217-高压断路器的构造及工作原理

2 4高压断路器高压断路器是一种专用于断开或接通电路的开关设备 它有完善的灭弧装置 因此 不仅能在正常时通断负荷电流 而且能在出现短路故障时在保护装置作用下切断短路电流 按其采用的灭弧介质划分 油断路器 SF6断路器 真空断路器 多油 油量多一些 其油作为灭弧介质 又作为绝缘介质 因油量多 体积大 断流容量小 运行维护较困难 现已淘汰 少油 油量较少 仅作为灭弧介质 一 高压断路器的型号表示和含义 I型 断流容量300MVAII型 500MVAIII型 750MVA例如 SN10 10I少油 户内 设计序号 10 额定电压10kV I型 二 高压断路器的基本结构 主要零部件 开关本体的底架 底座功能 整台产品的基础 开断元件 主要零部件 主灭弧室主触头系统主导电回路辅助灭弧室辅助触头系统并联电阻功能 开断及关合电力线路 安全隔离电源 支持绝缘件 主要零部件 瓷柱瓷套管绝缘管等构成的支柱本体拉紧绝缘子等功能 保证开断元件有可靠的对地绝缘 承受开断元件的操作力及各种外力 传动元件 主要零部件 各种连杆齿轮拐臂液压管道压缩空气管道等功能 将操作命令及操作功传递给开断元件的触头和其它部件 操作机构 主要零部件 弹簧 液压 电磁 气动及手动机构的本体及其配件功能 为开断元件分合闸操作提供能量 并实现各种规定的操作 三 高压断路器的技术要求及其基本参数 一 开断 关合电路方面1 开断短路故障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 kV 断路器铭牌上所标明的该断路器正常工作电压的有效值 对于三相设备 一般指线电压 最高工作电压 其值高出额定电压约15 如额定电压10kV的断路器 可以长期工作在11 5kV的线电压下 额定开断电流 kA 有效值 在额定电压下 断路器能够可靠开断的最大电流为额定开断电流 它主要表征断路器熄灭大电流电弧的能力 额定断流容量 MVA 由于开断能力和额定电压 开断电流有关 因此 通常采用一个综合参数 即以额定断流容量来表示断路器的开断能力 对于三相电路有 新的国家标准已取消这一术语 目前直接用额定开断电流表示 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 快速开断标志断路器开断过程快慢的参数是 开断时间 s 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 固有分闸时间 断路器接到分闸命令 分闸线圈通电 开始至触头刚刚分离这段时间 是操动机构动作时间燃弧时间 从触头刚分离开始至三相电弧完全熄灭为止 表明断路器灭弧能力的大小 低速动作断路器 0 12s中速动作断路器 0 08 0 12s高速动作断路器 0 08s 3 关合短路故障预伏故障 电力系统中的电器设备或输电线路有可能在未投入运行前就已存在绝缘故障 甚至处于短路状态 在这种预伏故障状态下关合电路 将发生断路器关合短路的严重情况 出现关合短路电流时在断路器的动静触头还没有接触闭合下 触头间隙即可被击穿而形成电弧 由于短路电流强大的电动力 可使动触头因受阻力作用而不能与静触头吻合 造成持续燃烧着的电弧 因此 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 额定短路关合电流 kA 峰值 断路器在额定电压以及规定的使用和性能条件下 能保证正常关合的最大短路峰值电流 合闸时间 在额定操作电压下 从断路器合闸线圈通电开始至主触头刚接触为止 4 自动重合闸在线路保护中 通常都安装有自动重合闸装置 在输电线路发生故障后 首先由继电保护装置动作驱动断路器跳开输电线路 然后经过延时 由自动重合闸装置驱动断路器把输电线路合上 如果线路中已经不存在故障 则开关不在动作 输电线路正常输电 如果线路中故障仍然存在 则继电保护装置再次动作驱动断路器跳开输电线路 从这一过程来看 断路器的动作情况可能是以下两种情况之一 a 断路器跳闸 输电线路出现故障 断路器合闸 自动重合闸装置驱动 b 断路器跳闸 输电线路出现故障 断路器合闸 自动重合闸装置驱动 断路器跳闸 线路还存在故障 显然 对于以上两种情况 断路器都面临着在短时间内进行多次操作 特别是后一种情况 断路器更是在短时间内多次分断故障电流 对于进行自动重合闸的开关 没有具体的指标描述 但在进行开关选择时 多选择开断容量大或开断电流大的断路器 5 分合各种空载 负载电路断路器在分合各种空载线路 容性负载和感性负载时 在分合过程中会遇到电压和电流的过渡过程 通常影响到开关的是分合过程中的过电压 标志这方面分合能力的主要参数是额定电压 分合架空输电线路和电缆的长度 km 以及变压器 电容器组的容量等 6 允许分合次数一般断路器允许空载分合次数 也称机械寿命 为2000次 二 一般电气性能方面1 电压高压断路器除了要能长期承受相应的最大工作电压外 还应耐受高于额定电压的各种过电压作用 而不会导致绝缘的损坏 标志这方面性能的参数是 工频试验电压 全波和截波冲击试验电压 操作波试验电压 2 电流 1 额定电流 A 有效值 断路器在闭合状态下导电系统能长期通过的电流 在额定频率下通过这一电流时 各个金属部位和绝缘的温升不能超过国家标准中规定的数值 额定电流在某种程度上决定了导体及触头的尺寸 2 额定峰值耐受电流或动稳定电流 kA 峰值 PeakWithstandCurrent 是断路器在闭合位置所能允许通过的最大电流峰值 表征开关导电部分及支持绝缘部分的机械强度 在通过这一电流后开关不应损坏且能继续正常工作 3 额定短时耐受电流或热稳定电流 kA 有效值 是在规定的短时间内 断路器在闭合位置所能耐受的电流 流过这一电流期间 断路器的温升 不应超过标准规定的短时发热允许温度 额定电流额定短路开断电流额定热稳定电流额定动稳定电流额定短路关合电流除额定电流外 额定动稳电流 额定关合电流 额定开断电流 额定热稳电流都是同一短路电流在不同工况下或不同时刻出现的电流峰值或有效值 但各有其特指的表征含义 几个电流之间的关系为 都以短路发生后约半个工频周期处出现的冲击电流峰值表示 三 自然环境方面1 海拔高度海拔高度对高压电器主要有两方面的影响 1 对外部绝缘的影响 2 对电器发热温度的影响2 环境温度3 湿度4 地震5 污秽6 风力7 覆冰 四 少油断路器1 SN10 10少油断路器 1 铝帽2 上接线端子3 油标4 绝缘筒5 下接线端子6 基座7 主轴8 框架9 断路弹簧 外形结构图 DL在合闸位置时 形成的导电回为 上接线端子 静触头 导电杆 中间触头 下接端子分闸时 导电杆与静触头分开 导电回路即被切断而产生电弧 油在高温下蒸发分解成大量气体 油压增高 随着动触头继续下移 在灭弧室内油气混合物对电弧进行横吹和附加纵吹 使电弧熄灭 图2 13SN10 10少油断路器 灭弧过程 从动 静触头分开产生电弧到第一吹弧道打开 称为封闭气泡阶段 在此阶段电弧处在静止的气泡中 冷却作用差 电弧难以熄灭 动触头继续向下运动 第一 第二 三吹弧道相继打开 灭弧室内的高压气体经吹弧道向外排出 对电弧横向吹拂 使电弧强力冷却与去游离 灭弧室由几种不同形状的灭弧片叠装而成 操动机构接到分 合闸信号后 在外界能源作用下 使主轴2转动 再通过连杆5带动断路器主轴1和导电杆完成断路器的分 合闸操作 高压断路器的可以进行手动操作和电动操作 无论何种操作方式 都要通过操作机构完成开关的分合闸操作 操作机构一般地由以下几个部分组成 1 能量转换机构高压开关的分 合闸的最后完成都要依靠机械能来实现 因此存在着把电能转换为机械能的转换机构 这种把电能转化为机械能的机构有电磁铁 早期断路器多采用这种操作机构 特点是分 合闸电流很大 特别是合闸电流 可达70 90安培 电动机 多应用于隔离开关 液压传动机构和压缩空气工作缸 目前断路器采用比较多的操作机构 2 联动机构用于把能量转换机构中的机械能转换为开关动作 一般由四边形连杆机构 拐臂和拉杆组成 3 保持机构把操作过程保持在进行中的状态 防止命令消失引起的操作失败 4 释放机构在操作完成后实现对机构状态的返回 在进行分 合闸操作时 操作机构可能出现的各种工作情况都要综合考虑到 对开关操作机构提出以下要求 1 合闸对于合闸操作 希望开关能迅速动作把电路接通 避免电弧对触头的烧伤 因此 对操作机构要求有足够的合闸能量 具体到不同的操作机构有不同的要求 如液压操作机构的液压要保持在适当的范围 气动操作机构的气压要保持在适当的范围 弹簧储能机构在合闸前要预先完成储能工作等 如果液压 气压等不符合要求 将自动启动油泵 风机等机械加压 2 保持合闸开关的合闸和分闸 可以有以下几种操作方式 由操作人员通过控制屏 一般设在主控制室 或开关跟前的端子箱通过操作把手或按钮完成 也可以由操作人员通过远动系统的调度端下达操作命令 通过远动系统的信道把命令传送到设在变电所的执行端 执行端对命令进行处理后发出分闸或合闸脉冲 无论是何种操作方式 都应该有相应的电路对分闸或合闸脉冲进行保持 同时 在操作完毕且相应的操作信号撤消后 开关触头仍应该保持在操作后位置 以上两个功能的实现全赖操作机构的保持功能完成 3 分闸断路器在合闸过程中 需要在外力的作用下 把四边形连杆机构推动到一个位置 在这个位置上 四边形连杆机构达到一个平衡 因此进行开关的合闸操作所需要的力是比较大的 与分闸相比 与合闸过程不同 分闸则是需要一个外力打破四边形连杆机构的平衡 因此 所需外力要小一些 一般来说 断路器的合闸和分闸操作都要经外力实现 4 自由脱扣自由脱扣指的是在断路器合闸过程中接收到分闸命令时 机构终止执行合闸命令而改为执行分闸命令 如果没有自由脱扣功能 则断路器在把设备合闸到故障上时 继电保护将无法快速跳开断路器 同样地断路器在把设备合闸到故障上而合闸命令尚未解除 保持 则会出现断路器重复进行合闸 分闸的动作 跳跃现象 5 防止跳跃6 复位在完成开关操作后 操作机构能进入相应状态预备进行下一次操作 7 连锁开关位置连锁 利用开关之间的位置信号实现 操作机构状态闭琐 在开关和操作机构出现异常状态时 对开关操作命令进行闭琐 2 SW 110型断路器SW 110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 1 底架2 提升杆3 支持套管5 中间机构箱6 灭弧室 3 六氟化硫 SF6 断路器一 气体特性 SF6由F原子与S原子结合而成 分子结构是个完全对称的八面体 S原子居中 六个角上是F原子 F与S原子间以共价键联结 物理性能 无色 无臭 无毒 不可燃的惰性气体 化学性能 在常温下是极为稳定的气体 其惰性远远超过氮气 绝缘性能 在三个大气压时 它与变压器油的绝缘强度相等 压力越高 绝缘性能越好 在均匀电场及相同压力下 它的绝缘性能为空气2 3倍 灭弧性能 SF6具有很强的灭弧能力 在自由开断的情况下 它的灭弧能力要比空气大约100倍 二 六氟化硫断路器的典型结构瓷瓶支持敞开式结构 如图所示 灭弧室被密封在瓷套管1内 并固定在支持瓷瓶上 断路器出线端和静触头座2相连 动触杆3通过传动机构4 连杆5和断路器的操作箱14相连接 操作箱内装有气动操作机构 灭弧室内由主动 静头6 7组成主导电回路 以及由辅助动 静触头8 9组成的弧触头回路 前者仅通过电流 而电弧的燃烧与熄灭是在辅助触头上 这样可以提高主触头的载流能力和使用寿命 13 密度继电器可以直接反映气体的泄漏情况 在发生气体泄漏密度降低时发出信号 真实的反映气体的泄漏情况 1 安全阀2 箱体3 观察窗4 箱盖5 操作机构6 车架7 电流互感器8 绝缘套管9 隔离触指10 气压表 4 真空断路器 五 熔断器与高压负荷开关1 熔断器熔断器是一种最简单的保护电器 串接在电路中使用 当电路中通过短路电流或过载电流时 利用熔体产生的热量使其本身熔断 从而切断电路 它不能用以正常切断或接通电路 而必须和其它电器配合使用 当熔断器熔体熔化后必须更换 需短时停电 基本结构 金属熔体 支持熔体的触头装置和外壳参数和型号 额定电压 额定电流 熔体的额定电流 极限分断能力熔体的额定电流不得超过熔断器的额定电流 型号表示方式 2 高压负荷开关有简单的灭弧装置和明显的断开点 可通断负荷电流和过负荷电流 有隔离开关的作用 但不能断开短路电流 负荷开关常与熔断器一起使用 借助熔断器来切除故障电流 六 直流快速开关由前面分析知 直流电弧是非线性电阻 其电弧的熄灭过程和交流电弧不同 其电弧电流在时间上不过零点 属于非周期变化 要使直流电弧熄灭较为困难 除了在直流开关中加强各种熄弧措施外 最有效的方法是采用固有动作时间很小的快速开关 加速断开短路的过负荷电流 为了说明直流开关快速动作的必要性 可从对直流牵引网短路电流增长特性的分析中得到解答 直流牵引网是含电感L和电阻R的路 特别是在近处短路时 R很小 如网压为U 稳态短路电流则极大 可表达为 它是按指数曲线增长的 短路电流的增长迅速 为了避免对电气设备的损坏 并改善直流开关的熄弧条件 必须在其在到危险值这前快速断路 曲线1 稳态短路电流曲线曲线2 快速开关的电流整定值和全分断时间的关系曲线 快速开关的电流整定值T 全分断时间其中T包括 t1 电流达到整定值所需的时间 t2 开关断路的固有时间 它由快速开关的结构所决定 t3 电弧燃烧时间 它与熄弧措施和结构所决定 变压器常用于仪器测量用途 以使电压或电流匹配仪表和其它仪器的量程 例如 大多数电力系统的测量仪器 电压以0 120V有效值为量程 电流以0 5A有效值为量程 由于电力系统的线 线电压高达110kV 电流可能为数十kA 就需要一些方法 将这些信号以精确而又低量级的形式 提供给测量仪器 一个通用的方法是采用专用变压器 电压互感器电流互感器 七 互感器 互感器在电力系统中的作用是 将一次回路的高电压和大电流变为二次回路标准的低电压和小电流 使测量仪表和继电器标准化 小型化 电压为100V 100 V 电流为5A或1A 使二次系统设备与高压侧隔离 且互感器二次侧均接地 从而保证了设备和人身的安全 一 电压互感器工作原理与工作状态 电压互感器的工作原理 基本结构 绕组的连接方式都与电力变压器相同 一次侧绕组并联在线路上 仪表的电压线圈与二次绕组并联 要求将一次侧的高压 变换为测量仪表需要的电压 100V 则PT相当于一个降压变压器 N1 N2一次绕组多而细 二次绕组少而粗 特点 容量小 类似一台小容量变压器 额定变压比 其中原绕组额定电压是电网额定电压 已标准化 副绕组额定电压则统一设计为100V 所以Ke也标准化 三相PT为一 二次侧线电压之比 二次负荷恒定 在理想条件下可认为电压互感器是电压源 电压互感器的误差 1 电压误差 电压误差能引起所有仪表和继电器产生误差 2 角误差 原边电压相量与旋转过180 的副边电压相量之间的夹角称为角误差 角误差对功率型仪表和继电器及反映相位保护装置都有影响 电压互感器在正常运行中 其副绕组所接测量仪表和继电器的电压线圈阻抗很大 二次电流很小 电压互感器副边工作在近似开路状态 相当于变压器副边空载运行 通常0 1 0 2级互感器用于实验室精密测量 0 5级用于供电给瓦时计 1级和3级用于一般测量仪表 电压互感器使用注意事项 电压互感器在工作时 其一 二次侧不得短路 一次侧短路时会造成供电线路短路 二次回路中 由于阻抗较大近于开路状态 发生短路时 将在副绕组中流过一个很大的短路电流 有可能造成电压互感器烧损 因此 应在一 二次侧装设熔断器进行短路保护 电压互感器二次侧有一端必须接地 目的是为了防止一 二次绕组的绝缘击穿时 一次侧的高压窜入二次回路中 危及设备及人身安全 通常将公共端接地 随着电网电压的提高 电磁式电压互感器的体积将越来越大 造价也越来越高 因此需寻求其他型式的电压互感器来代替电磁式电压互感器 电容式电压互感器 体积小 重量轻 制造简单 造价低 在110kV及以上中性点直接接地系统中得到广泛应用 其实质 电容分压器 型号 二 电流互感器 一次侧绕组串联在线路上 仪表的电流线圈与二次绕组串联 要求将一次侧的大电流 变换为测量仪表需要的小电流 5A N1 N2一次绕组匝