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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：,通常要求高壓電器具有以下性能特點：可靠性高。高壓電器是電力系統(tǒng)中的控制和保護(hù)裝置，若可靠性不高，在線路發(fā)生故障時不能正?？刂疲瑒t影響范圍會迅速擴(kuò)大，造成大面積停電。能承受很大的瞬時功率。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。動作時間快。開斷故障電流的時間快慢，影響電力系統(tǒng)傳輸功率的大小和運(yùn)行穩(wěn)定性。,電力系統(tǒng)
2、對高壓開關(guān)電器的基本要求,（1）絕緣：對地、斷口間、相間長期承受電力系統(tǒng)最高工作電壓；短時承受工頻、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、滅弧裝置、絕緣部件、底座、傳動機(jī)構(gòu)、操動機(jī)構(gòu)等組成。導(dǎo)電回路用來承載電流；可分觸頭是使電路接通或分?jǐn)嗟膱?zhí)行元件；滅弧裝置則是用來迅速、可靠地熄滅電弧,使電路最終斷開。與其他開關(guān)相比，斷路器的滅弧裝置的熄弧能力
3、最強(qiáng)，結(jié)構(gòu)也比較復(fù)雜。觸頭的分合運(yùn)動是靠操動機(jī)構(gòu)作功并經(jīng)傳動機(jī)構(gòu)傳遞力來帶動的。其操作方式可分為手動、電動、氣動和液壓等。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。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觸頭間隙產(chǎn)生電弧，認(rèn)為電
4、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開關(guān)作用的根本觀點來看，電弧具有極為重要的特性，對于高電壓大電流電路的分合來說，只有產(chǎn)生電弧才能完成這個作用，這樣一種觀點作為開關(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
5、現(xiàn)，對于高電壓大電流電路來說、只有產(chǎn)生電弧、才能實現(xiàn)對電弧等離子體的溫度控制。對于高壓開關(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電弧等離子體的控制，加速其電導(dǎo)率的變化。,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，
6、要保證電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行，對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)境變化也會對其工作性能產(chǎn)生影響。因此在電器設(shè)計時，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，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)語的兩個名詞： 標(biāo)稱值（nominal value）：用以標(biāo)識一個元件、器件或設(shè)備的合適的近似量值。 額定值（rated value）：一般由制造廠對一個元件、器件或設(shè)備在規(guī)定工作條件下所規(guī)定的一個量值。,（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
7、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，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。,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。 高壓電器工作時還應(yīng)耐受高于額定電壓的各種過電壓作用，而不會導(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。,（
8、2）電流方面,高壓電器長期通過工作電流時，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)合位置通過短路電流時，不應(yīng)因電動力受到損壞，各部分溫度也不應(yīng)超過短時工作的允許值，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、額定短時耐受電流和額定短路持續(xù)時間。 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系列即是按比值為101/10遞增或遞減的級數(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
9、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)。這是因為允許的發(fā)熱溫度有規(guī)定，當(dāng)額定電流增大時，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)時間內(nèi)，電器在關(guān)合位置時能承載的電流有效值。,額定短時耐受電流的標(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)時間：斷路器在合閘位置時能承載額定短時耐受電流的時間間隔。 額定峰值耐受（動穩(wěn)定）電流：在規(guī)定的使用和性能條件下，機(jī)械開關(guān)在合閘位置時能承載的額定短時耐受電流第一個大半波的電流峰值。 額定峰值耐受電流標(biāo)準(zhǔn)值等于2.
10、5倍額定短時耐受電流。按照電力系統(tǒng)特性和開關(guān)設(shè)備的操作特點，可能要求高于2.5倍額定短時耐受電流的值，例如，當(dāng)系統(tǒng)直流分量的衰減時間常數(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，觸頭分離后觸頭間會出現(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)生短路故障時短路電流比正常負(fù)荷電流大得多，這時電路最難開斷。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。,
11、額定短路開斷電流由兩個值來表征 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。 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)盡快動作，開關(guān)電器開斷得越快越好。這樣可以縮短電力系統(tǒng)故障存在的時間，減輕短路電流對電力設(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。 開斷時間是標(biāo)志開關(guān)電器開斷過程快慢的參
12、數(shù)。 開斷時間是指開關(guān)電器接到分閘指令起到所有極中電弧都熄滅的時間間隔。開斷時間由分閘時間和燃弧時間兩部分組成。,分閘時間指開關(guān)電器接到分閘指令起到所有極的弧觸頭分離瞬間的時間間隔。 燃弧時間是指開關(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間間隔。 對于高壓開關(guān)電器分閘時間和燃弧時間都必須盡量縮短。,（3）關(guān)合短路故障,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，在關(guān)合過程中，常在動、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
13、現(xiàn)短路電流，會對開關(guān)電器的關(guān)合造成很大的阻力，這是由于短路電流產(chǎn)生的電動力造成的。有的情況下，甚至出現(xiàn)動觸頭合不到底的情況。此時在觸頭間形成持續(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）時為止的時間，它是合閘時間與預(yù)擊穿時間之差。 合閘時間指開關(guān)器接到合閘指令起到所有極觸頭均接觸為止的時間 預(yù)擊穿時間是指關(guān)合時從任意
14、一極中首先出現(xiàn)電流到所有極中觸頭均接觸的時間。,（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除開合一般負(fù)荷外，有時需要關(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，對開關(guān)電器的要求是在開合過程中，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
15、路充電電流，開斷時不得重?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，開斷時不得重?fù)舸?，且過電壓不得大規(guī)定的數(shù)值。 額定單個電容器組開斷電流，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，開斷時不得出現(xiàn)重?fù)舸?，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)并沒有連接多個并聯(lián)電容器。單個電容器組開斷電流的額定值應(yīng)從R10數(shù)系中選取。,額定背對背電容器組開斷
16、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，開斷時不得出現(xiàn)重?fù)舸?，在運(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。背對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2kHz5kHz范圍內(nèi)。,3 自然環(huán)境方面,（1）周圍空氣溫度 溫度過低，會使高壓電器內(nèi)部的變壓器油、潤滑油、液壓油的粘度增加，影響電器的分
17、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，允許降低負(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，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)度也會降低。,（2）海拔 海拔會對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、對用于海拔高于1000m但不超過4000m處的高壓電器，海拔每升
18、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)行溫升試驗時，溫升的允許值必須降低。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，每超過100m（以海拔1000m為起點），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)能在日平均相對濕度不大于95，月平均相對濕度不大
19、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，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。對于污穢地區(qū)，門窗不嚴(yán)的斷路器室，如果清掃不及時，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)計中應(yīng)考慮這種風(fēng)力載荷。,
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