电气工程各类开关电器工作原理 PPT培训讲义（68页）

开关电器是断开或接通电路的电气设备总称。按功能划分以下几类：

（1）仅用于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）仅用于断开过负荷电流或短路电流的开关电器，如高、低压熔断器。这种电器，在电路开断后，必须更换部件才能再次使用。

（3）用于断开或闭合正常工作电流、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。直流断路器。

（4）不要求断开或闭合电流，但具备一定的切、合电容电流和环流的能力，只用于检修时隔离电压的开关电器；如隔离开关。

高压断路器概论
1．六氟化硫(SF6)断路器
采用SF6气体作为灭弧介质的断路器称为SF6断路器。这种断路器具有开断能力强、体积小等特点，但结构较复杂，金属消耗量大，价格较贵。SF6断路器除作为一般开断电器单独使用外，还常与以SF6作绝缘的其他电器组成封闭式组合电器(GIS)，可以大量节省占地面积。SF6断路器常用于110kV电压级及以上的电力系统中。
2．油断路器
采用油作为灭弧介质的断路器称为油断路器。油断路器中的油除了作为灭弧介质外，还作为触头开断后弧隙的绝缘介质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，则称为少油断路器。

3．空气断路器
采用压缩空气作为灭弧介质的断路器称为空气断路器。空气断路器具有灭弧能力强、动作迅速等特点，但其结构较复杂，有色金属消耗量较大。
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。

3～1OkV断路器主要有少油、真空、SF6型断路器。空气断路器用得较少。对较小容量的电动机和变压器可用真空接触器和限流熔断器配合电器FC，其特点和使用范围如下：
(1)少油型断路器，我国以前200MW机组以下大多数采用，其结构简单、参数较齐、价格便宜，但动作速度慢(0.2s及以上)，有火灾、爆炸危险，不宜频繁操作，且检修周期短，故主厂房内的厂用系统要求无油化后更少使用。

(2)真空断路器：它完全自成一体，不需向其中充气，不会引火或喷气，动作速度快(合闸和跳闸时间约0.06—0.1s)，不需维护，不可燃，操作时噪声小，有很高的开断能力，开断近区故障时，不需加电容器或电阻。
但在断路器合闸和切断电动机时会产生过电压，要采用氧化锌避雷器、压敏电阻或阻容吸收器等保护过电压，目前125MW以上机组电厂多采用真空断路器或真空断路器与FC组合电器共用。

(3)SF6断路器：它使用低气压和低流速，可使断路器开断时电流截断趋势减至最小，并能在开断容性电流时不产生重燃。SF6气体为闭路系统，基本不受环境影响，但存在气体噪声问题，其内部气体的泄漏量极小，没有火灾和爆炸危险。断路器的维护周期长。由于对SF6气体认识不足，品种还较少，故应用范围小于真空断路器。
(4)熔断器加接触器(FC)回路：由高压限流熔断器、接触器、集成化的多功能保护电器及操作过电压保护装置组成的具有各种功能的回路，它一般与真空断路器或SF6断路器联合使用于125MW及以上机组的厂用系统中。一般对1200kW以下电动机和1600kVA及以下变压器回路或频繁操作回路采用。

(1)FC主要优点如下：
1)分断能力强，动作速度快，可用于短路电流≤40kA的厂用系统。当预期短路电流大于其百倍额定电流时，具有很高的限流特性，动作时间小于0．01s。
2)合闸速度快，可实现快速切换，由于FC与真空断路器或SF6断路器联合，合闸速度为70ms左右。
3)由于FC的限流特性和动作焦耳积分特性，使电缆截面可减少，
4)无燃烧和爆炸危险。
5)检修周期长，可频繁操作。

高压断路器的基本参数
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。电力系统在运行中允许土5％UN的电压波动，断路器必须适应在允许电压变化范围内长期工作。断路器还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高15％左右；对330kV以上者，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9—1。

额定电压的大小影响断路器的外形尺寸和绝缘水平，额定电压越高要求绝缘强度越高、外形尺寸越大、相间距离亦越大。选择断路器时，额定电压是首先应满足的条件之一。
额定电流JN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的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。

（1）额定开断电流INbr
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短路开断电流IbrN。它是标志断路器开断能力的一个重要参数。
我国规定额定短路开断电流的周期分量有效值为：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。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，

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。
根据国际电工委员会(1EC)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。而断流容量这一名词已经不再使用了。

3．关合能力(making capacity)
当电力系统未带电时已经存在短路故障，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”，这种操作，专业术语称为“带故障合闸”。
当断路器“带故障合闸”时，在动、静触头接触前(可能尚距几毫米)就会发生击穿，这种现象称为“预击穿”，随之出现短路电流，
这给断路器关合提出了特殊要求，它会影响动触头合闸速度及触头的接触压力，当操动机构合闸功率不足时，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。

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)额定热稳定电流和额定热稳定电流的持续时间：断路器在合闸位置，在规定的时间内可能经受的额定短路开断电流即为“额定热稳定电流”，用It表示，故It＝IbrN。
其规定的时间即为“额定热稳定时间”。额定热稳定时间在《断路器技术条件》中规定：330kV及以下为4s；500kV及以上为3s。
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)额定动稳定电流：
在规定的使用条件下，断路器在合闸位置时所能经受的最大电流峰值称为额定动稳定电流iam。
它与额定关合电流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则是断路器在关合过程中所产生的短路电流。
额定动稳定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，额定动稳定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，它决定于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。

投稿会员：芳华