第三章高压电器及成套配电装置

全国电工进网作业培训教材第三章高压电器及成套配电装置3kV～35kV常用的高压电器有断路器、隔离开关、负荷开关、熔断器和电容器等多种设备。高压电器在高压电路中起着控制或保护等作用。高压电器广泛地应用在发电厂、变电所中，它们安全、可靠地运行对电力系统是极其重要的。第一节高压电器相关知识一、电力系统短路基本概念电力系统正常运行时，各相之间是绝缘的。电力系统中相与相之间或相与地之间(对中性点直接接地系统而言)通过金属体、电弧或其他较小阻抗连结而形成的非正常状态称为短路。三相电力系统中短路的基本类型有：三相短路、两相短路、两相接地短路和单相短路等。各种短路示意图如图3一l所示。注意：在中性点不接系统单相接地不视为短路。电力系统发生三相短路时，由于短路回路阻抗很小，所以短路回路电流(称为短路电流)很大，可能达到几万甚至几十万安培。短路电流由电源流到短路点，会对电力系统和电器设备产生严重的影响。图3—1短路故障示意图短路电流危害主要有以下几个方面：1)短路电流通过电气设备时，将引起导体严重发热，造成导体温度升高甚至熔化，并且会损坏绝缘。2)短路电流通过电器设备时，在相间产生大的电动力作用于导体之上，可能造成设备的变形或损坏。3)短路处往往有电弧产生，高温电弧会烧毁故障设备或烧伤周围人员，甚至会引起火灾。4)短路电流通过变压器、线路等阻抗元件时，将产生很大的电压降，还会引起发电机端电压的降低，因此影响电力系统的正常供电。二、高压电器中的电弧1．开关电器中电弧的产生与熄灭高压电路中开关电器切断电路时，断开的触头之间将会产生电弧。电弧电流的本质是离子导电，即触头之间的正离子(带正电)在触头间电场力的作用下向负极运动、负离子(带负电)和自由电子在触头间电场力的作用下向正极运动而形成的电流。显然，触头断开后，触头之间如果有电弧存在，则电路实际上没有被切断，直到触头问电弧熄灭后电路才真正断开。在交流电路中，当电流瞬时值为零时，断开的触头之间无电流通过，触头间的电弧将消失(称为电弧暂时熄灭)；在下半个周期内触头问能否再次产生电弧，则由触头间介质击穿电压与触头间恢复电压互相比较来决定，如果再次产生电弧称为电弧重燃，若不再产生电弧则称为电弧熄灭。触头间介质击穿电压是指使触头间产生电弧的最小电压。触头问恢复电压是指触头间电弧暂时熄灭后外电路施加在触头之间的电压。显然，电弧暂时熄灭后，如果触头问的恢复电压大于触头间的介质击穿电压，电弧将重燃；反之，触头间的恢复始终小于触头间的介质击穿电压，电弧将彻底熄灭。触头间介质击穿电压的大小与触头之间的温度、离子浓度和距离(电弧长度)等因素有关。当温度低、离子浓度低、触头之间距离长(电弧长度长)时，触头之间的介质击穿电压高；反之，触头之间的介质击穿电压低。触头之间的恢复电压主要由电路中电源电压、电路中电感(或电容)性负载与电阻性负载所占比例，以及电弧暂时熄灭前电弧电流的变化速率等因素有关。当电感(或电容)性负载所占比例大(即电压与电流相位差较大)时，恢复电压增加较快。不利于灭弧。电路为纯电阻性负荷时，恢复电压等于电源电压，则有利于灭弧。一般电路中均有电感存在，如果电弧暂时熄灭前，电流变化速率很大，将在电感元件上产生很大的感应电动势，这时电弧暂时熄灭后，触头问的恢复电压将等于电源电压再加上一个很大的感应电动势，能使恢复电压增长速率加快，不利于电弧熄灭。2．加速电弧熄灭方法在开关电器中，为加速电器触头之间电弧的熄灭，各种开关电器可采用不同的灭弧措施与方法。加速开关电器中灭弧的措施与方法主要有如下几种：(1)气体吹动电弧利用温度较低的气体吹动电弧，吹动电弧的气流会使电弧温度降低，并带有大量带电质点(正离子、负离子和自由电子)，从而提高了弧隙的介质击穿电压，使电弧加速熄灭。按照吹动电弧气体的流动方向不同，吹动电弧的方法又可分为纵向吹动(简称纵吹)和横向吹动(简称横吹)两种。纵向吹动，为气体吹动方向与电弧轴向相平行的吹弧方式。横向动，为气体吹动方向与电弧轴向相互垂直的吹动方式。横吹时还能拉长电弧、增大电弧冷却面积，并带走大量带电质点，其灭弧效果较好(2)拉长电弧采用加快触头之间的分离速度等措施，使电弧的长度迅速增长、电弧表面积迅速增大，从而提高触头间的介质击穿强度，加速电弧熄灭。(3)电弧与固体介质接触当电弧与优质固体灭弧介质(如石英砂等)接触时，固体介质能使电弧迅速冷却，并由于金属蒸气大量在介质表面凝结减少了弧隙的金属蒸气，使触头问的带电质点(正离子、负离子和自由电子)急剧减少，迅速提高介质击穿电压，从而达到加速电弧熄灭的的。本节例题1、电力系统发生三相短路时与负荷电流相比，短路电流（）A、很小B、相近C、很大2、短路电流的危害包括（）等。A、引起导体发热严重B、产生很大相间电动力C、高温电弧烧毁设备D、端电压下降3、交流电路中，当电流瞬时值过零时，电弧暂时熄灭，若（）则电弧彻底熄灭。A触头间介质击穿电压大于触头间恢复电压B触头见介质击穿电压等于触头间恢复电压C触头见介质击穿电压小于触头间恢复电压4、触头间恢复电压的大小与（）等因素有关A电流的大小B、电弧的温度C、电源电压5、交流电路中若触头已断开，但触头之间还存在有电弧，则认为电路真正断开了（）。6、电动机回路断路器开断短路电流过程中，电弧暂时熄灭后触头之间恢复电压等于（）。A电源电压与电感元件感应电动势之和B电源电压C、电感元件的感应电动势7、中性点不接地系统相与地之间通过金属导体或电弧形成的连接时视为单相短路（）。8、加速高压开关电器中电弧熄灭的措施和方法主要有（）第二节高压断路器一、高压断路器的用途、类型和主要技术数据1．高压断路器的用途高压断路器在高压电路中起控制作用，是高压电路中的重要电器元件之一。断路器用于在正常运行时接通或断开电路，故障情况在继电保护装置的作用下迅速断开电路，特殊情况(如自动重合到故障线路上时)下可靠地接通短路电流。高压断路器是在正常或故障情况下接通或断开高压电路的专用电器。断路器的工作状态(断开或闭合)是由它的操动机构控制的。2．高压断路器的类型高压断路器的种类繁杂，一般可按下列方法分类：按断路器的安装地点分可分为户内式和户外式两种；按断路器灭弧原理或灭弧介质可分为油断路器、真空断路器、六氟化硫(sF6)断路器等等。(1)油断路器采用绝缘油作为灭弧介质的断路器，称为油断路器。它又可分为多油断路器和少油断路器。多油断路器中的绝缘油除作灭弧介质使用外，还作为触头断开后触头之问的主绝缘以及带电部分与接地外壳之间的主绝缘使用，多油断路器具有用油量多、金属耗材量大、易发生火灾或爆炸、体积较大、加工工艺要求不高、耐用、价格较低等特点。目前在电力系统中除35kV等个别型号的户外式多油断路器仍有使用外，其余多油断路器已停止生产和使用。少油断路器中的绝缘油主要作为灭弧介质使用，而带电部分与地之间的绝缘主要采用瓷瓶或其他有机绝缘材料。这类断路器因用油量少，故称为少油断路器。少油断路器具有耗材少、价格低等优点，但需要定期检修，有引起火灾与爆炸的危险。少油断路器目前虽有使用，但已逐渐被真空断路器和SF6断路器等新型断路器替代。(2)真空断路器真空断路器，是利用“真空”作绝缘介质和灭弧介质的断路器。这里所谓的“真空”可以理解为气体压力远远低于一个大气压的稀薄气体空问，空间内气体分子极为稀少。真空断路器是将其动、静触头安装在“真空”的密封容器(又称真空灭弧室)内而制成的一种断路器。(3)六氟化硫断路器六氟化硫(SF6)断路器是采用具有优质绝缘性能和灭弧性能的SF6气体作为灭弧介质的断路器。SF6断路器具有灭弧性能强、不自燃、体积小等优点。3．高压断路器主要参数(1)额定电压、额定电压是指高压断路器正常工作时所能承受的电压等级，它决定了断路器的绝缘水平。额定电压(UN)是指其线电压。常用的断路器的额定电压等级为3、10、20、3560llokV……为了适应断路器在不同安装地点耐压的需要，国家相关标准中规定了断路器可承受的最高工作电压。上述不同额定电压断路器的最高]一作电压分别为3．6、12、24、40．5、72．5、126kV……(2)额定电流额定电流是在规定的环境温度下，断路器长期允许通过的最大工作电流(有效值)。断路器规定的环境温度为40℃。常用断路器的额定电流等级为200、400、630、1000、1250、1600、2000、3150A……。(3)额定开断电流、额定开断电流是指在额定电压下断路器能够可靠开断的最大短路电流值，它是表明断路器灭弧能力的技术参数。(4)关合电流、在断路器合闸前，如果线路上存在短路故障，则在断路器合闸时将有短路电流通过触头，并会产生巨大的电动力与热量，因此可能会造成触头的机械损伤或熔焊。关合电流是指保证断路器能可靠关合而又不会发生触头熔焊或其他损伤时，断路器所允许接通的最大短路电流。4．断路器型号及含义例如ZN4--10／630型断路器，表示该断路器为室内式真空断路器，设计序号为4，额定电压为lokV，额定电流为630A。二、真空断路器真空断路器虽价格较高，但具有体积小、重量轻、噪音小、无可燃物、维护工作量少等突出的优点，它将逐步成为发电厂、变电所和高压用户变电所3—35kV电压等级中广泛使用的断路器。1．真空灭弧室真空断路器的关键元件是真空灭弧室。真空断路器的动、静触头安装在真空灭弧室内，其结构如图3—2所示。图3—2真空灭弧窒示意图i．静导电杆2．E端盖3．屏蔽罩4．静触头5．动触头6．绝缘外壳7．密封波纹管8．F端盖9．动静头杆真空灭弧室的结构像一个大的真空管，它是一个真空的密闭容器。真空灭弧室的绝缘外壳主要用玻璃或陶瓷材料制作。玻璃材料制成的真空灭弧室的外壳具有容易加工、具有一定的机械强度、易于与金属封接，透明性好等优点。它的缺点是承受冲击的机械强度差。陶瓷真空灭弧室瓷外壳材料多用高氧化铝陶瓷，它的机械强度远大于玻璃，但与金属密封端盖的装配焊接工艺较复杂。波纹管(7)是真空灭弧室的重要部件，它的一端与动触头杆(9)焊接，另一端与下端盖(8)焊接，因此要求它既要保证动触头能做直线运动(10kV真卒断路器动静触头之间的断开距离一般为10。15ram)，同时又不能破坏灭弧室的真空度。真空断跳器在每次跳合闸时，波纹管都会有一次伸缩变形，是易损坏的部件，它的寿命通常决定了断路器的机械寿命。屏蔽罩(3)是包围在触头周围用金属材料制成的圆筒，它的主要作用是吸附电弧燃烧时释放出的金属蒸气，提高弧隙的击穿电压，并防止弧隙的金属喷溅到绝缘外壳内壁上，降低外壳的绝缘强度。真空灭弧室中的触头断开过程中，依靠触头产生的金属蒸气使触头间产生电弧。当电流接近零值时，电弧熄灭。一般情况下，电弧熄灭后，弧隙中残存的带电质点继续向外扩散，在电流过零值后很短时间(约几微秒)内弧隙便没有多少金属蒸气，立刻恢复到原有的“真空”状态，使触头之间的介质击穿电压迅速恢复，达到触头问介质击穿电压大于触头间恢复电压条件，使电弧彻底熄灭。2．ZN28--10系列真空断路器ZN28一l0系列真空断路器一相结构如图3—3所示。图3—3ZN28--10系列断路器示意图图3—3ZN28--10系列断路器示意图1．跳闸弹簧2．框架3．触头弹簧4．绝缘拉杆5．拐臂6．导向板7．导电灾坚固螺栓8．动触头支架9．螺栓l0．真空灭弧室ll．坚固螺栓12．支持绝缘子l3．固定螺栓l4．静触头支架l5．主轴zN28—10系列断路器为分相结构，真空灭弧室(10)用支持绝缘子(12)固定在钢制框架(2上。框架安装在墙壁或开关柜的架构上，支持绝缘子支撑固定真空灭弧室，并起着各相对地绝缘的作用。断路器合闸后，通过断路器电流的流经路径是由与静触头支架(14)上的螺栓连结的引线流入，经静触头杆、静触头、动触头、动触头杆、导电夹坚固螺栓(7)和螺栓(9)流出。断路器主轴(15)的拐臂末端连有绝缘拉杆(4)，绝缘拉杆的另一端连结拐臂(5)，由拐臂驱动断路器的动触头杆运动实现分、