电厂典型开关原理及构造课件

1、第一课题典型开关原理及构造一、六氟化硫断路器二、真空断路器三、低压开关电器一、SF6断路器SF6断路器是指采用SF6气体作为灭弧介质的断路。20世纪70年代之后在我国得到迅速发民，目前SF6断路器已成为我国高压断路器的首选品种。 1.SF6气体的性能（1）物理化学性质。SF6气体的物理化学性质如下：3）SF6的化学性质非常稳定。在干燥情况下，温度低于110 时，与铜、铝、钢等材料都不发生作用；温度高于150 时，与钢、硅钢开始缓慢作用；温度高于200时，与铜、铝发生轻微作用；温度达500600 时，与银也不发生作用。4）SF6的热稳定性极好，但在有金属存在的情况下，热稳定性则大为降低。它开始分

2、解的温度为150200 ，其分解随温度升高而加剧。当温度到达1227 时，分解物基本上是SF4（有剧毒）；在12271727 时，分解物主要是SF4和SF3；超过1727 时，分解为SF2和SF。 在电弧或电晕放电中，SF6将分解，由于金属蒸气参与反应，生成金属氟化物和硫的低氟化物。当SF6气体含有水分时，还可能生成HF（氟化氢）或SO2，对绝缘材料、金属材料都有很强的腐蚀性。 基于SF6的上述物理化学性质，SF6具有极为良好的绝缘性能和灭弧能力。1）绝缘性能。SF6气体的绝缘性能稳定，不会老化变质。当气压增大时，其绝缘能力也随之提高。在0.1MPa下，SF6的绝缘能力超过过空气的2倍，；在0

3、.3MPa时，其绝缘能力和变压器油相当。2）灭弧性能。SF6在电弧作用下接受电能而分解成低氟化合物，但需要的分解能却比空气高得多，因此，SF6分子在分解时吸收的能量多，对弧柱的冷却作用强。当电弧电流过零时，低氟化合物则急速再结全成SF6，故弧隙介质强度恢复过程极快。另外， SF6中电弧的电压梯度比空气中的约小3倍，因此，SF6气体中电弧电压也较低，即燃弧时的电弧能量较小，对灭弧有利。所以，SF6的灭弧能力相当于同等条件下空气的100倍。2.SF6断路器灭弧室工作原理图3-18 定开距灭弧室结构示意图 SF6的灭弧和绝缘能力强，所以开一般不大。动触头与压气缸1连成一体，并与拉杆7连接，操动机构可

4、通过拉杆带动动触头和压气缸左右运动。固定活塞由绝缘材料制成，它与动触头、压气缸之间围成压气室4。 定开距灭弧室动作过程示意图如图3-19所示。图3-19（a）为断路器处于合闸位置，这时动触头跨接于两个静触头之间，构成电流通路；分闸时操动机构通过拉杆带着动触头和压气缸向右运动，使压气室的SF6气体被压缩，压力约提高1倍左右，这一过程称压气过程或预压缩过程，如图3-19(b)所示；当动触头离开静触头3时，产生电弧，同时将原来被动触头所封闭的压气缸打开，高压SF6气体迅速向两静触头内腔喷射，对电弧进行强烈的双向纵吹，如图3-19(c)所示；当电弧熄灭后，触头处在分闸位置，如图3-19(c)所示。这种

5、灭弧室具有开距小、行程短、结构紧凑、动作迅速等优点，但压气室的体积较大。3.SF6断路器的结构(1)支柱式。支柱式SF6断路器系列性强，可以用不同个数的标准灭弧单元及支柱瓷套组成不同电压及的产品。按其整体布置形式可分为Y形布置、T形布置及I形布置三种.1）Y形布置的LW6-500型SF6断路器一相结构图如图3-20所示。每相为双柱四断口，每个断口除并联有电容（2500pF)外，还并联有合闸电阻（100），该电阻呈水平布置，为独立气隔；在灭弧室、合闸电阻及支柱的连接处采用五联箱，也为独立气隔；因电压较高，支柱有三节奏瓷套，其上端装有均压环；每相两柱配一台液压机构。图3-20 LW6-500型SF

6、6断路器一相结构图 在断口并联合闸电阻是为了限制合闸及重合闸的操作过电压。电阻片由炭质烧结而成，外形与避雷器阀片相似，但其热容量要大得多。合闸电阻与一辅助触头（或称辅助断口）串联后再与主断口并联。断路器合闸时，合闸电阻袍主触头提前711ms接通，在主触头接通后，合闸电阻立即自行分闸复位；断路器分闸时，合闸电阻不动作。2）T形布置的SFM-500型SF6断路器一相结构图如图3-21所示。其每相只有两个断口，灭弧室为变开距压气式结构，每相SF6气体自成一个系统，包括压力表、密度继电器及其微动触头、一个供气口、一个检查口、一个动断截止阀及一个动合截止阀，SF6额定充气压力为为0.59MPa;每相图3

7、-21 SFM-500型SF6断路器一相结构图图3-22 LW15-220型SF6断路器一相结构图（2）落地罐式。目前，110500kV均有落地式罐式SF6断路器产品，且其外形相似。这类产品实际上是断路器和电流互感谢器构成的复合电器，具有结构简单、体积小、开断性能好、抗振和耐污能力强、可靠性高、操作噪声小、不维修周期长、使用方便等优点。 SFMT-500型SF6断路器一相剖面图如图3-23所示。它由进出线充气瓷套管、接地金属罐、操动机构和底架等部件组成。断路器每相的触头和灭弧室装在充有SF6气体并接地的金属罐中，灭弧室采用压气室原理，触头与罐壁间的绝缘采用环氧支持绝缘子，绝缘瓷套管内有引出导电

8、杆。每相分别利用两只充气瓷套管与架空线连接，充气瓷套的下端装有套管式电流互感器，可用于保护及测量。吸附剂为活性氧化铝、合成沸石，用于吸附水分及SF6气体分解物。该断路器可配用液压式或气动式操动机构，三相分装在各自的底架上。二、真空断路器1.真空气体的特性 所谓真空是相对而言的，指的是绝对压力低于1个大气压的稀薄气体空间。气体稀薄的程度用真空度表示。真空度就是气体的绝对压力与大气压的差值。气体的绝对压力值愈低，真空度就愈高。（1）气体间隙的击穿电压与气体压力有关。图3-24所示为不锈钢电极、间隙长度为1mm时，真空间隙的击穿电压与气体压力的关系。在气体压力低于13310-4Pa时，击穿电压没有什

9、么变化；压力在13310-413310-3Pa之间时，击穿电压有下降倾向；在压力高于13310-3Pa的一定范围内，击穿电压迅速降低；在压力约为1000Pa时，击穿电压达最低值。图3-24 击穿电压与气体压力的关系（2）这里所指的真空，是气体压力在13310-4Pa以下的空间，真空断路器灭弧室内的气体压力不能高于这一数值，一般在出厂时其气体压力在13310-7Pa以下。这种气体稀薄空间，其绝缘强度很高，电弧很容易熄灭。在均匀电场作用下，真空的绝缘强度比变压器油、0.1MPa下的SF6及空气的绝缘强度都要高得多。（1）真空间隙的气体稀薄，分子的自由行程大，发生碰撞的几率小，因此，碰撞游离不是真空

10、间隙击穿的主要因素，而在触头电极蒸发出来的金属蒸气才是形成真空电弧的原因。因此，影响真空间隙击穿的主要因素除真空度外，还与电极材料、电极表面状况、真空间隙长度等有关。 用高相械强度、高熔点的材料做电极，击穿电压一般较高，目前使用最多的电极材料是以良导电金属为主体的合金材料。当电极表面存在氧化物、杂质、金属微粒和毛刺时，击穿电压会大降低。当间隙较小时，击穿电压几乎与间隙长度成正比；当间隙长度超过10mm时，击穿电压上升陡度减缓。2.真空灭弧结构和工作原理 真空灭弧室的结构示意图如图3-25所示。它由外壳、触头和屏蔽罩三大部分组成。外壳是由绝缘筒1、静端盖板2、动端盖板7、和波纹管8所组成的真空密

11、封容器；灭弧室内的静触头3固定在静导电杆9上，静导电杆穿过静端盖板2并与之焊成一体；动触头4固定在动导杆10的一端上，动导电杆的中部与波纹管8的一个端口焊在一起，波纹管的另一端口与动端盖板7的中孔焊接，动导电杆从中孔穿出外壳；在动、静触头和波纹管周围分别装有屏蔽罩5和6。由于波纹管在轴向上可以伸缩，因而这种结构既能实现从灭弧室外操动动触头作分合运动，又能保证外壳的密封性。由于大气压力的图3-25 真空灭弧室的结构示意图绝缘筒1、静端盖板2、动端盖板7、波纹管8组成真空密封容器；静触头3固定在静导电杆9上，静导电杆穿过静端盖板2并与之焊成一体；动触头4固定在动导杆10的一端，动导电杆的中部与波纹

12、管8的一个端口焊在一起，波纹管的另一端口与动端盖板7的中孔焊接；屏蔽罩5和6。作用，灭弧室在无机械外力作用时，其动静触头始终保持闭合位置，当外力使动导电杆向外运动时，触头分离。（1）外壳。外壳的作用是构成一个真空密封容器，同时容纳和支持真空灭弧室内的各种零件。为保证真空灭弧室工作的可靠性，对外壳的密封性能要求很高，其次是要有一定的机械强度。 绝缘筒用硬质玻璃、高氧化铝陶瓷或微晶玻璃等绝缘材料制成。外壳的端盖常用不锈钢、无氧铜等金属制成。 波纹管的功能是用来保证灭弧室完密封，同时使操动机构的运动得以传到动触头上。波纹管常用的材料有不锈钢、磷青铜等，以不锈钢性能最好，有液压成形和腊片焊接两种子选手

13、形式。波纹管允许伸缩量应能满足触头最大开距的要求。触头每分、合一次，波纹管的疲劳寿命也决定了真空灭弧室的机械寿命。（2）屏蔽罩。主屏蔽罩的主要作用是：防止燃弧过程中电弧生成物喷溅到绝缘外壳的内壁上，引起其绝缘强度降低；冷凝电弧生成物，吸收部分电弧能量，以利于弧隙介质强度的快速恢复；改善灭弧室内部电场分布的均匀性降低局部场强，促进真空灭弧室小型化。波驻京管屏蔽罩用来保护波纹管免遭电弧生成物的烧损，防止电弧生成物凝结在其表面上。 屏蔽罩采用导热性能好的材料制造，常用的材料为无氧铜、不锈钢和玻璃，其中铜是最常用的。在一定范围内，金属屏蔽罩厚度的增加可以提高灭弧室的开断能力，但通常其厚度不超过2mm。

14、（3）触头。触头是真空灭弧室内最重要的元件，真空灭弧室的开断能力和电气寿命主要由触头状况来决定。目前真空断路器的触头系统，就接触方式而言，都是对接式的。根据触头开断时灭弧的基本原理的不同，大致可分为非磁吹触头和磁吹触头两大类。下面分别介绍一些常见触头。1）圆柱状触头。触头的圆柱端面作为电接触和燃弧的表面，真空电弧在触头间燃烧时不受磁场的作用，圆柱状触头为非磁吹型。开断小电流时，触头间的真空电弧为扩散型，燃弧后介质强度恢复快，灭弧性能好；开断电流较大，真空电弧为集聚型，燃弧后介质强度恢复慢，因而开断可能失败。采用铜合金的圆柱状触头，开断能力不超过6kA。在触头直径较小时，其极限开断电流和直径几乎

15、成线性关系，但当触头直径大于5060mm后，继续加大直径，极限开断电流就很少增加了。2）横磁吹触头。利用电流流过触头时所产生的横向磁场，驱使集聚型电弧不断在触头表面运动的触头，称为横磁吹触头。横磁吹触头主要可分为螺旋槽触头和杯状触头两种。 中接式螺旋槽触头工作原理如图3-26所示。其整体呈圆盘状，靠近中心有一个凸起的圆环供接触状态导通电流用（所以称中接式，若圆环在外缘则称为外接式）。在圆盘上开有3条图3-26 中接式螺旋槽触头工作原理（或更多）螺旋槽，从圆环的外周一直延伸到触头的外缘。动、静触头结构相同。当触头在闭合位置时，只有圆环部分接触。 当触头分离时，最初在圆环上产生电弧电流i1。电流线

16、在圆环处有拐弯，电流回路呈“”形，其径向段在弧柱部分产生与弧柱垂真的横向磁场，使电弧离开接触圆环，向触头的外缘运动，把电弧推向开有螺旋槽的跑弧面(i2)。由于螺旋槽的限制，电流i2在跑弧面上只能按规定的路径流通，如图3-26中虚线所示。跑弧面上i2径向分量的磁场使电弧朝触头外缘运动，而其切向分量的磁场使电弧在触头上沿切线方向运动，故可使电弧在触头外缘上作圆周运动，不断移向冷的触头表面，在工频半周的后半部电流减小时，集聚型电弧在冷的触头表面转变为扩散型电弧，当电流过零时电弧熄灭。螺旋槽触头在大容量真空灭弧室中应用得十分广泛。3.真空断路器的结构特点（1）悬臂式真空断路器。图3-27所示为ZN4-

17、10型悬臂式真空断路器结构。断路器主要由真空灭弧室2、支持绝缘子7、操动机构8及支持框架4几部分组成。每相的灭弧室2及上、下接线板由两只支持绝缘子固定在支持框架4的前方；灭弧室的静导电杆与上接线板固定连接，动导电杆则通过软连接与下接线板连接，上、下接线板间有绝缘加强杆支撑，其灭弧室采用横向磁吹灭弧；操动机构8（电磁式或弹簧式）和分闸弹簧都装在框架上，主轴3上的拐臂的一端连有绝缘拉杆6，拉杆的下端则通过另一拐臂、连杆及绝缘件与动导电杆连杆；为了防止相间发生弧光短路，在相间加有绝缘隔板9。图3-27 ZN4-10型悬臂式真空断路器结构断路器在合闸位置时，上拐臂的另一端被操动机构拉紧并锁住，维持断路

18、器在合闸状态；当操动机构接到分闸命令时，机构被释放，在分闸弹簧作用下，上、下拐臂均逆时针旋转，断路器分闸。 悬臂式真空断路器在结构上与传统的少油断路器相类似，便于在手车式开关柜中使用，也可固定安装；高度尺寸较小；其操动机构与高电压隔离，便于检修。与落地式比较，这种结构的缺点是：总体深度尺寸较大，钢耗多，质量大；绝缘子受弯曲力作用；传动效率不高；操作时振动较大。因此，该结构的断路器一般只适于制造为户内中等电压以下的产品。（2）落地式真空断路器。ZN5-10型户内落地式真空断路器结构如图3-28所示。落地式真空断路器的真空灭弧室3安装在上方，用绝缘支撑杆10支撑，操动机构12设置在基座下方，上下两

19、部分由传动机构通过绝缘支撑杆连接起来。ZN3-10、ZN5-10、ZN14-10、ZN28-10型等均为落地式真空断路器。 落地式真空断路器的优点是：便于操作人员观察和更换灭弧室；传动效率高，分合闸操作时直上直下，传动环节少，传动摩擦小；整个断路器的重心较低，稳定性好，操作时振动小；断路器深度尺寸小，质量小，进开关柜方便；产品系列性强，且户内、户外产品的相互交换容易实现。但是产品的总体高度较高，带电检修操动机构时较困难。图3-25 ZN5-10型户内落地式真空断路器结构图3-29为以真空断路器为开断元件的KYN18C-12铠装移开式金属封闭真空开关柜体示意图。它主要由小母线室、仪表继电器室、手

20、车室、真空断路器手车、电缆室、主母线室和电流互感器等组成，是发电厂6kV厂用电系统作为接受和分配电能的主要控制设备和保护设备。图3-29 KYN18C-12铠装移开式金属封闭真空开关柜示意图 三、低压开关电器3.1 低压熔断器3.2 低压刀开关3.3 低压刀熔开关3.4 低压负荷开关3.5 低压断路器1低压熔断器的功能2低压熔断器的类型3低压熔断器的型号4低压熔断器的使用情况3.1 低压熔断器实现低配系统的 短路保护，有的低压熔断器也能实现低配系统的 过负荷保护。1 低压熔断器的功能1）插入式、2）螺旋式、3）无填料密封管式、4）有填料封闭管式、5）有填料管式gF、aM系列和6）高分断能力的N

21、T型等。 2 低压熔断器的类型1-R=熔断器（产品名称）2-C=插入式、L=螺旋式、M=密闭管式、S=快速式、T=有填料管式、Z=自复式（类型）3-设计序号4-A=改进型（其它标志）5-熔管额定电流（安）6-空7-熔体额的电流（安）8-空3低压熔断器的型号RM10=密闭管式熔断器，设计序号10；RZ1=自复式熔断器，设计序号1。3 续1有一种有特殊功能的熔断器：自复式低压熔断器。一般熔断器都有一个共同的缺点：熔体熔断后，必须更换熔体才能恢复供电。因而停电时间较长，给供电系统和用户造成一定的停电损失。自复式低压熔断器弥补了这一缺点：既能切断短路电流，又能在故障消除后自动恢复供电，无需更换熔体。

22、4低压熔断器的使用情况自复式熔断器通常与低压断路器配合使用，甚至组合为一种电器。我国生产的DZ10-100R型低压断路器，就是DZ10-100型低压断路器与RZ1-100型自复式熔断器的组合。利用自复式熔断器来切断短路电流，而利用低压断路器来保护过负荷和进行电路的通断操作，既能有效地切断短路电流，又能减轻低压断路器的工作，提高供电可靠性。因此，这种组合电器很有推广价值。 4 续10低压刀开关的文字符号1低压刀开关的功能2低压刀开关的类型3低压刀开关的型号3.2 低压刀开关低压刀开关，knife-switch，文字符号QK。0 低压刀开关的文字符号1）无灭弧能力的低压刀开关作隔离开关用；2）有灭

23、弧能力的低压刀开关作负荷开关用。1低压刀开关的功能按操作方式分：单投、双投。按极数分：单极、双极和三极。按有无灭弧结构分：不带灭弧罩、带灭弧罩。不带灭弧罩的刀开关，一般只能在无负荷下操作，主要作隔离开关使用。带有灭弧罩的刀开关，能通断一定的负荷电流。2 低压刀开关的类型1-H=低压刀开关（产品名称）2-D=单投、=双投（结构形式）3-空4-11=中央手柄式、12=侧方杠杆操作、13=中央杠杆操作、14=侧面手柄式（操作特征）5-额定电流（安）6-空7-1=单极、2=双极、3=三极（极数）8-0=无灭弧罩、1=有灭弧罩（其它特征）3低压刀开关的型号RM10=密闭管式熔断器，设计序号10；RZ1=

24、自复式熔断器，设计序号1。3 续10低压刀熔开关的文字符号1低压刀熔开关的功能2低压刀熔开关的类型3低压刀熔开关的型号3.3 低压刀熔开关低压刀熔开关，fuseswitch，文字符号QKF或FU-QK。它是一种组合电器，由低压刀开关和低压熔断器组合而成。最常见的HR3型刀熔开关，是将HD型刀开关的闸刀换以RT0型熔断器的具有刀形触头的熔管。 0 低压刀熔开关的文字符号刀熔开关具有 刀开关和熔断器 的双重功能。 1低压刀熔开关的功能1-H=低压刀开关（产品名称）2-R=熔断器式（结构形式）3-设计序号4-空5-额定电流（安）6-空7-1=单极、2=双极、3=三极（极数）8-1=侧方操作前面检修，

25、等（其它特征）2低压刀熔开关的型号0低压负荷开关的文字符号1低压负荷开关的功能2低压负荷开关的类型3低压负荷开关的型号3.4 低压负荷开关 低压负荷开关，low-voltage load switch，文字符号QL。 低压负荷开关由带灭弧装置的刀开关与熔断器串联组合而成，外装封闭式铁壳或开启式胶盖。 0 低压负荷开关的文字符号低压负荷开关具有带灭弧罩刀开关和熔断器的双重功能，既可带负荷操作，又能实现短路保护。但短路熔断后，需要更换熔体才能恢复供电。 1 低压负荷开关的功能12-HH=封闭式负荷开关、HK=开启式负荷开关（产品名称）3-设计序号4-空5-额定电流（安）6-空7-1=单极、2=双极

26、、3=三极（极数）8-空2低压负荷开关的型号0低压断路器的文字符号1低压熔断器的结构、功能2低压熔断器的类型3低压熔断器的型号4低压熔断器的使用情况3.5 低压断路器低压断路器，low-voltage circuit-breaker，文字符号为QF，俗称自动开关auto-switch。它既能带负荷通断电路，又能在短路、过负荷和低电压（或失压）时自动跳闸，其功能与高压断路器类似。当线路上出现短路故障时，其过电流脱扣器动作，使开关跳闸。如出现过负荷时，其串联在一次线路上的电阻发热，使双金属片弯曲，也使开关跳闸。当线路电压严重下降或电压消失时，其失压脱扣器动作，同样使开关跳闸。 0 低压断路器的文字符号结构如图：见下页。1 低压断路器的结构、功能1主触头2跳钩3锁扣4分励脱扣器5失压脱扣器6、7脱扣按钮8热电阻9热脱扣器10过流脱扣器1）带负荷通断电路；2）在短路、过负荷和低电压（或失压）时自动跳闸。（1）出现短路故障时，其过电流脱扣器动作，使开关跳闸