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1、第一节 高压断路器基本知识,一、高压断路器是电力系统中最重要的运行设备之一，它担负着控制和保护的双重任务。随着国民经济的飞速发展，电网容量建设的快速增长，对高压断路器的要求也不断提高：1、正常情况下能可靠开断和关合电路；2、电力系统发生故障时能立即可靠地将故障部分从电力系统中切除；3、尽可能缩短断路器切除故障的时间；4、能配合自动重合闸进行多次关合和开断；5、减少土地占用，推广采用气体绝缘金属封闭开关设备（GIS），实现开关设备体积小、电压等级高、开断容量大等特点。,二、高压断路器设备的发展：根据灭弧介质的不同，早期断路器一般可划分为：1、压缩空气断路器：指利用高压力的空气来吹弧的断路器。由于
2、技术的进步，目前此种断路器还在运行的已很少见了。2、油断路器：指触头在绝缘油中开断，利用绝缘油作灭弧介质。又分为多油断路器（DW-）和少油断路器（SW-）。随着电网无油化的推进，油断路器也逐渐退出运行。随着断路器制造技术的日新月异，目前在网运行比例较多的断路器按灭弧介质分类主要是以下两种：3、SF6断路器：指利用高压力的SF6气体来吹弧的断路器(压气式灭弧室)，多用于35kV以上电压等级。由于SF6 气体特殊的化学“惰性”，所以以其为绝缘和灭弧介质的断路器广泛应用在中压、高压、超高压、特高压开关领域。其中按结构分为 绝缘外壳式，通常所说的瓷套支柱式，也叫绝缘筒式断路器；金属外壳式，通常所说的罐
3、式，也叫封闭式断路器。4、真空断路器：指触头在真空中开断，利用真空的高绝缘性来灭弧的断路器，多用于35kV以下的开关。,三、断路器型号的命名方式：,产品字母代号,装置地点代号,额定电压KV,设计序列号,产品字母代号：为产品拼音第一个字 Z真空断路器；L六氟化硫断路器；S少油断路器；D多油断路器；K压缩空气断路器；装置地点代号：N户内，W户外；设计序列号：以数字1、2、3表示；额定电压：断路器的额定电压，单位为KV；例如：断路器型号LW8-35，表示设计序列号为8的户外用额定电压为35KV 的SF6断路器。,四、高压断路器的灭弧室：灭弧室是高压断路器的心脏。综观国内外产品结构，可将灭弧室分为定开
4、距和变开距两种。1、动喷口吹弧装置(变开距灭弧装置)：按吹弧方式分为单向纵吹和双向纵吹。现在高压大容量断路器多采用双向纵吹。主喷口用绝缘材料制成。常采用聚四氟乙烯或以聚四氟乙烯为主加填料制成的复合材料。这类材料具有耐电弧、机械强度高、易加工、耐高温、短时受电弧不碳化、烧蚀量小、烧损均匀、不受SF6分解物侵蚀等特点。2、定喷口吹弧装置(定开距灭弧装置)：沿用了空气断路器的吹弧结构，采用对称双向纵吹方式。喷口需用耐电弧性能好的金属或石墨等导电材料制成。石墨能耐高温，在电弧作用下直接由固态变成气态，逸出功大，表面烧损轻。西门子公司及其合资企业的高压压气式SF6断路器都采用定开距石墨喷口，典型代表型号
5、：3AQ和3AT两种。3、双向运动灭弧装置：为尽可能缩短断路器切除故障的时间，快速开断，有的生产厂家将原来的气缸与活塞单向运动，改为气缸与活塞同时双向运动。分闸时两者“背向运动”，合闸时两者“相向运动”。,第二节 断路器机械特性试验,断路器的分合闸时间，分合闸不同期程度，分合闸速度以及线圈的动作电压等，直接影响断路器的切合性能，并且对继电保护，自动重合闸装置以及系统的稳定带来极大的影响。对于高压断路器，刚分速度的降低将使触头的燃弧时间延长，特别是在切断短路故障时，可能使触头烧损，甚至发生爆炸。而刚合速度的降低，若合闸于短路故障时，由于阻碍触头关合电动力的作用，将引起触头振动或使其处于停滞状态，
6、同样容易引起爆炸，特别是在自动重合闸不成功的情况下更是如此。反之，速度过高，将使运动机械受到过度的机械应力，造成个别部件的损坏或缩短使用寿命，这是不允许的。断路器分合闸严重不同期，将造成线路或变压器的非全相接入或切断，从而可能出现危害绝缘的过电压。据国内运行经验，在断路器事故中，属于机械原因造成的占第一位，故现场对此应予以足够的重视。断路器的机械特性试验，应符合制造厂规定，否则须进行检修处理。其中最重要的两大参数就是时间和速度。,一、分合闸时间及同期性 1、术语定义 合闸时间：接到合闸指令瞬间起到所有极的触头都接触瞬间的时间；(合闸线圈上电作为计时起点，到所有动、静触头刚合的时间)分闸时间：接
7、到分闸指令瞬间起到所有极的触头都分离瞬间的时间；(分闸线圈上电作为计时起点，到所有动、静触头刚分的时间)同相同期：同相断口之中，分(合)闸时间的最大与最小之差值；相间同期：三相断口之中，分(合)闸时间的最大与最小之差值；2、分合闸时间的早期测量方法、数字式电子毫秒表：使用简单，测量精度差，现在已不使用。、16线光线示波器：直接在感光纸上得到各断口的时间跳变波形图，试验同时，感光纸上产生标准时间坐标分格，在标准时间坐标分格上对各断口的时间跳变波形进行分析，得到试验结果。这种方法是早期最传统、精度可靠的试验方法，但设备较沉重；使用繁琐、操作此设备需要经验丰富的试验人员；因为感光纸必须在较强光线下才
8、能显现波形，夜晚加班操作极为不便；受环保政策影响，感光纸较难购买。,3、现在普遍采用的试验方法 近十几年来，随着计算机嵌入式技术的发展，将嵌入式技术应用于断路器机械特性试验的电子仪器已成为断路器机械特性试验的主导设备。、普通金属触头断路器的时间测量：当计算机检测到分合闸线圈上电信号时，启动计算机计时器，同时对多路断口信号进行扫描采样、计时，一旦检测到断口信号状态发生改变，即停止计时，为断口的分合闸时间。用计算机采样计时，原理简单、操作方便、测量准确度高。、石墨触头(非金属触头)断路器的时间测量：普通金属触头的灭弧部分为金属材料，其动、静触头的接触和分离用一般计算机电信号检测即可。石墨触头断路器
9、的灭弧触头为非纯金属结构，其灭弧部分为半导体石墨材料，断路器分合闸动作时，电弧主要由石墨部分来熄灭，以达到保护动、静触头金属部分的目的。在断路器分合闸过程中，其金属导流桥和石墨触头的接触电阻值不是恒定的，故传统的由计算机电信号直接检测断口通断的测试方法无法准确完成。,武汉市大洋新技术有限公司自主研发和生产的DB-8003型断路器动特性分析仪，其石墨触头测试功能是主要针对西门子的石墨喷口结构(目前为3AQ和3AT两种)的断路器特别设计的。基本原理：电流电压法。在每相断口上加10A恒流源，断路器分合闸过程中，仪器自动记录断口石墨触头接触电阻的动态变化过程，绘制成每相石墨触头的动态电阻的电压变化曲线
10、，由计算机自动判别动静触头的刚分、刚合点，从而准确得到石墨触头的时间、同期值，整个过程皆由计算机自动记录，自动分析完成，测试精度高。,合闸动态电阻波形,分闸动态电阻波形,、带合闸电阻开关副触头预投时间的测量：对于500kV及以上电压等级的超高压断路器，有些生产厂家在断口两端并联加装合闸电阻，以限制其分合闸过程中的操作过电压。断路器合闸时，副触头D2先合，断口电压加在合闸电阻R上，经过预投时间t1，主触头D1后合上。,带合闸电阻断口示意图,试验规程强调：对于带合闸电阻的断路器，必须测试合闸电阻的有效接入时间(即预投时间)。预投时间：以副触头刚合作为计时起点，到主触头刚合的时间。合闸电阻为碳质烧结
11、电阻片，通流能力大。但多次高压大电流通流后，其特性变坏，影响其功能，故要测试其阻值的变化。,合闸电阻阻值测试波形图,预投时间,二、分合闸速度 1、术语定义 刚分速度：指开关分闸过程中，动触头与静触头分离瞬间的运动速度。开关技术条件无规定时，国家标准推荐取刚分后10ms内平均速度作为刚分点的瞬时速度，并以名义超程的计算点作为刚分计算点。刚合速度：指开关合闸过程中，动触头与静触头接触瞬间的运动速度。开关技术条件无规定时，国家标准推荐取刚合前10ms内平均速度作为刚合点的瞬时速度，并以名义超程的计算点作为刚合计算点。平均速度：一般指开关分(合)闸过程中，动触头总行程的前、后各去掉10%，取中间80%
12、，动触头运动的行程与时间之比。最大速度：指开关分合闸过程中每个区段速度的最大值，但区段长短应按开关技术条件的规定，如无规定，一般按10ms计算。刚分、刚合速度的其它定义：随着SF6开关和真空开关越来越普及，开关的型号越来越多，其刚分、刚合速度的定义不同，但只要测出开关动触头运动的时间-行程曲线，依据开关制造厂关于刚分、刚合速度的定义，在曲线上取出速度取样段，即可算出对应的刚分、刚合速度值(取样段内的行程与时间比)。,2、速度的早期测量方法、电磁振荡器测速 运动纸板通过测速杆与动触头连接。当振荡电磁铁线圈中通入50Hz交流电时，振动笔以100次/s的频率振动，在运动的纸板上绘出周期为10ms的振
13、荡波形。纸板上波形长度就是触头运动的总行程，行程对应的周波数，就是触头的总运动时间。在触头运动过程中，由于每相邻波峰间时间间隔为10ms，振动曲线最大波峰间的厘米数就是触头的最大速度值Vmax。,1-运动纸板；2-振动笔；3-衔铁；4-振动簧片；5-线圈；A-刚分、刚合点电磁振荡器测速原理示意图,分闸速度曲线合闸速度曲线,在振荡波形图上，两个端头分闸位置S1，合闸位置S2，以合闸位置S2为起始点，向分闸方向量取一段等于断路器超行程值的长度S0，以这一线段终点位置为动静触头的刚分（合）时刻，按国家标准规定，取触头分离后（接触前）10ms的速度为刚分（合）速度，所以视超行程终点落在曲线上的什么相位
14、，在取同相位的一个波长，即为所求刚分（合）速度。,、转鼓测速仪,断路器动触头时间-行程曲线图,1-合闸曲线 2-分闸曲线A-刚分、刚合点,转鼓测速仪是由转筒，传动系统和记录笔组成，转筒长度由断路器的行程决定，转筒周长为500mm，由同步电机带动，转速为2转/秒，线速度为1000mm/秒。测量时，在转筒上履以直角坐标纸，其纵坐标表示断路器的实际行程，横坐标每mm代表1ms，记录笔固定在在测速杆上，测速杆与动触头用机械方法连接在一起，开关动作时，测速杆上的记录笔在坐标纸上画出了断路器动触头的时间-行程关系曲线，如上图。根据绘制的动触头时间-行程关系曲线，在曲线上根据超行程值，按速度定义，测出刚分后
15、、刚合前10ms所对应的纵坐标cm数，即为直接刚分、刚合速度，单位m/s。根据曲线，能直观判断断路器动触头在整个运动过程中有无机械卡滞和缓冲不良等异常现象。曲线上斜率最大处的斜率即为开关分合闸最大速度。,3、现在常见的速度测量方法、滑线变阻器 目前这是使用较多的一种测速方法，包括很多进口仪器和国内较高档的仪器一般都使用这种方法。,滑线传感器示意图,根据断路器总行程值，选配一根适当长度、线性度良好的滑线变阻器。一端接地，一端接电源，中间滑动端连接到开关动触头(或提升杆)上，随动触头的运动而滑动，变阻器滑片采样变动的电压值，输入到计算机经A/D、采样，进行数据处理，绘制成时间电压(即时间行程)特性
16、曲线，此曲线与转鼓绘制出的曲线基本相似，经计算机按国标定义或各厂家关于速度的定义进行数据处理得出试验结果。这是目前使用较广的一种测速方法。结果直观，计算机可直接读取结果，也可对时间行程曲线进行分析，可以很精确地测出开关的运动行程及相应的速度。这种传感器需针对不同的开关，自己设计安装支架，安装时，要保持传感器的拉杆与开关动触头的运动方向平行和同步，现场使用需要有较强的安装使用经验。、旋转传感器测速 上面讲的几种方式都是直型方法测速，有很多种类的SF6开关，现场没有可以用来安装直型测速支架的地方(尤其是GIS组合电器)。这种情况下，可以在动触头传动杆的旋转轴上安装旋转传感器，也可以相应地绘制出时间
17、行程曲线。,旋转传感器分为两种，一种是旋转光电编码器；另一种是旋转变阻器，基本电气原理与直型滑线变阻器相同，就是我们通常所说的角速度传感器。旋转传感器的安装：旋转传感器的轴应尽量与开关旋转轴保持同心，否则传感器旋转有阻碍，测出曲线的毛刺会很重，影响测试数据的准确。,旋转传感器示意图,、加速度传感器测速 以上介绍的几种测速方法及传感器，不管计算机是否参与了工作，都存在现场安装不便的问题，开关的试验现场一般停电时间有限，试验项目较多，不可能有很多时间供试验人员反复安装调整测速支架。这样就给现场测速工作带来了很大的难度。寻找一种现场安装方便，测速快捷、准确的万能通用型测速传感器是仪器制造厂商努力的方
18、向。加速度传感器：这种传感器采集的是动触头运动时的加速度信号，需对其进行一系列数学运算，最终得到所需的时间行程特性曲线。加速度传感器一般安装在操作机构的提升杆或水平拉杆上，只有运动部分，无静止部分，安装和拆卸都很方便，适用于各种工程现场对各类开关的快速测量。加速度传感器的现场安装注意事项：、将传感器直接紧固安装于开关的提升杆，或水平连杆，或其它传动杆上。传感器的插座方向应与动杆的运动方向一致，尽量保持与动杆平行。如果装成歪斜可能造成测量数据不准。、传感器安装应该根据动杆粗细不同选用相应半径的卡件使传感器很牢固的卡在动杆上，不能晃动。开关动作时，传感器应紧随动杆一起运动，不可与动杆之间有相对晃动
19、，否则可致测试数据不准。,加速度传感器在平高电气LW10B-252开关上测速的现场安装图片,、开关动作时，传感器上下左右应留有一定的位置空间，不致使传感器在运动过程中与周围开关部件相撞，造成损坏。,4、关于刚分、刚合速度的定义 随着SF6开关和真空开关越来越普及，开关型号越来越多，其刚分、刚合速度的定义也不同，根据速度定义计算出的刚分（合）速度值也不一样，因此在测速前，我们必须知道开关制造厂的速度定义情况，方能得到正确的速度值。速度参数值（V=S/t）由行程和时间两个参数决定，现在的刚分、刚合速度一般有以下三种定义方式：、取动静触头的电气分合点前后的某一时间段的平均速度。如合前分后10ms。国
20、外包括合资开关厂家，如西门子、ABB等一般遵循IEC标准，取开关行程曲线上刚合点与刚合点前10ms，刚分点与刚分点后10ms作为断路器的刚合刚分速度。与我国油开关速度定义是一样的。、取动静触头的电气分合点前后的某一行程段的平均速度。如平高电气的LW6-220开关，取开关行程曲线上刚合点与刚合点前36mm，刚分点与刚分点后72mm，动触头运动的平均速度作为断路器的刚合刚分速度。、取总行程的中间某段的百分比行程内的平均速度作为定义，如前面定义的平均速度定义。,计算机测量得到时间-行程曲线后，根据开关厂速度定义，可以进行速度分析得到相对应的刚分、刚合速度。上图为LW8-35的现场试验曲线，其中A点坐
21、标（70.9ms，65.7mm）为开关刚合点，LW8-35开关的刚合速度定义为：刚合点前16mm动触头运动的平均速度。依据定义，将行程曲线上的A点往左移，得到B点，使A、B两点的纵坐标差值S为16mm左右，得到B点坐标（66.0ms，49.5mm），A、B两点即为刚合速度的两个定义点。刚合速度V=S/T=16.2mm/4.9ms=3.3m/s,三、现场接线及试验注意事项 1、安全准备工作 首先是要保证被试开关处于停电状态，开关两端地刀接地，将开关处于合闸位，切断开关的操作电源。用裸铜线将仪器金属接地柱与大地可靠连接。2、现场接线、时间断口线：用地线将三相断路器的动触头短接，然后与仪器金属接地柱
22、可靠连接。再接开关断口线。对于感应电很强的220kV、500kV等高压断路器，现场接线要戴上绝缘手套。,三断口接线图,六断口接线图,分合闸控制接线 断路器机械特性试验的仪器不一样，其操作电源的控制接线就可能不一样，具体使用不同的仪器时，请参看使用仪器的控制接线图。3、试验完成后的拆线 试验完成后，先关闭仪器电源，合上开关两端地刀，拆除仪器分合闸控制线、断口线、速度传感器及信号线、开关动触头的短接线，最后拆除保护地线。恢复现场，结束试验。,附录：一、开关的一些试验规程规程规定：一般要求开关大修后需要进行以下试验：1 测量绝缘电阻值。2 测量直流泄漏电流，试验电压为直流4060KV。3 对辅助和控
23、制回路进行2000V、1MIN 工频耐压试验。4 对SF6 断路器相对地和断口间进行工频耐压试验，耐压值为额定值的80%，断路器应连同附装的并联电容器和并联电阻器一同进行试验。5 测量回路电阻，用不小于100A 的直流电流测量各导电部位的回路电阻，导电回路各个联接部位电阻所占的比例应列入技术条件中。6 气体及液体介质的检验(生物与化学)。7 测量断路器内的SF6气体含水量，其值应小于150PPM(体积之比,20)8 各种辅助设备的检验，如继电器、压力开关、加热器等。,9 测量分、合闸线圈的直流电阻和最低动作电压。10 测量电阻器、电容器的阻值和容值，测量电容器的介损。11 测量气体断路器的漏气
24、率和液压(气动)机构的泄漏量。12 按机械操作试验要求方式，就地和遥控分别进行3 次操作试验，同时测量各机械特性参数。13 断路器联锁装置的校核试验。,二、断路器、隔离开关大修前后的机械电气参数测试、事故点及反措 事故点1拆、装交直流电源时，发生短路灼伤 反措11 严禁越过熔丝接电源。12 电源线不得被辗、被砸、被压，长度适当。事故点2进行机械参数调整时，人员配合不协调碰伤面部和手、脚 反措 21 测试人员和操作人协商好，由测试人发令。22 严禁将手脚踩放在传动部位的可动部件上。23 测量时头部和手不得接近测量杆。事故点3进行电气参数实验时，低压触电 反措31 测试仪器，仪表的电源接头应绝缘良
25、好。32 测速时禁止用手扶持。33 进行主回路电阻值和泄漏电流值测定时，其它本体的作业须停止，作业人员撤离工作位置。,三、五防锁是防止那五防误操作的？防止的五种误操作是：1、防止误拉、合断路器。2、防止误入带电间隔。3、防止带负荷拉合隔离开关。4、防止带电挂地线。5、防止带地线合隔离开关。,四、怎样对断路器进行验收？1、对断路器的调试记录进行审核；2、对断路器的外观检查，包括油位及密封情况、瓷质部分，接地应完好。各部件无渗漏油等；3、机构的二次线接头应紧固，接线正确，绝缘良好。接触器无卡涩，接触良好。辅助开关打开距离合适，动作接触无问题。4、液压机构应无渗油现象，各管路接头均紧固。各微动开关动作正确无问题。预充压合乎标准。5、手动合闸不卡劲，电动分合动作正确，保护信号灯指示正确。6、记录验收中发现的问题及缺陷，上报有关部门。,
