高压断路器和隔离开关

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1、6.2 高压断路器和隔离开关的原理与选择 引 言 仅 用 来 在 正 常 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 等 。 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 。 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 。

2、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 。1. 开 关 电 器 的 类 型 引 言2. 断 路 器 的 作 用n 在 正 常 情 况 下 ， 控 制 各 种 电 力 线 路 和 设 备 的 开断 和 关 合 。n 在 电 力 系 统 发 生 故 障 时 ， 自 动 地 切 除 电 力 系 统的 短 路 电 流 ， 以 保 证 电 力 系 统 的 正 常 运 行 。 一 、 电 弧 的 形 成 与 熄 灭n 用 开 关 电 器 切 断 通 有 电 流 的 电 路 时 ， 只 要 电 源电 压 大 于 1

3、020V， 电 流 大 于 80100mA， 在 开关 电 器 的 动 、 静 触 头 分 离 瞬 间 ， 触 头 间 就 会 出现 电 弧 。n 此 时 ， 触 头 虽 已 分 开 ， 但 电 路 中 的 电 流 还 在 继续 流 通 。 只 有 电 弧 熄 灭 ， 电 路 才 被 真 正 断 开 。 n 电 弧 之 所 以 能 形 成 导 电 通 道 ， 是 因 为 电 弧 柱 中了 出 现 大 量 自 由 电 子 的 缘 故 。 一 、 电 弧 的 形 成 与 熄 灭 1. 电 弧 的 产 生 、 维 持 与 熄 灭 电 弧 的 产 生n 阴 极 发 射 电 子n 热 电 子 发 射n

4、强 电 场 电 子 发 射n 碰 撞 游 离 电 弧 的 维 持n 热 游 离n 去 游 离 电 弧 的 熄 灭n 若 游 离 过 程 大 于 去 游 离 过 程 ， 则 电 弧 继 续 燃 烧 ；n 若 去 游 离 过 程 大 于 游 离 过 程 ， 则 电 弧 逐 渐 熄 灭 。d U dUE (-) 动 触 头(+) 静 触 头 m/V103 6E复 合 去 游 离扩 散 去 游 离 2. 交 流 电 弧 的 熄 灭n 电 弧 温 度 随 时 间 变 化n 电 弧 电 流 数 值 随 时 间 变 动 ， 电 弧 的 功 率 也 随 电 弧 电 流变 动 。 电 弧 功 率 增 大 时 ，

5、 电 弧 的 温 度 增 加 ； 反 过 来 ，当 电 弧 功 率 减 小 时 ， 电 弧 的 温 度 降 低 。n 电 弧 有 热 惯 性 n 电 弧 的 温 度 跟 不 上 电 流 的 变 化 ， 存 在 一 个 滞 后 过 程 。n 交 流 电 弧 每 半 周 自 动 熄 灭 一 次n 随 着 交 流 电 流 的 周 期 性 变 化 ， 电 弧 电 流 也 将 每 隔 半 周过 零 一 次 。 在 电 弧 电 流 自 然 过 零 前 后 ， 电 源 向 弧 隙 输送 的 能 量 较 少 ， 电 弧 温 度 和 热 游 离 下 降 ， 而 去 游 离 作用 继 续 进 行 ， 电 弧 将

6、自 然 熄 灭 。(0) 交 流 电 弧 的 特 性 2. 交 流 电 弧 的 熄 灭n 在 交 流 电 流 过 零 时 ， 电 弧 将 自 动 熄 灭 ， 但 不等 于 最 终 熄 灭 。n 在 交 流 电 弧 自 动 熄 灭 后 ， 弧 隙 中 存 在 着 两 个恢 复 过 程 ： n 弧 隙 介 质 强 度 恢 复 过 程n 弧 隙 电 压 恢 复 过 程(1) 交 流 电 弧 的 熄 灭 条 件 2. 交 流 电 弧 的 熄 灭1) 弧 隙 介 质 强 度 恢 复 过 程可 见 ， 真 空 断 路 器 和 SF 6 断路 器 灭 弧 性 能 较 好 。n 含 义 ： 弧 隙 中 介 质

7、 强 度恢 复 到 绝 缘 的 正 常 状 态的 过 程 。 以 能 耐 受 的 电压 ud(t)表 示 。n 影 响 因 素 ： 主 要 是 断 路器 灭 弧 装 置 的 结 构 和 灭弧 介 质 的 性 质 。 ud0 t油空 气 SF 6真 空 (1) 交 流 电 弧 的 熄 灭 条 件 2. 交 流 电 弧 的 熄 灭n 近 阴 极 效 应1) 弧 隙 介 质 强 度 恢 复 过 程 ud0 t油空 气 SF 6真 空 (1) 交 流 电 弧 的 熄 灭 条 件(+) (-)+ - + - +- + - + -+ - + - +- + - + -(-) (+)+ + - - + + -

8、 - -+ + - - + + - - - 2. 交 流 电 弧 的 熄 灭2) 弧 隙 电 压 恢 复 过 程n 含 义 ： 弧 隙 电 压 由 熄 弧电 压 逐 渐 恢 复 到 电 源 电压 的 过 程 。 以 ur(t)表 示 。n 影 响 因 素 ： 线 路 参 数 、负 荷 性 质 等 。 ur0 tusrutru trusr 瞬 态 恢 复 电 压工 频 恢 复 电 压对 不 同 的 线 路 参 数 ， 弧 隙电 压 恢 复 过 程 可 能 是 周 期性 的 变 化 过 程 或 非 周 期 性的 变 化 过 程 。(1) 交 流 电 弧 的 熄 灭 条 件 2. 交 流 电 弧 的

9、 熄 灭n 综 上 所 述 ， 在 电 弧 自 然 熄 灭 后 ， 弧 隙 中 同 时 存在 着 两 个 恢 复 过 程 ， 即 弧 隙 电 压 恢 复 过 程 ur(t)和 介 质 强 度 恢 复 过 程 ud(t) 。 ur0 tusrutr可 见 ， 断 路 器 开 断 交 流 电 路时 ， 熄 灭 电 弧 的 条 件 应 为 )(r)(d tt uu n 如 果 弧 隙 电 压 高 于 介 质 强度 耐 受 电 压 ， 则 弧 隙 就 被击 穿 ， 电 弧 重 燃 。n 如 果 弧 隙 电 压 低 于 介 质 强度 耐 受 电 压 ， 则 电 弧 不 再重 燃 ， 即 最 终 熄 灭

10、。(1) 交 流 电 弧 的 熄 灭 条 件 2. 交 流 电 弧 的 熄 灭1) 利 用 灭 弧 介 质n 不 同 灭 弧 介 质 具 有 不 同 的 传 热 能 力 、 介 电 能 力 、 热游 离 温 度 和 热 容 量 。 这 些 参 数 的 数 值 越 大 ， 则 去 游离 作 用 越 强 ， 电 弧 就 越 容 易 熄 灭 。2) 采 用 特 殊 金 属 材 料 作 灭 弧 触 头n 采 用 熔 点 高 、 导 热 系 数 和 热 容 量 大 的 耐 高 温 金 属 作触 头 材 料 。 采 用 铜 、 钨 合 金 和 银 、 钨 合 金 等 。3) 利 用 气 体 或 油 吹 动

11、 电 弧n 吹 弧 利 于 冷 却 而 使 复 合 加 强 、 带 电 离 子 的 扩 散 。4) 采 用 多 断 口 熄 弧n 电 弧 被 拉 长 ， 触 头 分 离 速 度 加 快 ， 断 口 电 压 降 低 。5) 拉 长 电 弧 并 增 大 断 路 器 触 头 的 分 离 速 度(2) 高 压 断 路 器 熄 灭 交 流 电 弧 的 基 本 方 法 2. 交 流 电 弧 的 熄 灭 二 、 开 断 短 路 电 流 时 的 工 作 状 况 分 析1. 弧 隙 电 压 恢 复 过 程 分 析G T QF kk R L rQFG CU 0 Cu rui 1i 2i Cr uu C0 dd u

12、tiLiRU 21 iii 微 分 方 程 ： 0CC2C2 1dddd UurRturLRCtuLC 微 分 方 程 的 通 解 ： tt ececrRrUu 21 210C rCLR 1212,1 LCrCLR 1141 2 rutuC CCdd 线 性 常 系 数 微 分 方 程 二 、 开 断 短 路 电 流 时 的 工 作 状 况 分 析1. 弧 隙 电 压 恢 复 过 程 分 析 G T QF kk R L rQFG CU 0 Cu rui 1i 2i为 实 根 。、时 ，） 当 212 11411 LCrCLR 弧 隙 电 压 恢 复 过 程 是 非 周 期 性 的 。恢 复 电

13、 压 最 大 值 不 会 超 过 U0。 微 分 方 程 的 通 解 ： tt ececrRrUu 21 210C rCLR 1212,1 LCrCLR 1141 2 为 虚 根 。、时 ，） 当 212 11412 LCrCLR 弧 隙 电 压 恢 复 过 程 是 周 期 性 振 荡 过 程 。恢 复 电 压 最 大 值 可 达 2U0。 为 实 数 重 根 。、时 ，） 当 212 11413 LCrCLR 弧 隙 电 压 恢 复 过 程 仍 是 非 周 期 性 的 。恢 复 电 压 最 大 值 不 会 超 过 U0。 二 、 开 断 短 路 电 流 时 的 工 作 状 况 分 析1. 弧

14、 隙 电 压 恢 复 过 程 分 析 G T QF kk R L rQFG CU 0 Cu rui 1i 2i为 实 根 。、时 ，） 当 212 11411 LCrCLR 弧 隙 电 压 恢 复 过 程 是 非 周 期 性 的 。恢 复 电 压 最 大 值 不 会 超 过 U0。 为 虚 根 。、时 ，） 当 212 11412 LCrCLR 弧 隙 电 压 恢 复 过 程 是 周 期 性 振 荡 过 程 。恢 复 电 压 最 大 值 可 达 2U0。 为 实 数 重 根 。、时 ，） 当 212 11413 LCrCLR 弧 隙 电 压 恢 复 过 程 仍 是 非 周 期 性 的 。恢 复

15、 电 压 最 大 值 不 会 超 过 U 0。 临 界 并 联 电 阻 为CLr 21cr n 当 r rcr时 ， 电 压 恢复 过 程 为 周 期 性 。 二 、 开 断 短 路 电 流 时 的 工 作 状 况 分 析2. 不 同 短 路 形 式 对 断 路 器 开 断 能 力 的 影 响 开 断 单 相 短 路 电 路当 电 流 过 零 时 ， 工 频 恢 复 电 压 的 瞬 时 值 U0 = Umsin。通 常 短 路 时 ， 角 接 近 90， 所 以 U0 = Umsin = Um。 二 、 开 断 短 路 电 流 时 的 工 作 状 况 分 析2. 不 同 短 路 形 式 对 断

16、 路 器 开 断 能 力 的 影 响 开 断 中 性 点 不 直 接 接 地 系 统 中 的 三 相 短 路 电 路aQFAbXLAAU X LBBU BIXLO CCU CI kAIABUBCU QFBQFCabU O n 首 先 开 断 相 ：n 电 弧 电 流 先 过 零 ， 电弧 先 熄 灭 。ab OOU U BCAB 21UU AU BUCU ABU BCUBC21UO abU OOU A5.1 Un 在 A相 熄 弧 后 ， 经 过 0.005s( 90)， B、C两 相 电 流 同 时 过 零 ， 电 弧 同 时 熄 灭 。n 每 个 断 口 电 压 为 0.5UBC=0.86

17、6UB(UC)。 二 、 开 断 短 路 电 流 时 的 工 作 状 况 分 析2. 不 同 短 路 形 式 对 断 路 器 开 断 能 力 的 影 响 开 断 中 性 点 不 直 接 接 地 系 统 中 的 三 相 短 路 电 路aQFAbXLAAU X LBBU BIXLO CCU CI kAIABUBCU QFBQFCabU O n 首 先 开 断 相 ：n 电 弧 电 流 先 过 零 ， 电弧 先 熄 灭 。n 在 A相 熄 弧 后 ， 经 过 0.005s( 90)， B、C两 相 电 流 同 时 过 零 ， 电 弧 同 时 熄 灭 。n 每 个 断 口 电 压 为 0.5UBC=0

18、.866UB(UC)。 OAab UU BCAB 21UU A5.1 Un 结 论 ：n 首 先 开 断 相 的 恢 复 电 压 最大 ， 为 1.5倍 的 相 电 压 ；n 后 续 开 断 相 的 燃 弧 时 间 比首 先 开 断 相 延 长 0.005s 。 二 、 开 断 短 路 电 流 时 的 工 作 状 况 分 析2. 不 同 短 路 形 式 对 断 路 器 开 断 能 力 的 影 响 开 断 中 性 点 直 接 接 地 系 统 中 的 三 相 接 地 短 路 电 路n 三 相 接 地 短 路 ：n 当 零 序 阻 抗 与 正 序 阻 抗 之 比 不 大 于 3时 ，n 首 先 开

19、断 相 恢 复 电 压 的 工 频 分 量 为 相 电 压 的 1.3倍 ； n 第 二 开 断 相 恢 复 电 压 的 工 频 分 量 为 相 电 压 的 1.25倍 ；n 最 后 开 断 相 恢 复 电 压 的 工 频 分 量 为 相 电 压 。n 三 相 直 接 短 路 ：n 各 相 工 频 恢 复 电 压 与 中 性 点 不 直 接 接 地 系 统 中 的 三 相短 路 分 析 结 果 相 同 ， 即 首 先 开 断 相 恢 复 电 压 的 工 频 分量 为 相 电 压 的 1.5倍 。 二 、 开 断 短 路 电 流 时 的 工 作 状 况 分 析2. 不 同 短 路 形 式 对 断

20、 路 器 开 断 能 力 的 影 响 开 断 两 相 短 路 电 路n 中 性 点 直 接 接 地 系 统 ：n 工 频 恢 复 电 压 可 达 相 电 压 的 1.3倍 。n 其 余 情 况 ： n 工 频 恢 复 电 压 为 相 电 压 的 0.866倍 。 二 、 开 断 短 路 电 流 时 的 工 作 状 况 分 析2. 不 同 短 路 形 式 对 断 路 器 开 断 能 力 的 影 响小 结 ：n 影 响 工 频 恢 复 电 压 的 因 素 ：n 中 性 点 接 地 方 式n 短 路 故 障 类 型 n 三 相 开 断 顺 序n 首 先 开 断 相 的 工 频 恢 复 电 压 最 大

21、 值 ：sm11m 32UKU sm1816.0 UKn K1首 先 开 断 相 开 断 系 数 ；n Usm电 网 最 高 运 行 电 压 。 二 、 开 断 短 路 电 流 时 的 工 作 状 况 分 析3. 降 低 恢 复 电 压 上 升 速 度 和 熄 弧 过 电 压 的 措 施 断 路 器 加 装 并 联 电 阻n 作 用 ： 改 变 恢 复 电 压 的 恢 复 特 性 ； 使 电 弧 电 流 被 分 流 。 n 问 题 ：n 电 弧 熄 灭 后 还 有 短 路 电 流 流 通 。n 措 施 ：n 增 加 辅 助 触 头 。 1Q 2Q1Q 主 触 头2Q 辅 助 触 头r 1Q2Q

22、 r n 问 题 ： 多 断 口 断 路 器 ，断 口 电 压 分 配 不 均 匀 ，影 响 断 路 器 的 灭 弧 能 力 。 UU 1U 2UQC QC0CC C0Q 0Q1 2 CC CCUU 0Q Q2 2 CCCUU 0Q 0Q1 )(2 )( CCC CCCUU 0Q Q2 )(2 )( CCC CCUU )(2 )( QQ CC CCU )(2 )( QQ CC CCU U21 U21U32 U31 二 、 开 断 短 路 电 流 时 的 工 作 状 况 分 析3. 降 低 恢 复 电 压 上 升 速 度 和 熄 弧 过 电 压 的 措 施 断 路 器 加 装 并 联 电 容 n

23、 并 联 电 容 后 ： 1 种 类n 按 灭 弧 介 质 和 灭 弧 方 式 分n 油 断 路 器 ： 包 括 多 油 断 路 器 和 少 油 断 路 器n (压 缩 )空 气 断 路 器n SF6断 路 器n 真 空 断 路 器n 按 安 装 地 点 分 n 户 内 式n 户 外 式(一 ) 高 压 断 路 器 型 号 和 技 术 参 数三 、 高 压 断 路 器 的 选 择 220kV少 油 断 路 器 500kVSF6断 路 器 220kVSF6断 路 器 n 由 字 母 和 数 字 两 部 分 组 成 的 ：2 型 号1 2 3 4 5 6 额 定 电 流 ， A派 生 代 号 ：

24、C手 车 式 ； G改 进 式 等 。额 定 电 压 ， kV设 计 序 号使 用 环 境 ： N户 内 式 ； W户 外 式 。产 品 名 称 ： D多 油 断 路 器 ； S少 油 断 路 器 ； K空 气 断 路 器 ； L SF 6 断 路 器 ； Z真 空 断 路 器 ； Q产 气 断 路 器 ； C磁 吹 断 路 器 等 。例 如 ： ZW32-12/630-20型 额 定 开 断 能 力 ， kA或 MVA特 殊 环 境 代 号7 8(一 ) 高 压 断 路 器 型 号 和 技 术 参 数三 、 高 压 断 路 器 的 选 择 额 定 电 压 UN(kV)。 断 路 器 正 常

25、工 作 时 的 额 定 (线 )电压 。 额 定 电 流 IN(A)。 断 路 器 可 以 长 期 通 过 的 最 大 电 流 。当 额 定 电 流 长 期 通 过 高 压 断 路 器 时 ， 其 发 热 温 度 不应 超 过 国 家 标 准 中 规 定 的 数 值 。 额 定 开 断 电 流 INbr(kA)。 在 规 定 条 件 下 能 保 证 正 常 开断 的 电 流 。 3 技 术 参 数(一 ) 高 压 断 路 器 型 号 和 技 术 参 数三 、 高 压 断 路 器 的 选 择 额 定 峰 值 耐 受 电 流 ies(kA)。 在 规 定 条 件 下 ， 断 路 器在 合 闸 位

26、置 时 所 能 经 受 电 流 的 峰 值 。 它 反 映 设 备 经受 短 路 电 流 引 起 的 电 动 效 应 能 力 。3 技 术 参 数 额 定 短 时 耐 受 电 流 It(kA)。 在 规 定 条 件 和 时 间 下 断 路器 在 合 闸 位 置 时 所 能 经 受 电 流 的 峰 值 。 它 反 映 设 备经 受 短 路 电 流 引 起 的 热 效 应 能 力 。 额 定 短 时 关 合 电 流 iNcl(kA)。 在 规 定 条 件 下 断 路 器 保证 正 常 关 合 的 最 大 预 期 峰 值 电 流 。 (一 ) 高 压 断 路 器 型 号 和 技 术 参 数三 、 高

27、 压 断 路 器 的 选 择 开 断 时 间 (ms)。 从 断 路 器 分 闸 线 圈 通 电 起 至三 相 电 弧 完 全 熄 灭 为 止 的 时 间 。 开 断 时 间 由分 闸 时 间 和 电 弧 燃 烧 时 间 或 燃 弧 时 间 组 成 。3 技 术 参 数 合 闸 时 间 (ms)。 从 断 路 器 开 始 接 到 合 闸 命 令时 起 到 三 相 均 合 闸 为 止 的 时 间 。 分 (合 )闸 不 同 期 时 间 (ms)。 指 断 路 器 各 相 间或 同 相 各 断 口 间 分 (合 )时 间 的 最 大 差 异 。 (一 ) 高 压 断 路 器 型 号 和 技 术 参

28、 数三 、 高 压 断 路 器 的 选 择 金 属 短 接 时 间 (ms)。 指 断 路 器 在 合 分 操 作时 从 动 、 静 触 头 刚 接 触 到 刚 分 离 时 的 一 段时 间 。3 技 术 参 数(一 ) 高 压 断 路 器 型 号 和 技 术 参 数三 、 高 压 断 路 器 的 选 择 1. 断 路 器 种 类 和 型 式 的 选 择n 依 据 各 类 断 路 器 的 特 点 及 使 用 环 境 、 条 件 决 定 。2. 额 定 电 压 和 电 流 的 选 择n UNUNs， INImax3. 开 断 电 流 的 选 择n INbrIpt (简 化 计 算 中 ， INb

29、rI)4. 短 路 关 合 电 流 的 选 择n iNclish(二 ) 高 压 断 路 器 的 选 择三 、 高 压 断 路 器 的 选 择 5. 短 路 热 稳 定 和 动 稳 定 校 验n 热 稳 定 校 验 ： It2t Qkn 动 稳 定 校 验 ： ies ish(二 ) 高 压 断 路 器 的 选 择三 、 高 压 断 路 器 的 选 择 隔 离 电 压n 在 检 修 电 气 设 备 时 ， 用 隔 离 开 关 将 被 检 修 的 设 备与 电 源 电 压 隔 离 ， 以 确 保 检 修 的 安 全 。 倒 闸 操 作n 投 入 备 用 母 线 或 旁 路 母 线 以 及 改 变

30、 运 行 方 式 时 ，常 用 隔 离 开 关 配 合 断 路 器 ， 协 同 操 作 来 完 成 。 分 、 合 小 电 流n 分 、 合 避 雷 器 、 电 压 互 感 器 和 空 载 母 线 ； n 分 、 合 励 磁 电 流 不 超 过 2A的 空 载 变 压 器 ；n 关 合 电 容 电 流 不 超 过 5A的 空 载 线 路 。1 隔 离 开 关 的 作 用四 、 隔 离 开 关 的 选 择 n 按 装 置 地 点 分 户 内 式 户 外 式n 按 每 相 绝 缘 支 柱 的 数 目 分 单 柱 式 双 柱 式 三 柱 式2 隔 离 开 关 的 类 型四 、 隔 离 开 关 的 选 择 GW4系 列 GW5系 列 GW6-500D GW7-220 GW12系 列 型 式 的 选 择 额 定 电 压 的 选 择 额 定 电 流 的 选 择 短 路 热 稳 定 校 验 短 路 动 稳 定 校 验3 隔 离 开 关 的 选 择 和 校 验 项 目四 、 隔 离 开 关 的 选 择