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1、 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
2、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
3、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
4、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
5、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
6、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
7、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
8、 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
9、 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
10、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
11、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 40
12、0 600 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
13、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
14、 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
15、 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
16、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
