第三章电路的关合、开断与开关电器课件.ppt

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1、发电厂及变电站电气部分,三峡大学电气与新能源学院College of Electrical Engineering &New Energy,开关电器: 直接用于开断与关合电路的一次设备。开关电器在电网中占有极其重要的地位，其投资占配电设备总投资的一半以上。,开关电器按电压分类：高压开关电器（用于3kV以上） 、低压开关电器（用于3kV及以下）,开关电器按安装场所分类：户内式、户外式（主要是110kV 及以上）,开关电器按功能分类：断路器、隔离开关、负荷开关、熔断器,第3章 电路的关合、开断与开关电器,第一节 电接触,电接触连接（电接触）：两个元件通过机械连接方式互相接触而实现导电的现象。,1.

2、电接触,高压开关设备的导电回路总是由若干个导体元件构成，电接触是高压开关设备结构原理中非常重要的内容，直接影响开关电器的质量和性能指标，电接触理论是开关电器的重要基础理论之一。,(1)固定接触：用紧固件如螺钉、螺纹、铆钉等压紧的电接触。固定接触在工作过程中没有相对运动，包括永久接触（螺栓连接或铆接）和半永久接触（插头）。,根据在操作过程中接触处是否存在相对运动可分为三大类,1.1 电接触的种类,(2)可分接触：在工作过程中可以分离的电接触，通常称为触头或触点，由动触头和静触头联合构成 ，包括：,1)弱电流触头，电流在1A以下； 2)中电流触头，电流从几安到几百安； 3)强电流触头，电流在几百安

3、以上。开关电器的触头一般属于强电流范围。,(3)滑动及滚动接触：在工作过程中，触头间可以互相滑动或滚动，但不能分离的电接触称为滑动及滚动接触。如电机的滑环。,第一节 电接触,1.电接触,1.1 电接触的种类,电接触共有的工作状态是接触元件闭合接通电流。运行经验表明，当两导体相互接触流过电流时，接触处会出现局部高温，严重时可达接触导体材料的熔点。 对可分接触，它的工作状态除闭合通电以外，还包括“闭合分离切断电路”，或“分离闭合接通电路”，及处于“开断” 等。而触头在切断或闭合电路的过程中，触头间往往会出现电弧，电弧的温度很高，即使存在的时间很短，也会使触头表面熔化和气化，损伤触头。因此，在以上三

4、种电接触类型中，工作任务最重的是可分接触。,第一节 电接触,1.电接触,1.1 电接触的种类,如触头在工作过程中就会发生严重损坏或因电弧而熔焊，电器工作的可靠性就无法保证，因此，在工作中对开关电器的电接触有一定要求：,1)电接触在长期通过额定电流时，温升不超过国家规定的数值，接触电阻要求稳定。 2)在短时通过短路电流时，要求电接触不发生熔焊或触头材料的喷溅等。 3)在关合过程中，要求触头能关合短路电流，不发生熔焊或严重损坏。 4)在开断过程中，要求触头在开断电路时电磨损尽可能小。对于固定接触，滑动或滚动接触只考虑从前两项要求。,第一节 电接触,1.电接触,1.2 对电接触的主要要求,第一节 电

5、接触,电流通过两导体电接触处的主要现象是接触处出现局部高温。产生此现象的原因是电接触处存在一附加电阻，称之为接触电阻。,一均匀导体通以电流I，用电压表测量导体上一段的电压降U，则这一段的电阻为,将导体切断或对接起来形成电接触，导体仍通以电流I，用电压表测量导体上同样长度一段的电压降Uc，比U大得多，电阻Rc也比R大得多，增大部分就是接触电阻。,2.接触电阻,(1) 实际接触面积减小。电流线在接触面附近发生了收缩（收缩电阻）。两个接触面只是几个小块面积相接触，在每块小面积内，又只有几个小的突起部分相接触。这些互相接触的小突起部分称为接触点。电流流经接触表面时，从截面尺寸较大的导体转入面积较小的接

6、触点，在此情况下，电流线会发生剧烈收缩，流过接触点附近的电流路径增长，有效导电截面减小，因而电阻值相应增大。,第一节 电接触,2.接触电阻,2.1 接触电阻产生的原因,(2)接触面被一些导电性能很差的物质（如氧化物）覆盖引起表面电阻。 1)灰尘。若压力足够大，能把灰尘压扁，也可使金属良好接触。 2)非导电气体、液体形成的吸附膜。会使接触变坏，若稍加力，膜会变的很簿；当达到12分子层，510(10-8cm)时，自由电子就可通过(隧道效应)。 3)金属的氧化物、硫化物等形成的无机膜。对于断路器来说，金属的氧化物是主要的无机膜。金属氧化物多数是半导体，电阻率很高，使接触电阻显著增加。 4)有机膜。如

7、漆、蒸汽，也可能来自电器本身。,第一节 电接触,2.接触电阻,2.1 接触电阻产生的原因,影响接触电阻的因素有：触头材料的电阻率、材料的布氏硬度HB和接触形式引起的触点个数、接触压力。,第一节 电接触,2.接触电阻,2.2 影响接触电阻的因素,(1)银：银是最理想的材料。但是，银的价格较贵，因此高压电器中常采用铜镀银或镶银的方法。 (2)铜：铜是仅次于银的材料。为了减小接触电阻，可以在铜上镀银或镶银，也可以镀锡。锡的优点是硬度小，氧化膜的机械强度低。 (3)铝：缺点是化学性质活泼，在室温条件下就很容易生成又硬又厚的氧化膜，从而使接触电阻增高。因此，铝一般只用于固定接触，并常采用表面复盖锡的方法

8、来减小接触电阻。,2.2.1常用的几种金属材料在接触电阻方面的性能,第一节 电接触,2.接触电阻,2.2 影响接触电阻的因素,2.2.1常用的几种金属材料在接触电阻方面的性能,(4)金、铂、铱等：优点是化学性能稳定，触头表面不会产生不导电的薄膜。但是这类贵重金属材料价格昂贵，来源稀缺，不能大量使用，一般只用于低压电器中的弱电流触头。 (5)钨铜和钨银复合材料：具有良好的导电性，在电弧作用下烧损小的特点，是开关电器中广泛使用的触头材料。 钨铜复合材料价格较便宜，主要缺点是在大气中易氧化，接触电阻不稳定。适宜用于油断路器和SF6断路器中，常用的是含钨量为80%的钨铜复合材料。 钨银复合材料通常用于

9、对接式的触头上，接触电阻稳定但耐弧性能稍差。,按触头外形的几何形状不同，可分为三类：点接触、线接触和面接触。 （1）点接触：从几何学角度看，两面接触于一点，所以称为点接触。实际接触面是在一个小面积内的若干个接触点，用于小电器。 （2）线接触：从几何学角度看，两面接触在一条直线上，所以称线接触。当然，实际接触面是分布在狭长区域内的若干个接触点，用于大中电器。 （3）面接触：从几何学角度看，接触面是一个平面，所以称为面接触。当然，实际接触面是分布在若干处的很多个接触点，用于固定接触。,第一节 电接触,2.接触电阻,2.2 影响接触电阻的因素,2.2.2 接触的形式,第一节 电接触,2.接触电阻,2

10、.2 影响接触电阻的因素,2.2.3 接触压力,接触压力F 对接触电阻Rc有重要影响。没有足够的压力只靠加大接触面的外形尺寸并不能使接触电阻显著减小。Rc F 关系曲线是一条简单的下降曲线，但合理的最大F 值有一范围，F 过大对减小Rc无明显效果。,第一节 电接触,2.接触电阻,2.2 影响接触电阻的因素,2.2.4 接触表面加工情况,接触表面可以是粗加工，也可以是精加工，它表现在接触点数的数目不同。 实践表明，过于精细的表面加工对于降低接触电阻未必是有利的。,接触电阻通常用经验公式估算：,式中： F 接触压力(N)； m 与接触形式有关的系数，对点、线、面接触，分别取0.5 、0.7、1；K

11、c与接触材料、表面情况、接触方式等有关的系数，通常由实验得出。,第一节 电接触,2.接触电阻,2.2 影响接触电阻的因素,2.2.5 接触电阻估算,第一节 电接触,3.1 发热,3. 触头在长期工作中的稳定性,触头接触电阻的存在，将引起接触点的温度升高。 而接触点温度的升高，金属的电阻率会随之升高，同时接触硬度有所降低；前者使接触电阻进一步地增加，后者使接触电阻降低，因而接触电阻受温度的影响要比纯金属材料的电阻受温度的影响小，一般可以将温度对接触电阻的影响略而不计。 但当接触点温度接近材料软化点时，由于硬度陡降，接触电阻会明显下降；当接触点温度达到材料熔点时，接触电阻再次显著下降。,第一节 电

12、接触,3.2 磨损,3. 触头在长期工作中的稳定性,触头长期工作，触头表面与周围介质起化学作用，接触电阻Rc会不断增加，引起触头的接触不稳现象，甚至完全破坏触头的导电性能。,(1)机械磨损 由动、静触头间发生碰撞和摩擦导致触头的变形和触头材料的损耗。触头接触压力F越大，机械磨损越快。一般动作频繁的控制电器，机械磨损所占比例很小，约为总磨损的13。,(1)化学磨损 包括化学腐蚀和电化学腐蚀。 1）化学腐蚀 由触头金属材料氧化及有害气体的作用形成的非导电膜引起。 可分触头分开时，触头与周围介质中的某些成分，起化学作用，可以生成不导电的化学膜。但是在触头关合过程中，由于触头间发生碰撞和滑动，又会使化

13、学膜部分去除，使接触电阻降低下来。,第一节 电接触,3.2 磨损,3. 触头在长期工作中的稳定性,当触头长期闭合时，氧分子可以从接触点周围逐渐侵入，形成金属氧化物，使实际接触面积减小，导致接触电阻增加。且接触点温度愈高，氧分子活动能力越强，可以更深地侵入到金属内部。 因此，为了使接触电阻在长期工作情况下保持稳定： 必须保证接触点在长期工作情况下的温度不应过高； 增加接触压力可以提高接触电阻的稳定性； 在容易腐蚀的金属上覆盖银、锡等金属。,第一节 电接触,3.2 磨损,3. 触头在长期工作中的稳定性,2）电化学腐蚀 不同金属构成电接触时，当两种金属在电化(次)序表中的位置相隔较远时，在大气、水蒸

14、气中，弱金属将严重腐蚀，造成电接触的严重损坏。如：Cu-Zn蓄电池中，负极Zn被腐蚀。会造成电接触的严重破坏 。,为了减少电化学腐蚀，应注意： 避免采用在电化序表中相距较远的金属构成电接触。 由于高压开关电器中不可免地需要采用铝铜接触，可在铝表面上用铜、银或锡覆盖，或在铝、铜两金属问加上锌垫片以减少电化学腐蚀作用，也可在接触面周围抹上油脂，防止水分侵入形成电解液。,第一节 电接触,3.2 磨损,3. 触头在长期工作中的稳定性,3.电磨损 触头在分合电路时，触头间要产生电弧，由电弧的高温作用会使触头表面烧损、变形和金属材料流失，造成触头磨损。这一现象在开关电器开断短路电流时尤为严重。触头在关合过

15、程中，特别是关合短路时，除有触头磨损，还可能产生触头焊接。它是触头磨损的主要形式，决定了触头的电寿命。,1)短弧、弱弧和火花放电。一般发生在继电器等弱电电器中，触头间隙较小，金属汽化与重新沉积互相作用，对触头产生磨损。 2)大功率电弧的烧损。当电弧电流大于20至几百安，甚至上千安，温度高、开距大、又有吹弧作用，液体金属可吹走，四处喷溅，磨损严重。,第二节 电弧理论及其熄灭方法,1 电弧,开关电器开断电流时，触头间会产生电弧，必须尽快熄灭。,电弧是一种能量高度集中、温度很高、亮度很大的气体放电现象。,图 电弧,电弧由阴极区、阳极区和弧柱区三部分组成。 电弧温度很高，发出强烈的白光，又称弧光放电。

16、 弧柱区中心温度可达10000以上，表面温度也有30004000。,第二节 电弧理论及其熄灭方法,1 电弧,开关电器切断电流通路时，只要电源电压大于1020V，电流大于80100mA，在触头间就会出现电弧。电弧一旦产生，很低的电压就能维持稳定地燃烧而不熄灭。,2 电弧的形成和熄灭,电弧是一种游离的气体放电现象，电弧的形成过程实际上就是绝缘介质向等离子体态的转化过程。,2.1电弧的产生与维持,电弧的产生是触头间中性质点(分子和原子)被游离出大量自由电子的结果。游离就是中性质点转化为带电质点的过程,第二节 电弧理论及其熄灭方法,2 电弧的形成和熄灭,2.1电弧的产生与维持,阴极的热电子发射和强电场

17、发射 ，形成自由电子。,（1）自由电子的产生,强电场发射：电场强度超过3106V/m时，阴极触头表面的电子可在强电场力的作用下被拉出金属表面成为自由电子。,热电子发射 ：接触电阻因触头分离迅速增大产生的高温，使阴极表面出现强烈的炽热点，进一步使阴极的金属材料内大量电子不断溢出金属表面，形成自由电子。,特别是电弧形成后，弧隙间的高温使阴极表面不断地发射出电子，并在电场力作用下，向阳极作加速运动。,第二节 电弧理论及其熄灭方法,2 电弧的形成和熄灭,2.1电弧的产生与维持,（2）电弧的形成,碰撞游离 ：自由电子与中性绝缘介质质点(原子或分子)发生撞击，将中性原子外层轨道上的电子撞击出来形成新的自由

18、电子和正离子 。 碰撞游离连续进行，形成电子崩。 电子崩到达阳极，介质被击穿由绝缘体变为导体，在外加电压的作用下，通过触头间隙的电流急剧增大，发出强烈的光和热的效应而形成了电弧。,（3）热游离,热游离：形成电弧后碰撞游离不能持续，产生的高温使气体中粒子运动速度增大，具有足够动能的中性质点相互碰撞形成自由电子。气体温度愈高，粒子运动速度愈大，原子热游离的可能性也愈大，电弧燃烧愈稳定。,第二节 电弧理论及其熄灭方法,2 电弧的形成和熄灭,2.2 去游离,去游离 带电质点减少的过程，包括复合和扩散,(1)复合去游离 指正离子和负离子互相吸引，结合在一起，电荷互相中和形成中性质子的过程。,(2)扩散去

19、游离 指带电质点从电弧内部逸出而进入周围介质中的现象。包括：浓度扩散和温度扩散。,在电弧形成的过程中，去游离和游离两个过程互相平衡，使电弧稳定的燃烧。当去游离的过程大于游离，电弧会熄灭，反之，燃烧的更激烈。,第二节 电弧理论及其熄灭方法,3.电弧的主要危害,1)电弧的高温，可能烧坏电器触头和触头周围的其他部件；对充油设备还可能引起着火甚至爆炸等危险。 2)在开关电器中，触头间只要有电弧的存在，电路就没有断开，电流仍然存在，电弧的存在延长了开关电器断开故障电路的时间，加重了电力系统短路故障的危害。 3)容易造成飞弧短路、伤人或引起事故扩大。 因此开关电器的一个主要功能就是灭弧。交、直流电源产生的

20、电弧特性不同，需要针对不同的情况分别讨论。,第二节 电弧理论及其熄灭方法,4.直流电弧及灭弧,直流电弧特性可用沿弧长的电压分布和伏安特性表示,稳定燃烧的直流电弧沿弧长的电压分布为：,Uh=U1+U2+U3,Uh电弧在全长上的压降；U1阴极区压降U2弧柱压降；U3阳极区压降,电弧的端部靠近触头的区段(阴极区和阳极区) 导电率低，电位梯度大，且阴极区的电位梯度比阳极区的电位梯度大。弧柱压降与电流大小、弧隙长度、介质种类及其状态(介质压力、介质流动方式及流速等)有关。弧柱压降与弧长基本上成正比；当电弧稳定燃烧时，弧隙介质情况不变，则电流越大，弧柱压降越低。,4.1直流电弧特性,第二节 电弧理论及其熄

21、灭方法,4.直流电弧及灭弧,1） 静伏安特性（曲线1、4，电弧稳定燃烧，di/ dt0 ）,电弧电阻随着电弧电流变化；电弧电流越大，弧隙电压越小。,UDH、IDH表示弧隙电压和电弧电流,2）动伏安特性（曲线2、3，电弧电流快速变化）,由曲线2（b点快速减小电弧电流）和曲线3（a点快速增加弧隙电压）看到：由于弧隙具有热惯性，温度变化总是滞后于电流变化，这3条曲线并不重合。,4.1直流电弧特性,第二节 电弧理论及其熄灭方法,4.直流电弧及灭弧,3）直流电弧稳定燃烧的充要条件是：电弧的静伏安特性从下方穿越电路的稳态伏安特性。 因此熄灭直流电弧的原理是增大电弧电压，使电弧的静伏安特性与电路的稳态伏安特

22、性最多只有一个交点。,4.1 直流电弧特性,4.2 熄灭直流电弧方法,(1) 冷却或拉长电弧，增大电弧电阻和电弧电压；(2) 增大线路电阻，如熄弧过程中串入电阻；(3) 长弧分割成串联短弧，利用短弧的特性，使得电弧电压大于触头施加的电压时，则电弧即可熄灭。 在高压大容量的直流电路中(如大容量发电机的励磁电路)，一方面采用冷却电弧和短弧原理的方法来熄弧，另一方面采用逐步增大串联电阻的方法来熄弧。,第二节 电弧理论及其熄灭方法,5 交流电弧及灭弧,5.1 交流电弧的特性,图 交流电弧电压与电流的波形,电弧电流近似正弦形，电压呈马鞍形变化。 电弧温度的变化总滞后于电流的变化（热惯性）。 “自然过零”

23、。电流过零时，电弧自然熄灭；过零后在电场回升过程中，若仍有自由电子出现，则介质再被击穿，电弧就会重燃；反之，电弧就熄灭。,第二节 电弧理论及其熄灭方法,5 交流电弧及灭弧,5.2 交流电弧的熄灭条件,交流电弧熄灭的关键取决于弧隙的介电强度(耐受电压)和弧隙的恢复电压。,(1) 弧隙介电强度的恢复过程,弧隙介电强度恢复过程电弧电流过零，弧隙介质的介电强度要恢复到正常绝缘状态值时需要一定的时间，其恢复过程可以用耐受电压电压Ud（t）表示。,第二节 电弧理论及其熄灭方法,5 交流电弧及灭弧,5.2 交流电弧的熄灭条件,(2) 弧隙电压的恢复过程,电弧电流自然过零后，电路施加于弧隙的电压，将从不大的电

24、弧电压逐渐增长，一直恢复到电源电压，这一过程中的弧隙电压称为恢复电压Ur（t）表示。受电路参数等因素的影响，电压恢复过程可能是周期性的变化过程，也可能是非周期性变化过程。,第二节 电弧理论及其熄灭方法,5 交流电弧及灭弧,5.2 交流电弧的熄灭条件,(3)交流电弧熄灭的条件,弧隙电压恢复过程 大于弧隙介电强度恢复过程，电弧重燃；反之电弧熄灭。,交流电弧熄灭的条件,第二节 电弧理论及其熄灭方法,5 交流电弧及灭弧,5.2 交流电弧的熄灭条件,（4）熄灭交流电弧的基本方法及措施,1)利用灭弧介质2)采用特殊金属材料作灭弧触头3)利用气体或油吹动电弧，图 312 吹弧的方式a 横吹b 纵吹4)多断口

25、灭弧5)增加触头的分离速度6)利用固体介质的狭缝灭弧装置灭弧，广泛应用于低压开关。,第三节 高压断路器及其选择,开关电器包括,1) 仅用来在正常工作情况下，开断与关合正常工作电流的开关电器，如高压负荷开关、低压闸刀开关、接触器、磁力启动器等；2) 仅用来开断故障情况下的过负荷电流或短路电流的开关电器，如高、低压熔断器；3) 既用来开断与关合正常工作电流，也用来开断与关合过负荷电流或短路电流的开关电器，如高压断路器、低压自动空气断路器等；4) 不要求断开或闭合电流，只用来在检修时隔离电压的开关电器，如隔离开关等。,第三节 高压断路器及其选择,1.高压断路器,功能： 1）控制：在正常运行时，将一部

26、分电气设备及线路接入电路或退出运行。 2）保护：在电气设备或线路发生短路时，将短路部分从电网中迅速切除，防止事故扩大，保证电网的无故障部分得以正常运行。,对断路器的基本要求：在各种情况下应具有足够的开断能力、尽可能短的动作时间和高度的工作可靠性。,高压断路器是电力系统中担负任务最繁重、地位最重要、结构也最复杂的开关电器。,第三节 高压断路器及其选择,2.高压断路器的基本类型及结构,2.1 高压断路器的基本类型,包括：油断路器、压缩空气断路器、SF6断路器、真空断路器等。,(1) 油断路器,1）多油断路器：油既是灭弧介质，也是绝缘介质。 2）少油断路器：油只作为灭弧介质。 3）灭弧原理：,触头断

27、开,产生电弧； 高温使电弧周围的绝缘油迅速气化，形成混合气泡，含有大量的氢气。 灭弧室压力增加，使游离质点的浓度增加，增强了复合，加强了去游离作用；同时氢气的冷却作用加强了对弧柱的冷却作用； 触头间距加大电弧熄灭。,第三节 高压断路器及其选择,2.高压断路器的基本类型及结构,2.1 高压断路器的基本类型,(2)压缩空气断路器,采用压缩空气作灭弧介质及操作机构能源的断路器。具有大容量下开断能力强及开断时间短的特点，但有结构复杂、需配置压缩空气装置、价格较贵、合闸时排气噪音大的缺点。,(3) SF6断路器断路器,以 SF6作为灭弧介质的断路器，国内110kV领域占主导地位。优点：1 灭弧性能好，开

28、断短路电流大。 2 冷却效果好，载流量大，寿命长。 3 灭弧的速度快，操作过电压低。 4 运行可靠性高，安全性高。缺点：1 工艺要求高，造价贵，管理技术高。 2 污染严重。,第三节 高压断路器及其选择,2.高压断路器的基本类型及结构,2.1 高压断路器的基本类型,(4)真空断路器,利用真空作为灭弧介质来熄灭电弧的断路器，在35kV及以下中压领域广泛使用,截流 真空电弧通常在电流自然过零前熄灭，电流也随之突然降至零。 截流过电压 因截流造成的操作过电压。 与氧化锌避雷器配合使用,第三节 高压断路器及其选择,（1）通断元件 ：接通或断开电路，核心是触头 （2）操动机构：向通断元件提供分、合闸操作的

29、能量，实现操作 （3）传动机构：把操动机构提供操作能量及发出的操作命令传递给通断元件 （4）绝缘支撑元件 ：支撑固定通断元件，并实现与各结构部分之间的绝缘作用,（5）基座 ：用于支撑、固定和安装开关电器的各结构部分，使之成为一个整体,2.1高压断路器的基本结构,2.高压断路器的基本类型及结构,第三节 高压断路器及其选择,2.3高压断路器的分合操作（弹簧操动机构）,2.高压断路器的基本类型及结构,弹簧操动机构是一种以弹簧作为储能元件的机械式操动机构，包括：合闸弹簧和分闸弹簧。储能后合闸弹簧的能量一部分用来合闸，另一部分用来给分闸弹簧储能。,1)储能过程 （储备开关操作的能量）：开关在起始位（分位

30、）可通过手动方式和自动方式给弹簧储能。,2)合闸过程 合闸弹簧释放完成合闸，并给分闸弹簧储能。合闸弹簧释放完成后，再次储能（储能时间不超过15s）,3)分闸过程 分闸弹簧释放完成分闸。,4) 重合闸 合闸弹簧再次储能完毕，才能实现重合闸。,5)合闸弹簧和分闸弹簧释放能量步骤：断开直流储能电源；开关分闸(在合闸状态)；开关合闸；开关再分闸；断开控制电源。,第三节 高压断路器及其选择,1) 断路器的种类和型式,4.高压断路器的主要技术参数及选择,2) 额定电压和额定电流,根据电压等级、安装地点、安装方式、结构类型和价格因素等选择断路器的类型。,，,3)额定开断电流选择,式中： UN、UNS 分别为

31、断路器和电网的额定电压(kV)； IN、Imax 分别为断路器的额定电流及所在电路的最大持续工作电流。,断路器的额定开断电流INbr应不小于其触头刚刚分开时的短路电流有效值Ik，即,INbr Ik,第三节 高压断路器及其选择,4.高压断路器的主要技术参数及选择,，,开断计算时间tbr ：从发生短路到断路器的触头刚刚分开所经历的时间。 为保证断路器能开断最严重情况下的短路电流，开断计算时间等于主保护动作时间tpr1与断路器固有分闸时间tin之和，即,tbr=tpr1+tin,1) 对于非快速动作断路器（其tbr0.1s），可略去短路电流非周期分量的影响，简化用短路电流周期分量0s有效值I”校验断

32、路器的开断能力，即,INbrI”,2) 对于快速动作断路器（其tbr0.1s），开断短路电流中非周期分量可能超过周期分量的20%，需要用tbr时刻的短路全电流有效值校验断路器的开断能力，即,第三节 高压断路器及其选择,4.高压断路器的主要技术参数及选择,Ipt为触头刚刚分开tbr时的短路电流周期分量有效值，在此可取Ipt = I”；,为短路电流非周期分量衰减时间常数,X、R分别为电源至短路点的等效电抗和等效电阻。,4)额定关合电流选择,如果在断路器关合前已存在短路故障，断路器会发生欲击穿，为了保证断路器关合时不发生触头熔焊及合闸后能在继电保护控制下自动分闸切除故障，断路器额定关合电流iNcl不

33、应小于短路电流最大冲击值，即,iNclish,第三节 高压断路器及其选择,4.高压断路器的主要技术参数及选择,5) 热稳定校验和动稳定校验,Qk短路电流热效应； Isw所选用断路器在额定短路持续时间tsw (单位为s)内允许通过的热稳定电流 。一般定义断路器热稳定电流所取的时间tsw有1s，4s，5s，10s等4种，进行校验时计算时间应尽量接近实际短路持续时间。,热稳定,触头流过短路电流时，还会受到收缩电动力F的作用，其方向是推开触头的方向，大小与I2成正比。动稳定性以电流峰值ies表示,6)分闸时间,断路器从接到合闸命令（合闸回路通电）起到断路器触头刚接触时所经过的时间间隔。包括固有分闸时间

34、和燃弧时间。,第三节 高压断路器及其选择,4.高压断路器的主要技术参数及选择,7）合闸时间,断路器从接到合闸命令(合闸回路通电)起到断路器触头刚接触时所经过的时间间隔,8）断路器的操作顺序,OtCO t /CO CO t / CO,O表示一次分闸操作；CO表示一次合闸操作后立即(即无任何故意的时延)进行分闸操作 ， t、 t / 、 t /和是连续操作之间的时间间隔； t、 t /应始终以分钟或秒表示； t /应始终以秒表示。,t 3 min不用于快速自动重合闸的断路器； t 0.3 s用于快速自动重合闸的断路器； t / 3 min（15 s、1 min）也可用于快速自动重合闸的断路器。 t

35、 / 15 s不用于快速自动重合闸的断路器。,第四节 高压隔离开关和负荷开关,1.高压隔离开关,隔离开关又名隔离刀闸，合闸后能可靠地通过正常工作电流和短路电流。由于没有灭弧装置，不能用来分、合负荷电流和短路电流，只能分、合一些小电感电流和小电容电流。,1) 隔离电源。在进行电气设备检修时，用隔离开关将需要检修的电气设备与带电电源隔离，形成明显可见的断开点，以确保检修安全。 2) 倒闸操作。在进行母线的切换时，可用隔离开关配合断路器来完成工作。 3) 关、合小电流。分、合电压互感器、避雷器电路和空载母线；分、合励磁电流不超过的空载变压器；分、合电容电流不超过的空载线路。,1.1主要作用,第四节

36、高压隔离开关和负荷开关,1.2 隔离开关的结构,1)导电部分：包括触头、闸刀等。主要起传导电路中的电流、关合电路的作用。 2) 绝缘部分：实现带电部分和接地部分的绝缘。 3) 操动机构：为隔离开关的操作提供能源。 4) 传动结构：通过机械杠杆实现隔离开关的分、合。 5) 支持底座：固定隔离开关。,1.高压隔离开关,第四节 高压隔离开关和负荷开关,1.3 隔离开关的操作原则,1.高压隔离开关,隔离开关“先通后断”。,1.4 隔离开关的选型,1）种类和型式：按装设地点可分为户内式和户外式；按绝缘支柱数目可分为单柱式、双柱式和三柱式；按相数可分为单相和三相；按有无接地刀闸可分为带接地刀闸式和不带接地

37、刀闸式。,2）由于隔离开关没有灭弧装置，故没有开断电流和关合电流的校验，隔离开关的额定电压、额定电流选择和热稳定、动稳定校验项目与断路器相同。,第四节 高压隔离开关和负荷开关,2.负荷开关,负荷开关带有简单灭弧装置，有一定的灭弧能力，能开断和关合额定负荷电流和小于一定倍数(通常为34倍)的过载电流；也可以用来开断和关合比隔离开关允许容量更大的空载变压器、更长的空载线路，有时也用来开断和关合大容量的电容器组，但不能开断短路电流。,(1)负荷开关的类型,按灭弧方式可分为油负荷开关、磁吹负荷开关、压气式负荷开关、产气式负荷开关、六氟化硫负荷开关和真空负荷开关。,按动作频率可分为一般型（50次无检修，

38、用在容量为800kVA及以下变压器回路中 ）和频繁型（150次无检修，用在10001600kVA变压器回路 ）。,第四节 高压隔离开关和负荷开关,2.负荷开关,(2)负荷开关的结构特点 现代负荷开关有两个明显的特点，一是具有三工位，即合闸分闸接地；二是灭弧与载流分开，灭弧系统不承受动热稳定电流，而载流系统不参与灭弧。,(3)替代作用 在10kV高压配电系统中，可用负荷开关熔断器组(负荷开关与限流熔断器串联构成)对不需频繁操作的电气设备(主要是10/0.4kV变压器)进行控制和保护。当采用负荷开关与限流熔断器串联组合时，负荷开关要满足转移电流与交接电流的要求,1)转移电流 转移电流是负荷开关能开

39、断的最大电流，当大于该值时，三相电流均由熔断器开断；小于该值时，首相电流由熔断器开断，后两相由于负荷开关动作较快，在熔断器熔断之前将电流分断。,第四节 高压隔离开关和负荷开关,2.负荷开关,2）交接电流 熔断器不承担开断、全部由负荷开关开断的三相对称电流值。小于这一电流值时，熔断器把开断电流的任务交给负荷开关。,3）在负荷开关熔断器组合电器必须有撞击器（熔断器设置）操作，必须作转移电流试验。,4）负荷开关同时带有撞击器和脱扣器的时候，必须做交接电流试验。如果交接电流大于转移电流，则转移电流可不试。配脱扣器操作方式主要用于真空负荷开关，因它固有分闸时间短且开断能力强，才有可能使交接电流大于转移电

40、流。,目前，国内外的环网供电单元和预装式变电站，广泛使用负荷开关熔断器组的结构型式，用它保护变压器比用断路器更为有效，其切除故障时间更短，不易发生变压器爆炸事故。,第四节 高压隔离开关和负荷开关,2.负荷开关,(4)负荷开关的选择 高压负荷开关的选择与断路器的选择基本相同，必须满足额定电压、额定电流、开断电流、热稳定性及动稳定五个条件。其中开断电流应不小于装置地点的最大负荷电流，而不是短路最大电流，与熔断器配合使用的负荷开关无需校验热稳定和动稳定。,第五节 熔断器,熔断器是最简单的保护电器，串联在被保护的电路中，主要用于线路及电力变压器等电气设备的短路及过载保护。,1.熔断器的原理及特性,图

41、高压母线式单管熔断器,（1）熔体因过载或短路而加热到熔化温度；（2）熔体的熔化和气化；（3）触点之间的间隙击穿和产生电弧；（4）电弧熄灭、电路被断开。,熔断器的开断能力由熄灭电弧能力决定。熔体熔化时间的长短，由通过的电流的大小和熔体熔点的高低决定。,第五节 熔断器,1.熔断器的原理及特性,熔断器熔体的熔断时间与熔体的材料和熔断电流的大小有关，熔断时间与电流的大小关系，称为熔断器的安秒特性，也称为熔断器的保护特性（反时限的保护特性曲线），其规律是熔断时间与电流的平方成反比。,I称为最小熔化电流或称临界电流。 I与IN的比值称作熔化系数，通常取1.52。 该系数反映熔断器在过载时的不同保护特性。,

42、第五节 熔断器,2.低压熔断器,低压熔断器按结构可分为开启式、半封闭式和封闭式；封闭式可分为有填料管式、无填充料管式及有填料螺旋式。,常用的熔断器有：,(1)无填料熔断器 RCIA系列瓷插式熔断器 （瓷插保险），一般用于交流50Hz，额定电压380V，额定电流200A以下的线路中。 RM10系列封闭管式熔断器，一般用于额定电压380V，直流电压440V以下系统内。,(2)有填料熔断器 RL1系列螺旋式熔断器（螺旋保险）广泛用于短路电流很大的电力网络或配电及机电设备中大量使用。RS0、RS3、RLS系列有填料管式熔断器主要作为硅整流元件及其成套装置中的过载保护和短路保护之用。,第五节 熔断器,2

43、.低压熔断器,(3)自恢复式熔断器（自复式熔断器）,这种熔断器熔断后不需要更换，在短路电流被电源侧的自动开关分段后，熔体能自动恢复原状，从而可以继续使用。它本身不能分断电路，要与自动开关配合使用。,当自复式熔断器与低压断路器串联使用时，故障电流实际上是由低压断路器分断。自复式熔断器所起的作用是限制故障电流的数值。,第五节 熔断器,3.高压熔断器,与高压接触器配合，广泛应用于厂用6kV高压系统，称为F-C回路，一般应用于1200-2000kW电动机和1600-2000kW变压器回路，架空线路不用。,3.1高压熔断器的类型,（1）高压熔断器可以分为限流式和非限流式。 限流式熔断器能在短路电流达到最

44、大值前，使电弧熄灭，短路电流迅速减到零，因而开断能力较大，其额定最大开断电流为6.3100kA； 非限流式熔断器熄弧能力较差，电弧可能要延续几个周期才能熄灭，其额定最大开断电流在20kA以下。 （2）高压熔断器按安装地点分户内式和户外式；按其结构特点高压熔断器可以分为支柱式和跌落式。,第五节 熔断器,3.高压熔断器,3.1高压熔断器的类型,户外跌落式,户内式,户外支柱式,第五节 熔断器,3.高压熔断器,3.2额定电压和额定电流选择,(2) 额定电流,对于一般熔断器UN UNs ，对于有限流作用的不能高于UNs。,（1）额定电压,包括熔断器熔管的额定电流INft 和熔体的额定电流INfs的选择。

45、,1)熔管额定电流选择,2) 熔体额定电流选择,对于保护35kV及以下电力变压器的高压熔断器,K 可靠系数，不计电动机自启动时K取1.11.3，考虑自启动K取1.52.0,第五节 熔断器,3.高压熔断器,3.2额定电压和额定电流选择,保护电力电容器,K 可靠系数，对限流式高压熔断器，当一台电力电容器时，取1.52.0，当一组电力电容器K取1.31.8。,(3) 按开断电流校验,要求熔断器的开断电流INbr不应小于三相短路冲击电流Ish 或次暂态电流I,没有限流作用的熔断器，用三相短路冲击电流Ish校验；对于有限流作用的熔断器，可用次暂态电流I校验。,第五节 熔断器,3.高压熔断器,3.2额定电压和额定电流选择,(4) 选择性校验,根据保护动作选择性的要求校验熔断器的额定电流，使其保证前后两级熔断器之间或熔断器与电源侧(或负荷侧)继电保护之间动作的选择性。各种熔体的熔断时间与通过熔体的短路电流的关系曲线，由制造厂商提供。,本章结束！,