工程科技低中高压断路器简介

工程科技低中高压断路器简介

低中高压断路器简介 电接触理论课程 提纲 绪论 低压断路器 （原理、类型、结构、发展趋势） 高压断路器 （类型、机构、 SF6 断路器、发展趋势） 中压断路器 （真空断路器、中压开关柜、发展趋势） 总结 电压等级划分 低压： 1200V 及以下（交流） 1500V 及以下（直流） 包括： 220V ， 380V ， 660V ， 1140V （交流） 220V ， 440V （直流） 中压： 3.6KV ～ 40.5KV 包括： 3.6KV ， 7.2KV ， 12KV ， 24KV ， 40.5KV 高压： 40.5KV 以上 包括： 72.5KV ， 126KV ， 252kV ， 363kV ， 550kV ， 800kV ， 1100kV 断路器 定义：能闭合、承载以及分断正常电路条件下的电流，也能在规定的异常电路条件（例如短路）下闭合、承载一定时间和分断电流的机械开关设备。 基本要求：除必须满足绝缘、发热和电动力等方面的基本要求外，还必须满足： 1. 完成定义中的各种要求 2. 尽可能缩短断路器切除故障的时间 3. 能自动重合闸 断路器分类 低压断路器 功能：不频繁通断电路，并能在电路过载、短路及失压时自动分断电路。 特点：操作安全，分断能力较高。 空气断路器 按结构分类： 框架式（万能式） ACB 、 塑壳式（装置式） MCCB【 和微断 MCB】 结构：触头系统、灭弧装置、脱扣机构、传动机构、 基架和外壳等 。 低压断路器的图形、文字符号 QF 低压断路器原理图 1 ．主触头 2 ．锁扣 3 ．过电流脱扣器 4 ．分励脱扣器 5 ．热脱扣器 6 ．失压脱扣器 7 ．按钮 过电流脱扣器 线路短路 or 严重过载保护 热脱扣器 线路过载保护 分励脱扣器 远距离操作分闸 对电路不起保护作用 失压脱扣器 电路的欠压或零压保护 触头系统 主触头 在正常情况下可以接通分断负荷电流，在故障情况下还必须可靠分断故障电流。 单断口指式触头、双断口桥式触头、插入式触头等。 弧触头 开关合闸时，弧触头承担合闸的电磨损；开关分闸时，弧触头承担电路分断时的强电弧，起保护主触头的作用。 副触头 在容量较大的低压断路器中，还常将指式触头做成两挡或三挡，形成主触头、副触头和弧触头并联的形式。 抑制分合涌流。 （分闸顺序：主 -> 副 -> 弧，合闸相反） 辅助触头 很多情况下断路器的主触头电流很大，或电压很高，不能直接用于监测，必须通过辅助触头来代替。 框架断路器 ABB 的 F 、 Emax 系列、施耐德的 M 、 MT 系列、穆勒的 IZM 系列、西门子的 WL 系列、国产的 DW 系列等。 所有零件都装在一个绝缘的金属框架内，常为开启式，可装设多种附件，更换触头和部件较为方便。（可分为普通式和限流式） 容量大、极限短路分断能力高和足够的短时耐受电流 。 功能完善但价格贵 。 多用于作为低压配电系统的主开关，以及重要的、负载较大的主干线的保护。 塑壳断路器 ABB 的 lsomaxS 、 Tmax 系列、施耐德的 NS 、 NSX 系列、国产的 DZ20 系列等。 所有零件都密封于外壳中，辅助触点、欠压脱扣器以及分励脱扣器等多采用模块化，结构紧凑，基本不能检修。（可分为普通式和限流式） 体积小、接触防护好、安装使用方便、价格相对便宜。 与 ACB 比， MCCB 的容量小，短路分断能力低，选择性和短时耐受能力差。 主要用于未端线路和一些分干线，主要作电动机、小容量配电线路。 微断 ABB 的 S250 系列、施耐德的 C65 系列、国产的 DZ47 系列等。 也是塑壳断路器的一种，因其体积很小把它另列，微断的特点是结构紧凑、接触防护好、安装使用方便、价格便宜。 与塑壳式断路器相比容量更小，短路分断能力更低，短时耐受能力更差 。 主要做微小型电动机、小容量配电线路和照明保护和家用。 万能式低压断路器结构图 DW15-1000~4000 型断路器 低压断路器发展趋势 （ 1 ）高性能、高可靠、小型化 提高短路分断能力（主要从提高限流能力着手） 提高分断可靠性（包括缩小飞弧距离，防止相间飞弧） 小型化（改变产品结构） （ 2 ）结构模块化、装配积木化、附件齐全 尺寸模数化、安装轨导化、外形尺寸一致、性能协调。 内部附件结构模块化、安装积木化，且全系列通用。 派生规格及外部附件齐全 。 （ 3 ）智能化 装配智能脱扣器：保护功能齐全，有外部电路各种故障保护；具有内部故障自诊断及自动报警功能；故障动作记忆及显示；电路参数测定；具有双向通信功能等；能在极短时间内实现选择性保护。 高压断路器分类 按 灭弧介质 分为 : 油断路器， 空气断路器，真空断路器，六氟化硫断路器， 固体产气断路器， 磁吹断路器。 按安装地点可分为户内式和户外式两种。 按安装方式分：落地式、支持式、悬臂式。 按灭弧能量的来源分：自能式（利用电弧自身能量熄灭电弧的方式）、外能式（利用其他能量熄灭电弧的方式）。 按用途分：发电机用断路器、输电用断路器、配电用断路器、特殊用途断路器 高压断路器机构 断路器由 开断元件、绝缘支撑元件、传动机构、基座、操动机构 组成。 开断元件：包括导电回路、动静触头和灭弧装置。 基 座 开断元件 绝缘 支撑 元件 传动 元件 操动 机构 操动机构 操动机构：用来提供能量，操动开关分、合闸。 根据能量形式的不同，操动机构可分为： 手动操动机构（ CS ） 电磁操动机构（ CD ） 电动机操动机构（ CJ ） 气动操动机构（ CQ ） 弹簧操动机构（ CT ） 液压操动机构（ CY ） 等。 优点： （ 1 ）不需要直流电源； （ 2 ）暂时失去电源时仍能 操作多次； （ 3 ）功率大、动作快、操作 平稳。 缺点： （ 1 ）加工精度要求高； （ 2 ）价格较贵。 应用： 适用于 126KV 及以上 的高压断路器，是发展方向。 优点：（ 1 ）要求电源的容量小； （ 2 ）交、直电源都可用； （ 3 ）暂时失去电源时仍 能操作一次。 缺点：（ 1 ）结构较复杂； （ 2 ）零部件的加工精度 要求高。 应用：用于中、小型断路器， 是发展方向。 SF6 气体性质 无色、无味、无毒、不会燃烧、化学性能稳定 具有 优良的灭弧性能 ，相当于空气的 100 倍：热化学性能好、电负性强、电弧时间常数小。 具有 优良的绝缘性能 ，空气的 3 倍。 分解物有剧毒，必须严格控制水分含量；采用 吸附剂 吸附分解物和水分。 SF6 气体优良的绝缘和灭弧性能，使 SF6 断路器具有如下优点：开断能力强，断口电压使于做得较高，允许连续开断次数较多，适用于频繁操作，噪音小，无火灾危险，机电磨损小等，是一种性能优异的 " 无维修 " 断路器。在高压中应用越来越多。 SF6 断路器灭弧装置 按所利用能源的不同： 外能式 自能式 混合式 按开断过程中，灭弧装置工作特点的不同 ： 气吹式 双压式 单压式（压气式） 热膨胀式 磁吹旋转电弧式（旋弧式） 混合式 气吹式 双压式：设置有高压和低压两种压力的 SF6 气体系统。高压气体用作灭弧 ，低压气体用作绝缘。结构复杂、价格昂贵，高压气体在低温下需加热才能工作。已被淘汰。 单压式（压气式）：内部只有一种压力 ，依靠压气作用实现气吹来灭弧 。 定开距式： 开距不随动触头的运动而变化。 变开距式： 开距随动触头的运动而变化。 1 2 3 4 5 6 定开距式 1—— 压气缸， 2—— 动触头， 3 、 4—— 主触头， 4—— 压气室， 6—— 固定活塞 优点：开距小、电弧短、电弧电压低、能量小，有利于灭弧。 电场均匀性好、行程短、结构紧凑。 缺点 ：气体利用率低、灭弧室体积大。 变开距式 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1—— 静主触头， 2 —— 静弧触头， 3—— 喷嘴， 4—— 动主触头， 5—— 动弧触头， 6—— 压气缸， 7—— 固定活塞， 8—— 中间触头， 9—— 动触杆 变开距 SF6 断路器的工作原理 优点：气体利用率高、喷嘴与动弧触头分开，其形状可根据气流设计，有利于灭弧。开距大、断口电压高。 缺点：电弧长、电弧电压高、能量大，对灭弧不利。喷嘴容易被电弧烧伤。 热膨胀式 自能式的一种 利用电弧本身的能量， 加热 SF6 气体 ，气体受热力图膨胀体积，但 SF6 断路器中贮气腔的体积是一定的，因此加热的结果就 使 SF6 气体压力升高 ，产生 气流吹向电弧 而使之熄灭。 可采用 低操作功的弹簧操动机构 ，而不用大容量的液压机构。 所有 自能式 灭弧装置的 开断能力与电弧能量有关 ，开断电流越大，则电弧能量越大，所产生的压力差也越高，开断性能就好。而当开断小电流时，电弧能量小，压力差也低，熄弧能力就差。这是自能灭弧室所固有的缺点。纯粹的自能灭弧室不能兼顾开断大电流和开断小电流两者矛盾的要求，难于在实际断路器中被单独使用。 旋弧式 自能式的一种 利用 SF6 气体中电弧在磁场作用下快速转动而使电弧熄灭。 由于 SF6 灭弧装置是密闭的，为了不增加结构尺寸，通常设计成磁吹作用下电弧的旋转运动，故称为旋弧式灭弧装置。 分为在轴向磁场作用下的径向旋弧式和在径向磁场作用下的轴向旋弧式两类。 具有自能灭弧室固有缺点。 混合式 由两种以上灭弧方式综合设计、外能与自能结合的灭弧装置，以有效地利用电弧能量和解决开断大电流和小电流的矛盾。目前采用的有如下几种： （ 1 ）热膨胀 + 压气（助吹） （ 2 ）热膨胀 + 压气（助吹） + 助推 （ 3 ）旋弧 + 热膨胀 + 压气 （ 4 ）旋弧 + 热膨胀 （ 5 ）压气 + 热膨胀 SF6 断路器的分类 按结构分为 ：瓷柱式、落地罐式和气体封闭组合电器（ GIS ）。 断路器 控制箱 主母线 避雷器 电流互感器 隔离开关 线路PT 隔离开关 接地刀闸 密度继电器 SF6 断路器优缺点 优点： （ 1 ）可以 提高单断口的额定电压和开断电流 。 （ 2 ）适合 各种工况 开断：切小电感电流时较少发生截流现象；切空载架空线时不会发生多次重击穿；能承受快速上升的瞬态恢复电压，尤适于开断近区故障。 （ 3 ）满容量开断次数多，检修周期长。 （ 4 ）可集合成 GIS 。 缺点： （ 1 ）电弧作用下分解物对人体健康有影响（吸附） （ 2 ） 温室效应 高压断路器发展趋势 发展特高压、大容量，交、直流断路器 小型化、紧凑型 智能化、信息化 高可靠、少（免）维修 环保型 （ 1. 降低操作噪音，符合居民环境要求。 2. 消除介质泄露（油、气），无污染。 3. 研究新的介质，改善或取代 SF6 。） 经济实用型 中压断路器 真空断路器：利用真空作为触头间的绝缘与灭弧介质的断路器。 真空中的绝缘击穿电压，根据 电极材料与表面状态 的不同而有显著差别。影响真空间隙击穿电压的因素有（ 1 ）真空间隙距离；（ 2 ）真空度；（ 3 ）电极材料；（ 4 ）电极表面状况；（ 5 ）电极老炼 维持真空电弧的是 金属蒸气 而不是气体分子，真空电弧实为金属蒸气电弧。 金属蒸气来自触头材料的蒸发，因此电极材料的特性对真空电弧的性质起支配作用。 电极现象是研究真空电弧的出发点和重要内容。 真空电弧 扩散型：小电流 ( 几千安 ) 下的真空电弧 集聚型：一万安以上大电流的真空电弧 电弧电流 <100A 时 -> 阴极斑点 -> 发射电子和产生金属蒸气 -> 电子与金属蒸气的原于碰撞会游离出新的电子和正离子 -> 向阳极运动过程中还会向径向密度低的地区扩散 -> 呈现出一个圆锥状的微弱发光区域 阴极斑点的数量与电弧电流的大小、阴极材料的熔点和热传导系数有关。材料的熔点越低，热传导系数越小，每一斑点通导的电流也越小。 真空电弧 电弧电流增大 -> 阴极斑点的数量增加 -> 阴极斑点不断消失、不断产生且向边缘扩散 ( 扩散型真空电弧 ) 扩散型电弧的特点：阴极斑点数量多，且不断在阴极表面运动，电弧间隙中同时存在着很多个并联支弧，而阳极表面尚未形成高温的阳极斑点。 真空电弧 电弧电流大于某一临界值 -> 阴极斑点不再向四周扩散而是集聚在一个或几个较大的面积上并出现阳极斑点 ( 集聚型真空电弧 ) 通常认为出现了集聚型真空电弧形态即意味着达到了极限开断能力。 集聚型真空电弧的弧柱区有很高的蒸汽压力，其电弧电压比扩散型有明显增加，使电弧能量更大。 真空电弧的熄灭 扩散型交流真空电弧：在电流过零后，电极不会再产生新的阴极斑点，间隙的介质强度恢复也十分迅速，因此，若此时触头间距已有足够大，就不会发生重燃现象，一般在电流过零后就可最终熄灭。 集聚型 交流真空电弧：由于阴极和阳极表面都有面积较大、且有一定深度的 熔区 ，这些熔区仍向弧隙提供大量金属蒸汽，在恢复电压的上升过程中，充满金属蒸汽的弧隙要发生击穿而使 电弧重燃 。 集聚型交流真空电弧难于熄灭，不能用它来开断电流。所以用真空电弧开断较大的交流短路电流时，须采取必要的措施： 采用 纵向磁吹触头 ，提高集聚电流值。 采用 横向磁吹触头 ，使集聚型电弧快速移动，避免电极表面局部升温；在后半周电流减小时使电弧重新变为扩散型电弧，这样电流过零时就没有阳极斑点。 横向磁吹触头 杯状触头 螺旋槽触头 杯状纵磁触头 纵向磁吹触头 铁芯式纵磁触头 线圈式纵磁触头 增强型线圈式纵磁触头 真空灭弧室 1—— 静端盖板 2—— 静导电杆 3—— 触头 4—— 主屏蔽罩 5—— 绝缘筒 6—— 波纹管屏蔽罩 7—— 动端盖板 8—— 波纹管 9—— 导向套 10—— 动导电杆 外壳 波纹管 屏蔽罩 触头 决定开断能力和电气寿命，对接式 ，铜铬合金 气密、机械强度、绝缘 动态气密、抗疲劳，决定机械寿命 主屏蔽罩、波纹管屏蔽罩和均压屏蔽罩 永磁操动机构 实质：利用永磁体实现合闸保持和分闸保持（有时作合闸保持而不作分闸保持）的一种形式的电磁操动机构。 大大减少机械零件数，简化了结构，提高了可靠性； 机械寿命长； 具有好的力 — 行程特性 真空断路器的特点 （ 1 ）真空的 绝缘强度高，熄弧能力强，燃弧时间短，全分断时间也短。 （ 2 ）熄弧时间短，触头电磨损小，因此分断次数多，电寿命长， 适于频繁操作 ，特别适合于切断电容性负载电路，触头不受外界有害气体的侵蚀。 （ 3 ）触头开距小， 减少了操动机构的操作功 ，机械寿命也长。 （ 4 ）结构简单，在使用期限内，触头部分 不需维修、检查 ，即使机构需要维修检察，也十分简便，需要的时间很短。 （ 5 ）体积小，重量轻。 （ 6 ） 环境污染小 。开断在密闭容器内进行，电弧生成物不会污染周围环境，操作时也没有严重噪音，没有易燃易爆介质，无爆炸和火灾危险。 中压开关柜 全称： 3.6kV~40.5kV 交流金属封闭开关设备和控制设备 由一次回路元件（中压断路器、负荷开关、接触器、熔断器、隔离开关、接地开关、互感器等） ，以及控制、测量、保护、调节装置，内部连接件、辅件、外壳和支持件等组成的成套配电装置，其内的空间以气体或复合绝缘材料作为介质，用作接受和分配电网的三相电能。 分类：金属铠装式、间隔式、箱式 结构： 母线室 A ， 断路器室 B ， 电缆室 C ， 低压室 D 金属铠装式中压开关柜 中压断路器的发展趋势 （ 1 ）真空取代 SF6 （ 2 ）模块化、一体化 （ 3 ）永磁机构的发展 零部件数量锐减 70% ，大大提高了断路器的可靠性和使用寿命，永磁机构的机械寿命一般都在 10 万次以上。 永磁机构的可靠性、安全性、经济性仍达不到要求。 研发同步断路器（其基本原理是使真空断路器在电压或电流最有利时刻关合或开断） 总结 类型 介质 接触形式 触头闭合方式 触头材料 电弧特点 灭弧原理 低压断路器 空气 点接触 拍合式 银基材料（如 AgMeO ） 第一阶段金属蒸汽电弧，第二阶段气体电弧。 绝缘栅片冷却，金属栅片将电弧切成短弧。 SF6 断路器 SF6 气体 线接触 插入式 铜钨 第一阶段金属蒸汽电弧，第二阶段气体电弧。 SF6 气体特异的热化学性质和强电负性。 气吹、热膨胀、旋弧 真空断路器 真空 面接触 直动式 铜铬合金 金属蒸汽电弧，正的伏安特性（电弧电压随电流增大而增加） 随着电流减小，金属蒸汽密度和带电质点密度下降，触头间电弧的温度和压力急剧下降，电弧不能维持而熄灭。 横向磁吹触头、纵向磁吹触头