运动，动、静触头间产生电弧。动触头顶端的绝缘部分把环形喷口的中间圆孔堵住。电弧蒸发和分解油产生的气体推动变压器油按照图2.26(b)的方向运动，指向环形喷口，吹拂电弧使电弧熄灭。,环吹灭弧室有两个优点： (1)开断大电流时，电弧能量较小，使触头烧损、喷油、喷气现象大大减轻。在横吹灭弧室中，由于开断大电流时气吹效果很强，电弧在气吹作用下拉得很长，电弧电压很高，电弧能量很大，触头烧损与喷油、喷气现象必然严重。而在环吹灭弧室中，电弧在环形油流作用下，能够保持直线形状，因而电弧电压与能量比横吹灭弧室小。实验数据表明，环吹灭弧室的电弧电压比横吹灭弧室低一半左右。 (2)开断小电流的性能较好。环吹灭弧室开断大电流时采用的是自能式灭弧原理，开断小电流是外能式。在灭弧室中，中间隔板6将上部灭弧空间与下部密封的机构箱隔开。当管状动触头向下运动时，由于油不可压缩，下部机构箱中的油被迫从管状动触头的内孔由下向上流动，经过管状动触头的侧面小孔喷向，包弧区(图2.26b)，对开断小电流极为有利。因此，环吹灭弧室不存在临界开断电流。,开断小电流的燃弧时间与大电流相同，在10 kv断路器中燃弧时间不超过20ms。现代很多少油断路器都利用这种压油作用来改善小电流的灭弧性能。,纵吹、横吹都是油自能灭弧装置，它们有一共同特点，就是存在临界开断电流现象。为了减少熄灭小电流时的熄弧时间，消灭临界开断电流现象，提出了利用活塞压油的机械油吹灭弧方式。 (三)少油断路器的典型结构 油断路器有多油、少油之分，多油断路器与少油断路器采用工作原理相同的灭弧室。多油断路器中的变压器油既完成灭弧作用，又作为断路器截流体与外壳的绝缘介质，故需油量较多，少油断路器只要求变压器油完成吹动、熄灭电弧的作用，载流体与外壳的绝缘则由电工瓷或其他介质(如树脂筒壳)承担，故需油量较小。多油断路器体积庞大，占地较宽，运输安装都不方便，,特别是容易引起严重的火灾。因此，多油断路器在我国除早期建成的发电厂、供电系统中仍有运行及10 kv、35kv电压等级仍有部分生产外，220 kV及以下各电压等级均以生产少油断路器为主。本节主要介绍10 kv及110kv两种少油断路器的结构。,1SN1010少油断路器 这是我国当前生产10 kv电压级断路器的主要品种。图2.27示出其本体的一相剖视图(图中只示出断路器的一相)，各相断路器分别通过瓷瓶5固定在底架2上。图示断路器在合闸位置电流经上接线板9，静触头8，导电杆11，流动式中间触头12到下接线板13，形成导电回路。,分闸时，在操动机构中的分闸电磁铁作用下，解开合闸保持机构的钩铰，由于分闸弹簧的作用，主轴4转动，经四连杆机构转动断路器各相的转轴14，将导电杆11向下拉动，动、静触头分离，触头间产生电弧，电弧在灭弧室10中熄灭。电弧分解和蒸发的气体，收到空气室7内，膨胀、冷却，再经过油气分离器，气体从上帽顶部的排气孔排出，冷却的油回到空气室内，以减少油的消耗。在分闸行程接近终了时，油缓冲器活塞杆15插入导电杆底部钢管中进行分闸缓冲。合闸时，操动机构中的合闸机构动作，使主轴4向与分闸时相反的方向旋转，一方面使导电杆11向上运动，静、动触头闭合，一方面拉伸分闸弹簧l，使之储能，以备分闸时用。,当导电杆11接近合闸位置时，合闸缓冲弹簧被压缩，进行合闸缓冲。被压缩的合闸缓冲弹簧，在分闸过程中释放能量，有利于提高开断速度。为了在分闸过程中能得到较平缓的速度一行程曲线，在最新的别SN1010少油断路器中加用了在分闸过程中的弹簧缓冲器。 对SN10-10I型少油断路器的灭弧室，图2.24作了较为详尽的介绍。 2SW110型断路器 SW110型断路器由三个独立的Y形单元组成，每个Y形单元构成一相的断路单元。每个单元的外形图如图2.28所示。它由底座1、支持瓷瓶3、中间机构箱5，以及安装触头和灭弧宝的两个斜立瓷瓶6等主要部件组成。,SW-110型断路器的灭弧室通常采用单筒或双筒纵吹灭弧室，图2.29所示灭弧室为SW3110型少油断路器的灭弧室。它由多个隔弧片组成多级油囊，当动触头与静触头分离向下运动时，在灭弧片中心孔部位燃烧。由于油囊的作用，油被蒸发和分解，产生高压力迫使气体顺着电弧方向，经灭弧室与静触头间引弧区吹向上部铝帽(图中没有画出)内的空气室，迫使电弧冷却和熄灭。这种灭弧室称为单筒纵吹灭弧室，与图2.25所示的双筒纵吹灭弧室比较，由于采用了回油道，省去了一个高强度绝缘筒。 在SW3110型少油断路器中，灭弧室、中间机构三角箱以及下面支柱瓷瓶内的油是连通的，没有互相隔绝。这样，简化了结构，减少了断路器漏油的几率。,三、气体断路器 六氟化硫(SF6)断路器和压缩空气断路器(简称空气断路器)都属于气体断路器。空气断路器是一种以压缩空气作为灭弧、绝缘和传动介质的断路器，为高压断路器的主要品种之一。近二十年来，由于SF6断路器的发展，空气断路器已大量被SF6断路器所取代，而且发展为全封闭组合电器，成为超高压等级断路器的最主要品种。在20世纪70年代，SF6断路器已用于电气化铁道各种配电设备中。本节主要介绍SF6断路器。 （一）六氟化硫的特性 1物理性能 SF6是一种无色、无臭、无毒、不可燃的惰性气体，比空气重5倍，常压下，液化温度为一63.8度；其热传导率随温度变化而变化，例如在2000度时，具有极强的导热能力而在5000度时，其导热能力很差，正是这种导热特性，对电弧的熄灭起着极为重要的作用。,2化学性能 SF6在常温下是极为稳定的气体，其惰性远远超过氮气。它不溶解于水和变压器油中；它与氧、