电力开关的职能和分类.doc

1、第 1 章 绪 论 11 电力开关的职能和分类开关设备在动作时是关合或开断电路，不动时是连通或隔离电源，其本质的功能是起“阻抗变换器” 的作用，即将电路中某点的阻抗由 o或o。 “电弧”则是这一迅速变换过程中难以避免但也是不可缺少的开断元件 1。对于高压大电流电路中的有触头机械开关来说，只有电弧才能完成上述变换 2，问题在于如何限制其不利的效应。电力开关是指工作于发电、输电、配电和用电单位的各种大功率开关电器(见图 11)，它们对电力系统的运行起着控制和保护的作用。开关设备通常包括元件与成套组合电器两大部分。元件包括断路器、隔离开关、负荷开头、熔断器、低压自动开关等；成套组合电器包括各种开关柜

2、、充气柜、环网柜、箱式 ，变电站及各类封闭式组合电器。随着现代电力电子技术、传感技术、微电子器件、材料科学及超导技术的不断发展，高低压电力开关设备的概念在不断发展和扩大，将会出现更多新型的成套装置或限流设施，以适应现代化电网的运行需要。本书只讨论各类开关电器或起阻抗变换作用的电流限制与接通设备，现对其功能及作用分述如下。i 断路器 (CircuitBreaker)断路器是电力系统中最重要和性能最全面的一种开关电器。断路器起着控制和保护的双重作用，能在有载、无载(空载变压器和空载输电线 )及各种短路工况下完成规定的合分任务或操作循环。它区别于其他开关设备的最显著特点是必须具备高效的灭弧装置。因为

3、在高压强电流的条件下开断电路并不是件容易的事，开断过程产生的电弧不熄灭，电路就不能被开断，无论高压断路器或低压自动空气断路器(习惯称自动开关 )都必须具备强有力的灭弧能力。i 隔离开关 (Disconnector)隔离开关是一种用来隔离电源或其他带电装置的开关电器。由于高压断路器的触头被封装在灭弧室中，不能直接看到它的触头是分开的还是合拢的，因此，为了使被检设备与带电部分可靠地隔离，也不让通过断路器断口绝缘的泄漏电流(沿灭弧室固体介质表面)对人体造成麻电感觉或伤害，在高压断路器的进出两侧都必须串接一种电压隔离设备，这就是隔离开关。隔离开关打开后，在气体空间形成一个明显可见的绝缘间隙。它区别于其

4、他开关的明显特点就是“明断点、无泄漏”。它的功能决定了它无斋灭弧能力，因而它必须先于断路器合闸、后于断路器分闸。只有当线路电流很小很小，或者说其每相两接线端间在分开状态无明显电压变化时，它才具有分合电路的能力。隔离开关第 1 页必须能承载正常运行时的电流和异常条件下规定时间内的短路电流。在低压配电系统中与高压隔离开关相类似的是低压刀闸开关(见图 l2)。负荷开关(Switch ，Load Breaking Switch)负荷开关是一种有能力分合正常负载电流而无能力分合事故短路电流的开关电第 2 页工成网第 2 章 电流的热效应和力效应21 电流效应对电器性能的影响211 概述凡是载流的导体或设

5、备在常态下都会因自身导电回路的材料性质及结构特征而承受不同程度的电流热效应和力效应。任何导电构件(触头、母线、线圈等) 都因有电阻而产生热损耗，其周围的铁磁体都会在交变磁场的作用下产生涡流和磁滞损耗，支撑导体的绝缘介质在强电场作用下有介质损耗，这些都是造成温度升高的热源。任何通电流的导电体都必然处在其自身或电流回路中别的导体(或相邻导电系统)电流所形成的磁场中，因而它会受到力的作用。铁磁体的热损耗、电流的趋肤效应、导体间的力作用等均为电流的磁效应所产生，故电器中的电动力是载流体相互作用的电磁机械力，是洛仑兹力的宏观表现。电弧是处于等离子态的导电体，开关电器中的电弧伴随开关触头分离或即将合拢时产

6、生，因而也会受到电动力的作用，它同时又是大功率的热源，当关合或开断短路时伴随巨大的短路电流形成。无论是电弧还是其他导体，在正常电流下与在短路电流下所承受的热效应或力效应给电器工作性能造成的影响有极大差别。为保证电器的正常工作，须对电器的发热和电动力做适当的了解，掌握常用的工程算法以便对温升和电动力做定量的分析。212 最大允许沮升的规定电器各零部件及绝缘介质的工作温度对材料物理及化学性质的变化有直接的影响。当温度超过定的范围时，其机械性能和电气性能会急剧下降，使用寿命会降低。不同的材料及工作部位其所允许的温度是不同的，确定允许温度的原则是保证电器在设计的使用期限内能可靠地工作。金属材料的允许温

7、度取决于其机械强度的变化及支撑绝缘的热耐受能力。温度达一定值后，材料软化，机械强度会明显下降。例如，铜在长期工作状态下( 即温度缓慢升高时 )的软化点为 100200(见图 2-1)。金属材料的软化点不仅是温度的函数，还与温升速度有关，当铜的温升过程很快时，其软化点升高到约 300 ，即铜在短路电流作用下，其允许发热温度较正常工作状态时高一些。GBll021 将中气绝缘材料按其耐热性能分为 Y、A 、E、B、F、H、C 7 个等级其长期第 11 页工作下的极限温度由 YC 依次增高，A 级的极限温度为 105，B 级为 130。C 级为 180。不同绝缘材料的极限允许工作温度依据它们不同的物理

8、、机械、化学及电气性能而定。当绝缘材料的温度超过允许工作温度时，材料会急剧老化。材料的绝缘性能也随之下降。如 A 级绝缘材料的温度从 105起，每增加 810，其使用寿命缩短一半。绝缘材料的介质损耗也随温度的上升而增加，其介质强度即随之下降，如图 22 所示，温度大于 80以后，电瓷的击穿场强迅速下降。导体连接处，尤其是开关的各类触头，其允许温度比非接触处要低得多。因为接触面(或接触点)的导电状态比非接触处要恶劣得多，接触处的电阻值是变化的、不稳定的。若触头温度过高，则其接触面会强烈氧化、锈蚀，严重的发热温升或因导电不良而“打火” 都有可能造成熔焊。触头一旦焊接，开关将丧失其功能，后果不堪设想

9、；触头间的接触压力通常靠弹簧施加，其接触压力有限，接触电阻也不稳定，温度过高对弹簧的压力也会有影响。因此，触头处的允许温度规定得更低。高压断路器的各种部件在长期工作时的最大允许温度与环境温度在 40时的允许温升(允许温度与环境温度之差)见表 21。第 12 页工成网第 3 章 电接触与触头31 概述任何导电系统都不可能由均一导体组成，通常把两个或几个导体相互接触而可以使电流通过的状态称做电接触(Electric Contact)。“电接触”又是一个专门的学科，其研究对象是导体接触过渡区所产生的各种物理、化学现象。工程应用中的电接触可分为以下 3 大类。1)固定电接触：用螺丝、铆钉夹紧件将导电元

10、件紧固在一起，无相对运动的连接。如各种电器的出线端与母线的连接；输配电线路中线夹与导线、导线与电缆头的连接；弱电中的插接件等。2)滑动及滚动接触：一种可动但不可分的接触，接触元件间可相互滑动或滚动。如开关电器中的中间触头、电机的电刷与滑环及电车的供电等。3)可分接触：机械式开关电器特有的电接触现象，电路的接通与开断必然伴随导电件的闭合与分离，这是靠开关的触头来完成的，可动的导电件叫动触头，不动的叫静触头，为了加快触头间的电压耐受能力，也有两个触头同时运动，相向拉开的。第 37 页滑动接触和可分接触统称为可动电接触，滑动接触中至少有一个导电件是可动的。三种接触形式如图 31 所示。在电力开关的实

11、际工作中，固定接触的常见问题是接触电阻(包括锈蚀)、接触温升与熔焊；滑动接触除上述问题外还有润滑与磨损；可合分接触包括电弧，电弧放电引起的温升、熔焊与磨损是开关电器的一个关键技术问题。32 接触电阻及其影响因素321 接触电阻将一条铜棒通上电流 I，在其两端可测得压降 uab1，然后用两根同材质、同截面 (端部磨得很光滑)且其长度之和与前者相等的铜棒做无缝对接，测量其接缝两端间同长度的电阻(见图 32)，得电压为 uab2。实验表明，总有 Uab2Uab1，因所通电流 I 是相同的，电阻的增量显然由电接触所引起，这一新增的电阻称之为接触电阻。研究表明，接触电阻由收缩电阻和膜电阻两部分组成。 如

12、图 33(将对接的细金属棒处放大) 所示，任何精细加工的固体表面，其微观结构总是粗糙不平的，即使外加很大的接触压力也只有为数不多的点实际接触。而在这些接触点中，由于金属表面氧化膜、硫化膜、油膜、水膜或尘埃等的存在，只有那些膜被破坏的金属接触或准金属接触的更小面积能真正导电。该面称为实际导电面或“导电斑点”。当电流通过两接触面的导电斑点时，电流线必然收缩，收缩的结果使电流路径增加，因有效导电截面减小而增加的电阻称为收缩电阻(Rs)。准金属接触指接触面的膜层电阻率较高，例如，多数金属氧化膜属半导体性质，氧化铝膜的电阻值已接近不导电。有些极薄的膜(12nm)电子还可借“隧道效应”穿越导电，这相当于增

13、加一电阻，该电阻称为膜电阻(Rm)。这两部分电阻在电路上是串联相加的，即接触电阻可表示为Rj=Rs+Rm接触电阻大，将引起局部过热，导致氧化、腐蚀等的加剧，氧化及腐蚀又增大了接触电阻，这样恶性循环将使接触面完全失去导电性，或因发热严重而熔焊。前者多发生在第 38 页工成网第 4 章 电弧及其与电路的相互作用41 概述 机械式开关设备是用触头来分断电路电流的，只要电路中的电压或电流不是很小(大于十几伏或上百毫安)，在分断时就会在触头间产生电弧，此时电路中的电流继续流通，直到电弧熄灭触头间隙成为绝缘介质后，电路才被分断。发生在开关设备中的电弧称为开关电弧。电弧或弧光放电是气体放电的一种形式。电弧具

14、有强光和很高的热力学温度(可达几千至几万开尔文)，它已被广泛应用于焊接、熔炼和照明等多个技术领域。开关电弧与其他电弧虽然原理和物理过程基本相同，但由于产生条件和实际使用目的的不同而具有各自的特点和规律。本章主要讨论开关电弧的有关问题。所谓开关作用，就是在具有一定电位的导体电路的一部分上进行导体与绝缘体的相互迅速转换。作为具有这种功能的电路元件，除可分触头外，还有由半导体、超导、真空电子流等现象所构成的元件。触头分断电路电流时必然会产生电弧，当电弧被熄灭后电路才算被开断。用触头分断电路是运用最早也是目前运用最广的方法，它在分断过程中产生的电弧确实带来下一些危害。因此，当一种能起开关作用且在开断时

15、不产生电弧的元器件被提出和应用时，往往会发生另一种倾向：把这种新的结构元件不切实际地说成可以最终代替有触头的开关设备。开断电路时不产生电弧的无触点开关设备已经在不少场合被利用，它作为被人类认识和利用的客观事物，当然有它本身的生命力和发展规律。但实践经验表明，无触点开关设备在某些性能上、技术工艺上以及经济性上目前还无法完全取代有触点开关设备，尤其是无法取代电力系统中应用的高压开关设备。在电力系统中用作电路分合的设备，其作为导体时必须通过的电流值水平及与作为绝缘体时必须耐受的电压值水平都特别高，而且要求动作时间特别短，因而存在着技术上的种种难度，使高压断路器在电力设备巾成为需要最高技术水平的领域之

16、一。断路器在分合过程中出现的电弧是等离子体的一种形式，属低温等离子体，而断路器电弧的熄灭基本上就是利用了对电弧等离子体的温度控制来实现的。因此，从开关的作用是导体绝缘体的相互变换这个观点来看，电弧等离子体具有极为重要的作用。对于高电压大电流电路的分断来说，只有产生电弧才能实现对电弧等离子体的温度控制。这种观点作为断路器的理论基础是极为重要的。断路器中的电弧等离子体应具有下列特性：第 55 页1)电导率的变化范围尽可能大，即要在导体至完全绝缘体之间变化；2)电导率的变化速度尽可能快。第 1)项特性在本质上取决于电弧等离子体的材料，因此，引进新的灭弧介质是技术进步的关键。第 2)项特性虽然也在较大

17、程度上取决于等离子体的材料，但更受到对等离子体控制方法的影响，相当于断路器心脏部分的灭弧室的作用就在于对电弧等离子体进行控制，加速其电导率的变化。42 电弧的产生和描述1，2421 弧光放电及其特点取一直流电路，如图 411(a)所示，电路中有一个由两个电极组成的气体间隙。逐渐增大间隙上所加的电压，就会发生放电现象。图 4-1(b)为气体间隙的电流与电压的关系。在间隙两端升高电压的开始阶段，只有很微小的电流流过间隙和电路，这是由于外界电离因素的作用，间隙中存在少量的带电粒子，因此，电流随着电压的升高而有所增，加；电压由 a 点升至 b 点区间内，电流则基本上保持不变。在这个阶段中外界电离因素的

18、作用所产生的带电粒子基本是一定的，因此，电流就是一个恒定值，其电流密度 J 仅 10-19A/cm2 数量级，可认为此时间隙是绝缘的。在 b 点以后，电流随着电压继续升高而较快地增大。这是在外界电离因素和较高电场作用下，气体间隙中的碰撞游离和阴极表面的电子发射使自由电子增加的结果。一直到 c 点以前，电流都有增大的趋势。若在此过程中除去外界电离因素，则即使仍有电场作用，放电也会停止，这种在外界电离因素作用下的放电现象称为非自持性放电。c 点以前的放电都是非自持放电。在 c 点以后间隙中出现了一种新的放电现象，这时电流迅速增加到较大的数值(受回路电阻和电源功率的限制)，气体开始发光并伴随有声响。

19、这时，即使除去外界电离因素的作用，间隙在电场的作用下也可以持续放电，即此时间隙进入自持性放电阶段。自第 56 页工成网第 5 章 不同负荷性质的关合与开断51 单相短路故障的关合与开断511 关合短路在电力系统中开关的关合分为正常负载情况下的关合与短路状态下的关合两种情况。由电路理论可知，开关的关合将在交流电路巾形成过渡过程，图 51 即为断路器试验中关合三相对称短路的一段电压电流的实录波形。图 5l 可见，在短路关合过程中存在电流的非周期分量，现以单相短路为例来讨论非周期分最对短路电流的影响。设关合瞬时电源电压为：第 78 页a5 12 单相短路的开断断路器能否开断短路电流其关键在能否熄弧，

20、能否在电流过零期间使弧隙由导电态转变为绝缘态，即看介质恢复和电压恢复这两个相伴而生而又相互作用的双方谁战胜谁。电力系统中的事故短路是多种多样的，有单相短路、两相短路及三相短路；短路地点或在线路上，或在线路末端，或在电站附近，甚至可能在站内母线处。不同短路工况下断路器承担的开断负荷不一样，但短路回路的共同特征是短路电流比正常时要大得多。电源在短路状态下所提供给线路的能量转换为 1/2L12 和 I2Rt，因 R 远小于 wL，允许的短路时间 t 又极短，因而主要表现为线路电感的储能，故可将短路回路等效为尺、乙串联的集中参数来考虑。在分析时可从最简单的情况入手，即通过对单相出口短路开断的分析来认识

21、断路器的开断过程。出口短路即断路器引出线处的短路( 见图 53)，其第 79 页工成网第 6 章 传统断路器高压油断路器、压缩空气断路器、磁吹断路器和低压自动空气断路器(包括塑壳式)是大家熟知的大功率开断设备，它们在技术上已比较成熟，但总的来看，它们已过(或已到) 自己的鼎盛时期，在结构上、性能上不会再有太大的发展而权且称之为传统断路器。后起的 SF。断路器、真空断路器等新一代装置是在对传统断路器性能提高的研究与追求中衍生的，传统断路器有的至今仍在某个领域或某些地域大量使用，有的也许会与新一代设备长期共存，因此，我们将其放在一起做必要的介绍。61 油断路器611 油中的简单开断与油畋灭弧室 6

22、111 油中的简单开断随着电力系统从小到大的逐步发展，简单的可熔保险和空气开关已不能满足短路开断的要求，1893 年在美国诞生了油断路器的雏形 (见图 6-1a)。将刀型开合装置放进充满绝缘油的木制或铁制油箱中，这称之为油中的简单开断(未附加任何灭弧装置)。在电弧高温的作用下(这里约500013000K)，油很快蒸发和分解，在电弧周围形成气泡，电弧在气泡内燃烧。仅仅这样处理，就有比在空气中大得多的开断能力，能在恢复电压上升速度较慢的电路中开断 15kV、200A 的电流，而在大气中要开断这样的电压电流，电弧长达数米都难以熄灭。而图 61(b)及(c) 表示简单的油自能吹弧灭弧室的拉弧过程，触头

23、脱离封闭腔体瞬刻有强烈的吹弧，这种自能吹弧灭弧室的开断能力又大一些，但不稳定。究其开断能力增强的原因大致有下述几点。第 112 页1)气泡中的主要成分是油的蒸气和由油蒸气分解的其他气体。油蒸气约占整个气泡体积的 40，其他气体占 60。在其他气体中，氢气(H：)占总体积的?o80，乙炔占 15一 20，甲烷(CH4)、乙烯(C2H4)等占 510。在各种气体中，氢气因其粘度小、扩散作用强而具有最佳的导热性能，因而氢气对电弧有良好的导热作用，在熄弧电压不高时，其灭弧能力远大于 SF。气体。有研究表明，在 2 300V 时，SFs的开断能力是空气的 100 倍，只是氢气的 1左右。当开断电压大于

24、5 000V 寸，SF6 的开断能力超过了氢气，这说明电弧的开断是一个很复杂的过程，企图使用一个或几个物理量来描述开断现象，很容易导出错误的结论。由于气泡中弧柱的温度高，气泡外层的温度低，温度和压力差的作用将高温的油气卷向气泡外层冷却，外层温度较低的油气被卷入弧柱中心，强烈的扰动加剧了对弧柱的冷却作用。尤其在交流电弧电流的零点，弧柱被强烈地冷却和消游离，因而容易熄灭。2)突然形成的气泡力图膨胀自身的体积 (电弧在不断加热分解油)，但由于箱壁及气泡上面油层惯性的阻碍使膨胀受到限制，可将气泡的压力维持在 5001 000kPa。高压力使电弧中游离质点的自由行程减小及复合能力增强而导致游离作用减弱。3)触头间距的增加使电弧被拉长，电弧间隙耐受恢复电压的能力也增强。因此，在某一个电弧电流过零点，电弧就被熄灭而不再重燃。电弧熄