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第四章电气设备及载流导体第1页共35页第4章电气设备及载流导体教学要求：掌握高、低压开关电器的结构特点、工作原理、电气参数及其应用，重点掌握断路器的工作原理；掌握互感器的作用、结构、接线方式及准确度等级；掌握母线、电缆、绝缘子、限流电器的工作原理、结构及应用。4.1高压开关电器4.1.1概述在电力系统的各类电力装置中，主要电力元件如发电机、变压器、线路、母线等，在改变运行方式或停电检修时，需要进行正常的投入与切出；在出现故障时则须迅速分断短路电流，切除故障电路，以保证系统或装置的其他部分的正常工作。这种直接用于正常投切和故障切除电路的电气一次设备称为开关电器。开关电器的分类有以下三种方式：1．按电压高低分类开关电器按使用电压的高低分为高压开关电器和低压开关电器两类，后者用于1kV及以下电力网络中。2．按安装场所分类开关电器按安装场所分为户内式和户外式两类，其中低压开关电器除少数例外，多为户内式；110kV及以上的开关电器主要是户外式。3．按功能分类根据开关电器在开断和关合电路中所担负的任务的不同，分为以下几类：断路器、隔离开关、负荷开关、熔断器。将高压负荷开关和熔断器装配在一起的组合式开关电器，具有类似高压断路器的功能，在某些电路中可代替断路器使用。4.1.2高压断路器4.1.2.1高压断路器的用途高压断路器是高压电器中最重要的部分，是电力系统一次设备中控制和保护的关键电器，受它控制和保护的电路，无论在空载、负载或短路故障状态，都应可靠地动作。总的来讲，高压断路器在电网中起两方面的作用：一是控制作用，即根据电网运行的需要，将部分电气设备或线路投入或退出运行；二是保护作用，即在电气设备或电力线路发生故障时，继电保护自动装置发出跳闸信号，启动断路器，将故障部分设备或线路从电网中迅速切除，确保电网中无故障部分的正常运行。4.1.2.2高压断路器的基本要求由于断路器在电路中担负特别重要的任务，必须满足以下基本要求：1．工作可靠。断路器应能在规定的运行条件下长期可靠地工作，并能在正常和故障情况下准确无误地完成关合和开断电路和的指令，其拒动或误动都将造成严重的后果。2．具有足够的开断能力。断路器的开断能力是指能够安全切断最大短路电流的能力，它主要决第四章电气设备及载流导体第2页共35页定于断路器的灭弧性能，并保证具有足够的热稳定和动稳定。开断能力的不足可能发生触头跳开后电弧长时续燃，导致断路器本身爆炸飞弧，引起事故扩大的严重后果。3．动作快速。在电路发生故障时，快速地切除故障电路，不仅能缩短电力网的故障时间和减轻巨大短路电流对电气设备的损害，而且能增加电力系统的稳定性，提高整个系统的供电可靠性。4．具有自动重合闸性能。输电线路的短路故障大多数是临时性的。为了提高电力系统运行的稳定性和供电可靠性，线路保护多采用自动重合闸方式，即在发生短路故障时，继电保护动作使断路器跳闸，切断故障点的短路电流，经很短时间后断路器又自动重合闸，恢复正常供电。若故障仍然存在，则断路器必须立即跳闸，再次切断短路电流，这要求断路器在第一次大电流灭弧后很快恢复灭弧能力，完成后续次的灭弧。5．结构简单，经济合理。在满足安全、可靠的同时，还应考虑到经济性。故要求断路器的结构力求简单、尺寸小、重量轻、价格合理。4.1.2.3断路器的基本参数断路器的特性和工作性能可用以下基本参数来表征：1．额定电压。指断路器长时间运行能承受的正常工作电压。它不仅决定了断路器的绝缘水平，而且在相当程度上决定了断路器的总体尺寸和灭弧条件。由于输电线路有电压降，电网不同地点的电压可能高出额定电压10%左右,使断路器可能在高于额定电压下长期工作，故制造厂规定断路器的最高电压对于10~220kV的为1.15倍额定电压，对于330kV及以上为1.1倍额定电压。2．额定电流。它是断路器的触头结构和导电部分在规定环境温度下允许通过的长期工作电流，其相应的发热温度不会超过国家标准。它决定了断路器触头及导电部分的截面，并且在某种程度上也决定了它的结构。3．额定开断电流。指断路器在额定电压下能可靠开断的最大短路电流的有效值。它表征断路器的开断能力。由于开断电流与电压有关，当断路器降低电压级使用（例如10kV断路器用于3~6kV电网）时，具有相应增大的开断电流，但有一最大值，称为极限开断电流。4．额定开断容量。断路器的开断能力也可间接用开断容量Skd来表示，在三相电路中其大小等于额定电压与额定开断电流的3倍。5．动稳定电流。表明断路器在冲击短路电流作用下，承受电动力的能力。其值由导电和绝缘等部件的机械强度决定。6．热稳定电流。表明断路器承受短路电流热效应的能力。用通电时间（一般取4S）和最大电流有效值来综合表示。7．开断时间。从操作机构跳闸线圈接通跳闸脉冲起，到三相电弧完全熄灭时止的一段时间称为断路器的开断时间，它等于断路器的固有分闸时间tg和熄弧时间txh之和，即tkd=tg+txh其中固有分闸时间tg是从跳闸线圈接通跳闸脉冲到动、静触头刚分离的一段时间；熄弧时间txh是从触头刚分离到各相电弧熄灭的时间。4.1.2.4断路器的操动机构断路器在工作过程中的合、分闸动作是由操动系统来完成的。操动系统由相互联系的操动机构和传动机构组成，后者常归入断路器的组成部分。操动机构的工作性能和质量对断路器的工作性能和工作可靠性起着重要的作用。1、操动机构的组成第四章电气设备及载流导体第3页共35页断路器的操动机构由图4-1所示的各个部分组成：图4-1操动机构部分组成（1）操动机构：由动力机构、扣住机构、脱扣机构等组成。动力机构：为原动力机构，其操动能源由气压能、弹簧能、电磁能或液压能形成。扣住机构：当断路器合闸到终了位置时，将机构固定在合闸位置。脱扣机构：当断路器分闸时，能将死点机构脱开，实现分闸。自由脱扣机构：由合闸电磁铁动作，顶起机构到合闸终点位置不落下，分闸电磁铁脱扣动作，机构能自由分闸。（2）传动机构：由拉杆、提升机构、缓冲机构等组成。拉杆：是操动机构过渡到提升机构的一种连接传动机构。提升机构：用来提升触头进行分、合闸。缓冲机构：用来在分、合闸终了位置吸收剩余动作，使操动平稳。操动机构按照分、合闸信号进行操动，除此之外，根据运行和维护要求，还应有分、合闸位置的机械指示器。2、操动机构的分类操动机构按操动能源来进行分类，可分为手动型、电磁型、液压型、气压型和弹簧型等多种类型。手动型操动机构是指靠人力合闸，靠弹簧力分闸的操动机构；电磁型操动机构是直接依靠电磁力来合闸的操动机构；液压型操动机构是用高压油推动活塞实现合闸与分闸的操动机构。气压型操动机构是以压缩空气推动活塞实现合闸与分闸的操动机构。弹簧型操动机构是用小功率电动机将弹簧拉伸储能实现合闸与分闸的操动机构。除手动型外，其他均为自动操动机构。其中，电磁型需直接依靠合闸电源提供操动功率；液压型、气压型和弹簧型则只需间接利用电能，并经转换设备和储能装置用非电能形式操动合闸，故短时失去电源后可由储能装置提供操动功率，因而减少了对电源的依赖程度。图4-2给出的是由电磁型操动机构操动的断路器动作原理示意图。图4-2断路器动作原理示意图其合闸过程如下：当合闸线圈1接通时，合闸铁芯2被吸向上，推动合闸机构3绕O1轴作反时针旋转，同时通过绝缘连杆12和固定在断路器轴上的拐臂11带动断路器轴9转动，使动触头系统8向上运动，并把装在动触头系统上的分闸弹簧5压紧。合闸完成后，分闸机构的搭钩4将合闸机构3扣住，使断路器保持在合闸位置。合闸所需的能量是由合闸电磁铁提供的。其分闸过程如下：当分闸线圈7接通时，分闸铁芯6被吸向上，推动搭构4绕O2轴作反时针旋转，释放合闸机构3。此时，在分闸弹簧的作用下动触头系统向下运动而完成分闸。断路器的分闸是靠分闸弹簧实现的，分闸所需的能量是操动机构在合闸过程中储藏在分闸弹簧的。第四章电气设备及载流导体第4页共35页3、操动机构的基本要求断路器操动机构的类型和产品型式多种多样，但其基本要求是一致的，主要有以下几个方面。（1）具有足够的合闸功率，保证所需的合闸速度，并使断路器在关合短路的情况下关合到底。（2）能维持断路器处在合闸位置，不因外界震动和其他原因产生误分闸功率。（3）有可靠的分闸装置和足够的分闸速度，为了设备和系统的安全，分闸装置务必工作可靠、灵敏快速，在任何情况下不允许误动或拒动。断路器分闸后，操动机构应自动回复到准备合闸位置。（4）具有自由脱扣装置。在断路器进行合闸的过程中又接到分闸命令时，操动机构应立即终止合闸过程，迅速进行分闸。这种在合闸过程中的分闸叫做自由脱扣。可见自由脱扣装置是分闸装置的重要补充，二者常结合在一起。无论对自动或手动操动机构，该装置都是不可缺少的。（5）在控制回路中，要保证分、合动作准确、连续，即分后准备合、合后准备分。（6）结构简单、体积小、价格低廉。4.1.2.5高压断路器的分类高压断路器一般按灭弧介质的不同进行分类。1．油断路器。指采用变压器油作为灭弧介质的断路器。它又可分为多油断路器和少油断路器。多油断路器的油除了作灭弧介质和触头开断后绝缘外，还作为带电部分对地的绝缘。少油断路器的油只作为灭弧介质和触头开断后绝缘外，而带电部分对地绝缘采用瓷件或其他介质，和多油断路器相比，具有用油量少，体积小，重量轻，运输安装方便，有利于防火等优点。2．压缩空气断路器指采用压缩空气作为灭弧介质和弧隙绝缘介质的断路器。压缩空气断路器的特点是灭弧能力强，动作迅速，能快速自动重合闸。此外，其体积小，防火防爆，在低温下能可靠的工作，维护检修方便。其缺点是工艺要求高，消耗有色金属多，操作时噪声大，并需一套专供操作用的压缩空气设备等。3．真空断路器。指采用真空的高绝缘强度来灭弧的断路器。这种断路器的动静触头密封在真空泡内，利用真空作为灭弧介质和绝缘介质。它的特点是：体积小，能频繁操作，维修工作量小。4．六氟化硫（SF6）断路器。指利用具有优异的绝缘性能和灭弧性能的SF6气体作为灭弧介质和绝缘介质的断路器。由于SF6气体的电气性能好，所以SF6断路器的断口电压较高，在电压等级相同、开断电流和其他性能相近的情况下，SF6断路气比少油断路器串联断口要少，可使制造、安装、调试和运行比较方便和经济。它的特点是：灭弧能力强，绝缘强度高，开断电流大，燃弧时间短；开断电容电流或电感电流时，无重燃，过电压低；电气寿命长，检修周期长，适于频繁操作；操作功小，机械特性稳定，操作噪音小。4.1.2.6高压断路器的基本结构和灭弧过程1．少油断路器少油断路器分为户内式和户外式。低于35kV的少油式断路器只有户内式，高于35kV的只有户外式，35kV的少油式则兼有户内式和户外式。目前我国生产的少油断路器有多种系列，下面主要介绍SN10和SW6两种。（1）SN10系列户内式少油断路器SN10系列少油断路器的结构基本相似，图4-3所示为SN10-10Ⅰ型少油断路器的结构图。它由第四章电气设备及载流导体第5页共35页箱体、框架和机械传动机构三大部分组成。箱体下部用两个支持绝缘子垂直壁挂于框架上，并经一绝缘连杆与传动机构相连。断路器分合时，操作机构通过主轴27、绝缘拉杆29和基座内的变直机构，使导电杆上下动作，实现断路器的分合。图4-3SN10-10Ⅰ型少油断路器结构少油断路器的导电回路从上到下由上接线座5、静触座7、静触头13、弧触指14、导电杆20、滚动触头19和下接线座18等组成。导电杆的端部和静触头的弧触指上均装有耐弧铜钨合金，以增强触头的抗弧能力和短路开断能力，延长其使用寿命。箱体中间部位是灭弧室，采用纵横吹和机械油吹联合作用的灭弧原理。图4-4是SN10-10Ⅰ型断路器灭弧室结构原理图，图4-4（a）中，绝缘筒11由高强度的玻璃钢制成，其内叠装用耐弧耐热的三聚氰胺玻璃纤维热压而成的隔弧板1~5（共5片），内衬筒7和8（两个），绝缘垫圈6和10（两个）；上面用螺纹压圈9旋紧。第2、3、4片隔弧板带有横吹喷口，第5片隔弧板具有纵吹油囊，形成三级横吹和一级纵吹。此外还具有因导电杆分闸运动引起的机械油吹作用。图4-4SN10-10Ⅰ型少油断路器灭弧室结构原理图在灭弧室的