第三章高压电器

1电工进网作业课程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、变电所和配电所中，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短路—电力系统正常运行时，各相之间、与地之间是绝缘的。相与相或相与地之间通过金属导体、电弧或其他较小阻抗的一种非正常连接而形成的非常状态，称为短路。1、短路的危害短路、特别是三相短路，因回路阻抗很小，短路电流很大，会对系统产生严重影响。短路的基本类型—三相短路、两相短路、两相接地短路、单相接地短路。两相短路、两相接地短路、特别是三相短路、由于短路阻抗很小，所以短路回路电流（短路电流）很大，可能达到几万至几十万千安培。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，或损坏设备或电网。单相接地短路，10KV系统一般是不接地的，35KV系统是经消弧线圈接地的，当发生单相接地时,接地相对地电压大于等于零小于相电压，非故障相对地电压大于相电压小于线电压（故障相不完全接地与完全接地），最大可升高√3倍的相电压。发生单相接地时，网络线电压的大小和相位差仍维持不变，从而接在线电压上的受电器的工作，并不因为某一相接地而破坏。同时，这种系统中相对地的绝缘水平是根据线电压设计的，虽然未故障相对地电压升高√3倍，对设备的绝缘并不危险，一般允许继续运行不超过2小时。2、短路电流的危害电力系统发生三相短路时，1）短路电流通过电器设备时，将引起导体严重发热，造成导体温度升高甚至熔化，损坏绝缘；2）短路电流通过电器设备时，在相间产生很大的电动力作用于导体上，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，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，引起发电机端电压的降低，影响电力系统的正常供电。二、高压电器的电弧1、开关电器中电弧的产生与熄灭电弧的形成当用断路器切断有电流的线路时，如果触头间的电压大于10～20伏，电流大于80～100毫安，在切断电路的瞬间，触头间会产生强烈的白光，这种白光就叫电弧。此时触头虽已分开，但由于触头间存在电弧，电路则仍处于通路状态。待触头分开到足够长的距离，电弧熄灭后，电路才算真正断开。电弧是高压断路器断开过程中不可避免的现2象。电弧是一种气体游离放电现象，电弧放电主要特征：1）电弧的能量集中、温度很高、亮度强。10KV少油断路器断开20KA的电流时，电弧功率高达1万KW以上。这样大的能量几乎全部变成热能，造成电弧及附近区域介质的极强烈的物理和化学变化。2）图3-2电弧由三个部分组成，即阴极区、阳极区和弧柱区，在电弧的阴极和阳极上，温度常超过金属气化点。在电弧孳生点，温度最高、常有明亮的极斑，称为阴极斑或阳极斑。弧柱就是阴极、阳极之间明亮的光柱，弧柱的温度高达6千～1万度以上，弧柱的直径很小，一般只有几毫米到几厘米。在弧柱周围温度较低、亮度明显减弱的部分称为弧焰。电流几乎都从弧柱内流过。电弧内的温度Th及电流密度δ分布如图3-3。Th：电弧温度、δ：电流密度、dh：弧柱直径、d1：弧焰直径3）电弧的气体放电是自持放电，维持电弧稳定燃烧的电压很低。在大气中1厘米长直流电弧的弧柱电压只有15～30V，在变压器油中也不过100～200V。4）图3-4、空气断路器中电弧被拉长；图3-5、油断路器中电弧被拉长。电弧是一束游离的气体，质量极轻，容易变形。在气体和液体的流动作用下，或在电动力的作用下，电弧能迅速移动、伸长或弯曲。电弧孳生点也能迅速移动或跳动，如图，当电流很大时，这种现象就更为显著。如果电弧长久不熄就会烧坏触头和触头附近的绝缘，并延长了断路时间甚至使断路器内的压力不断增加，引起油断路器的爆炸。弧柱中自由电子的来源电弧的电极发射出大量的自由电子，一般地说，阴极区发射的电子，对电弧的形成起决定性作用。阴极表面发射电子有两种方式：热电子发射和强电场发射电子。图3-6、阴极表面与弧柱区电子运动阴极表面发射出的电子和弧隙中原有的少数电子，在电场的作用下，高速向着阳极运动，在运动的过程中，不断地与其他中性质子（如气体的原子、分子）发生碰撞，产生碰撞游离，在弧隙内，因气体游离产生大量的自由电子。气体游离有两种方式：电场游离和热游离。图3-7、电子在电场中运动图3-8、电子与氢原子碰撞产生的游离2、加速电弧熄灭方法1）、气体吹动电弧利用气体吹动电弧的方法可分为纵吹和横吹两种。这是利用压缩空气注入弧道，使电弧受到强烈的冷却和拉长，而将电弧熄灭。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，从而提高电弧触头间的介质击穿强度，加速电弧熄灭。（采用多断口灭弧，每相断口数目增多，将一个电弧分割成多个串联电弧，每个断口上的电弧电压降低，电弧易于熄灭，因而提高灭弧性能；）3）、使电弧与固体介质接触当电弧与固体介质紧密接触时，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，使触头间的带电质点（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目的。例：低压熔断器RTO、RL1等，高压熔断器RN1、RN2、RXW-35等，其中的介质一般是石英介质。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、是重要电器元件之一，无论系统处在正常或故障状态，均能可靠接通或断开电路。32、高压断路器的类型1）、油断路器绝缘油作为绝缘和灭弧介质2）、真空断路器真空作为绝缘和灭弧介质3）、SF6断路器SF6气体作为绝缘和灭弧介质3、高压断路器主要参数1）、额定电压2）、额定电流3）、额定开断电流4）、关合电流4、断路器型号及含义二、真空断路器真空断路器,是利用真空作为绝缘介质和灭弧介质的断路器。这里指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间，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。无油、无SF6、免维护、不污染环境，户外环氧树脂或硅橡胶固体绝缘，具有抗老化、防紫外线、憎水性强、耐高低温等特点。不需要补充及过滤绝缘介质。1、真空灭弧室真空灭弧室的开断原理在真空灭弧室内，电弧随着载流触头的分离而产生，阴极触头的整个表面形成多个独立的斑点，阴极斑点产生的金属蒸气维持着真空电弧。真空电弧维持到电流过零点结束，电弧并受到磁场的影响。（随着开断电流的不同，真空灭弧室的电弧有发散或收缩两种类型）。发散型电弧的特征是电弧扩散覆盖到触头表面并平均分配热应力，在真空灭弧室的额定电流范围内，电弧总是发散的触头的烧蚀（SHI）可以忽略不计，因此额定开断电流次数可以非常高。随着开断电流的升高（超过了额定值），根据霍尔效应，发散型电弧有向收缩型电弧转变的趋势。电弧从阳极开始收缩，随着电流的进一步增加，电弧的轮廓将收缩得更加锐利明显。在燃起电弧的区域中触头温度将会升高，同时带来巨大的热应力。为了防止触头过热及过度烧蚀，电弧被磁场驱动保持旋转。旋转的电弧可以看成是一段通过电流的运动导体。螺旋触头的特殊形状可在弧柱运动范围内产生一个横向的磁场，其在触头边缘的区域磁场强度最大。电磁场由电弧本身产生，切线方向的电流分量产生的磁场导致电弧围绕触头轴线快速旋转。和固定不动的收缩型电弧相比，被驱动旋转电弧掠（LUE）过了更大范围的触头表面，不光减少了触头上的热应力、而且大幅度减小了触头的烧蚀，还使极高短路电流的开断变得可能。电弧在电流第一次自然过零时就熄灭，残留的离子、电子和金属蒸气只需在几分之一毫秒的时间内就可复合或凝聚在触头表面屏蔽罩上，因此灭弧室断口的电介质强度恢复极快。（ABB）真空灭弧室属于电流零点过开断的灭弧室，无重击穿。2、真空断路器1）ZN28-10系列真空断路器2）ZW32-12型户外高压真空断路器3）ZW8-12(G)户外高压真空断路器4）主要电气技术参数5）真空断路器控制保护电气二次原理图6）电子消涌器以往的产品由于过流跳闸线圈在运行中长期带电，线圈内部绝缘易老化，脱扣线圈长期抖动，更为重要的是由于线路中存在励磁涌流、对开关造成误分闸现象，给可靠性带来4很大影响，为了消除励磁涌流，在断路器中装设了电子消涌器，实际意义上为躲涌，（其芯片、无触点、超宽温度范围）。功能及应用A、短路速断功能：在控制器上有2X、3X、4X、5X的拨码位置，是指速断倍率进行调整，如2X即为2×5A=10A，当2X拨码置于ON时，二次电流任一超过10A时，则过流线圈不再延时，视线路为短路故障，开关瞬时跳闸。B、过流延时保护功能：电流没有达到速断值而二次电流超过5A，则开关经过预先整定的时限跳闸。如将拨码拨至400就等于过载电流延时400毫秒后断路器跳闸。C、防涌闭锁功能：当线路产生涌流尖峰波时，此装置能自动识别出，并于整定时限内予以闭锁跳闸，使开关不致分闸，尤其是合闸瞬间，线路不可避免产生一定涌流，这样开关就避免了“刚分即合”现象。在7置于ON表示闭锁时间为200毫秒在8置于ON表示闭锁时间为400毫秒在7、8都置于ON表示闭锁时间为600毫秒注：速断、延时的拨码某一位置于ON时，其余应在OFF位置，延时6个拨码必须有一位置于ON。（电流调整是通过一个微调电阻来实现±10%二次电流校正，一般不必变动）三、SF6断路器1、SF6气体性质1）无色、无味、无毒、不可燃、易液化、对电气设备不腐蚀的气体；2）绝缘性和灭弧能力强（是空气的100倍）；3）在电弧高温作用下会分解为低氟化物，但在电弧过零值后，又很快还原；（20年）4）化学性质虽稳定，但与水分或其他杂质成分混合后，在电弧作用下会分解为低氟化合物和低氟氧化物，会腐蚀部件，威胁运行和检修人员的安全；5）应设气体检漏设备和气体回收装置。2、SF6断路器结构结构上分为支柱式和罐式罐式-适用于多地震、污染严重地区的变电所；支柱式-在6KV及以上的高压电路中广泛使用。1）支柱式SF6断路器2）对断路器SF6气体要求：a、投运前测含水量和漏气率，灭弧室150ppm、其他250ppm；年漏气量1%；b、新或大修后每三月测一次，稳定后每年一次。四、断路器操动机构1、作用用来控制断路器跳、合闸和维持合闸装态的设备。2、要求1）有足够的操作功；2）较高的可靠性；3）动作迅速；4）具有自由脱扣装置。3、分类1）电磁操动机构；2）弹簧储能操动机构；3）液压操动机构。4、操动机构型号及含义五、断路器运行维护51、断路器投入运行1）新安装或大修后的断路器，投入运行前必须验收合格才能施加运行电压；2）新安装的断路器验收项目按《电气装置安装工程及施工验收规范》及有关规定要求执行。2、断路器正常运行巡视检查1）当值值班员负责巡视检查，无人值班则定期巡视检查；2）巡视检查的周期：无人值班的变电所根据具体情况确定，通常每月不少于2次；3）对运行断路器及操动机构的一般要求a、基本参数、铭牌正确；技术参数满足运行工况要求；b、分合闸指示器易观察、指示正确；c、有明显的接地标志，接地螺栓不应小于M12，并接触良好；d、主回路连接处有监视运行温度的措施;e、应有运行编号和名称；f、外露的带电部分有明显的相位漆标识。3、油断路器巡视检查案例1：油断路器介损超标......4、SF6断路器巡视检查注意：每日定时记录SF6气体压力和温度5、真空断路器巡视检查案例2：真空断路器真空度下降......6、弹簧机构巡视检查7、断路器特殊巡视1）新设备投入运行后，缩短巡视周期，运行72小时后转入正常巡视检查；2）夜间巡视应闭灯进行；3）气温和高温季节应加强巡视检查；4）雷雨季节雷电活动后进行巡视检查；5）有重要活动或负荷高峰期间应加强巡视检查；8、断路器正常维护工作9、断路器的操作1）经检修恢复运行时，应检查安全措施（如接地线等）是否全部拆除，防误闭锁装置正常；2）长期停运的断路器应通