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1、高壓開關(guān)電器基本 參數(shù) 高國強(qiáng) 高壓開關(guān)電器基本 參數(shù) 控制：使電力線路 、 設(shè)備投入或退出運(yùn)行 保護(hù)：切除故障線路或設(shè)備；建立可靠的絕緣斷口；停 運(yùn)的電力線路或設(shè)備可靠接地 高壓開關(guān)電器基本功能： 高壓開關(guān)電器的性能特點(diǎn)： 通常要求高壓電器具有以下性能特點(diǎn)：可靠性高。 高壓電器是電力系統(tǒng)中的控制和保護(hù)裝臵，若可靠性不 高，在線路發(fā)生故障時(shí)不能正?？刂疲瑒t影響范圍會(huì)迅 速擴(kuò)大，造成大面積停電。能承受很大的瞬時(shí)功率。 電力系統(tǒng)中的故障電流往往幾倍、幾十倍于額定電流， 持續(xù)時(shí)間達(dá)幾秒鐘，要求高壓電器能承受、斷開和關(guān)合 這類故障電流。動(dòng)作時(shí)間快。開斷故障電流的時(shí)間快 慢，影響電力系統(tǒng)傳輸功率的大小

2、和運(yùn)行穩(wěn)定性。 電力系統(tǒng)對(duì)高壓開關(guān)電器的基本要求 （ 1） 絕緣：對(duì)地 、 斷口間 、 相間長期承受電力系統(tǒng)最高工作 電壓；短時(shí)承受工頻 、 雷電沖擊電壓及操作過電壓 。 （ 2） 切合電流：承載及切合負(fù)荷電流；短時(shí)承載及切合短路 故障電流；切合電容電流；切合小電感電流 （ 3） 自然環(huán)境 （ 溫度 、 海拔 、 濕度 、 地震 、 污穢 、 風(fēng)力 、 覆 冰 ） （ 4）其他方面（機(jī)械壽命、電壽命、密封性能、對(duì)周圍環(huán)境 的影響） 高壓開關(guān)電器的基本構(gòu)成 由 導(dǎo)電回路 、 可分觸頭 、 滅弧裝臵 、 絕緣部件 、 底座 、 傳 動(dòng)機(jī)構(gòu) 、 操動(dòng)機(jī)構(gòu) 等組成 。 導(dǎo)電回路用來承載電流；可分觸頭

3、是使電路接通或分?jǐn)嗟膱?zhí)行元件；滅弧裝臵則是用來迅速 、 可 靠地熄滅電弧 ,使電路最終斷開 。 與其他開關(guān)相比 ， 斷路器的 滅弧裝臵的熄弧能力最強(qiáng) ， 結(jié)構(gòu)也比較復(fù)雜 。 觸頭的分合運(yùn)動(dòng) 是靠操動(dòng)機(jī)構(gòu)作功并經(jīng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳遞力來帶動(dòng)的 。 其操作方式 可分為手動(dòng) 、 電動(dòng) 、 氣動(dòng)和液壓等 。 有些斷路器 （ 如油斷路器 、 六氟化硫斷路器等 ） 的操動(dòng)機(jī)構(gòu)并不包括在斷路器的本體內(nèi) ， 而是作為一種獨(dú)立的產(chǎn)品提供斷路器選配使用 。 高壓開關(guān)電器的基本工作原理 開關(guān)觸頭機(jī)械分離 燃弧 工頻電流過零、熄弧、開斷 所謂開關(guān)作用，就是在具有一定電位的導(dǎo)體電路的一部 分上進(jìn)行導(dǎo)體與絕緣體的相互迅速變換。

4、從原理上講， 作為具有這種功能的電路元件，除可分觸頭外、還有由 半導(dǎo)體、超導(dǎo)、真中電子流等物理現(xiàn)象所構(gòu)成的元件。 從開關(guān)電器發(fā)展的初期，不希望在開斷電路時(shí)觸頭間隙產(chǎn)生 電弧，認(rèn)為電弧的產(chǎn)生，一方面使電路仍舊保持導(dǎo)通狀態(tài)， 延遲了電路的開斷；另一方面，將燒損觸頭以及可能破壞絕 緣，在最嚴(yán)重的情況下，甚至能引起開關(guān)電路的爆炸和火災(zāi)。 因此，研究電弧，不在于如何利用電弧的特性而在于采取 怎樣的措施使電弧不產(chǎn)生，或者產(chǎn)生后使電弧存在時(shí)間盡量 縮短。簡言之，研究電弧的目的是為了盡快地熄滅電弧。 從導(dǎo)體到絕緣體的相互變換這個(gè)開關(guān)作用的根本觀點(diǎn)來看， 電弧具有極為重要的特性，對(duì)于高電壓大電流電路的分合來 說

5、，只有產(chǎn)生電弧才能完成這個(gè)作用，這樣一種觀點(diǎn)作為開 關(guān)電器的理論基礎(chǔ)是極為重要的。 開關(guān)電弧是等離子體的一種形式，屬低溫等離子體。高 壓開關(guān)電器中電弧的熄滅就是要積極地利用電弧等離子體的 溫度控制來實(shí)現(xiàn)，對(duì)于高電壓大電流電路來說、只有產(chǎn)生電 弧、才能實(shí)現(xiàn)對(duì)電弧等離子體的溫度控制。對(duì)于高壓開關(guān)電 器而言，希望它反有如下特件； （ 1）電導(dǎo)率的變化范圍盡可能大，即要在導(dǎo)體與完全絕 緣體之間變化； （ 2）電導(dǎo)率的變化速度盡可能快。 前一項(xiàng)特性在本質(zhì)上決定于等離子體的材料，因此，引進(jìn)新 的滅弧介質(zhì)是取得技術(shù)進(jìn)步的關(guān)鍵。后一項(xiàng)特性雖然也在較 大程度上決定于等離子體的材料，但更易于受到等離子體控 制方法

6、的影響，作為開關(guān)電器核心部分的滅弧室的作用正在 于對(duì)電弧等離子體的控制，加速其電導(dǎo)率的變化。 有觸點(diǎn)開關(guān)元件 無觸點(diǎn)開關(guān)元件 （ 1） 阻抗轉(zhuǎn)換比 （ 斷開時(shí)與導(dǎo)通時(shí) 的阻抗比 ） 1010 1014 104 107 （ 2） 耐電壓程度 單斷口可達(dá) 550kV 每個(gè)元件只達(dá) 15kV （ 3） 承受過載能 力 強(qiáng) 弱 （ 4） 元件本身的 功率損耗 小 大 開關(guān)元件的性能比較 高壓開關(guān)電器的基本技術(shù)參數(shù) 電力系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)和負(fù)載性質(zhì)是多種多樣 的，作為控制、保護(hù)元件的高壓開關(guān)電器，要保 證電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行，對(duì)它的要求也是多方面 的。另外，高壓開關(guān)電器所處場所的自然環(huán)境變 化也會(huì)對(duì)其工作性能

7、產(chǎn)生影響。因此在電器設(shè)計(jì) 時(shí)，應(yīng)該全面考慮這些要求。 1 一般電氣性能方面 高壓開關(guān)電器長期在電網(wǎng)中使用時(shí)，就應(yīng)與其它電力設(shè)備 一樣，能夠耐受各種電壓、電流的作用而不致?lián)p壞。 根據(jù) IEC和國家標(biāo)準(zhǔn)，首先應(yīng)分清電工術(shù)語的兩個(gè)名詞： o 標(biāo)稱值（ nominal value）：用以標(biāo)識(shí)一個(gè)元件、器件 或設(shè)備的合適的近似量值。 o 額定值（ rated value）：一般由制造廠對(duì)一個(gè)元件、 器件或設(shè)備在規(guī)定工作條件下所規(guī)定的一個(gè)量值。 （ 1）電壓方面 標(biāo)稱電壓：系統(tǒng)被指定的電壓。 系統(tǒng)最高電壓：運(yùn)行中所出現(xiàn)的電壓最高值，不包括異常 和暫態(tài)、瞬態(tài)的電壓。 電氣設(shè)備的額定電壓：根據(jù)規(guī)定的工作條件，

8、由制造廠確 定的電壓。 設(shè)備最高電壓：考慮到設(shè)備絕緣性能所確定的最高運(yùn)行電 壓，其數(shù)值等于所在系統(tǒng)的系統(tǒng)最高電壓。 有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，電氣設(shè)備額定電壓的數(shù)值應(yīng)按設(shè)備最高 電壓確定。 高壓電器在規(guī)定的正常使用和性能條件下，能夠連續(xù)運(yùn) 行的最高電壓稱為斷路器的額定電壓。 標(biāo)稱電壓 3 6 10 20 35 66 1 10 220 330 500 750 額定電壓 3.6 7.2 12 24 40.5 72.5 126 252 363 550 800 額定電壓的大小確定了電氣設(shè)備的絕緣結(jié)構(gòu)和外形尺寸。 額定電壓越高，電氣設(shè)備的外形尺寸越大，極間距離也越 大。 高壓電器工作時(shí)還應(yīng)耐受高于額定電壓的各種過電

9、壓作用， 而不會(huì)導(dǎo)致絕緣的損壞。標(biāo)志這方面性能的參數(shù)有 1min工 頻耐受電壓、雷電沖擊耐受電壓和操作沖擊耐受電壓。 （ 2）電流方面 高壓電器長期通過工作電流時(shí)，各部分的溫度不得超過允 許值，以保證電器的工作可靠。關(guān)于電器各種情況下的允 許溫度在有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中都有規(guī)定。電器在關(guān)合位臵通過短路 電流時(shí)，不應(yīng)因電動(dòng)力受到損壞，各部分溫度也不應(yīng)超過 短時(shí)工作的允許值，觸頭不應(yīng)發(fā)生熔焊和損壞。 標(biāo)志這方面功能的參數(shù)有：額定電流、額定峰值耐受電流、 額定短時(shí)耐受電流和額定短路持續(xù)時(shí)間。 額定電流：在規(guī)定使用和性能條件下能持續(xù)通過的電流有 效值。 額定電流值應(yīng)從優(yōu)先數(shù)系的 R10中選取。所謂 R10系列即是

10、按 比值為 101/10遞增或遞減的級(jí)數(shù)。 R10數(shù)系包括： 1、 1.25、 1.6、 2、 2.5、 3.15、 4、 5、 6.3、 8各數(shù)及其與 10的倍數(shù)之 乘積。 額定電流的大小確定了電器導(dǎo)電部分和觸頭的尺寸、結(jié)構(gòu)以 及散熱結(jié)構(gòu)。這是因?yàn)樵试S的發(fā)熱溫度有規(guī)定，當(dāng)額定電流 增大時(shí)，就要求導(dǎo)電部分的截面增大，以減小損耗和增大散 熱面積。 額定短時(shí)耐受（熱穩(wěn)定）電流：在規(guī)定的使用和性能條件下， 在額定短路持續(xù)時(shí)間內(nèi)，電器在關(guān)合位臵時(shí)能承載的電流有 效值。 額定短時(shí)耐受電流的標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)從 R10系列中選取，且應(yīng)與電 器的任何其它短路額定值不矛盾。 額定短路持續(xù)時(shí)間：斷路器在合閘位臵時(shí)能承載額

11、定短時(shí)耐 受電流的時(shí)間間隔。 額定峰值耐受（動(dòng)穩(wěn)定）電流：在規(guī)定的使用和性能條件下， 機(jī)械開關(guān)在合閘位臵時(shí)能承載的額定短時(shí)耐受電流第一個(gè)大 半波的電流峰值。 額定峰值耐受電流標(biāo)準(zhǔn)值等于 2.5倍額定短時(shí)耐受電流。按 照電力系統(tǒng)特性和開關(guān)設(shè)備的操作特點(diǎn)，可能要求高于 2.5 倍額定短時(shí)耐受電流的值，例如，當(dāng)系統(tǒng)直流分量的衰減時(shí) 間常數(shù)大于 45ms，或發(fā)電機(jī)、開關(guān)等，其倍數(shù)由產(chǎn)品技術(shù)條 件作出規(guī)定 。 2 開斷、關(guān)合電路方面 (1)開斷短路故障 開關(guān)電器開斷有電流的電路時(shí)，觸頭分離后觸頭間會(huì)出 現(xiàn)電弧，只有使電弧熄滅，電路的開斷任務(wù)才能完成。在電力 系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí)短路電流比正常負(fù)荷電流大得多

12、，這時(shí) 電路最難開斷。因此，可靠地開斷短路故障是高壓開關(guān)電器主 要的也是最困難的任務(wù)。 額定短路開斷電流是標(biāo)志高壓開關(guān)電器開斷短路故障能力 的參數(shù)。它是在規(guī)定的使用和性能條件下，開關(guān)電器能開斷的 最大短路電流。 額定短路開斷電流由兩個(gè)值來表征 o 交流分量有效值 額定短路開斷電流的交流分量有效值應(yīng)從下列數(shù)值中選?。?6.3， 8， 10， 12.5， 16， 20， 25， 31.5， 40， 50， 63， 80， 100kA。 o 直流分量百分?jǐn)?shù) 如果直流分量不超過 20%，額定短路開斷電流僅由交流分 量有效值來表征 （ 2）快速開斷 電力系統(tǒng)發(fā)生短路故障后，要求繼電保護(hù)系統(tǒng)盡快動(dòng)作， 開

13、關(guān)電器開斷得越快越好。這樣可以縮短電力系統(tǒng)故障存 在的時(shí)間，減輕短路電流對(duì)電力設(shè)備造成的危害，更重要 的是在超高壓電力系統(tǒng)中，縮短開關(guān)電器開斷短路故障 的時(shí)間可以增加電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，從而保證輸電線路的 輸送容量。 開斷時(shí)間是標(biāo)志開關(guān)電器開斷過程快慢的參數(shù)。 開斷時(shí)間是指開關(guān)電器接到分閘指令起到所有極中電弧都 熄滅的時(shí)間間隔。開斷時(shí)間由分閘時(shí)間和燃弧時(shí)間兩部分 組成。 分閘時(shí)間指開關(guān)電器接到分閘指令起到所有極的弧觸頭分離瞬 間的時(shí)間間隔。 燃弧時(shí)間是指開關(guān)電器從首先分離極滅弧觸頭開始分離到所有 極電弧最終熄滅的時(shí)間間隔。 對(duì)于高壓開關(guān)電器分閘時(shí)間和燃弧時(shí)間都必須盡量縮短。 （ 3）關(guān)合短路故障

14、 電力系統(tǒng)中的電力設(shè)備或輸電線路在未投入運(yùn)行前就已 存在絕緣故障，甚至處于短路狀態(tài)，這種故障稱為 “ 預(yù)伏故 障 ” 。當(dāng)開關(guān)電器關(guān)合有預(yù)伏故障的電路時(shí)，在關(guān)合過程中， 常在動(dòng)、靜觸頭尚未接觸前，在電源電壓作用下，觸頭間隙 擊穿（通常稱為預(yù)擊穿），隨即出現(xiàn)短路電流。在關(guān)合過程 中出現(xiàn)短路電流，會(huì)對(duì)開關(guān)電器的關(guān)合造成很大的阻力，這 是由于短路電流產(chǎn)生的電動(dòng)力造成的。有的情況下，甚至出 現(xiàn)動(dòng)觸頭合不到底的情況。此時(shí)在觸頭間形成持續(xù)電弧，造 成開關(guān)電器的嚴(yán)重?fù)p壞甚至爆炸。為了避免出現(xiàn)上述情況， 開關(guān)電器應(yīng)具有足夠的關(guān)合短路故障的能力。標(biāo)志這一能力 的參數(shù)是開關(guān)電器的額定短路關(guān)合電流。 額定短路關(guān)合電

15、流是指開關(guān)電器在額定電壓以及規(guī)定的使用 和性能條件下，能保證正常關(guān)合的最大短路峰值電流。 關(guān)合時(shí)間是指開關(guān)電器接到合閘指令起到任一極中首先通過 電流（因預(yù)擊穿引起）時(shí)為止的時(shí)間，它是合閘時(shí)間與預(yù)擊 穿時(shí)間之差。 合閘時(shí)間指開關(guān)器接到合閘指令起到所有極觸頭均接觸為止 的時(shí)間 預(yù)擊穿時(shí)間是指關(guān)合時(shí)從任意一極中首先出現(xiàn)電流到所有 極中觸頭均接觸的時(shí)間。 （ 4）開合各種空載、負(fù)載電路 高壓開關(guān)電器在電力線路中工作時(shí)除開合一般負(fù)荷外， 有時(shí)需要關(guān)合、開斷空載架空線路和電纜線路，空載變壓器、 并聯(lián)電抗器、電容器組、高壓電動(dòng)機(jī)等電路。開合這些電路 的主要問題是可能產(chǎn)生過電壓。這時(shí)，對(duì)開關(guān)電器的要求是 在開

16、合過程中，不應(yīng)產(chǎn)生危及絕緣的過電壓，即過電壓必須 限制在規(guī)定的范圍內(nèi)。標(biāo)志這方面開合能力的主要參數(shù)是額 定電壓和各種開合電流，如額定線路充電開斷電流、額定電 纜充電開斷電流、額定電容器組開斷電流、額定電容器組關(guān) 合涌流和額定小感性開斷電流等。 額定線路充電開斷電流，是在額定電壓和規(guī)定的使用和性 能條件下，應(yīng)能開斷的最大線路充電電流，開斷時(shí)不得重?fù)舸?且過電壓不得大于規(guī)定的數(shù)值。額定線路充電開斷電流的規(guī)定， 局限于指定使用在開合三相架空線，且額定電壓等于或大于 40.5kV的開關(guān)電器。 額定電纜充電開斷電流，是在額定電壓和規(guī)定的使用和性 能條件下，應(yīng)能開斷的最大電纜充電電流，開斷時(shí)不得重?fù)舸?/p>

17、 且過電壓不得大規(guī)定的數(shù)值。 額定單個(gè)電容器組開斷電流，是在額定電壓和規(guī)定的使用 和性能條件下，應(yīng)能開斷的最大電容電流，開斷時(shí)不得出現(xiàn)重 擊穿，且操作過電壓不得大于規(guī)定的數(shù)值。此開斷電流系指開 合一組并聯(lián)電容器的電流，開關(guān)電器的電源側(cè)并沒有連接多個(gè) 并聯(lián)電容器。單個(gè)電容器組開斷電流的額定值應(yīng)從 R10數(shù)系中選 取。 額定背對(duì)背電容器組開斷電流，是在額定電壓和規(guī)定的 使用和性能條件下，應(yīng)能開斷的最大電容電流，開斷時(shí)不得 出現(xiàn)重?fù)舸谶\(yùn)行中操作過電壓未超過規(guī)定的最大允許值。 此開斷電流系指開合一組并聯(lián)電容器的電流，開關(guān)電器電源 側(cè)連接有一組或幾組并聯(lián)電容器，其關(guān)合涌流等于額定電容 器組關(guān)合涌流。

18、背對(duì)背電容器組開斷電流的額定值應(yīng)從 R10數(shù) 系中選取。 額定電容器組關(guān)合涌流，是在額定電壓及相應(yīng)使用條件 的涌流頻率下，應(yīng)能關(guān)合的電流峰值。電容器組關(guān)合涌流的 額定值應(yīng)從 R10數(shù)系中選取。在運(yùn)行中，涌流的頻率通常在 2kHz 5kHz范圍內(nèi)。 3 自然環(huán)境方面 （ 1）周圍空氣溫度 溫度過低，會(huì)使高壓電器內(nèi)部的變壓器油、潤滑油、液壓油 的粘度增加，影響電器的分合閘速度。溫度過低還可能使密 封材料的性能劣化，造成電器漏氣、漏油。反之，溫度過高 可能造成導(dǎo)電部分過熱等。 國家標(biāo)準(zhǔn) 交流高壓電器在長期工作時(shí)的發(fā)熱 中規(guī)定，當(dāng) 電器設(shè)備使用在周圍空氣溫度高于 40 （但不高于 60 ）時(shí)， 允許降

19、低負(fù)荷長期工作。推薦周圍空氣溫度每增高 IK，額定 電流減小 1.8；反之，周圍空氣溫度低于 40 時(shí)，每降低 1K， 額定電流增加 0.5。但其最大過負(fù)荷不得超過額定電流的 20 。溫度過高，空氣的絕緣強(qiáng)度也會(huì)降低 。 （ 2）海拔 海拔會(huì)對(duì)高壓電器的外絕緣產(chǎn)生影響。海拔高的地區(qū)，大氣 壓力低，空氣稀薄，空氣的絕緣強(qiáng)度也低。因此，有關(guān)標(biāo)準(zhǔn) 規(guī)定、對(duì)用于海拔高于 1000m但不超過 4000m處的高壓電器， 海拔每升高 100m，其外絕緣的絕緣強(qiáng)度大約降低 1。 高海拔地區(qū)空氣稀薄、散熱差，電器各部分的溫升隨之升高。 因此，在向海拔地區(qū)工作的斷路器在 1000m處進(jìn)行溫升試驗(yàn) 時(shí)，溫升的允許值

20、必須降低。標(biāo)服規(guī)定，電器在海拔高于 1000m但不超過 4000m處且周圍空氣溫度為 40 工作時(shí)，每超 過 100m（以海拔 1000m為起點(diǎn)），允許溫升降低 0.3%。 （ 3）濕度 我國長江以南地區(qū)濕度很大，全年很長時(shí)間的濕度在 90以 上，甚至表面出現(xiàn)凝露。這樣大的濕度，容易引起電器的金 屬件銹蝕絕緣件受潮、油漆層脫落，甚至影響機(jī)構(gòu)的可靠 動(dòng)作和出現(xiàn)絕緣件表面的閃絡(luò)事故。我國標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，高壓 電器應(yīng)能在日平均相對(duì)濕度不大于 95，月平均相對(duì)濕度不 大于 90的環(huán)境下工作。 （ 4）地震 在多地震地區(qū)選用高壓和超高壓斷路器時(shí)，應(yīng)選用抗地震性 能好、結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定的接地箱殼（落地罐式）斷路器

21、及六氟 化硫氣體絕緣全封閉開關(guān)設(shè)備 (GIS)。 （ 5）污穢 沿海地區(qū)和重工業(yè)集中地區(qū)，尤其是火電廠、煉油廠、水泥 廠、化工廠和沿海的油田等地區(qū)，空氣中污穢嚴(yán)重，經(jīng)常發(fā) 生電器外絕緣的污閃事故。特別是秋末冬初和冬末春初之際， 以及天氣久晴之后，絕緣件上積穢較多，碰到毛毛雨天氣就 更為嚴(yán)重。 戶內(nèi)使用的電器的污穢問題也不容忽視。對(duì)于污穢地區(qū)，門 窗不嚴(yán)的斷路器室，如果清掃不及時(shí)，又不像戶外電器有雨 的自然清掃作用，污穢積累程度并不亞于戶外電器。加上南 方地區(qū)戶內(nèi)濕度高，對(duì)于環(huán)氧玻璃鋼一類的有機(jī)絕緣材料來 說其沿面閃絡(luò)電壓將顯著降低。 對(duì)于污穢引起的污閃事故除加強(qiáng)清掃、改善室內(nèi)環(huán)境（密封、 空調(diào)）外，還可以通過增加爬電比距（外絕緣爬電距離與電 器額定電壓之比）和選用合適的絕緣材料（如硅橡膠）等來 解決。 （ 6）風(fēng)力 過大的風(fēng)力合可能使結(jié)構(gòu)細(xì)長的高壓電器變形其至斷裂，其 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮這種風(fēng)力載荷。