第六章开关电器696724.docx
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第六章开关电器696724
第六章开关电器
第一节概述
开关电器主要用来闭合与开断正常电路和故障电路或用来隔离高压电源的。
在发电厂和变电所中,开关电器是主系统的重要设备之一。
根据开关电器在电路中担负的任务,可以分为下列几类。
(1)仅用来在正常工作情况下,断开或闭合正常工作电流的开关电器,如高压负荷开关、低压闸刀开关、接触器、磁力启动器等。
(2)仅用来断开故障情况下的过负荷电流或短路电流的开关电器,如高、低压熔断器。
电路开断后,熔断器必须更换部件后才能再次使用。
(3)既用来断开或闭合正常工作电流,也用来断开或闭合过负荷电流或短路电流的开关电器,如高压断路器、低压自动空气断路器等。
(4)不要求断开或闭合电流,只用来在检修时隔离电压的开关电器,如隔离开关等。
隔离开关可作接地开关用。
其中,高压断路器是电力系统中最重要、最复杂的开关电器,起着控制和保护的作用。
对高压断路器的基本要求是:
在各种情况下应具有足够的开断能力、尽可能短的动作时间和高度的工作可靠性。
断路器最重要的任务就是熄灭电弧,所以,各种断路器都有不同结构的灭弧装置,它在很大程度上,影响断路器的灭弧性能。
根据断路器所采用的灭弧介质及作用原理,断路器可分为下列几种类型。
1.油断路器
采用油作为灭弧介质的断路器叫油断路器。
断路器中的油除了作为灭弧介质外,还作为触头开断后的弧隙绝缘以及带电部分与接地外壳之间的绝缘介质的,称为多油断路器;油只作灭弧介质和触头开断后的弧隙绝缘介质,而带电部分对地之间的绝缘采用瓷介质的,则称为少油断路器。
少油断路器的用油量少、体积也相应的小些、耗钢材也少,所以,目前我国生产的高压油断路器主要是少油断路器。
2.压缩空气断路器(简称空气断路器)
采用压缩空气作为灭弧介质的断路器,叫做压缩空气断路器。
压缩空气除了作灭弧介质外,还作为触头开断后的弧隙绝缘介质。
空气断路器具有灭弧能力强、动作迅速等特点,但结构较复杂、有色金属消耗量较大,因此,它一般应用于220KV及以上电压级的大系统中。
3.六氟化硫(SF6)断路器
采用具有优良灭弧性能和绝缘性能的SF6气体作灭弧介质的断路器,称为SF6断路器。
它具有开断能力强、体积小等特点,但结构较复杂,金属消耗量大、价格较贵。
一般用于220KV电压等级以上,并与以SF6作为绝缘的有关电气组成封闭式组合电器(GIS),这样可以大量节省占地面积和减少投资。
4.真空断路器
利用真空的高介质强度来灭弧的断路器,称为真空断路器。
这种断路器具有灭弧速度快、触头材料不易氧化、寿命长、体积小等特点。
目前主要用在35KV以下装置中。
5.自动产气断路器
这种断路器的灭弧室内壁有一种产气材料,当断路器动作产生气体吹弧。
我国生产的FN、FW型负荷开关就是基于此种工作原理。
负荷开关是高压断路器的一种,但只用于接通和切断电路中的负荷电流,不能用来切断故障短路电流。
第二节高压断路器的基本参数
目前,我国电力系统中广泛使用的高压断路器,其型号、规格一般由文字符号和数字方式表示:
123――45/678
其代表意义为:
1是产品字母代号,2是安装场所代号,3是设计系列代号,4是额定电压(KV),5是其他标志,如改进型G,6是额定电流(A),7是额定开断能力(KA或MVA),8是特殊环境代号。
例如:
SN10-10/3000-750型断路器,表示为10KV,3000A,750MVA,10型屋内式高压少油断路器。
表6-1高压断路器产品字母代号
断路器名称
少油断路器
多油断路器
空气断路器
SF6断路器
真空断路器
字母代号
S
D
K
L
Z
为了说明一台高压断路器的性能,正确使用每一台断路器,制造厂对每台断路器供给基本技术参数,现将断路器的基本技术参数说明如下:
1.额定电压及额定电流
额定电压Un是指断路器长期工作的标准电压(三相系统指线电压)。
电力系统在运行中允许5%Un的电压波动,断路器应在允许范围内长期工作,为此断路器规定了最高工作电压。
对额定电压在3~220KV范围内的断路器,其最高工作电压较额定电压可高15%左右;对330KV以上者,规定其最高工作电压较额定电压高10%。
断路器额定电压与最高工作电压对应值,见表10-2。
表6-2断路器额定电压与最高工作电压对应值(KV)
额定电压
3
6
10
35
110
220
330
500
最高工作电压
3.5
6.9
11.5
40.5
126
252
363
550
额定电压的大小影响断路器的外型尺寸和绝缘水平,额定电压越高要求绝缘强度越高、外型尺寸越大、相间距离也越大。
选择断路器时,额定电压是首先满足的条件之一。
额定电流In是指在额定频率下长期通过断路器且使断路器无损伤、各部分发热不超过长期工作的最高允许发热温度的电流。
我国规定断路器的额定电流为:
200,400,630,(1000),1250,(1500),1600,2000,3150,4000,5000,6300,8000,10000,12500,16000,20000A。
额定电流的大小,决定断路器导电部分和触头的尺寸和结构,在相同的允许温升下,电流越大,则要求导电部分和触头的截面积越大,以便减小损耗和增大散热面积。
2.额定开断电流
断路器在开断操作时,首先起弧的某相电流称为开断电流。
在额定电压下,能保证正常开断的最大短路电流称为额定开断电流Inborn。
它是标志断路器开断能力的一个重要参数。
我国规定额定开断电流为:
1.6,3.15,6.3,8,10,12.5,16,20,25,31.5,40,50,63,80,100KA等。
由于开断电流和电压有关,因此在不同的电压下,对同一断路器所能正常开断的最大电流值也不相同。
以往认为断路器的开断能力既与开断电流有关,又受给定电压的限制,因此以往常采用断流容量这一概念,即把额定条件下的开断能力称为额定断流容量。
如上所述,各断路器三相电路的额定断流容量以SbrN=√3UNIbrN表示。
必须指出:
断路器在起弧时的开断电流与熄弧后的工频恢复电压,在时间上并非同时产生,这两者相乘并无具体物理意义,亦不能确切地表征开断能力。
我国根据国际电工委员会(IEC)的规定,现只把额定开断电流作为表征开断能力的唯一参数。
而断流容量仅作为描述断路器特性的一个数值。
3.额定关合电流imc
当电力系统存在短路故障时,断路器一合闸就会有短路电流流过,这种故障称为“预伏故障”。
当断路器关合有预伏故障的设备或线路时,在动、静触头未接触前尚距几毫米就发生预击穿,随之出现短路电流,给断路器关合造成阻力,影响动触头合闸速度及触头的接触压力,甚至出现触头弹跳、熔化、焊接以至断路器爆炸等事故,这远比在合闸状态下通过极限电流的情况更为严重。
衡量断路器关合短路故障能力的参数为额定关合电流imc。
其数值以关合操作时,瞬态电流第一个大半波峰值来表示,制造部门对关合电流一般取额定开断电流IbrN的1.8×√2倍,即imc=1.8√2IbrN=2.55IbrN
断路器关合短路电流的能力除与灭弧装置性能有关外,还与断路器操动机构的合闸功的大小的有关。
因此,在选择断路器的同时,应选择操动机构,方能保证足够的关合能力。
4.耐受性能
断路器在开断短路故障时,短路电流也将流过动、静触头,因此,要求断路器不致因发热和电动力的冲击而损坏,即断路器应有足够的耐受短路电流作用的能力,简称为耐受能力。
(1)短时热电流(亦称热稳定电流)。
在规定的时间内(规定标准时间2s,需要大于2s时推荐为4s)断路器在合闸位置,可能经受的短时热电流有效值(KA),称为短时热电流(或短时耐受电流)It,断路器标准中规定It=IbrN
It通过断路器时,各零部件的温度不应超过短时发热最高允许温度,且不致出现触头熔接或软化变形,以及其他妨碍正常运行的异常现象。
(2)峰值耐受电流。
峰值耐受电流iam,亦称动稳定电流,即在规定的使用条件和性能下,断路器在合闸位置时所能经受的电流峰值。
它与关合电流imc不同的是:
iam是断路器处于合闸位置时通过的短路电流,而imc则是由于断路器关合短路故障所产生的短路电流。
峰值耐受电流也是以短路电流的第一个大半波峰值电流来表示,且
iam=imc=2.55IbrN
显然,峰值耐受电流反映了断路器承受由于短路电流产生的电动力的耐受性能,它决定断路器的导电部分和绝缘支持件的机械强度以及触头的结构形式。
5.操作性能
全开断时间:
这是指断路器接到分闸命令瞬间起到电弧熄灭为止的时间,即
tt=t1+t2
全开断时间tt由两部分组成:
t1称为固有分闸时间,是指从断路器接到分闸命令瞬间到所有各相的触头都分离的时间;t2称为燃弧时间,是指某一相首先起弧瞬间到所有相电弧全部熄灭的时间间隔。
全开断时间tt是说明断路器开断过程快慢的主要参数。
它直接影响故障对设备的损坏程度、故障范围、传输容量和系统的稳定性。
断路器开断单相电路时,各个时间的关系如图6-1所示,其中t0为继电保护装置动作时间。
6.自动重合闸性能
架空线路的短路故障,大多是暂时性故障。
当短路电流切断后,故障亦随之消除。
为了提高供电的连续性,故多装有自动重合闸装置。
自动重合闸就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。
在重合失败后,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3min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。
断路器的前述动作程序,称为自动重合闸的操作循环,记为:
分一θ一合分-t一合分
其中,θ为断路器开断故障电路时从电弧熄灭起到电路重新接通的时间,称为无电流间隔时间,一般为0.3s或0.5s,t为强送电时间,一般为180s。
断路器在自动重合闸操作循环中的有关时间示意图如图6-2所示。
图中t0、t1和θ的定义同前所述,t3为预击穿时间,t4为金属短接时间,t5为燃弧时间。
断路器的全开断时间与无电流间隔时间之和(tt+θ)的,称为自动重合闸时间;金属短接时间t4是指断路器重合闸操作以后,触头闭合到第二次触头分开所需用的时间。
断路器允许的无电流间隔时间取决于第一次开断后,断路器恢复熄弧能力所需要的时间。
如果间隔时间太短,当断路器重合后再次分闸时,尚未恢复其熄弧能力,则断路器在第二次分闸时的断流容量便要下降。
用于架空输电线路中的断路器,必须满足自动重合闸的要求。
应能在短时间内连续可靠的关合两次短路故障、开断三次短路电流,以保证电力系统运行的可靠性。
第三节六氟化硫(SF6)断路器
SF6断路器是利用SF6气体作为绝缘介质和灭弧介质的新型高压断路器。
SF6断路器可分为两大类。
第一类,为瓷瓶式SF6断路器。
如西安高压开关厂生产的LW(SFM)型系列产品,可用于110~500KV的电力系统中。
该系列产品除110KV断路器三相共用一个机构外,其他均三相分装式结构。
110~220KV断路器每相一个断口,整体呈“I”型布置。
330~500KV断路器每相两个断口,整体呈“T”型布置。
每个断口由灭弧室、支柱(支持绝缘子)、机构箱组成,其中330~500KV断路器还带有均压电容器、合闸电阻等,安其结构示意图如图6-3所示。
第二类,是把断路器装入一个外壳接地的金属罐中,叫落地罐式。
如西安高压开关厂生产的LW13(SFMT)型罐式高压SF6断路器。
该产品除110KV级及部分220KV级产品的三相分装在一个公用底架上并采用三相联动操作外,其余各电压等级及部分220KV产品均
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