06-02-高压断路器和隔离开关.pptx

第1页：6.2 高压断路器和隔离开关

本章讲授高压断路器和隔离开关的工作原理与选择方法，重点是开关电器切断电流时的电弧形成与熄灭过程，以及按正常工作条件选择、按短路状态校验的工程做法。

第2页：开关电器与断路器

开关电器按功能可分为两类：

• 仅用于正常情况断开或闭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；
• 仅用于故障情况断开过负荷电流或短路电流的开关电器，如熔断器、断路器。

第3页：断路器的作用

高压断路器的作用体现在两个方面：

• 正常情况：控制各种电力线路和设备的开断与关合；
• 故障情况：与继电保护配合，自动切除电力系统的短路电流，保证无故障部分继续正常运行。

因此断路器既是控制电器，又是保护电器。

第4页：电弧的形成与熄灭

用开关电器切断通有电流的电路时，只要电源电压大于 10~20 V、电流大于 80~100 mA，在动、静触头分离瞬间就会产生电弧。

电弧若不能迅速熄灭，将烧损触头、延长开断时间，甚至造成开关爆炸，因此灭弧能力是断路器最核心的性能。

第5页：电弧的产生、维持与熄灭

电弧的产生

阴极发射电子（热电子发射、强电场电子发射），电子在电场中加速并产生碰撞游离，形成电弧。

电弧的维持

弧柱高温下持续的热游离维持导电通道。

电弧的熄灭

当去游离过程强于游离过程时电弧熄灭，反之电弧持续燃烧。

第6页：交流电弧的特点

交流电弧的电流数值随时间变动，电弧功率也随之变动：

• 电弧功率增大时，电弧温度升高；
• 电弧功率减小时，电弧温度降低。

由于弧柱存在热惯性，温度变化滞后于电流变化，这一特性决定了交流电弧会在电流过零时出现熄灭的机会。

第7页：电流过零与弧隙恢复过程

在交流电流过零时，电弧将自动熄灭，但这并不等于最终熄灭。熄弧后弧隙中同时存在两个恢复过程：

• 弧隙介质强度恢复过程——弧隙介质恢复到正常绝缘状态的耐压能力，用 u_d(t) 表示；
• 弧隙电压恢复过程——弧隙电压由熄弧电压恢复到电源电压的过程，用 u_r(t) 表示。

第8页：弧隙介质强度恢复过程

弧隙介质强度恢复过程是指弧隙中介质强度恢复到绝缘正常状态的过程，以其能耐受的电压 u_d(t) 衡量。

介质恢复速度取决于灭弧介质：

• 真空、SF₆ 介质强度恢复最快，灭弧性能最好；
• 空气次之；
• 油介质恢复相对较慢。

第9页：近阴极效应与熄灭条件

电流过零瞬间，弧隙中剩余的正离子与新阴极形成空间电荷层，产生近阴极效应：新阴极附近立即出现约 150~250 V 的初始介质强度。

利用近阴极效应，可以做成灭弧栅（把长弧切成若干短弧），使每段短弧都获得一个初始介质强度，从而显著提高灭弧能力。

第10页：弧隙电压恢复过程

弧隙电压恢复过程是指弧隙电压由熄弧电压逐渐恢复到电源电压的过程，以 u_r(t) 表示。

影响因素

线路参数（电感、电容、电阻）、负荷性质、短路类型与中性点接地方式等；

工程意义

恢复电压上升速度过快会使弧隙重新击穿，导致开断失败。

第11页：交流电弧的熄灭条件

电弧电流自然过零后，弧隙中同时存在 u_r(t) 与 u_d(t) 两个过程：

• 若 u_d(t) > u_r(t)，弧隙不再被击穿，电弧最终熄灭；
• 若 u_d(t) < u_r(t)，弧隙重新击穿，电弧继续燃烧。

一切灭弧措施，本质上都是提高介质强度恢复速度或降低弧隙电压恢复速度。

第12页：熄灭电弧的基本方法

提高去游离作用、加快介质强度恢复的基本方法：

• 利用灭弧介质：不同介质具有不同的传热能力、介电能力、热游离温度和热容量，这些参数越大，去游离作用越强；
• 采用特殊灭弧结构：如灭弧栅、纵吹与横吹气吹、油吹、真空灭弧室等；
• 提高触头分离速度，快速拉长并冷却电弧。

第13页：断路器并联电阻

在多断口及大容量断路器中，常在断口上并联电阻，其作用：

• 对电弧起分流作用，减小流经弧隙的电流；
• 改变恢复电压的恢复特性：当并联电阻 r < r_cr 时，电压恢复过程为非周期性；当 r > r_cr 时为周期性，可降低恢复电压上升速度。

第14页：多断口断路器与并联电容

多断口断路器存在的问题：每一个断口在开断位置的电压分配和开断过程中的恢复电压分配不均匀（受对地杂散电容影响，靠近电源的断口承受电压更高）。

解决办法：在各断口上并联电容（均压电容），使各断口电压与恢复电压趋于均匀，充分利用每个断口的灭弧能力。

第15页：高压断路器的种类

高压断路器按灭弧介质和灭弧方式分类：

按安装地点还可分为户内式与户外式。

第16页：断路器的型号

断路器型号由字母和数字两部分组成，按顺序依次表示：

• 产品名称字母；
• 使用环境与设计序号；
• 额定电压（kV）；
• 派生代号：C—手车式，G—改进式；
• 额定电流（A）；
• 其他补充代号。

第17页：断路器技术参数：额定电压

高压断路器的主要技术参数：

① 额定电压 U_N（kV）

断路器正常工作时系统的额定（线）电压，是断路器的标称电压。

② 额定电流 I_N（A）

长期允许通过的工作电流。

③ 额定开断电流 I_Nbr（kA）

在额定电压下能保证开断的最大短路电流有效值。

④ 额定关合电流 i_Ncl（kA）

合闸时能关合而不致触头熔焊的最大短路电流峰值。

第18页：额定峰值耐受电流

④ 额定峰值耐受电流 i_es（kA）：在规定条件下，断路器在合闸位置所能经受电流的峰值。

它反映设备承受短路电流电动效应的能力，即动稳定能力。

⑤ 额定短时耐受电流 I_t（kA）

规定时间内允许通过的短路电流有效值；

⑥ 额定短路持续时间 t（s）

与 I_t 配合，表征热稳定能力。

第19页：断路器开断时间

⑦ 开断时间（ms）：从断路器分闸线圈通电起，至三相电弧完全熄灭为止的时间。

开断时间 = 分闸时间（固有分闸时间）+ 燃弧时间。

开断时间是评价断路器切除故障速度的关键指标，直接影响系统稳定性。

第20页：金属短接时间与无电流间隔时间

⑩ 金属短接时间（ms）

断路器在合—分（O—C—O）操作时，从动、静触头刚接触到刚分离的一段时间。

⑪ 无电流间隔时间（ms）

自动重合闸过程中，从电弧熄灭到触头重新接触、电流重新出现之间的时间间隔。

第21页：断路器的选择条件

1. 种类和型式的选择

依据各类断路器的特点及使用环境、条件决定（如户内/户外、SF₆/真空）。

2. 额定电压和电流的选择

U_N ≥ U_Ns，I_N ≥ I_max。

3. 开断电流的选择

额定开断电流不小于开断瞬间的短路电流有效值，即 I_Nbr ≥ I_k。

第22页：短路热稳定与动稳定校验

断路器还需按短路状态进行校验：

热稳定校验

I_t²t ≥ Q_k，即设备允许的热效应不小于短路电流产生的热效应。

动稳定校验

i_es ≥ i_sh，即额定峰值耐受电流不小于短路冲击电流。

第23页：隔离开关的作用

隔离开关的主要作用：

• 隔离电压：检修电气设备时，将被检修设备与电源电压隔离，确保检修安全；
• 倒闸操作：投入备用母线或旁路母线，改变运行方式；
• 分、合小电流电路：如分合电压互感器、避雷器及空载短线路等。

隔离开关没有灭弧装置，严禁带负荷拉合刀闸。

第24页：隔离开关的类型

第25页：隔离开关的选择与校验

隔离开关的选择和校验项目：

• ① 型式的选择；
• ② 额定电压的选择：U_N ≥ U_Ns；
• ③ 额定电流的选择：I_N ≥ I_max；
• ④ 短路热稳定校验：I_t²t ≥ Q_k；
• ⑤ 短路动稳定校验：i_es ≥ i_sh。