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高压断路器应用教程 授课 曹春荣 淮南平圩电力检修工程有限公司 电气 目录 第一章 高压断路器基础知识 1第二章 断路器的基本动作形式 48第三章 ZN12型断路器概述 68第四章 真空灭弧室结构及原理 88第五章 ZN12型断路器检修 112 第一章 高压断路器基础知识 1 1高压断路器的用途和类型1 2高压断路器的基本要求1 3高压断路器的技术特性1 4开关电弧的形成和熄灭 1 1 高压断路器的用途和类型 一 高压断路器的用途和类型高压断路器是电力系统中发 送 变 配电接通 分断电路和保护电路的主要设备 它具有完善的灭弧装置 正常运行时 用来接通和开断负荷电流 在某些电气主接线中 还担任改变主接线运行方式的任务 故障时 用来开断短路电流 切除故障电路 高压断路器是电力系统中最重要的开关设备之一 它起着控制和保护电力设备的双重作用 1 控制作用 根据电力系统运行的需要 将部分或全部电力设备或线路投入或退出运行 2 保护作用 当电力系统任何部分发生故障时 应将故障部分从系统中快速切除 防止事故扩大 保护系统中各类电气设备不受损坏 保证系统的安全运行 1 1 高压断路器的用途和类型 高压断路器是电力系统中最重要 最复杂的电器设备 断路器的基本理论和工作原理牵涉面较广 内容庞杂 即有电磁学理论 也有热学和力学理论 在电磁学和热学方面既有场有又路 既有稳态过程也有暂态过程 在力学方面涉及到静力学 动力学 流体力学和空气动力学方面的内容 此外还涉及到电工材料 绝缘 放电 试验等多项技术 并随着时代的发展内容不断扩充和更新 如计算机技术的应用等 有关内容不只用于高压断路器 还可用于包括高压电器 低压电器等各种电气设备 1 1 高压断路器的用途和类型 IEC 高压断路器能承载 关合和开断运行线路的正常电流 也能在规定时间内承载关合及开断规定的异常电流 如短路电流 的开关设备 是电力系统的保护和操作的重要电气装置 通常可按以下两种方式对开关装置进行分类 1 按电压等级分 1 额定电压大于或等于1kV的开关设备称为高压开关 如 断路器 负荷开关 隔离开关 高压熔断器 2 额定电压低于1kV的开关设备称为低压开关 如 自动空气开关 接触器 磁力起动器 闸刀开关 低压熔断器 1 1 高压断路器的用途和类型 2 按作用分 1 只用于接通和断开电路正常负荷电流的开关设备 如 负荷开关 接触器 2 只能用于断开不正常状态和故障电流的开关设备 如 熔断器 3 既能接通和断开正常负荷电流又能接通和断开不正常状态和故障电流的开关设备 如 断路器 自动空气开关 4 不能用于断开负荷电流 也不能用于断开不正常及故障电流的开关设备 如 隔离开关 闸刀开关 1 1 高压断路器的用途和类型 高压断路器装设的地点不同 分为户内 N 和 W 两种形式 按断路器的灭弧介质和作用原理 可分为下列主要类型 1 油断路器 它是以变压器油来作为灭弧和绝缘介质的断路器 又可分为多油和少油两种类型 2 SF6断路器 它是以SF6气体作为灭弧和绝缘介质的断路器 3 真空断路器 它是以高真空度的介质来熄弧的断路器 指触头在高真空中关合和开断的断路器 4 压缩空气断路器 它是以高速流动的压缩空气来作为灭弧介质的断路器 1 1 高压断路器的用途和类型 5 自产气断路器 它是利用固体介质受电弧作用分解气体来熄弧的断路器 6 磁吹断路器 它是利用电磁力驱使电弧进入绝缘狭缝中 拉长 冷却电弧来熄弧的断路器 我国生产的高压断路器的类型很多 其型号的含义如下 其中表示产品名称的字母含义 S为少油断路器 D为多油断路器 K为空气断路器 z为真空断路器C为磁吹断路器 表示其他标志的字母 如G为改进型 F为分相操作 D 增容 W 防污 Q 耐震 根据控制和保护的电气设备不同 高压断路器大致可分为以下几类型 1 1 高压断路器的用途和类型 1 发电机断路器 控制和保护发电机用的断路器 断路器的额定电压在17 5 36KV范围内 额定电流及额定短路开断电流极大 不需要快速自动重合闸 这里举ABB公司为例 ABB公司具有不同类型的发电机断路器 其中有HG和H型中等容量的SF6断路器 有特大容量的DR型压缩空气断路器 大亚湾核电 还有中小容量的VD4G型真空断路器 2 输电断路器 用于110 63 KV及以上输电系统中的断路器 其中110KV 220KV电压等级使用的断路器称为高压断路器 330KV及以上电压等级使用的断路器称为超高压断路器 1 2 高压断路器的基本要求 输电断路器除要求具备快速自动重合闸功能外 还常要具备开合近区故障 失步故障 架空线路和电缆线路充电电流的能力 3 配电断路器 用于35KV及以下的配电系统中的断路器 这类断路器要具备快速自动重合闸的功能 1 2 高压断路器的基本要求 二 对高压断路器的基本要求对高压断路器的要求大致有下述几个方面 1 工作可靠 断路器在制造厂给定的技术条件下工作时 应能可靠地长期正常运行 2 应具有足够的断路能力 由于电网电压较高 电流较大 当断路器在断开电路时 触头间会出现电弧 只有将电弧熄灭 才能断开电路 因此 要求断路器有足够的断路能力 尤其是在短路故障时 能可靠地切断短路电流并保证具有足够的热稳定度和电动稳定度 1 2 高压断路器的基本要求 3 具有尽可能短的切断时间 当电力网发生短路故障时 要求断路器迅速切断故障电路 这样可以缩短电力网的故障时间和减轻短路电流对电气设备的损害 在超高压电网中 迅速切断故障电路还可以提高电力系统的稳定性 因此切断时间是高压断路器的一个重要参数 4 实现自动重合闸 架空输电线路的短路故障 大多是临时性故障 当短路电流切断后 故障也随之消除 1 2 高压断路器的基本要求 为了提高供电的连续性 故装有自动重合闸装置 自动重合闸是断路器在故障跳闸以后 经过一定的时间间隔又自动进行再次关合 重合后 如果故障已消除 即恢复正常供电 称为自动重合成功 如果故障并未消除 则断路器必须再次开断故障电流 这种情况称为自动重合失败在便合失败后 如已知为永久性故障应立即组织检修 但有时运行人员无法判断故障是暂时性还是永久性 而该电路供电又很重要 允许3分钟后再强行合闸一次 称为 强送电 同样 强送电也可能成功或失败 但失败时 断路器必须再开断一次短路电流 1 2 高压断路器的基本要求 断路器的上述动作程序 称为自动重合闸的操作循环 记为分O 无电流间隔时间 一般为0 3秒或0 5秒 合分 t 强送电时间 一般为180秒 合分 可写为 O CO t CO其中 O 分闸操作CO 断路器合闸后任何有延时就立即进行分闸操作t 无电流时间 是指自动重合闸中 断路器开断时从所有相中电弧均无熄灭起到随后重新关合时任意一相中开始通过电流时的时间间隔 对于快速自动重合闸的断路器 取t 0 3st 强送电时间 一般取t 3分钟 1 3 高压断路器的技术特性 三 高压断路器的技术特性 1 额定电压和最高工作电压 额定电压是指断路器在运行中所承受的正常工作电压 也就是指断路器长期工作的标准电压 考虑到输电线路有电压降 线路供电端母线额定电压高于受电端母线额定电压 这样断路器可能在高于其额定电压下长期工作 为此断路器出厂时都以最高工作电压进行鉴定 最高工作电压是指断路器在运行中应能长期承受的最高电压 按国家标准 对于额定电压在220伏及以下的设备 其最高工作电压为额定电压的1 15倍 对于330千伏 500千伏的电压等级的设备 规定为1 1倍 1 3 高压断路器的技术特性 2 额定电流 断路器长期允许通过的最大工作电流 其各部分的发热温度不超过允许值 为额定电压的1 15倍 对于330千伏 500千伏的电压等级的设备 规定为1 1倍 2 额定电流 断路器长期允许通过的最大工作电流 其各部分的发热温度不超过允许值 额定电流的大小决定了断路器的触头结构及导电部分的截面 额定电流的取值大小由有国家标准规定 具体等级为200 400 600 1000 1250 1500 1600 2000 2500 3000 3150 4000 5000 6300 8000 10000 12500 16000 20000A 括号内数字是另不采用 它们只适用于老产品 1 3 高压断路器的技术特性 3 额定开断电流额定开断电流是指断路器在额定频率为50Hz时的瞬态恢复电压下 能够开断的最大短路电流的有效值 有时也用额定开断容量来表示 短路电流由周期分量和非周期分量两部分组成 额定开断电流反映断路器的灭弧能力 它与断路器灭弧介质的选择和灭弧方法的选择等因素有关 1 3 高压断路器的技术特性 4 额定峰值耐受电流 动稳定电流 额定峰值耐受电流是表明断路器能承受短路电流电动力作用的能力 即断路器在闭合状态时能通过的不妨碍其正常工作的最大短路电流 峰值 断路器额定峰值耐受电流约等于断路器额定开断电流周期分量有效值的2 55倍 1 3 高压断路器的技术特性 5 额定短时耐受电流 热稳定电流 额定短时耐受电流是表明断路器能承受短路电流热效应的能力 额定短时耐受电流等于额定开断电流 1 3 高压断路器的技术特性 6 额定短路持续时间 额定热稳定时间 当额定短时耐受电流通过断路器的时间为额定短路持续时间实施 断路器的各部分温度不超过其短时所允许发热的最高温度 并且不发生触头熔接或其他妨碍正常工作的异常现象 额定短路持续时间通常可以是1s 2s 3s 4s 1 3 高压断路器的技术特性 7 额定短路关合电流当断路器进行重合闸操作时 保证断路器能关合短路电流而又不致于发生触头熔焊或其他损伤 所允许接通的最大短路电流 8 机械时间特性 后面讲解 1 4开关电弧的形成和熄灭 开关电器在切断电压大于10 20V 电流大于80 100mA的电路时 在触头刚分离的瞬间 触头间产生电弧 这时虽然电路触头分离 但电弧继续燃烧 电流仍在触头间通过 直到触头分开至足够长的距离时 电弧熄灭 电路才算真正的切断 1 4开关电弧的形成和熄灭 电弧的温度很高 表面温度可达3000 40000C 电弧中心温度可高达100000C以上 这种高温 即使作用的时间很短 触头表面也会因剧烈熔化和蒸发而损坏 触头附近的绝缘材料 包括绝缘油 电工瓷 有机绝缘材料 被严重烧损 以致设备损坏 所以 在切断电路时 必须采取措施尽快地熄灭电弧 1 4开关电弧的形成和熄灭 1 电弧的形成电弧的形成是触头间中性质点 分子和原子 被游离的过程 这一过程很复杂 产生电弧放电和维持电弧的主要原因和过程如下 1 4开关电弧的形成和熄灭 1 高电场发射当通过电流的开关触头刚分离时 触头间距离很小 由于外加电压的作用 在这很小的间隙中 形成很高的电场强度 可超过1000 10000kV cm 足以从阴极表面拉出电子 这就是高电场发射 随着触头间的距离增大 电场强度减小 高电场发射的作用将减弱 1 4开关电弧的形成和熄灭 2 热电子发射当触头刚分离时 由于触头间的压力和接触点减少 使触头接触电阻迅速增大 在电极表面出现局部集中的电流 使电极上出现炽热点 阴极中的电子因此获得足够的动能逸出到空间 这种因炽热使电极表面向周围空间发射电子现象 称为热电子发射 1 4开关电弧的形成和熄灭 3 碰撞游离从阴极表面发射出来的自由电子 在电场的作用下 向阳极做加速运动 并不断地与触头间介质的中性质点碰撞 当自由电子在加速运动过程中所积累起来的动能大于中性质点的游离能 使电子释放出来的能量 时 中性质点被碰撞分离为电子和正离子 称为碰撞游离 新产生的电子和原来的电子一起向阳极做加速运动 当他们和其他中性质点碰撞时又再一次发生碰撞游离 碰撞游离连续进行的结果 将在触头间产生了大量的电子和正离子 使介质击穿 引起电弧 1 4开关电弧的形成和熄灭 使触头间介质被击穿的电压称为击穿电压 4 热游离介质在高温作用下产生游离称为热游离 在电弧产生后 弧隙温度很高 此时在高温下的介质分子和原子的无规则热运动将更严重加剧 中性质点间也会因此碰撞而发生碰撞游离 游离出电子和正离子 1 4开关电弧的形成和熄灭 4 热游离介质在高温作用下产生游离称为热游离 在电弧产生后 弧隙温度很高 此时在高温下的介质分子和原子的无规则热运动将更严重加剧 中性质点间也会因此碰撞而发生碰撞游离 游离出电子和正离子 1 4开关电弧的形成和熄灭 电弧稳定燃烧时 弧柱温度很高 电弧电压和弧柱的电场强度很低 碰撞游离作用减弱 此时弧柱的游离作用由热游离维持 当电弧温度很高时 一方面阴极表面发射电子 另一方面会引起金属触头熔化 蒸发 以致介质中混有金属蒸气 使弧隙电导增加 电弧将继续炽热燃烧 1 4开关电弧的形成和熄灭 从以上可见 阴极表面在高电场作用下发射电子 这些电子在触头间电压作用下产生碰撞游离 形成电弧 在电弧高温下阴极表面热发射及介质中的热游离 使电弧得以维持和发展 这就是电弧的形成过程 1 4开关电弧的形成和熄灭 2 电弧的熄灭游离是在外加电压和电弧电流作用下 电子和离子不断产生的过程 也就是电弧的产生和维持的过程 与此同时 在弧柱中还存在着电子和离子消失 减少 的过程 使电弧电流减少 以致使电弧熄灭 称为去游离 在稳定燃烧的电弧中 这两个过程处于动态平衡 如果游离现象大于去游离现象 电弧将继续炽热燃烧 如果去游离大于游离 电弧越来越弱 最后熄灭 因此使去游离大于游离就是电弧熄灭的基本原理 1 4开关电弧的形成和熄灭 去游离的方式主要是复合与扩散 1 复合弧隙中带正电或带负电的质点 在运动中彼此结合形成中性质点的过程 称为复合 电子的运动速度约为离子运行速度的1000倍 因此 电子和离子的直接复合可能性很小 但是 电子在碰撞时先附着在中性质点上形成负离子 然后与运动速度大致相等的正离子相互吸引 接触而形成中性质点 中性分子 1 4开关电弧的形成和熄灭 复合过程的快慢 主要决定于离子运动的速度 使弧柱场强减小 降低电弧温度 增大气体压力 升高气体密度等 均可减小离子运动速度 增加离子间接触机会 加强复合 1 4开关电弧的形成和熄灭 2 扩散扩散是弧柱中的自由电子及正离子由于热运动从弧柱内逸出进入周围介质的一种现象 电弧中的高温自由电子和正离子由密集的空间向周围密度小 温度低的介质扩散 并与介质中带异性电的质点结合 形成中性分子 电弧与周围介质温度差以及离子浓度差愈大 扩散作用愈强 1 4开关电弧的形成和熄灭 采用冷的 新鲜的 未游离的气体吹动电弧 可使电弧在周围介质中移动 加强与新鲜介质接触 一方面带走电弧的热量 另一方面增大电弧与周围介质的温差 加强扩散 有利于灭弧 1 4开关电弧的形成和熄灭 电弧熄灭与否 取决于游离与去游离两个因素作用的结果 当弧柱中去游离大于游离时 电弧中离子减小 电弧电阻增加 电流减小 最后电弧趋于熄灭 1 4开关电弧的形成和熄灭 交流电弧的熄灭交流电流每半个周期经过一次零值 此时 电源停止向弧隙输入能量 而弧隙由于不断散出热量 温度下降 热游离作用迅速减弱 电弧暂时熄灭 但是由于弧隙的温度很高 热游离尚在继续 在弧隙电压的作用下 弧隙仍有电流通过 电源仍向弧隙输入能量 使弧隙温度升高 热游离加强 1 4开关电弧的形成和熄灭 若输入能量大于散出能量 即弧隙中游离过程大于去游离过程 电弧将重燃 这种由于热游离而引起电弧的重燃称热击穿 反之 如果电流过零后 输入能量小于散出能量 弧隙温度将继续下降 热游离基本停止 弧隙由导电状态向介质状态转变 电弧即熄灭 1 4开关电弧的形成和熄灭 电流过零时 电弧暂时熄灭 但弧隙介质绝缘能力要恢复到正常情况需要一定时间 称为介质强度恢复过程 在此过程中 弧隙所承受而不致使弧隙击穿重燃的临界电压称为介质的击穿电压uj t 与此同时 弧隙电压由熄弧电压 经一定时间 逐渐恢复到电源电压 这是弧隙电压的恢复过程 1 4开关电弧的形成和熄灭 随着电压的升高 游离因素加强 可能引起间隙再击穿 称为电击穿 电弧重燃 交流电流过零后 电弧熄灭是否会重熄 取决于介质强度恢复过程与弧隙电压恢复过程相互作用的结果 只要电流过零后 弧隙的介质击穿电压uj永远大于弧隙恢复电压uhf 弧隙不被击穿 电弧即熄灭 否则 电弧将重燃 如图6 1 1 因此交流电弧的熄灭条件是 电流自然过零后 弧隙介质强度恢复曲线高于电压恢复曲线 uj t uhf t 1 4开关电弧的形成和熄灭 1 4开关电弧的形成和熄灭 3 熄灭电弧的方法加强弧隙的去游离 或减小弧隙电压的恢复速度 都可以促进电弧熄灭 广泛采用的灭弧方法 有以下几种 吹弧温度对熄弧影响很大 温度愈低 热游离愈不易发生 能加快去游离 而且介质的绝缘强度随温度的降低而增加 介质强度恢复的快慢 在很大程度上决定于弧隙温度降低的速度 因此 冷却电弧是熄弧的重要方法之一 1 4开关电弧的形成和熄灭 用气体或液体介质吹弧 既能起到对流换热 强烈冷却弧隙的作用 也可以部分取代原弧隙中游离气体或高温气体 气体流速大 对流换热的能力强 能使电弧散热加剧 对弧隙的冷却作用更大 1 4开关电弧的形成和熄灭 在断路器中 常制成各种形式的吹弧室 使气体或液体产生较高的压力 有力地吹向弧隙 吹动电弧的方法有纵吹和横吹 如图6 1 2 吹动方向与弧柱轴线平行的叫纵吹 吹动方向与轴线垂直的叫横吹 纵吹主要是使电弧冷却变细 最后熄灭 而横吹则将电弧拉长 表面积增大并加强冷却 熄弧效果较好 采用纵横混合吹弧方法 熄弧效果更好 1 4开关电弧的形成和熄灭 第二章 断路器的基本动作形式 1 分闸2 合闸3 合分4 重合和重合闸5 高压断路器对操动机构的要求 1 分闸 断路器是在电力系统不同工况下进行合分 以保证电力系统可靠供电和切除故障线路 断路器除单一合闸和分闸外 还要求具有快速的重合闸 重合分和合分动作一 分闸分闸操作是断路器最基本的功能 由于断路器分闸 可开断高压回路 或切断负荷电源 或隔断高压电源 或切断故障电源 1 开距高压断路器分闸到底时 动触头与静触头之间形成一定长度的绝缘间隙以保证线路能彻底断开 断路器处于分闸状态时 此时触头之间的绝缘间隙被称为开距 开距的大小与高压断路器的额定电压和开断性能要求有关 也与绝缘介质的特性和灭弧装置的设计有关 2 行程和超行程 1 分闸 行程是指高压断路器分闸过程中动触头所走过的距离 行程包括了触头之间的开距和触头接触行程 为保证足够的接触压力 补偿触头受电弧的烧损以及获得必要的分闸速度 动端需要超行程来保证 3 分闸速度高压断路器分闸过程中 动触头的运动随时间或行程而变化 一般分闸速度是指分闸过程中触头分离之后半个周波内动触头的速度的平均值 以这个数值为标称分闸速度其意义在于 在这个期间内动触头的速度对高压断路器的熄弧和熄弧间隙承受恢复电压将起到决定性作用 因为高压断路器的燃弧时间约为半个周波到一个周波之间 如三相断路器指首相燃弧情况 但是为了测量的方便 工厂往往给出刚分速度的数据 这是指触头刚分瞬间的平均速度 大致是刚分之前 1 分闸 半波和刚分之后半波的测量值的平均值 分闸速度因不同的灭弧室设计 不同的灭弧介质和断口的数目多少而不同 它是操动机构设计主要的依据之一 4 固分时间固分时间是指分闸过程中从操动机构接到分闸命令时起 到断路器触头侧分离的一段时间 这段时间包括操动机构和高压断路器本身在触头分离以前的执行电气命令和机构动作的时间 具体说 由以下几部分组成 1 启动时间从脱扣机构受电到脱扣器动作并使操动机构解扣时止或者分闸动力控制系统的初级阀门触动时止的时间 2 分闸控制时间从分闸动力控制系统受能到机构传动触动的时间 对于机械连杆式操动系统 无分闸动力控制 1 分闸 故无此项时间 3 分闸寄生时间从机械传动触动开始到触头开始运动的时间 4 逆超程时间从触头开始运动到触头分离时止的时间 上述第三部分的时间是指机构运动链的间隙位移和弹性变形引起的时间消耗 对于机械传动来说 运动链在合闸位置处于受力的紧张状态 链中各个环节有一定的弹性变形 当解扣时 在触头获得运动之前 这些环节由于力的松弛 应变消失而需要一定的时间 只有应变消失之后触头才能从分闸动力获得相应的运动 假设不产生反向应变 这种由于弹性应变而引起的时间延迟约为1 3ms 1 分闸 5 全开断时间全开断时间是指在全开断电流下 分闸过程从操动机构接到分闸命令时起到电弧熄灭时止的时间 也就是固分时间加燃弧时间 燃弧时间与起弧相角有关 其下限称短燃弧时间 其上限称长燃弧时间 三相断路器在单相试验时 既要求用短燃弧时间验证首相的开断性能 同时还要求一长燃弧时间验证后两相开断的性能 后两相的电流过零比首相开断过零的时间滞后一定的电角度 如在三相不接地短路试验中为90 又考虑三相之间的相位差 故长燃弧时间与短燃弧时间的时间差可认为是8 33ms 在三相不接地短路试验中 而IEC目前的规定是7ms 这只能理解是多种形式短路的综合反映 1 分闸 缩短断路器的全开断时间对提高电力系统的稳定性和提高输电线路的输送容量有很大好处 对60周交流来说为33 3ms 若考虑现代断路器的长燃弧时间为一周波左右 则此种断路器的固分时间对于50周或60周系统来说 相应地分别要求为20左右或16 6ms左右 2 合闸 二 合闸线路的正常送电 负荷的倒换 电压的引入等都必须由断路器的合闸动作来完成 合闸以后 断路器本身就处于警戒状态 在它所保护的范围内出现任何故障 随时可以受命跳闸 断路器在合闸状态下 必须保证具有足够的长期通流能力和经受短路电流和电动力作用能力 而这些性能与机构的设计有密切的联系 若机构设计不当 或操动系统不能制锁 则在短路电动力作用下 断路器触头会自行脱开 或因机构的输出力矩不够 触头的轻微熔焊造成断路器不能开断 均将酿成事故 因而合闸状态下的可靠性亦是十分重要的 2 合闸 1 合闸速度 合闸速度是指断路器触头以前半波内的平均速度 它标志着断路器的运动系统在趋近于合闸时所应具有的动能水平 待触头接触以后 由于阻力突然增大 动触头的运动速度受到很大的阻力而降低 合闸速度还影响预击穿特性 当合闸速度高时 预击穿距离就小 其阻碍断路器关合的作用也小 反之 影响就大 合闸速度是在合闸装置的动力处于额定参数下所测得的数据 可是在运行中 动力源的特性参数常常偏离其额定值 对液压操动机构来说流体输出功有随操作负荷大小而变化的适应性 因而动力额定参数的变化而导致运动系统的功能的差异不很大 2 合闸 2 合闸时间 合闸时间是指从发合闸令到断路器的主触头刚合时止的这段时间 在制造和运行过程中 测定合闸时间往往可以得知断路器的操动系统是否处于正常状态 合闸时间由以下几部分组成 1 启动时间从启动电磁铁的线圈受电到电磁铁刚顶开控制阀门时止的时间 2 合闸控制时间从合闸控制装置得电到合闸装置触动的时间 3 合闸寄生时间从合闸装置触动到断路器的主回路动触头触动的时间 此为消耗于机构的间隙和机构传动的弹性变形的时间 4 逆开距时间从动触头触动到与静触头刚接触的时间 2 合闸 上述四部分时间之中 占主要的是逆开距时间 因为动触头触动时 其速度为零 只有在合闸过程中才能得到加速 所以刚接触时 往往要经过一段较长的时间 在合闸的前一段行程中速度在预击穿距离内才有意义 而这时动触头恰已加速到需要的速度 当代的新型断路器行程都很小 因而合闸时间亦缩短 合闸时间的缩短给断路器的操动带来很大的好处 即合闸的分散性可以缩小 因而电力系统的稳定性可以提高 2 合闸 从机构设计的角度去缩短合闸时间 主要从缩短启动时间和控制时间入手 采用快速启动装置可以将启动时间从10ms缩短到2ms 合理地选择控制系统的结构参数 改善控制阀的运动特性可以获得最短的控制时间 但若对合闸时间没有严格的要求 过分地追求的合闸时间 可能不是合理的办法 因为由此可能引入导致操动不可靠的因素 3 合分 三 合分高压断路器在合闸过程中可能遇到线路故障 如短路 而要求它立即跳闸的情况 因而断路器应具有及时跳闸反应的能力 即当断路器合到底立刻能进行无任何延迟的正常分闸 这种反应能力依赖控制系统和机构传动系统的实用性 断路器合闸之后 立即进行分闸 则线路接通的时间很短 在电力系统中 希望短路合闸时断路器以最快的动作将短路断开 以保证系统运行的稳定性 因而对断路器合分时的接通时间 有一定的要求 而此时间成为金属短接时间 3 合分 最短的金属短接时间应由下列部分组成 1 关合超程时间 合闸过程中 从触头刚接触开始到合到底停止之间的时间 2 停顿时间 从合到停止到断路器因执行分闸命令而触动时止的这段时间 3 逆超行程时间 分闸过程中 从动触头到与静触头脱离时止的这段时间 断路器的金属短接时间与运行中的继电保护有相互交叉的关系 因而在合分任务中要确定电力系统承受短路的时间需对设备和保护作详细的分析才能获知 而且设备的调整必须得当 4 重合和重合闸 四 重合和重合闸在高压电力系统中常要求断路器在事故跳闸后进行快速重合闸 以获得高的系统稳定性 这种重合闸往往能排除系统中的一段偶然性的短路事故而获得成功 但当重合后短路仍未消除时 断路器在继电保护装置的作用下又可立即跳闸 这时的操作任务为重合闸 即分闸以后再一个合分 如需再次强送电 则可再设置一个合分 即为分 合分 合分 后一个合分前的时延要长一些 由具体的系统保护确定 5 高压断路器对操动机构的要求 5 高压断路器对操作机构的要求对操动机构的要求很严格 作为电网主要保护和控制元件的高压断路器 其动作可靠性是极为重要的 断路器该动时不动 不该动时乱动 都会造成线路事故 给电力系统带来巨大的损失 在电力设备中 断路器及其操动机构的机械故障比之其它设备要多 这主要是 1 操动机构的润滑系统差 动作环节多 故出现故障的可能性就大 2 高压断路器工作条件比较恶劣 3 断路器工作状态是非连续性的 有时甚至一年也动不了几次 这样 隐患不易及时发现 5 高压断路器对操动机构的要求 4 断路器及其操动机构类型多 结构差异大 因此 在制造和维修方面积累经验比较困难 因此 在设计操动机构时 必须特别注意下述几个动作的性能及其动作的可靠性 1 合闸在电网正常工作时 用操动机构使断路器关合 这时电路中流过的是工作电流 关合是比较容易的 但在电网事故情况下 如断路器关合到有预伏短路故障的电路上时 电路中出现短路电流 断路器导电回路将受到较大电动力的作用 电动力F可用下式表示 F 1 02 10 7CI max式中C 回路系数 数值在几十至几百之间 Imax 短路电流最大值 A 由式可见 当电流Imax在几千安以下时 断路器导体间的电动力通常可以略而不计 5 高压断路器对操动机构的要求 而在短路故障时 电流可达几万安以上 此时 电动力的数值就很可观了 有时可达几千牛顿以上 另一方面 从断路器导电回路的布置以及触头的结构来看 电动力的方向又常常是妨碍断路器关合的 因此 在关合有预伏短路故障的电器时 由于电动力过大 断路器有可能出现不能可靠关合 如触头合不到底 则会引起触头严重烧伤 甚至断路器爆炸等严重事故 因此 操动机构必须是以克服短路电动力的阻碍 也就是具有关合短路故障的能力 5 高压断路器对操动机构的要求 2 保持合闸由于在合闸过程中 合闸命令的持续时间很短 而且操动机构的操作功也只在短时间内提供 因此操动机构中必须有保持合闸状态的装置 以保证在合闸命令和操动功能消失后使断路器保持在合闸位置 3 分闸操动机构要能够进行电动或手动分闸 为满足灭弧性能的要求 断路器还应具有一定的分断速度 使分断时间尽可能缩短 以减少短路故障存在的时间 4 自由脱扣与防跳跃自由脱扣的含义是 在断路器合闸过程中如操动机构又接到分闸命令 则操动机构不应继续执行合闸命令而应立即分闸 5 高压断路器对操动机构的要求 当断路器关合有预伏短路故障的电路时 若操动机构没有自由脱扣能力 则必须等到断路器的触头关合到底后才能分闸 这样有可能使断路器连续多次合 分短路电流 这一现象称为 跳跃 出现 跳跃 现象时 会造成触头严重烧伤乃至爆炸事故 对具有自由脱扣的操动机构 则不管触头关合到什么位置 也不管合闸命令是否解除 只要接到分闸命令 断路器触头即执行分闸动作 所以 操动机构中必须要有自由脱扣装置 高压断路器操动机构有弹簧操动机构 液压操动机构 电磁操动机构 手动操动机构 气动操动机构 电动机操动机构 永磁操动机构等 第三章 ZN12型断路器概述 1 型真空断路器概况2 弹簧操动机构的简单介绍 1 型真空断路器概况 年 由西安高压电器研究所 北京开关厂 宝光电工厂和桂林粉末冶金研究所等单位联合与原西德西门子公司签定技术合同 引进西门子公司生产 真空断路器的先进技术 于 年 月由原机电部和原能源部组织并通过了样机鉴定 真空断路器主要由北京开关厂研制成功 此后 由西安高压电器研究所发证定型 型真空断路器 用在我公司2X600MW发电机组的厂用电中压系统中 开关柜全部安装北京开关厂生产的GFC 3F型开关柜 该型断路器主要由外屏蔽罩式陶瓷外壳真空灭弧室 弹簧操动机构和绝缘支撑组成 具有结构简单 开断能力大和寿命长等特点 图1在用钢板焊接成的机构箱上固定有 只环氧树脂绝缘子 每相两只绝缘子呈 形布置 1 型真空断路器概况 绝缘子上固定着铸合金材料制成的上下接线座 籍以安装真空灭弧室 下出线部分装有软连接 其一端与灭弧室动导电杆上的导电夹相连 在动导电杆下端装有万向杆端轴承 通过轴销 与下出线座上的转向杠杆相连 开关传动主轴 上的拐臂未端连有绝缘拉杆 从而驱动导电杆进行分合操作 在绝缘拉杆与主轴上拐臂的连接处装有触头弹簧 触头弹簧设计有一定的预压力 其预压行程和终压行程之差常常称为触头的超行程 1 型真空断路器概况 3 4 2 1 5 1 型真空断路器概况 一 技术参数1 额定雷击冲击耐受电压 全波 KV752 额定短时 工频耐受电压 1分钟 KV423 合闸时间 S 0 0754 分闸时间 S 0 045 0 0655 储能电机功率 W 2756 储能电动机额定电压 V 1102207 储能时间 S158 合闸电磁铁Ue V 1102209 分闸 Ue V 11022010 操作顺序 分 0 3S 合分 180S 合分 分 180S 合分 180S 合分 1 型真空断路器概况 二 机械特性调整参数1 触头行程 11 1mm2 触头超行程 8 2mm3 三相触头分 合闸同期性 2ms4 每相回路电阻 25u 5 相间中心距离 210 1 5mm 2 弹簧操动机构的简单介绍 3AF型断路器的弹簧操动机构结构原理图如图2所示 主要由储能机构 锁定机构 合闸弹簧 分闸弹簧 开关主传动轴 缓冲器和控制装置等部件组成 2 弹簧操动机构的简单介绍 图2操动机构结构原理图 2 弹簧操动机构的简单介绍 储能机构主体是一个外壳为铸铝的减速箱1 其内部装有两套蜗轮蜗杆 储能轴O3横穿减速箱 与蜗轮蜗杆无机械联系 储能轴上套一轴套 该轴套用键连在大蜗轮上 轴套上设有轴销 并装有棘爪 在储能轴的右端装有一凸轮3 棘爪通过凸轮上的缺口带动凸轮转动 在储能轴的左端装有曲柄 其外端挂有合闸弹簧2 减速箱的轴O2上装有三角形杠杆4 在该杠杆A轴销处装有滚针轴承作为合闸滚轮 合闸时 合闸弹簧的能量通过凸轮传递给合闸滚轮 在三角形杠杆的B轴销处 连接有连杆9 其另一端与主轴O1上的拐臂O1C相连 这样就形成了一组O1CBo2四连杆机构 用来传递合闸作用力 减速箱储能轴上还安装有带扣合滚轮 滚针轴承 的拐臂 用来锁住合闸掣子13 2 弹簧操动机构的简单介绍 电动储能时 接通电动机电源 轴套由减速箱中的大蜗轮带动 当棘爪进入凸轮缺口时 使带动储能轴O3转动 从而使挂在储能轴曲柄上的合闸弹簧拉伸而实现储能 储能完毕后 减速箱轴销上的合闸滚轮被合闸掣子锁住 维持储能状态 同时 曲柄上的小连杆推动一弯板使微动开关打开 切断电机电源 在面板孔中显示有机构已储能的机械指示 电机储能时间应大于15s 凸轮储能系统的两种状态如下图所示 其中 图 a 为未储能状态 此时储能杠杆在合闸弹簧初拉力作用下处于接近死点位置 三点接近在一条直线上 储能开始后 杠杆3绕O3轴作逆时针转动 合闸弹簧被拉伸储能 当杠杆3越过上死点位置时 见图 b 该杠杆就脱离减速箱中大蜗轮的制约 2 弹簧操动机构的简单介绍 图3凸轮储能系统结构1 凸轮 2 扣合杠杆 3 杠杆 4 合闸锁扣 5 合闸弹簧 2 弹簧操动机构的简单介绍 并在合闸弹簧拉力作用下 自动向逆时针方向继续转动 直到扣合杠杆2被合闸锁扣4扣住为止 这时储能机构就被锁定在储能状态 与此同时 微动开关动作切断电机电源 储能时 扣合杠杆上的滚轮对合闸锁扣作用力的大小决定于 O6Ao3的大小 该角度越大 其合闸锁扣力度越大 合闸脱扣电压也就越高 手动储能时 先将手摇把插入减速箱前方的孔中 并顺时针摇动约25圈 使棘爪进入凸轮缺口 然后再继续手摇25圈 直到合闸弹簧储能完毕为止 手动储能结束后应随即卸下手把 2 弹簧操动机构的简单介绍 3AF型断路器合闸操作 先电动或手动按合闸按钮使合闸电磁铁通电 此时 见图3 合闸掣子13与减速箱轴销上的合闸滚轮脱开 并在合闸弹簧力作用下 储能轴逆时针转动 凸轮3压下三角形杠杆4上的滚针轴承A 然后通过连杆9将合闸力传给主轴 并使之逆时针转动 于是导电杆实现向上合闸操作 当主轴旋转约60度时即被分闸掣子锁住 使开关维持在合闸状态 在合闸过程中 分闸弹簧12被拉伸 触头弹簧被压缩 为分闸作好了准备 合闸终了后 由橡皮缓冲器8吸收剩余动能 并在面板孔中有 合闸位置 指示 2 弹簧操动机构的简单介绍 合闸过程中的连杆系统如图4所示 其中 图 a 的合闸弹簧已储能但断路器处于分闸位置 此时接到合闸信号后 合闸锁扣5作逆时针转动 使扣合杠杆上的滚轮脱扣 储能轴O3在合闸弹簧力逆时针转动 从而使轴O3上的凸轮1压动三角形杠杆3上A点处的合闸滚轮4 于是三角形杠杆绕O2轴顺时针方向转动 经连杆6推动O1轴旋转 从而使断路器合闸 2 弹簧操动机构的简单介绍 图4操动机构连杆系统状态示意图 a 分闸状态已储能 b 合闸状态未储能 c 分闸状态未储能1 凸轮 2 储能扣合杠杆 3 三角形杠杆 4 合闸滚轮 5 合闸锁扣6 连杆 7 分闸锁扣 8 分闸扣合杠杆 9 扣合滚轮 2 弹簧操动机构的简单介绍 图 b 为开关合闸但合闸弹簧未储能状态 此时分闸扣分杠杆8上的滚轮D被分闸锁扣7扣住 由于合理选择了凸轮已将三角形杠杆驱动至合闸位置后 储能杠杆尚距下死点最终位置约60度左右 这时 储能杠杆在合闸弹簧力继续作用下转动 直至图 b 所示的死点位置 这时 凸轮释放了三角形杠杆 为分闸操作作好了准备 因而也就具备了自由脱扣功能 2 弹簧操动机构的简单介绍 图 c 为开关合闸后尚未储能而立即分闸的状态 3AF型断路器如何实现分闸操作 电动或手动按分闸按钮使分闸电磁铁通电 分闸掣子解脱 主轴在分闸弹簧和触头弹簧作用下顺时针旋转 从而带动导电杆向下运动而使开关分闸 油缓冲器用来吸收分闸终了时的剩余动能 并且可作为分闸定位 分闸位置显示呈现在面板孔中 2 弹簧操动机构的简单介绍 2 弹簧操动机构的简单介绍 2 弹簧操动机构的简单介绍 棘爪 第四章 真空灭弧室结构及原理 1 真空灭弧室的基本结构2 真空灭弧室灭弧原理3 型真空断路器 3AF 真空灭弧室的特点 1 真空灭弧室的基本结构 一 真空灭弧室的基本结构中间封接式 主屏蔽罩固定在绝缘外壳中部的金属圆环上 触头间的电场分布比较均匀 波纹管能在动触头往复运动时保证真空灭弧室外壳的完全密封 从机械上讲 它是真空灭弧室中最薄弱的元件 动 静触头每分合一次 波纹管的波纹状薄壁就要产生一次大的机械变形 长期频繁和剧烈的变形容易使波纹管困材料疲劳而损坏 导致灭弧室漏气无法使用 因此真空灭弧室的机械寿命主要决定于波纹管 波纹管的种类很多 用在真空灭弧室中的有液压成形的波纹管和薄片焊接成形波纹管由于受到加工条件的限制 波纹管不能做得很长 加上波纹管的最大压缩行程仅为自由长度的20 30 因此它的绝对行程也不可能做得很大 2 真空灭弧室灭弧原理 一 真空灭弧室的基本结构屏蔽罩真空灭弧室内常用的屏蔽罩有主屏蔽罩 波纹管屏蔽罩和无法压屏蔽罩 主屏蔽罩环绕着电弧间隙 主要作用如下 1 真空灭弧室开断电流时 电弧会使触头材料熔化 蒸发和喷溅 有了主屏蔽罩后可以有效地防止金属蒸汽喷溅到绝缘外壳的内表面 避免内表面绝缘性能下降 2 真空灭弧室灭弧原理 2 屏蔽罩可使交流电流过零时 灭弧室内剩余的金属蒸汽和导电粒子径向快速地扩散到屏蔽罩上 冷却 复合和凝结 有利于电流过零后弧隙介质强度的提高 改善了灭弧室的开断性能 屏蔽罩的温度愈低 冷凝效果越好 20 时的冷凝系数为0 899 175 时为0 797 500 时则降到0 5左右 显然在一定程度上加大屏蔽罩的表面积增大散热效果将有利于开断性能的提高 2 真空灭弧室灭弧原理 3 屏蔽罩的存在会影响动 静触头间的电场分布 屏蔽罩设计得当将有利于触头间绝缘强度的提高 主屏蔽罩要求散热性能好 材料大多采用铜 厚度在1mm左右 主屏蔽罩的固定方式分两大灯 即固定电位式和悬浮电位式 固定电位式是将屏蔽罩固定在动触头 或静触头上 上 如图3 1所示 因而电位是固定的 这种方式的优点是结构简单 2 真空灭弧室灭弧原理 2 真空灭弧室灭弧原理 但在开断大电流时电弧可能转移到静触头与屏蔽罩间 导致屏蔽罩损坏 另外 也可将屏蔽罩固定在动触头上 这可能导致触头间电场分布恶化 影响电流过零后介质强度的恢复 因而这种固定方式只用在电压不高 开断电流不大的真空接触器和负荷开关中 悬浮电位式屏蔽罩有四种不同的固定方式 如图3 2所示 1 中间封接式 主屏蔽罩固定在绝缘外壳中部的金属圆环上 触头间的电场分布比较均匀 2 真空灭弧室灭弧原理 图2悬浮式电位的屏蔽罩1 静触头 2 动触头3 主屏蔽罩 4 波纹管 5 瓷柱 2 真空灭弧室灭弧原理 2 绝缘支柱式 由瓷柱或玻璃圆筒来支撑屏蔽罩 生产工艺简单 成本较低 3 外屏蔽罩式 绝缘外壳焊在主屏蔽罩的两端 主屏蔽罩是外壳的组成部分 有利于屏蔽罩的散热 4 绝缘端盖式 主屏蔽罩就是真空灭弧室的外壳 动 静触头的沿面放电距离由高氧化铝瓷盘制成的端盖承担 因而沿面放电距离受到灭弧室直径的限制 一般只用于12KV及以下的真空灭弧室中 波纹管屏蔽罩包在波纹管四周 防止金属蒸汽溅落在波纹管上 妨碍波纹管工作和降低其使用寿命 波纹管屏蔽罩的厚度较薄 约为0 5 1 0mm 材料为铜 也可采用不锈钢 均压屏蔽罩装置在触头附近 用以改善触头间的电场分布 2 真空灭弧室灭弧原理 波纹管波纹管能在动触头往复运动时保证真空灭弧室外壳的完全密封 从机械上讲 它是真空灭弧室中最薄弱的元件 动 静触头每分合一次 波纹管的波纹状薄壁就要产生一次大的机械变形 长期频繁和剧烈的变形容易使波纹管困材料疲劳而损坏 导致灭弧室漏气无法使用 因此真空灭弧室的机械寿命主要决定于波纹管 波纹管的种类很多 用在真空灭弧室中的有液压成形的波纹管和薄片焊接成形波纹管 如图3 2所示 2 真空灭弧室灭弧原理 2 真空灭弧室灭弧原理 液压成形的波纹管由0 1mm 0 2mm厚的不锈钢管经液压成形后成为波纹管的主坯 再经过加工 修正和热处理后 制成具有一定弹性和标准尺寸的波纹管 由于受到加工条件的限制 波纹管不能做得很长 加上波纹管的最大压缩行程仅为自由长度的20 30 因此它的绝对行程也不可能做得很大 在最大压缩行程下 波纹管的疲劳寿命只有数万次 这对真空断路器的机械寿命要求几万次乃至十万次 负荷开关10万次 30万次 真空接触器上百万次的要求就很难适应了 理论分析表明 波纹管的疲劳寿命与压缩行程的3 5次幂成正比 显然减小压缩行程对提高波纹管的机械寿命是非常有效的 因此在调试真空开关时经防止波纹管受到过量的压缩 开关操作时还应注意过冲行程不宜过大以防止波纹管因压缩行程过大而降低使用寿命 液压成形的波纹管的加工工艺相对简单 价格也比较便宜 2 真空灭弧室灭弧原理 薄片焊接波纹管是用0 10 0 15mm厚的非导磁不锈钢片冲压成环形薄片后依次逐个用氩弧焊焊接成形的 薄片焊接波纹管的长度可以根据需要任意增长 同时工作行程可达自由长度的60 以上 另外由于波纹管的厚度比较均匀 每片的变形又不太大 因此疲劳寿命长 一般可达几百万次 比液压成形波纹管的寿命长得多 由于焊接工艺复杂 价格昂贵 使它的应用受到一定的限制 通常用于机械寿命要求长 额定电压等级高 触头行程大的真空开关中 2 真空灭弧室灭弧原理 二 交流真空电弧的熄灭原理交流真空电弧的电弧电压随着正弦的电流变化而变化 小电流下 电弧电压的瞬时值随着电流的增大而增加 经过电流峰值后 电弧电压又会减小 如图3 3 a 所示 图3 3交流真空电弧的电弧电压随着电流的增大 在电流峰值附近如果出现离子贫乏 电弧电压就会突然升高3 3 b 电弧变得不稳定 有显著的高频分量 以后 随着电流瞬时值的减小 电弧电压重新减小 电弧也变得稳定了 继续增大电流 在电流到达峰值时值继续增大 可能形成阳极斑点 阳极表面熔化 蒸发出大量金属蒸气 这时的电弧电压又突然减小 电弧也由扩散型转变志集聚型 一旦出现这个转变 在工频半波随后的时间内 电弧将一直维持为集聚型图3 3 c 电弧也就难以熄灭了 2 真空灭弧室灭弧原理 图3 3中 交流真空电弧电压的变化反映了真空电弧形态的变化 根据电弧电压的波形可以大致判断真空电弧是否将转变成集聚型 真空开关的开断真空电弧是否已接近极限 另外 由于真空电弧的正伏安特性 使交流真空电弧电压的变化不像其它高气压交流电弧那样具有马鞍形的特点 也没有燃弧和熄弧尖峰 图3 3交流真空电弧的电弧电压 2 真空灭弧室灭弧原理 交流电弧的电流是随时间作正弦变化的且有电流自然过零的特点 这给熄灭交流真空电弧带来极大的方便 交流真空电弧一般在电流过零时熄灭 出现截流时除外 如果电流过零前 真空电弧保持为扩散型 无阳极斑点出现 则在电弧过零后 原来的阳极变为新的阴极 新的阴极表面温度低 不会有新的金属蒸气和电子 离子产生 2 真空灭弧室灭弧原理 原来的阴极在电流过零后10 2us 10 1us内也失去了发射电子的能力 因此只要原来弧柱中残留的电子和离子能够快速地向径向扩散到屏蔽罩表面 经过冷却重新结合成中性原子和分子 电弧就能熄灭 一般扩散型电弧在电流过零瞬间 各种粒子的密度约为1014 cm3 1016 cm3 对于铜和银电极的真空电弧 在电流过零1us后的粒子密度能降低到1012 cm3 相当于弧柱区的真空度已恢复到4 10 3Mpa以上 电弧间隙已经具有良好的绝缘性能 2 真空灭弧室灭弧原理 只要真空开关的触头开距够大 足以耐受恢复电压的作用 就能防止电弧复燃 这也是真空开关能够在很高的恢复电压上升率下仍具有良好开断性能的主要原因 集聚型真空电弧与扩散型不同 虽然电流过零电弧熄灭后 弧柱的等离子体也会向周围快速扩散 但新的阴极表面留有面积为1cm2 2cm2 厚度又较深的熔化区 仍在蒸发出大量的金属蒸气 使弧柱区的粒子密度在电流过零后1ms 2ms时间内仍维持很高的水平 严重影响弧隙介质强度的恢复 电弧难以熄灭 2 真空灭弧室灭弧原理 当用钨 钼等难熔金属作电极时 在熔点温度下具有很强的热发射电子的能力 严重影响弧柱区介质强度的恢复 使开断性能恶化 一般采用钨 钼作为触头材料的真空开