高压断路器的作用.doc

一，高压断路器的作用：高压断路器是发电厂、变电所及电力系统中最重要的控制和保护设备，它的作用是：(1)控制作用。根据电力系统运行的需要，将部分或全部电气设备，以及部分或全部线路投人或退出运行。(2)保护作用。当电力系统某一部分发生故障时，它和保护装置、自动装置相配合，将该故障部分从系统中迅速切除，减少停电范围，防止事故扩大，保护系统中各类电气设备不受损坏，保证系统无故障部分安全运行。二，高压断路器的结构及其工作原理：高压断路器的主要结构大体分为:导流部分， 灭弧部分，绝缘部分，操作机构部分。高压开关的主要类型按灭弧介质分为:油断路器，空气断路器，真空断路器，六氟化硫断路器， 固体产气断路器， 磁吹断路器。按操作性质可分为:电动机构， 气动机构，液压机构，弹簧储能机构，手动机构。(1)油断路器。利用变压器油作为灭弧介质， 分多油和少油两种类型。(2)六氟化硫断路器。采用惰性气体六氟化硫来灭弧，并利用它所具有的很高的绝缘性能来增强触头间的绝缘。(3)真空断路器。触头密封在高真空的灭弧室内，利用真空的高绝缘性能来灭弧。(4)空气断路器。利用高速流动的压缩空气来灭弧。(5)固体产气断路器。利用固体产气物质在电弧高温作用下分解出来的气体来灭弧。(6)磁吹断路器。断路时， 利用本身流过的大电流产生的电磁力将电弧迅速拉长而吸人磁性灭弧室内冷却熄灭。三，高压断路器的试验：高压断路器的试验类别主要分为:设备交接试验，大修后试验， 预防性试验， 专项鉴定试验。主要试验项目为:绝缘电阻测定、测量导管的介质损失率、油试验、交流耐压试验、回路直流电阻测定等项目。具体项目及要求按电气设备交接预防性试验规定确定。四，断路器的型号：产品字母代号，用下列字母表示：S少油断路器；D多油断路器；K空气断路器；L六氟化硫断路器；Z真空断路器；Q产气断路器；C磁吹断路器。 装置地点代号；N户内，W户外。 设计系列顺序号；以数字1、2、3表示。 额定电压，KV。 其它补充工作特性标志，G改进型，F分相操作。 额定电流，A。 额定开断电流，KA。 特殊环境代号。五，电气触头以及对电气触头的基本要求电器中通过导体间的接触而导电的部位或部件，都称为电气触头（简称触头），如母线的接头、电器的接引处和开关电器的动、静触头等。对触头的要求有： （1）结构可靠。 （2）具有良好的导电性能和最小的接触电阻。 （3）通过规定的电流时，发热温升不超过允许值。 （4）通过短路电流时，具有足够的电动稳定性和热稳定性。 （5）可开断的触头，还应具有足够的抗熔接和抗烧伤的性能。 六，减少接触电阻和防止触头氧化的措施（1）采用电阻率和抗压强度低的材料制造触头。 （2）利用弹簧或弹簧垫等，增加触头接触面间的压力。 （3）对易氧化的铜、黄铜、青铜触头表面，镀一层锡、铅锡合金或银等保护层，防止因触头氧化使接触电阻增（4）在铝触头表面，涂上防止氧化的中性凡士林油层加以覆盖。 （5）采用焊接的铜铝过渡接头。 （6）可断触头在结构上，动、静触头间有一定的相对滑动，分合时可以擦去氧化层（称自洁作用），以减少接触电阻。 七，电气触头的电动稳定性和热稳定性所谓触头的电动稳定性，是指触头应具有足够的机械强度，能承受冲击短路电流通过时产生巨大电动力的作用而不发生变形、损坏和自动分闸等现象的能力。触头的热稳定性，则是指触头在短路电流通过期间，发热的最高温度不超过触头短时发热的允许温度，这样才不至于造成触头熔接或退火等方面的损坏。 当电流从触头少量的接触点流过时，方向发生了改变，出现了相反的横向电流，使触头间产生了推斥力，巨大的冲击短路电流通过时，有可能将动触头推开而自动跳闸；也可能使触头局部分离而产生电弧，冲击电流过后，触头复位发生熔接。为了提高触头的电动稳定性，可从触头结构上考虑利用短路电流所产生的电动力将触头压紧在一起，而要保持热稳定，则应限制接触电阻不超过允许值。 八，电气触头的接触形式接触三种。面接触需要有较大的压力才能使接触良好，自洁作用差，常用于电流较大的固定连接（如母线）和低压开关电器（如刀开关和插入式熔断器）。线接触应用最广，即使在压力不大时接触处的压强较高，接触电阻较小，触头的自洁作用强。点接触的容量小，通常用于控制电器或开关电器的辅助触点。 九，触头的分类电气触头按结构和工作特点，可分为可断触头、滑动触头和固定触头三类。 可断触头是开关电器中不可缺少的部分，按其结构不同，又可分为以下几种： （1）刀形触头：其结构简单，分为面接触和线接触，广泛应用于低压开关和高压隔离开关。 （2）对接式触头：具有结构简单、动作速度快的特点，但接触面不稳定，随压力变化较大，动作时容易发生弹跳，无自洁作用，触头容易被电弧烧伤。这种触头常用于额定电流在1000A以下和低于500A的配电断路器中。 （3）楔入形（触指）触头：由用双头螺栓套弹簧压装在导电座上的成对触片和楔形触块组成，一般楔形触块作为动触头，但也有反过来将楔形触块作静触头，夹在导电座上的触片作动触头的。这种触头在动、静触头的接触中，相互磨擦，接触面得以自动清扫。它的电动稳定性较高，有自洁作用，增加触片和楔块的组数可能增大额定电流，但横向尺寸也增加了，使装配发生困难。工作电流一般限制在5000A以下，最高可达12000A。触头的工作表面容易被电弧烧伤，一般只作主触头而不作灭弧触头。 （4）插入式（梅花形）触头：静触头是由多片梯形触指组成。分为有挠性导电片和无挠性导电片两种。有挠性导电片的插座，触指上有一凹槽，槽内嵌入绝缘套，放进螺管弹簧，以保证触指对导电杆的压力，弹簧另一端由圆环支持，可以沿导电杆（动触头）的周围稍微调节触指位置。触指通过挠性导电片与触头底座连接。无挠性导电片的插座，取消了结构复杂和性能不稳定的导电片，利用弹簧直接将触指压在导电座上。动触头为圆形铜导电杆，为了增加触头的抗弧能力，常常在触头座外套端部加装铜钨合金保护环，在导电杆端部加装铜钨合金的耐弧头。接通时，导电杆插在插座内，梯形触指被弹簧压在导电杆上，利用插座内径与导电杆的适当配合，使每片触指与导电杆形成两条线接触，接触可靠。同时，动静触头间的压力方向与运动方向垂直，触头接通时的弹跳小。动、静触头相对运动时产生磨擦，有自洁作用。短路电流通过时，由于触指间和触指与导电杆之间电流方向一致，电动力趋向将触指压向导电杆，动稳定性好，但这种触头结构比较复杂，允许通过的电流也受到限制，且开断时间较长。也多应用在35KV以下的配电电网中。 滑动触头是保持动、静触头间既能相对运动又不分离的连接。分为Z形触指式滑动触头和滚动式滑动触头。 （1）Z形触指式滑动触头：结构与插座式触头相似。它是将Z形触指装在导电座内，用弹簧保持触指位置，并将触指的两侧分别压向导电杆与导电座而构成。它的优点是：高度小，装配简单，没有导电片，接触稳定，有自洁作用，所以应用很广。 （2）滚动式滑动触头：动触头为圆形导电杆，定触头是由两根圆杆导电座和成对装在导电杆和导电座之间的紫铜滚轮所组成，滚轮两侧装有弹簧，借助弹簧的压力，保持滚轮和导电杆、滚轮与导电座之间的接触。电流就在导电杆、滚轮、导电座之间传导。由于动触头是运动的，滚动磨擦阻力小，触头的自洁作用差。多用作高压断动器的中间触头。 十，SF6气体的化学和物理性质SF6气体是无色、无臭、无毒、不燃的惰性气体。它的化学性质非常稳定，在大气压下以及温度高达500的情况下，都具有高度的化学稳定性。一般认为，在电气设备允许的温度范围内，SF6对断路器的材料没有腐蚀作用，因此断路器的检修周期长，检修工作量少。 在电弧高温作用下，很少量的SF6会分解为有毒的SOF2、SO2F2、SF4和SOF4等，但在电弧过零值后，很快又再结合成SF6。因此，长期密封使用的SF6，虽经多次灭弧作用，也不会减少或变质。电弧分解物的多少与SF6中所含水份有关，因此，把水份控制在规定值下是十分重要的。常用活性氧化铝或活性炭、合成沸石等吸附剂，清除水分和电弧分解产物。 SF6气体混入空气时，会使绝缘强度下降，因此断路器及其贮气设备应保持密封。 SF6容易液化，液化温度与压力有关，压力升高时液化温度也增高，所以SF6气体都不采用过高的压力，以使其保持气态。双压式断路器，高压侧压力为1.5MPa左右；单压式断路器，压力为0.30.5Mpa。 十一，SF6气体的电气特性 (1)SF6分子很容易吸附自由电子，形成负离子，具有较强的电负性。但在一定电场下，这些离子很难积累足够的能量导致气体电离。同时因为气体中的自由电子减少，还降低了这些电子容易使气体被击穿的危害。因此，SF6气体具有良好的绝缘性能，在均匀电场中SF6的绝缘强度比空气大23倍，在0.3Mpa压力下，绝缘强度超过变压器油。但在不均匀电场中，其绝缘强度会下降，因此六氟化硫断路器的部件多呈同心圆状，以使电场均匀。 (2)SF6分子具有较强的电负性，使SF6具有强大的灭弧能力。因为SF6分子吸附自由电子后变为负离子，负离子容易和正离子复合形成中性分子，使电弧空间的导电性能很快消失。特别在电弧电流接近零值时，这种作用更加显著。如果例用SF6气体吹弧，使大量新鲜的SF6分子不断和电弧接触则灭弧更加迅速。 由于SF6气体灭弧能力强，从导电电弧向绝缘体变化速度特别快，所以SF6断路器的开断电流大，开断时间短。在同一电压等级，同一开断电流和其它条件相同的条件下，SF6断路器的串联断口较少。 （3）SF6气体是多原子的分子气体，在电弧高温下分解和电离的情况非常复杂。SF6气体中弧心部分导热率低，温度高，电导率大，其外焰部分导热率高，温度低，电导率小，所以电弧电流几乎集中在弧心部分。因此，在SF6气体中，可以看到很细、很亮的电弧，几乎看不到外焰部位。这也是SF6气体灭弧时间短的原因之一。 当电弧电流减小趋近于零值时，SF6分子此时电负性显著，从而使电流保持连续，可使细小的弧心一直存在到极小的电流范围。SF6电弧的这种特点，使断路器开断小电流时，也不会由于截流作用而产生操作过电压。 十二，SF6断路器的类型SF6断路器的类型按灭弧方式分，有单压式和双压式；按总体结构分，有落地箱式和支柱瓷套式。 单压式和双压式SF6断路器的工作原理单压式SF6断路器只有一种较低的压力系统，即只有0.30.6MPa压力（表压）的SF6气体作为断路器的内绝缘。在断路器开断过程中，由动触头带动压气活塞或压气罩，利用压缩气流吹熄电弧。分闸完毕，压气作用停止，分离的动、静触头处在低压的SF6气体中。 双压式SF6断路器内部有高压区和低压区，低压区0.30.6MPa的SF6气体作为断路器的主绝缘。在分闸过程中，排气阀开启，利用高压区约1.5MPa的气体吹熄电弧。分闸完毕，动、静触头处于低压气体或高压气体中。高压区喷向低压区的气体，再经气体循环系统和压缩气体打回高压区。 SF6断路器灭弧室的类型 SF6断路器灭弧室结构按灭弧介质的压力不同，分双压式和单压式两种，但双压式由于结构复杂、辅助设备多，目前一般不采用。按吹弧方向不同，可分为双吹式、单吹式、外吹式和内吹式。按触头运动方向不同，分为定熄弧距（也称为定开距）和变熄弧距（也称为变开距）。另外，代表最新发展和研究的还有自能式灭弧室。 变熄弧距灭弧室的工作原理 这类灭弧室中的活塞固定不动。当分闸时，操动机构通过绝缘拉杆使带有动触头和绝缘喷口的工作缸运动，在活塞与压气缸之间产生压力，等到绝缘喷口脱离静触头后，触头间产生电弧。同时压气缸内气体在压力作用之下吹向电弧，使电弧熄灭。在这种灭弧室结构中，电弧可能在触头运动的过程中熄灭，所以称为变熄弧距。变熄弧距式灭弧室在目前国内运行的SF6断路器中普遍应用。 定熄弧距灭弧室的工作的原理 定熄弧距灭弧室中有两个开距不变的喷嘴触头，动触头和压气缸可以操动机构的带动下一起沿喷嘴触头移动。当分闸时，操动机构带着动触头和压气缸运动，在固定不动的活塞与压气缸之间的SF6被压缩，产生高气压。当动触头脱离一侧的喷嘴触头后，产生电弧，而且被压缩的SF6气体产生向触头内吹弧作用，使电弧熄灭。这种灭弧室在国内外产品中应用也不少。变熄弧距和定熄弧距灭弧室各自的特点 （1）气体利用率。变熄弧距的气吹时间比较长，压气缸内的气体利用率高。定熄弧距吹弧时间短促，压气缸内的气体利用率稍差。 （2）断口情况。变熄弧距的开距大，断口间的电场稍差，绝缘喷嘴置于断口之间，经电弧多次烧伤后，可能影响触头绝缘。定熄弧距的开距短，断口间电场比较均匀，绝缘行不通稳定。 （3）开断能力。变熄弧距的电弧拉得较长，弧压高，电弧能量大，不利于提高开断容量。定熄弧距的电弧开距一定，弧压低，电弧能量小，有利于开断电弧。 （4）喷嘴设计，变熄弧距的触头与喷嘴分开，有利于喷嘴最佳形状的设计，提高气吹效果。定熄弧距的气流经触头喷嘴内吹，形状、尺寸均有一定限制，不利于所吹。 （5）行程与金属短接时间。变熄弧距可动部分的行程较小，超行程与金属短接时间也较短。定熄弧距的行程较大，超行程与金属短接时间较长。 膨胀式（自能压气式）灭弧室的工作原理 、这种灭弧室内有大小两个喷嘴，小喷嘴作为动触头，更重要的是它与变熄弧距灭弧室相比，在压气缸上附加了热膨胀室。热膨胀室与压气缸用热膨胀室阀片相通，当热膨胀室压力增大到一定程度时，该阀片关闭。 开断大电流时，在动触头离开静触头瞬间，大电流引起的电弧使热膨胀室内压力骤增，热膨胀室阀片关闭。当电弧电流过零时，热膨胀室贮存的高压气流将电弧熄灭。而动触头在操动机构带动下，继续往下运动。当压气缸压力超过压气缸回气阀的反作用力时，回气阀片打开，使气缸内过高的压力释放，且回气阀片一旦打开，要维持继续分闸的压力不是很大，故不需要分闸弹簧有太大的能量，因此操动机构的输出功较小。 在小电流开断时，电弧能量不大，热膨胀室压力不是很高，压气缸压出的气体途经热膨胀室熄灭小电流电弧，不会发生截流与产生高的过电压。由于大喷嘴和热膨胀室的存在，使电弧熄灭后，在动静触头之间保持着较高的气压，有较好的绝缘强度，不会发生击穿而导致开断失败。利用膨胀式灭弧室结构制成的断路器的优点 具有较好的可靠性。由于需要操作能量少，可采用故障率较低、不受气象、海拔高度、环境影响的弹簧机构。在正常的工作条件下几乎不需要维修。安装容易、体积小、耗材少、对瓷瓶强度的要求低、轻巧、结构简单。由于需要的操动能量少，因此对架构、基础的冲击力小。具有比较低的噪声水平，因而可装设在居民住宅区。不仅适用于大变电所，也适用于边远山区、农村小变电所。十三，断路器操动机构的作用 操动机构是完成断路器分、合闸操作的动力能源，是断路器的重要组成部分，操动机构的性能好坏，直接影响到断路器的正常工作。 操动机构满足的基本要求应有足够的操作功率。要求动作迅速。要求操作机构工作可靠、结构简单、体积小、重量轻、操作方便。 SF6断路器配的几种操动机构SF6断路器主要配用弹簧储能操动机构、液压操动机构和气动操动机构。后两种主要用于220KV及以上电压等级SF6断路器。110KV及以下电压等级三类都有使用。液压操动机构的分类 液压操动机构按储能方式，可分为非储能式和储能式。前者一般用于隔离开关，后者多用于35KV及以上的高压少油断路器及110KV及以上单压式SF6断路器。按液压作用方式，可分为单向液压传动和双向液压传动。按传动方式，分为间接（机械液压混合）传动和直接（全液压）传动。按充压方式分为瞬时充压式、常高压保持式、瞬时失压常高压保持式。 液压操动机构的特点由于液压操动机构利用液体的不可压缩原理，以液压油为传递介质，将高压油送入工作缸两侧来实现断路器分合闸，因此其具有如下特性：输出功大，时延小，反应快，负荷特性配合较好，噪声小，速度易调变，可靠性高，维护简便。其主要不足是加工工艺要求高，如制造、装配不良易渗油等，另外，速度特性易受环境影响。 常高压保持式液压操动机构的主要构成常高压保持式液压机构主要由储能元件、控制元件、操作执行元件、辅助元件和电气元件等一部分组成。 储能元件由蓄能器、消振容器、滤油器、手力泵和油泵组成。蓄能器由活塞分开，上部一般充氮气。当电动机驱动油泵时，油从油箱抽出送至蓄能器下部，从而压缩氮气而储能。消振容器用以消除油泵打压时的压力波动。滤油器保证进入高压油路的油液无杂质。手力泵在调整、检测及电动泵发生故障时或无电源时升压或补压。油泵将油送至蓄能器，从而储存能量。 控制元件主要由阀系统组成，主要做为储能元件和执行元件的中间连接，给出分、合闸动作的液压脉冲信号，去控制操作元件。 操作元件由工作缸、压力开关、安全阀、放油阀组成。工作缸借助连接件与断路器本体相连，受控制元件控制，最终驱动断路器实现分、合闸动作。压力开关用以控制电动泵起动、停止、分合闸闭锁等。安全阀用以释放故障情况引起的过压，以避免损坏液压元件。放油阀在调试或检修时用以释放油压。 辅助元件由信号缸、油箱、排气阀、压力检测器、辅助储油器构成。信号缸带动辅助开关切换控制线路，有的还带动分合闸指示器和计数器。油箱为储油容器，平时与大气相通，操作时因工作缸排油，将会使它的内部压力瞬时升高排气阀在液压系统压力建立之前，用以排尽工作缸、管道内气体，以免影响动作时间和速度特性。压力检测器用来测量液压系统压力值。辅助储油器，为了充分利用液压能量，减少工作缸分闸排油时的阻力，以提高分闸速度。 电气元件由分合闸线圈、加热器、微动开关组成。分合闸线圈用以操作电磁阀（一级阀）。加热器在外界低温时用以保护机构箱温度，防止油流冻结和驱散箱内潮气，有手动和电动两种。微动开关作为分、合闸闭锁触头和油泵启动、停止用触点，同时给主控室转换信号，以便起到监控作用。 常高压保持式液压操动机构工作的原理工作缸分闸腔与蓄能器直接连通，因此处于常高压。合闸腔则通过阀来控制。主要工作原理是：合闸时蓄能器中的高压油进入合闸腔，由于合闸腔承压面积大于分闸腔，使活塞快速向合闸方向运动，实现合闸。分闸时合闸腔内高压油泄至低压油箱，在分闸腔高压油的作用下，活塞向分闸方向运动，实现快速分闸。液压操动机构SF6断路器的自卫防护功能（1）油泵超时运转闭锁。一般当油泵电动机运转超过35min时，时间继电器的常闭延时触点打开，切断电机电源。 （2）防慢分闭锁。 电气闭锁。当断路器和隔离开关处于合闸位置时，如果出现油压非常低或降至零压时，油泵电机将闭锁，不起动。 慢分阀。有三种方法：方法一是将二级阀活塞锁住或加装了防慢分装置。方法二是在三级阀处设置手动阀，当油压降至零时，将手动阀拧紧，使油压系统保持在合闸位置，当油压重新建立后松开此阀。方法三是设置管状差动锥阀，不论开关在分、合闸位置，只要系统一旦建立压力，该管状锥阀均产生一个维持在分、合闸位置的自保持力。 机械法。利用机械手段将工作缸活塞杆维持在合闸位置，待机械故障处理完毕，即可拆除机械支承。 （3）有两套完全相同且互相独立的分闸回路，有主分闸回路和副分闸回路，动作原理相同，保证了分闸可靠性（4）防跳跃措施。在分闸命令和合闸命令同时施加的情况下，防跳跃继电器使分闸优先。防跳跃继电器由分闸命令直接启动，并通过合闸继电器的触点保持在得电位置，它们的触点完全切断合闸线圈回路，使断路器不能实现合闸，直到合闸信号完全解除。 （5）油压低闭锁功能。当油压不足以保证断路器的合闸或油压下降至分闸闭锁值时，经微动开关使有关继电器得电，断开合闸启动回路、主副分闸启动回路，从而实现分合闸闭锁。 （6）SF6压力低闭锁功能。当SF6气体压力因漏气降低到一定值时，使分、合闸闭锁继电器得电，将断路器闭锁在原来所在位置。 （7）自动分闸功能。它分为两种情况：当SF6气体压力降低至临界值时，三相分闸继电器得电，使断路器三相一致跳闸。当油压下降到仅够分闸时，分闸继电器得电，使断路器三相自动分闸“强分”。 （8）“非全相”分闸功能。若发生了“非全相”的情况，“非全相”分闸继电器得电启动，经过一段已经整定好的延时，使三相分闸继电器得电，将断路器三相分闸。 空气操动机构工作原理空气操动机构以压缩空气为动力，使断路器实现气动分闸，同时又使合闸弹簧储能，合闸时依靠合闸弹簧的释放能量，而不消耗压缩空气。空气操动机构的特点 （1）结构简单，动作可靠，易损件少。 （2）不存在慢分、慢合的问题，在分闸位置时由掣子锁死，在合闸位置时由合闸弹簧保持。 （3）机械寿命长，其转动部分大都装有滚针轴承，减少了摩擦力，可单相操作10000不更换零件。 （4）机构缓冲性能好，配用的合闸缓冲器直接与机械活塞相连，有效地消除了分、合闸时的操作冲击。 （5）防跳跃措施好，在机械内配有电气防跳回路，能可靠地防止跳跃，二次控制可不装防跳跃回路。 （6）保证断路器机械特性的稳定。断路器的分闸是靠压缩空气作为操作开关的动力源。在机构箱二次控制回路中的空气回路中的空气回路内装有空气压力开关，来控制空气压缩机自动启动与停止、控制空气低气压闭锁与重合闸操作的指示信号。空气压力形状的接通与断开与空气压力有关，与当时所处的环境温度无关。 （7）减少了设备投资和维护工作量，每台断路器配有一台小型空气压缩机，保证储气罐内的气体压力，不需另配备电源。 断路器的弹簧操动机构弹簧操动机构是利用弹簧预先贮存的能量作为合闸动力，进行断路器的分、合闸操作的。只需要小容量的低压交流电源或直流电源。此种机构成套性强，不需配备附加设备，弹簧贮能时耗费功率小，但结构复杂，加工工艺及材料性能要求高且机构本身重量随操作功率的增加而急骤增大。目前，只适用于所需操作能量少的真空断路器、少油断路器、110K