高压开关设备电气性能介绍

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1、 矿 山大 型 电厂 工 业 制 造业 地 铁 住 宅 小区 市 政 建 设 变 配 电 IEC62271-200:2001； （ IEC:国 际 电 工 委 员 会 ） 四 、 产 品 主 要 技 术 指 标 （ 电 气 特 性 /机械 特 性 ） 适 用 环 境 指 标 ： 海 拔 高 度 2000m 绝 缘 水 平 额 定 电 压 12 kV 40.5 kV*工 频 耐 受 ： 50Hz/1min 42kV （ 人 工 环 境 室 内 ） 95kV（ 人 工 环境 室 内 ）* 雷 电 冲 击 ： 1.2/50s 75kV （ 人 工 环 境 室 内 ） 185kV（ 人 工环 境 室

2、内 ） 分 断 能 力 及 电 寿 命 ,温 升 指 标 ， 内 部 电 弧 能力 T100s,T100a 25 kA,31.5 kA,40 kA 25 kA,31.5 kA 接 地 关 合 试 验 (峰 值 ） 63 kA,80kA,100kA（ E1) 63 kA,80kA（ E1)开 断 电 流 直 流 分 量 百 分数 52 %主 回 路 短 时 耐 受 电 流 (25 kA,31.5kA,40kA)/4s (25 kA,31.5kA)/4s 卓 越 的 电 气 （ 机 械 ） 特 性 满 足 用 户 对 开 关 设 备 的 高 期 望 ； 全 面 完 整 的 试 验 论 证 满 足

3、客 户 的 对 产 品 的 性 能 要 求 ； 符 合 中 国 及 世 界 工 业 化 国 家 的 标 准 要 求 ； 先 进 的 试 验 及 工 装 设 备 为 产 品 的 质 量 提 供 强 有 力 的 保 障 ； 独 有 专 利 技 术 的 应 用 使 产 品 保 持 长 期 的 先 进 性 和 优 越 性 ； 拥 有 强 大 的 技 术 研 发 、 售 后 团 队 为 产 品 应 用 提 供 支 持 ； 按 照 短 路 电 流 严 酷 条 件 下 ， 开 关 设 备 主 回 路 及 接 地 回 路 所 表 现 出 的 “ 电 动力 ” 和 “ 热 效 应 ” 对 各 关 键 部 件 、

4、 元 器 件 的 影 响 进 行 分 析 和 效 验 ， 保 证 产 品在 额 定 短 时 耐 受 电 流 (40kA/4s)和 额 定 峰 值 (100kA)耐 受 电 流 下 的 适 应 能 力 ； 发 生 内 部 电 弧 故 障 时 ,在 极 短 的 时 间 内 和 处 于 密 闭 的 环 境 下 ,电 弧 的 内 部 能 量 没 有 辐射 、 对 流 和 热 传 导 的 交 换 形 式 ,因 而 ,其 巨 大 的 能 量 释 放 过 程 是 以 气 体 爆 炸 方 式 表 现 的,可 导 致 设 计 不 当 的 开 关 设 备 柜 门 、 柜 体 爆 裂 ,破 损 的 零 件 高 速

5、飞 出 柜 体 并 伴 随 火 焰 喷出 ,由 此 破 坏 了 相 邻 的 设 备 ,甚 至 造 成 严 重 人 身 事 故 . 核 心 元 器 件 断 路 器 是 针 对 开 断 短 路 电 流 直 流 分 量 的 严 酷 度 作 了 设 计 与 论 证 ，从 产 品 的 工 艺 和 技 术 角 度 做 了 全 面 改 善 ， 能 从 容 的 开 断 高 达 含 有 52%以 上 的直 流 分 量 与 额 定 短 路 电 流 交 流 分 量 共 同 叠 加 的 短 路 电 流 ； DC 采 用 材 料 隔 离 及 导 体 硫 化 等 复 合 绝 缘 屏 障 技 术 ， 且 在 导 体 材 料

6、 和 工 艺 方 面 特 别处 理 ， 外 绝 缘 性 能 好 ， 可 以 适 用 于 2000米 及 以 下 高 海 拔 环 境 ； 采 用 导 体 硫 化 加 复 合 绝 缘 材 料 屏 障隔 离 的 方 法 ， 解 决 了 产 品 的 绝 缘 问 题 。标 准 大 气 压 下 ， 硫 化 材 料 的 绝 缘 性 能 是空 气 绝 缘 的 5-6倍 ， 但 考 虑 高 海 拔 地 区气 压 和 空 气 密 度 随 海 拔 高 度 的 增 加 而 减小 ， 以 及 空 气 湿 度 和 温 度 昼 夜 变 化 较 大的 特 点 ， 产 品 在 导 体 间 还 设 计 了 ： 复 合 材 料 ，

7、 增 大 了 爬 电 距 离 ； 采 用 大 曲 率 R角 导 体 ， 使 导 体 电 场 分布 均 匀 ； 提 高 了 电 极 的 表 面 光 洁 度 ， 将 电 极上 的 棱 角 、 毛 刺 、 锐 缘 等 出 去 ， 消 除 局 部 场 强 ； 的 。 。 动 稳 定 与 热 稳 定 从 定 义 上 来 看 , 都 是 对 开 头 设 备 进 行 短 路 电 流 校 验 , 实 际 上一 个 是 以 短 路 时 的 稳 态 电 流 来 校 验 的 , 一 个 是 以 短 路 时 流 过 的 冲 击 电 流 来 校 验 的 , 两 者 的 短 路 电 流 指 标 是 有 很 大 差 异 的

8、 。 热 稳 定 电 流 电 流 时 间 在 标 准 中 亦 有 规 定 。 热 稳 定 电 流 （ 即 额 定 短 时 耐 受 电 流 Ik)值 在GBT11022中 有 明 确 的 规 定 ， 也 给 出 相 应 的 计 算公 式 与 示 波 图 形 （ 左 图 ） 、 以 及 选 取 的 标 准 值 ，表 明 “ 应 当 从 GB762中 规 定 的 R10系 列 中 选 取 ，并 应 等 于 开 断 设 备 和 控 制 设 备 额 定 短 路 定 值（ 25、 31.5、 40kA). 动 稳 定 电 流 （ 即 额 定 峰 值 耐 受 电 流 IP)是 以 三 相 短 路 电 流 的

9、 第 一 个 周 波 的 全 电流 值 作 为 效 验 值 ， 通 流 时 间 标 准 要 求 不 得 小 于 300mS. 三 相 动 稳 定 试 验 是 按 冲 击 电 流 来 校 验 的 ， 且三 相 电 流 的 交 流 分 量 尽 可 能 相 等 ， 通 流 时 间 t要求 不 得 小 于 0.3s。 动 稳 定 试 验 电 流 的 大 小 按 照 标准 要 求 为 三 相 周 期 分 量 有 效 值 的 2.55倍 来 计 算 ，那 么 以 VL12-12/T1250-25kA真 空 断 路 器 来 计 算 ，把 其 有 效 开 断 电 流 值 作 为 短 路 电 流 计 算 极 限

10、 值（ 实 际 选 用 开 断 25kA的 真 空 断 路 器 其 短 路 计 算 电流 会 小 于 25kA),那 么 其 三 相 短 路 动 稳 定 电 流 （ 即三 相 短 路 电 流 第 一 周 波 内 的 全 电 流 值 ， 见 图 中If),为 ： If= 2.55*25kA=63.75kA (1) 即 ： 对 于 开 断 短 路 电 流 为 25kA的 真 空 断 路 器 ， 其动 稳 定 试 验 电 流 值 应 为 63kA. 开 关 设 备 中 的 导 体 和 元 器 件 有 电 流 通 过 时 ， 必 然 有 热 效 应 和 力 效 应 同 时 作 用 ， 尤 其 是 在

11、有短 路 电 流 发 生 ， 而 开 关 设 备 处 于 继 保 采 样 、 处 理 、 下 放 动 作 权 限 和 真 空 断 路 器 固 有 分 闸 时 间 的一 个 区 间 段 内 ， 开 关 设 备 必 须 能 稳 定 承 受 短 路 电 流 的 所 带 来 的 热 效 应 和 力 效 应 。 一 般 短 路 电 流持 续 时 间 为 0.05 5秒 左 右 ， 导 体 内 产 生 的 热 量 来 不 及 扩 散 ， 可 视 为 绝 热 过 程 。 母 线 的 短 路 动 稳 定 校 验 要 求 母 线 系 统 在 短 路 持 续 时 间 内 能 够 承 受 因 短 路 电 流 而产

12、生 的 最 大 应 力 的 作 用 。 母 线 短 路 动 稳 定 校 验 的 要 求 包 括 ： 计 算 短 路 电 流 通 过 硬母 线 时 产 生 的 最 大 应 力 ； 根 据 最 大 应 力 (机 械 强 度 )确 定 允 许 的 最 大 跨 距 ； 根据 机 械 共 振 条 件 校 验 硬 母 线 跨 距 。 Iy ： 实 际 环 境 温 度 为 时 的 导 体 允 许 电 流 ，A；I y ： 计 算 环 境 温 度 为 0时 的 导 体 允 许 电 流 ，A； y ： 导 体 长 期 发 热 允 许 温 度 ， ， ： 实 际 环 境 温 度 ， ； 0： 计 算 环 境 温

13、度 ， ； 0 yyyy II 稳 态 短 路 电 流 有 效 值 （ kA） 25 31.5 40冲 击 短 路 电 流 峰 值 （ kA） 63 80 100 主母线 额 定 电 流 （ A） 1250 2500 1250 2000 3150 40001.1*Ie (A) 1375 2750 1375 2200 3465 4400安 全 载 流 导 体 规 格 （ mm） 1080 2*10 100 10 80 2*1080 3*10 100 3*12 120安 全 载 流 量 （ A） 1670 3180 1670 2730 4090 5016环 温 校 准 （ 40度 ） 载 流（ A

14、） 1546 2944 1546 2527 3787 4644热 稳 定 效 验 (导 体 截 面积 ) 262mm 2 330mm2 420mm2短 路 持 续 时 间 （ S） 4 4 4接地母线 稳 态 短 路 电 流 （ 按 87%） （kA） 21.8 27.4 34.8 发 生 内 部 电 弧 故 障 时 ,在 极 短 的 时 间 内 和 处 于 密 闭 的 环 境 下 ,电 弧 的 内 部 能 量 没有 辐 射 、 对 流 和 热 传 导 的 交 换 形 式 ,因 而 ,其 巨 大 的 能 量 释 放 过 程 是 以 气 体 爆 炸 方式 表 现 的 ,可 导 致 设 计 不 当

15、 的 开 关 设 备 柜 门 、 柜 体 爆 裂 ,破 损 的 零 件 高 速 飞 出 柜 体并 伴 随 火 焰 喷 出 ,由 此 破 坏 了 相 邻 的 设 备 ,甚 至 造 成 严 重 人 身 事 故 . 燃 弧 试 验 ； ASL系 列 高 压 交 流 金 属 封 闭 开 关 设 备 的 内 部 电 弧 故 障 水 平 是 ： IAC级 A FLR 31.5kA,0.5s ,其 所 包 含 的 内 容 如 下 ：“ IAC” 级 ： 内 部 电 弧 等 级 的 英 文 缩 写 ；“ A” ： 可 触 及 性 ； A类 -仅 限 于 授 权 的 人 员 ； B类 -不 受 限 制 ， 包

16、括 一 般 公 众 ； C类 -接 触 不 到 设 备 的 可 触 及 性 （ 针 对 柱 上 开 关设 备 ） ；“ F” :开 关 设 备 外 壳 的 不 同 侧 面 ； F - 前 面 ； L - 侧 面 ； R - 后 面 ； “ 31.5kA/0.5s” :内 部 电 弧 电 流 有 效 值 为 31.5kA,时间 为 0.5s; 内 部 故 障 电 弧 能 量 很 大 ， 如 在 一 条 短 时 耐 受 电 流 为 25 kA 和 电 弧 电 压 约 为 600 V 的 10 kV 电 力 系 统 中 ， 电 弧 释 放 的 能 量 为 20.5 MJ。 这 个 能 量 可 使 1

17、5.6 L 的 水在 1 s 内 蒸 发 ， 或 使 42 kg 的 铁 在 1 s 内 熔 化 。【 故 障 电 弧 产 生 阶 段 】 第 一 阶 段 为 压 缩 阶 段 ， 在 最 初 515 ms 的 温 度 上 升 ， 产 生 动 态 压 力 流 。 第 二 阶 段 为 膨 胀 阶 段 ， 即 在 短 暂 的 5 15 ms 内 ， 因 燃 弧 区 和 周 围 空 气 之间 有 压 力 差 ， 开 始 产 生 气 流 。 第 三 阶 段 为 排 放 阶 段 。 由 于 电 弧 能量 继 续 输 入 燃 弧 点 ， 产 生 空 气 流 和 微 粒流 。 第 四 阶 段 为 热 效 应

18、阶 段 ， 最 终 包 围 短 路 电 弧 的 空 气 几 乎 达 到 电 弧 的 温 度 。在 热 效 应 阶 段 ， 有 可 能 烧 穿 开 关 设 备 。 【 故 障 电 弧 的 防 护 】 积 极 防 护 ： 采 用 耐 弧 绝 缘 材 料 ， 设 立隔 室 和 隔 板 ； 有 足 够 的 导 体 间 距 离 、 空气 和 爬 电 距 离 ； 采 取 过 电 压 保 护 ； 防 止误 操 作 ， 设 计 电 气 和 机 械 联 锁 主 动 防 御 ；进 行 人 员 培 训 。 消 极 防 护 ： 空 间 限 制 ， 使 用 耐 压 和 耐热 的 材 料 ， 开 关 设 备 总 体 按

19、耐 压 强 度 和耐 热 性 设 计 ； 限 制 电 弧 能 量 ， 通 过 带 短路 装 置 的 故 障 电 弧 防 护 装 置 限 制 电 弧 持续 时 间 ， 或 通 过 限 流 器 限 制 电 弧 的 能 量 。 【 电 弧 能 量 及 产 生 压 力 的 计 算 】 空 气 中 开 放 性 的 电 弧 能 量W 按 下 式 计 算 ： W = 0tt0 Im sin ( t + )*ua*dt 式 中 : t1 是 燃 弧 持 续 时 间 ,内 部 电 弧 故 障 试 验 均 取 t1 = 0.5-1 s ; Im 是 电 弧 电 流 的 幅 值 ； ua 是 弧 压 降 的 函 数

20、 形 式 ,它 表 示 在 实 际 中 由 于等 离 子 体 的 密 度 受 到 空 气 流 动 、 回 路 电 动 力 作 用 大 小 的 不同 、 弧 长 或 起 弧 部 位 的 差 异 等 随 机 因 素 的 影 响 ,因 此 不 可能 是 一 个 定 值 ,即 在 弧 压 降 计 算 式 ua = El 中 ,电 弧 的 电 位梯 度 E 和 弧 长 l 都 不 是 常 数 。 但 对 于 开 关 柜 而 言 ,由 于 空气 绝 缘 的 限 定 尺 寸 ,容 易 发 生 故 障 电 弧 的 空 间 距 离 大 都 在20 30 cm 之 间 。 考 虑 电 弧 伸 长 现 象 可 能

21、发 生 相 - 地 电 弧时 的 最 大 距 离 为 40 cm ,所 以 ,为 安 全 起 见 ,取 l = 40 cm ,选 取 大 电 流 部 分 的 平 均 值 E = 13 VPcm1 ,于 是 ,ua = 520 V。 又 因 为 开 关 柜 的 各 个 隔 室 是 相 互 密 封 的 ,在 其 压 力释 放 装 置 动 作 前 或 在 其 结 构 破 坏 前 ,弧 柱 所 在 的 隔 室 可 视为 密 闭 容 器 ,因 此 ,可 按 气 态 方 程 计 算 。 已 知 ASL11-12型 开 关 柜 , 断 路 器 室 容 积 V = 9. 15 105 cm3 ,标 准 状 态

22、 下 的 空 气 密 度 = 1. 293 10-3gPcm3 ,热 容 量 c = 0. 237 CalP(g ) ,电 弧 电 流 I为25kA,31. 5 kA和 40 kA ,燃 烧 0.5 s 时 产 生 的 各 种 物 理 效应 的 数 值 如 左 表 所 示 ： 电 弧 燃 烧 产 生 的 数 十 个 大 气 压 将 在 柜内 发 生 爆 炸 冲 波 。 因 为 冲 波 行 进 到 柜 内 不同 的 部 位 需 要 不 同 的 时 延 ,所 以 各 处 受 力 随时 间 的 变 化 规 律 为 p = k ( t +tv) 的 形 式 。一 般 , tv 不 会 很 大 ,例 如

23、 在 真 空 断 路 器 的三 相 上 触 头 处 试 验 , 引 弧 点 到 柜 门 的 距 离是 0. 52 m ,冲 波 需 经 历 tv = 0. 265 ms。开 关 柜 顶 部 设 置 压 力 释 放 装 置 的 目 的 是 当该 处 受 到 的 压 力 达 到 其 临 界 机 械 强 度 时 ,装置 立 即 开 启 排 气 ,使 柜 内 气 压 迅 速 下 降 到 符合 一 定 安 全 的 要 求 。 装 置 的 这 一 动 作 存 在一 响 应 时 间 ts ,它 的 大 小 与 装 置 的 结 构 有关 。 这 样 ,可 以 在 根 据 p = kt 绘 制 的 曲 线上 ,

24、与 释 压 折 板 破 坏 强 度 交 点 对 应 的 时 间 , 再 加 上 ts ,查 得 一 个 压 力 值 ,该 值 用 于 校 验柜 体 的 基 本 强 度 ,并 据 此 校 验 隔 室 钢 板 厚 度 ,设 计 开 关 柜 门 铰 链 以 及 门 栓 的 强 度 。 高 压 交 流 金 属 封 闭 开 关 设 备 委 托 西 高 所 进 行 燃 弧 试 验 ， 分 别 在 样 机 的 母 线 室 、电 缆 室 、 断 路 器 室 进 行 了 引 弧 ， 试 验 结 果 完 全 符 合 5个 判 据 的 要 求 ， 内 部 电 弧 故 障水 平 为 IAC A FLR 31.5kA/

25、0.5s. 经 过 反 复 的 设 计 、 仿 真 与 样 机 试 制 。 在 西 高 所 容 量 试 验 过 程 中 ， 经 过 T10、 T30、 T60、T100s、 T100a、 OP1、 OP2、 CC1、 CC2、 异 相 接 地 等 几 十 项 严 酷 考 核 ， 未 出 现 开 断 和 其 他 异 常情 况 。 程 序 一 、 试 验 回 路 原 理 ：二 、 试 验 描 述 （ Test arrangement） ： 1、 试 验 电 流 （ test current） ： 1.1 4000A， 50Hz。 2、 试 验 在 户 内 进 行 ， 风 速 0.5m/s， 试 品

26、 三 相 试 验 。 3、 温 升 测 量 部 位 见 温 升 测 量 点 示 意 图 。 4、 试 验 连 接 母 线 ： 首 端 ： 宽 120mm 厚 12mm 长 2m铜 排 3根 ； 末 端 短 接 。 5、 试 验 时 ， 2台 风 机 处 于 运 行 状 态 。 1台 安 装 于 电 缆 室 ， 1台 安 装 于 断 路 器 室 底 板 。三 、 试 验 结 论 (Test Results)： 1.1 4000A温 升 试 验 通 过 （ Passed） 。VR（ voltage regular） ： 调 压 器CT（ current transformer） ： 电 流 互 感

27、 器T（ transformer） ： 升 流 器TO（ test object） ： 试 品 高 压 交 流 金 属 封 闭 开 关 设 备 经 过 严 酷 的 型 式 试 验 后 ， 安 标 准 要 求 进 行 检 查 ， 其防 护 等 级 达 到 IP4X/2X。 第 一 个 数 字 代 表 防 止 固 体 进 入0-无 防 护1-防 止 直 径 大 于 50mm固 体 进 入2-防 止 直 径 大 于 12.5mm固 体 进 入3-防 止 直 径 大 于 2.5mm固 体 进 入4-防 止 直 径 大 于 1mm固 体 进 入5-防 尘 (无 有 害 沉 积 )6-完 全 防 尘 第 二 个 数 字 代 表 防 止 水 进 入0-无 防 护1-防 止 垂 直 滴 水2-防 止 垂 直 方 向 15 范 围 内 滴 水3-防 止 垂 直 方 向 60 范 围 内 淋 水4-防 止 各 个 方 向 的 喷 水5-防 止 各 个 方 向 的 强 烈 喷 水6-防 止 浸 水7-防 止 持 续 浸 水