6-2高压断路器的原理.

第二节高压断路器和隔离开关的原理与选择主要内容1、掌握高压断路器电弧的形成与熄灭原理；2、掌握断路器开断短路电流时的工作状况。3、掌握高压断路器的选择；4、掌握隔离开关的选择；5、掌握断路器的操作机构种类和特点。高压断路器的原理与选择断路器装有灭弧装置，用于电路中切断电流一、电弧的形成与熄灭电弧放电的特征和危害电弧的形成弧柱中自由电子的主要来源电弧形成的过程电弧的熄灭电弧的去游离形式影响去游离的因素1、电弧放电的特征和危害电弧的概念当开关电器开断电路时，电压和电流达到一定值时，触头刚刚分离后，触头之间就会产生强烈的白光，称为电弧。电弧的实质是一种气体放电现象。电弧放电的特征（1）电弧由三部分组成。包括阴极区、阳极区和弧柱区。（2）电弧温度很高。（3）电弧是一种自持放电现象。（4）电弧是一束游离的的气体。电弧的危害（1）电弧的存在延长了开关电器开断故障电路的时间，加重了电力系统短路故障的危害。（2）电弧产生的高温，将使触头表面熔化和蒸化，烧坏绝缘材料。对充油电气设备还可能引起着火、爆炸等危险。（3）由于电弧在电动力、热力作用下能移动，很容易造成飞弧短路和伤人，或引起事故的扩大。电弧的形成—弧柱中自由电子的主要来源1）热电发射当断路器的动、静触头分离时，触头间的接触压力及接触面积逐渐缩小，接触电阻增大，使接触部位剧烈发热，导致阴极表面温度急剧升高而发射电子，形成热电子发射。2）强电场发射开关电器分闸的瞬间，由于动、静触头的距离很小，触头间的电场强度就非常大，使触头内部的电子在强电场作用下被拉出来，就形成强电场发射。3）碰撞游离从阴极表面发射出的电子在电场力的作用下高速向阳极运动，在运动过程中不断地与中性质点（原子或分子）发生碰撞。当高速运动的电子积聚足够大的动能时，就会从中性质点中打出一个或多个电子，使中性质点游离，这一过程称为碰撞游离。4）热游离弧柱中气体分子在高温作用下产生剧烈热运动，动能很大的中性质点互相碰撞时，将被游离而形成电子和正离子，这种现象称为热游离。弧柱导电就是靠热游离来维持的。电弧的熄灭—电弧的去游离形式电弧的去游离过程包括复合和扩散两种形式。复合：复合是正、负带电质点相互结合变成不带电质点的现象。由于弧柱中电子的运动速度很快，约为正离子的1000倍，所以电子直接与正离子复合的几率很小。一般情况下，先是电子碰撞中性质点时，被中性质点捕获变成负离子，然后再与质量和运动速度相当的正离子互相吸引而接近，交换电荷后成为中性质点。还有一种情况就是电子先被固体介质表面吸附后，再被正离子捕获成为中性质点。电弧的熄灭—电弧的去游离形式扩散扩散是弧柱中的带电质点逸出弧柱以外，进入周围介质的现象。扩散有三种形式：（1）温度扩散，由于电弧和周围介质间存在很大温差，使得电弧中的高温带电质点向温度低的周围介质中扩散，减少了电弧中的带电质点；（2）浓度扩散，这是因为电弧和周围介质存在浓度差，带电质点就从浓度高的地方向浓度低的地方扩散，使电弧中的带电质点减少；（3）利用吹弧扩散，在断路器中采用高速气体吹弧，带走电弧中的大量带电质点，以加强扩散作用。电弧的熄灭—影响去游离的因素电弧温度电弧是由热游离维持的，降低电弧温度就可以减弱热游离，减少新的带电质点的的产生。同时，也减小了带电质点的运动速度，加强了复合作用。通过快速拉长电弧，用气体或油吹动电弧，或使电弧与固体介质表面接触等，都可以降低电弧的温度。介质的特性电弧燃烧时所在介质的特性在很大程度上决定了电弧中去游离的强度，这些特性包括：导热系数、热容量、热游离温度、介电强度等。若这些参数值大，则去游离过程就越强，电弧就越容易熄灭。电弧的熄灭—影响去游离的因素气体介质的压力气体介质的压力对电弧去游离的影响很大。气体的压力越大，电弧中质点的浓度就越大，质点间的距离就越小，复合作用越强，电弧就越容易熄灭。在高度的真空中，由于发生碰撞的几率减小，抑制了碰撞游离，而扩散作用却很强。因此，真空是很好的灭弧介质。触头材料触头材料也影响去游离的过程。当触头采用熔点高、导热能力强和热容量大的耐高温金属时，减少了热电子发射和电弧中的金属蒸汽，有利于电弧熄灭。除了上述因素以外，去游离还受电场电压等因素的影响。交流电弧的特性在交流电路中，电流瞬时值随时间变化，因而电弧的温度、直径以及电弧电压也随时间变化，电弧的这种特性称为动特性。由于弧柱的受热升温或散热降温都有一定过程，跟不上快速变化的电流，所以电弧温度的变化总滞后于电流的变化，这种现象称为电弧的热惯性。经过对下图的分析，可见交流电弧在交流电流自然过零时将自动熄灭，但在下半周随着电压的增高，电弧又重燃。如果电弧过零后，电弧不发生重燃，电弧就此熄灭。交流电弧的熄灭高压开关电器熄灭交流电弧的基本方法1）利用灭弧介质SF6、真空、氢气2）采用特殊金属材料作灭弧触头铜、钨合金或银钨合金。3）利用气体或油吹动电弧冷却绝缘介质降低电弧的温度，消弱热发射和热游离，另一方面，吹弧，可以拉长电弧，增大冷却面，强行迫使弧隙中游离介质的扩散。有纵吹、横吹两种方式。4）采用多断口熄弧5）提高断路器触头的分断速度，迅速拉长电弧。高压断路器熄灭交流电弧的基本方法利用灭弧介质介质的传热能力、介质强度、热游离温度和热容量，这些参数越大，去游离作用越强，电弧越容易熄灭。类型灭弧能力（对比空气）特性空气断路器空气空气断路器氢7.5倍绝缘油在高温下分解出氢气油断路器SF6100倍负电性，吸附电子SF6断路器真空15倍碰撞游离小、浓度差和温度差大真空断路器每个断口的恢复电压减小每个断口在电弧电流过零后都产生近阴极效应，加起来的绝缘强度增大电弧拉长，降低弧隙的电场强度，并有助于冷却和带电离子扩散采用强力操作机构，增大断路器触头的分离速度二、断路器开断短路电流时的工作状况分析弧隙电压的恢复过程如图所示，为电弧电流过零时，电源电压瞬时值，由于过渡过程时间很短，一般不会超过几百微秒，可用直流电源来代替，其数值与短路故障类型有关，R、L、C为电路参数。并假设电源为中性点接地的发电系统，由此可得二阶常系数微分方程：GTGRLQFQFrCKK图(a)图图图图图(b)图图图图,r图QF图图图图图图图U0RLC图(c)图图图图i1i2iUcUr图图图图图图图图图occ2c2UU)1rR(dtdU)rLRC(dtUdLC根据特征方程的根，分三种情况进行讨论：①实根，或非周期性过程，其恢复电压的最大值不会超过，恢复电压的上升速度为②一对共扼虚根或周期性振荡过程，其恢复电压的最大值可达，恢复电压的上升速度；③实数重根，或非周期性过程（临界状态）。由以上分析可知，弧隙电压恢复过程，取决于电路的参数，而触头两端的并联电阻可以改变恢复电压的特性。当并联电阻的数值低于临界电阻时，将把具有周期性振荡特性的恢复电压过程变为非周期性恢复过程，从而大大降低恢复电压的幅值和恢复速度，相应地可以增加断路器的开断能力。cUrU0U00|ULrdtdUtrcuhu02U004|UfdtdUavrcUrU降低恢复电压上升速度和熄弧过电压的措施①断路器断口并联小电阻CLr21②断路器断口并联电容——均压电容在高压断路器中，常采用多个灭弧装置串联的积木式结构，形成多断口断路器，每一个断口在开断过程中承受的电压不一样，影响到整个断路器的灭弧性能。三、高压断路器的选择1、种类和型式选择油断路器（DW、DN）特点：利用变压器油进行灭弧，其灭弧性能与短路电流的大小有关（属于自能式断路器），由于存在火灾和爆炸的危险性，基本淘汰。但油断路器价格低廉，运行维护经验丰富。6-35kV：一般选真空断路器，110~220kV：一般选SF6断路器。压缩空气断路器：已经淘汰。SF6断路器（外能式断路器）：利用惰性气体SF6进行灭弧，灭弧性能好，免检产品可以连续运行十五年不需要检修。目前在35kV及以上系统中广泛采用，一般情况下，选用普通式SF6断路器，在供电可靠性要求高场合，可选用GIS全封闭式组合电器。真空断路器（外能式断路器）：利用真空进行灭弧，灭弧性能好，免检产品可以连续运行十五年不需要检修。目前在35kV以下系统中广泛采用。高压断路器的发展方向：上述断路器均属于机械产品，其开断时间和可控性还不能满足电力系统的要求，现正在利用电力电子器件研制新型的高压断路器，未来20-30年内将会有可控关断的高压断路器取代上述产品，形成全控电力系统。SF6断路器的外观图（1）六氟化硫断路器的外形图（2）断路器的操动机构外形图断路器的操动机构外形图断路器的操动机构外形图断路器的操动机构外形图2、额定电压选择UN≥UNS高压断路器的额定电压反映了相间、相对地及触头间隙的绝缘水平，为保证受端电压水平，输电线路的始端电压高于线路额定电压。因此国标中对高压电器，规定了对应各级额定电压的最高电压。220kV及以下1.15Ue，330kV及以上1.1Ue额定电流选择IN≥Imax3、开断电流选择断路器的额定开断电流INbr是表明断路器灭弧能力的参数，指在额定电压下可能开断的最大电流。INbr应不小于其触头实际开断瞬间(tbr)的短路全电流的有效值IK，即:INbr≥Ik一般中小型发电厂和变电站采用中慢速断路器，开断时间较长（≥0.1s），短路电流非周期分量衰减较多，可不计非周期分量影响，采用起始次暂态电流I”校验。22)''2(abrTtptkeIII中大型发电厂（125MW及以上机组）和枢纽变电站使用快速保护和高速断路器，其开断时间小于0.1s，当在电源附近短路时，短路电流的非周期量可能超过周期分量的20%，需要用短路开断计算时间t‘k对应短路全电流I’k进行校验。INbr≥Ik22)2(abrTtptNbreIII4、短路关合电流的选择断路器合闸前，线路有短路故障，断路器在合闸过程中，动、静触头在未接触时，产生电弧，有短路电流流过，容易使触头熔焊和受到电动力破坏。且断路器在关合短路电流时，接通后又跳闸，此时还要能够切除短路电流。为保证断路器在关合短路时的安全，其额定关合电流iNcl不应小于短路电流最大冲击值ish。iNcl≥ish5、动稳定校验shesii冲击电流为IKIIKiIeeIIishshShshmTTmmshaa201.001.0)1(212)1(21shK冲击系数Ksh值可作以下考虑，在发动机母线短路时，取1.9，在发动机高压母线或电抗器后短路。取1.85，在其他地点短路取1.8冲击系数短路全电流的最大有效值Ish出现在第一周期内，又称冲击电流有效值shesII当冲击系数为1.9时pshII51.1pshII62.1当冲击系数为1.8时6、断路器的操动机构：有手动操动机构（CD）;有电磁操动机构（CD）有液压操动机构（CY）；有弹簧操动机构（CT）7、发电机断路器的特殊要求（1）额定值方面的要求（2）开断性能方面的要求发电机断路器要求承载的额定电流特别高，而且断开的短路电流特别大，都远超出相同电压等级的输变电断路器。发电机断路器应具有开断非对称短路电流的能力，其直流分量衰减时间可达133ms，还应具有关合额定电流的能力，该电流峰值为短路开断电流交流有效值的2.74倍，还应有开断失步电流的能力。（3）固有恢复电压方面的要求因为发电机的瞬态恢复电压是由发电机和升压变压器参数决定的。瞬态恢复电压上升率取决于发电机和变压器的容量等级，等级越高，瞬态恢复电压上升的越快因此，对发电机断路器除了应满足现有的开关制造标准，还制定了发电机断路器的通用技术标准。在选用发电机断路器时：特别对大型机组，应对上述特殊要求给予充分重视，应选用专用的发电机断路器。对小型机组，可采用真空断路器；对中大型机组应采用SF6断路器、压缩空气断路器。四、隔离开关的选择作用：1）隔离电压。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，构成足够大的、明显可见的空气绝缘间隔，以确保检修安全。2）倒闸操作。用隔离开关配合断路器，进行电路的切换操作，改变运行方式。3）分合小电流。隔离开关没有灭弧装置，不能用来接通和切断负荷电流和短路电流，