变电所的高压开关设备（发电厂变电所开关电器介绍）

第六章 开关电器

第一节 概 述

开关电器主要用来闭合与开断正常电路和故障电路或用来隔离高压电源的。在发电厂和变电所中，开关电器是主系统的重要设备之一。

根据开关电器在电路中担负的任务，可以分为下列几类。

（1）仅用来在正常工作情况下，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。

（2）仅用来断开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。电路开断后，熔断器必须更换部件后才能再次使用。

（3）既用来断开或闭合正常工作电流，也用来断开或闭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。隔离开关可作接地开关用。

其中，高压断路器是电力系统中最重要、最复杂的开关电器，起着控制和保护的作用。

对高压断路器的基本要求是：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。断路器最重要的任务就是熄灭电弧，所以，各种断路器都有不同结构的灭弧装置，它在很大程度上，影响断路器的灭弧性能。

根据断路器所采用的灭弧介质及作用原理，断路器可分为下列几种类型。

1.油断路器

采用油作为灭弧介质的断路器叫油断路器。断路器中的油除了作为灭弧介质外，还作为触头开断后的弧隙绝缘以及带电部分与接地外壳之间的绝缘介质的，称为多油断路器；油只作灭弧介质和触头开断后的弧隙绝缘介质，而带电部分对地之间的绝缘采用瓷介质的，则称为少油断路器。少油断路器的用油量少、体积也相应的小些、耗钢材也少，所以，目前我国生产的高压油断路器主要是少油断路器。

2.压缩空气断路器（简称空气断路器）

采用压缩空气作为灭弧介质的断路器，叫做压缩空气断路器。压缩空气除了作灭弧介质外，还作为触头开断后的弧隙绝缘介质。空气断路器具有灭弧能力强、动作迅速等特点，但结构较复杂、有色金属消耗量较大，因此，它一般应用于220KV及以上电压级的大系统中。

3.六氟化硫（SF6）断路器

采用具有优良灭弧性能和绝缘性能的SF6气体作灭弧介质的断路器，称为SF6断路器。它具有开断能力强、体积小等特点，但结构较复杂，金属消耗量大、价格较贵。一般用于220KV电压等级以上，并与以SF6作为绝缘的有关电气组成封闭式组合电器（GIS），这样可以大量节省占地面积和减少投资。

4.真空断路器

利用真空的高介质强度来灭弧的断路器，称为真空断路器。这种断路器具有灭弧速度快、触头材料不易氧化、寿命长、体积小等特点。目前主要用在35KV以下装置中。

5.自动产气断路器

这种断路器的灭弧室内壁有一种产气材料，当断路器动作产生气体吹弧。我国生产的FN、FW型负荷开关就是基于此种工作原理。负荷开关是高压断路器的一种，但只用于接通和切断电路中的负荷电流，不能用来切断故障短路电流。

第二节 高压断路器的基本参数

目前，我国电力系统中广泛使用的高压断路器，其型号、规格一般由文字符号和数字方式表示： 1 2 3――4 5 / 6 7 8

其代表意义为：1是产品字母代号，2是安装场所代号，3是设计系列代号，4是额定电压（KV），5是其他标志，如改进型G，6是额定电流（A），7是额定开断能力（KA或MVA），8是特殊环境代号。

例如：SN10－10/3000－750型断路器，表示为10KV，3000A，750MVA，10型屋内式高压少油断路器。

表6－1 高压断路器产品字母代号

断路器名称	少油断路器	多油断路器	空气断路器	SF6断路器	真空断路器
字母代号	S	D	K	L	Z

为了说明一台高压断路器的性能，正确使用每一台断路器，制造厂对每台断路器供给基本技术参数，现将断路器的基本技术参数说明如下：

1.额定电压及额定电流

额定电压Un是指断路器长期工作的标准电压（三相系统指线电压）。电力系统在运行中允许5%Un的电压波动，断路器应在允许范围内长期工作，为此断路器规定了最高工作电压。对额定电压在3～220KV范围内的断路器，其最高工作电压较额定电压可高15%左右；对330KV以上者，规定其最高工作电压较额定电压高10%。断路器额定电压与最高工作电压对应值，见表10－2。

表6－2 断路器额定电压与最高工作电压对应值 （KV）

额定电压	3	6	10	35	110	220	330	500
最高工作电压	3.5	6.9	11.5	40.5	126	252	363	550

额定电压的大小影响断路器的外型尺寸和绝缘水平，额定电压越高要求绝缘强度越高、外型尺寸越大、相间距离也越大。选择断路器时，额定电压是首先满足的条件之一。

额定电流In是指在额定频率下长期通过断路器且使断路器无损伤、各部分发热不超过长期工作的最高允许发热温度的电流。我国规定断路器的额定电流为：200，400，630，（1000），1250，（1500），1600，2000，3150，4000，5000，6300，8000，10000，12500，16000，20000A。

额定电流的大小，决定断路器导电部分和触头的尺寸和结构，在相同的允许温升下，电流越大，则要求导电部分和触头的截面积越大，以便减小损耗和增大散热面积。

2．额定开断电流

断路器在开断操作时，首先起弧的某相电流称为开断电流。在额定电压下，能保证正常开断的最大短路电流称为额定开断电流Inborn 。它是标志断路器开断能力的一个重要参数。我国规定额定开断电流为：1.6，3.15，6.3，8，10，12.5，16，20，25，31.5，40，50，63，80，100KA等。

由于开断电流和电压有关，因此在不同的电压下，对同一断路器所能正常开断的最大电流值也不相同。以往认为断路器的开断能力既与开断电流有关，又受给定电压的限制，因此以往常采用断流容量这一概念，即把额定条件下的开断能力称为额定断流容量。如上所述，各断路器三相电路的额定断流容量以 SbrN＝√3UNIbrN表示。必须指出：断路器在起弧时的开断电流与熄弧后的工频恢复电压，在时间上并非同时产生，这两者相乘并无具体物理意义，亦不能确切地表征开断能力。我国根据国际电工委员会（IEC）的规定，现只把额定开断电流作为表征开断能力的唯一参数。而断流容量仅作为描述断路器特性的一个数值。

3． 额定关合电流imc

当电力系统存在短路故障时，断路器一合闸就会有短路电流流过，这种故障称为“预伏故障”。当断路器关合有预伏故障的设备或线路时，在动、静触头未接触前尚距几毫米就发生预击穿，随之出现短路电流，给断路器关合造成阻力，影响动触头合闸速度及触头的接触压力，甚至出现触头弹跳、熔化、焊接以至断路器爆炸等事故，这远比在合闸状态下通过极限电流的情况更为严重。

衡量断路器关合短路故障能力的参数为额定关合电流imc。其数值以关合操作时，瞬态电流第一个大半波峰值来表示，制造部门对关合电流一般取额定开断电流IbrN的1.8×√2倍，即 imc＝1.8√2IbrN＝2.55IbrN

断路器关合短路电流的能力除与灭弧装置性能有关外，还与断路器操动机构的合闸功的大小的有关。因此，在选择断路器的同时，应选择操动机构，方能保证足够的关合能力。

4．耐受性能

断路器在开断短路故障时，短路电流也将流过动、静触头，因此，要求断路器不致因发热和电动力的冲击而损坏，即断路器应有足够的耐受短路电流作用的能力，简称为耐受能力。

（1）短时热电流（亦称热稳定电流）。在规定的时间内（规定标准时间2s，需要大于2s时推荐为4s）断路器在合闸位置，可能经受的短时热电流有效值（KA），称为短时热电流（或短时耐受电流）It，断路器标准中规定It＝IbrN

It通过断路器时，各零部件的温度不应超过短时发热最高允许温度，且不致出现触头熔接或软化变形，以及其他妨碍正常运行的异常现象。

（2）峰值耐受电流。峰值耐受电流iam ，亦称动稳定电流，即在规定的使用条件和性能下，断路器在合闸位置时所能经受的电流峰值。它与关合电流imc不同的是：iam是断路器处于合闸位置时通过的短路电流，而imc则是由于断路器关合短路故障所产生的短路电流。峰值耐受电流也是以短路电流的第一个大半波峰值电流来表示，且

iam＝imc=2.55IbrN

显然，峰值耐受电流反映了断路器承受由于短路电流产生的电动力的耐受性能，它决定断路器的导电部分和绝缘支持件的机械强度以及触头的结构形式。

5．操作性能

全开断时间：这是指断路器接到分闸命令瞬间起到电弧熄灭为止的时间，即

tt＝t1＋t2

全开断时间tt由两部分组成：t1称为固有分闸时间，是指从断路器接到分闸命令瞬间到所有各相的触头都分离的时间；t2称为燃弧时间，是指某一相首先起弧瞬间到所有相电弧全部熄灭的时间间隔。

全开断时间tt是说明断路器开断过程快慢的主要参数。它直接影响故障对设备的损坏程度、故障范围、传输容量和系统的稳定性。断路器开断单相电路时，各个时间的关系如图6－1所示，其中t0为继电保护装置动作时间。

6．自动重合闸性能

架空线路的短路故障，大多是暂时性故障。当短路电流切断后，故障亦随之消除。为了提高供电的连续性，故多装有自动重合闸装置。自动重合闸就是断路器在故障跳闸以后，经过一定的时间间隔又自动进行再次关合。重合后，如果故障已消除，即恢复正常供电，称为自动重合成功。如果故障并未消除，则断路器必须再次开断故障电流，这种情况称为自动重合失败。在重合失败后，如已知为永久性故障应立即组织检修。但有时运行人员无法判断故障是暂时性还是永久性，而该电路供电又很重要，允许3min后再强行合闸一次，称为“强送电”。同样，强送电也可能成功或失败。但失败时，断路器必须再开断一次短路电流。断路器的前述动作程序，称为自动重合闸的操作循环，记为： 分一θ一合分－t一合分

其中，θ为断路器开断故障电路时从电弧熄灭起到电路重新接通的时间，称为无电流间隔时间，一般为0.3s或0.5s ，t为强送电时间，一般为180s 。

断路器在自动重合闸操作循环中的有关时间示意图如图6－2所示。图中t0、 t1和θ的定义同前所述，t3为预击穿时间，t4为金属短接时间，t5为燃弧时间。

断路器的全开断时间与无电流间隔时间之和（tt＋θ）的，称为自动重合闸时间；金属短接时间t4是指断路器重合闸操作以后，触头闭合到第二次触头分开所需用的时间。

断路器允许的无电流间隔时间取决于第一次开断后，断路器恢复熄弧能力所需要的时间。如果间隔时间太短，当断路器重合后再次分闸时，尚未恢复其熄弧能力，则断路器在第二次分闸时的断流容量便要下降。

用于架空输电线路中的断路器，必须满足自动重合闸的要求。应能在短时间内连续可靠的关合两次短路故障、开断三次短路电流，以保证电力系统运行的可靠性。

第三节 六氟化硫（SF6）断路器

SF6断路器是利用SF6气体作为绝缘介质和灭弧介质的新型高压断路器。SF6断路器可分为两大类。

第一类，为瓷瓶式SF6断路器。如西安高压开关厂生产的LW（SFM）型系列产品，可用于110～500KV的电力系统中。该系列产品除110KV断路器三相共用一个机构外，其他均三相分装式结构。110～220KV断路器每相一个断口，整体呈“I”型布置。330～500KV断路器每相两个断口，整体呈“T”型布置。每个断口由灭弧室、支柱（支持绝缘子）、机构箱组成，其中330～500KV断路器还带有均压电容器、合闸电阻等，安其结构示意图如图6－3所示。

第二类，是把断路器装入一个外壳接地的金属罐中，叫落地罐式。如西安高压开关厂生产的LW13（SFMT）型罐式高压SF6断路器。该产品除110KV级及部分220KV级产品的三相分装在一个公用底架上并采用三相联动操作外，其余各电压等级及部分220KV产品均为三相安装结构，每相由接地的金属罐、充气套管、电流互感器、操动机构和底架等部件组成。其结构示意图如图6－4所示。

一、SF6气体的性能

SF6气体是无色、无味、无毒、非燃烧性、亦不助燃的非金属化合物，化学性质非常稳定、热稳定性极好，在常温常压下，其密度均为空气的五倍。它具有很高的电气绝缘特性和灭弧能力。

1．SF6气体的绝缘性能

SF6呈强电负性，体积较大。当电场具有一定能量的散射电子时，它可能导致碰撞游离，对电子捕获较易，并吸收其能量生成低活动性的稳定负离子。这种直径更大的负离子在电场中自由行程很短，难以积累发生碰撞游离的能量；同时，正负离子的质量都较大，行动迟缓，再结合的几率将大为增加。因此，在1个大气压下，SF6的绝缘能力超过空气的2倍；当压力为3个大气压时，其绝缘能力就和变压器油相当。

2．SF6气体的灭弧性能

SF6在电弧作用下接受电能而分解成低氟化合物，但电弧电流过零时，低氟化合物则急速再结合成SF6 ，故弧隙介质强度恢复过程极快。所以，SF6的灭弧能力相当于同等条件下空气的100倍；此外，电弧弧柱的电导率高、燃弧电压低、弧柱能量小。

二、SF6断路器的灭弧室结构

SF6气体作为灭弧介质时，只需要较小的气压和压差，所以，SF6断路器的灭弧室可以按压气活塞原理制成单压式，其气流是直接在开断过程中产生的，其压力一般在（3.5～7）×101325Pa［3.5～7atm（大气压）］范围内。国产的SF6断路器均为单压式。目前，单压式灭弧室有两种结构，即定开距和变开距结构。

1．定开距灭弧室

图6－5为定开距灭弧室结构示意图。断路器的触头由两个带喷嘴的空心静触头3、5和动触头2组成。断路器的弧隙由两个静触头保持固定的开距，故称之为定开距。在关合位置时，动触头跨接于两个静触头之间，构成电流通路。由绝缘材料制成的固定活塞6和与动触头连成整体的压气罩1之间围成压气至4。分闸操作时，压气罩随动触头向右移动，使压力室内的SF6气体压缩并提高压力，当喷口打开后，即形成气流进行吹弧。操动机构通过拉杆7，带动动触头和压气罩所组成的可动部分。

图6－6示出灭弧室灭弧过程。图6－6（a）为断路器合闸位置。分闸时由拉杆7带动可动部分向右运动，此时，压气室内的SF6气体被压缩，如图6－6（b）所示。当动触头离开静触头3时，便产生电弧，同时将原来由动触头所封闭的压气室打开而产生气流、向喷口吹弧，如图6－6（c）所示。气流流向静触头内孔对电弧进行纵吹，熄弧后的开断位置如图6－6（d）所示。

本结构的特点是：由于利用了SF6气体介质强度高的优点，触头开距设计得比较小，110KV电压的开距只有30mm。触头从分离位置到熄弧位置的行程很短，因而电弧能量小，熄孤能力强，燃弧时间短，但压气室的体积比较大。前述LW13（SFMT）型罐式高压SF6

断路器，均采用此种型式的灭弧室结构。

2．变开距灭弧室

变开距灭弧室的结构示意图如图6－7所示。其结构与少油断路器相似。触头系统有主触头、弧触头和中间触头。主触头的中间触头放在外侧，以改善散热条件，提高断路器的热稳定性。灭弧室的可动部分由动触头、喷嘴和压气缸组成。为了在分闸过程中使压气室的气体集中向喷嘴吹弧，而在合闸过程中不致在压气室形成真空，故设有逆止间。合闸时，逆止阀打开，使压气室与活塞内腔相通，SF6气体从活塞的小孔充入压气室；分闸时，逆止阀堵住小孔，让SF6气流集中向喷嘴吹弧。

变开距灭弧室的灭弧过程示于图6－8中。图6－8（a）为合闸位置。分闸时，可动部分向右运动，此时，压气室内的SF6气体被压缩并提高压力，如图6－8（b）所示。主触头首先分离，然后，弧触头分离产生电弧，同时也产生气流向喷嘴吹弧，如图6－8（c）所示。熄弧后的分闸位置如图6－8（d）所示。

从上述动作过程可以看出，触头的开距在分闸过程中是变化的，故称之为变开距灭弧室。本结构的特点是：触头开距在分闸过程中不断增大，最终开距较大，故断口电压可以做得较高、起始介质强度恢复速度快。喷嘴与触头分开，喷嘴的形状不受限制，可以设计得比较合理，有利于改善吹弧效果，提高开断能力。但绝缘喷嘴易被电弧烧损。

三、SF6断路器的特点

1、断口耐压高。SF6断路器的单元断口耐压与同电压级的其他断路器相比要高，所以SF6断路器的串联断口数和绝缘支柱较少，因而零部件也较少、结构简单，使制造、安装、调试和运行都比较方便。

2、允许断路次数多，检修周期长。由于SF6气体分解后可以复原，且在电弧作用下的分解物不含有碳等影响绝缘能力的物质，在严格控制水分的情况下，生成物没有腐蚀性。因此，断路后SF6气体的绝缘强度不下降，检修周期相应也快。

3、开断性能很好。SF6断路器的开断电流大、灭弧时间短、无严重的截流和截流过电压。无论开断大电流或小电流，其开断性能均优于空气断路器和油断路器。

4、占地少。与其他断路器相比，在电压等级、开断能力及其他性能相近的情况下，SF6断路器的断口少、体积小，尤其是SF6全封闭组合电器，可以大大减少变电所的占地面积，对于负荷集中、用电量大的城市变电所和地下变电所更为有利。

5、无噪声和无线电干扰。

6、要求加工精度高、密封性能良好。

SF6气体本身虽无毒，但在电弧作用下，少量分解物（如SF4）对人体有害，一般需设置吸附剂来吸收。运行中要求对水分和气体进行严格检测，而且要求在通风良好的条件下进行操作。

虽然SF6断路器的价格较高，但由于其优越的性能和显著的优点，故正得到日益广泛的应用。在我国，SF6断路器在高压和超高压系统中将占有主导地位，并且正在向中压级发展，在10～60KV电压级系统中也正逐步取代目前广泛使用的少油断路器。

四、岱海电厂SF6断路器简介

岱海电厂500KV系统选用了苏州阿尔斯通SF6断路器，断路器采用SF6＋CF4混合气体绝缘，SF6气体为主绝缘气体，最低工作压力0.86Mpa；断路器为三相、户外瓷柱式，灭弧室单元采用单压力、变开距、双断口形式，主触头采用铜钨合金多相触指式，弧触头采用梅花触头；线路侧断路器断口内装设了合闸电阻，用以限制合闸操作时的过电压，每相合闸电阻值为432W，合闸电阻提前接入时间为8±1.5ms，断路器各断口装设均压电容器；断路器套管为瓷、充气式套管，在灭弧室和支持瓷套内装有适宜的吸附材料，用于吸附水分和电弧分解SF6气体产生的有毒物质。每相断路器采用电动弹簧操作机构，每套机构装设两套独立的电磁跳闸线圈以实现后备跳闸，装设一个合闸线圈实现合闸操作；每相断路器装设机械位置指示器，绿色表示分闸，红色表示合闸；每相断路器操作机构装设动作计数器，以显示断路器合闸次数。

下面对500KV SF6气体断路器的基本技术参数作简单介绍：

型号:	GW317D
额定电压	500KV
最高工作电压	550KV
额定电流	4000A
额定短路开断电流	50KA
额定短路关合电流	160KV
额定热稳定电流	50KA
额定动稳定电流	125KA
额定反相开断电流	12.5KA
近区故障开断电流	37.5KA
雷电对地冲击耐受电压(峰值KA)	1800
操作冲击耐受电压(峰值KA)	1175
1min工频耐压（KA）	对地	860
断口	1000
分闸不同期	相间	3s
同相	2s
合闸不同期	相间	5s
同相	3s
全开断时间	40ms
分闸时间	20ms
合闸时间	100ms
生产厂家	苏州阿尔斯通

第四节 真空断路器

一、真空断路器概述

真空断路器是以真空作为灭弧和绝缘介质的。所谓真空是相对而言的，指的是绝对压力低于101325Pa（相当于1atm）的气体稀薄的空间。气体稀薄程度用“真空度”表示。真空度即气体的绝对压力与大气压的差值。气体的绝对压力值愈低真空度就越高。

气体间隙的击穿电压与气体压力有关，如图6－9所示．击穿电压随气体压力的提高而降低，当气体压力高于1.33×10－2Pa（相当于10－4mmHg）以上时，击穿电压迅速降低。所以真空断路器灭弧室内的气体压力不能高于1.33×10－2Pa。一般在出厂时其气体压力为1.33×10－5Pa。

这里所指的真空，是气体压力在1.35×10－2Pa以下的空间。在这种气体稀薄的空间，其绝缘强度很高，电弧很容易熄灭。图6－10表示在均匀电场作用下，不同介质的绝缘间隙击穿电压。由图可见，真空的绝缘强度比变压器油、101325Pa气压下的SF6和空气的绝缘强度都高得多。

二、真空断路器的特点：

（1）触头开距短。10KV级真空断路器的触头开距只有10mm左右。因为开距短，可使真空灭弧室做得小巧，所需的操作功小、动作快。

（2）燃弧时间短，且与开断电流大小无关，一般只有半个周波，故有半周波断路器之称。

（3）熄弧后触头间隙介质恢复速度快，对开断近区故障性能较好。

（4）由于触头在开断电流时烧损量很小，所以触头寿命校、断路器的机械寿命也长。

（5）体积小、重量轻。

（6）能防火防爆。

三、真空断路器的结构

真空灭弧室宛如一只大型电子管，所有的灭弧零件都密封在一个绝缘的玻璃外壳内，如图6－11所示。动触杆与动触头的密封靠金属波纹管来实现，波纹管一般采用不锈钢制成。在动触头外面四周装有金属屏蔽罩，此罩通常由无氧铜板制成。屏蔽罩的作用是为了防止触头间隙燃孤时飞出电孤生成物（如金属离子、金属蒸气、炽热的金属液滴等）沾污玻璃外壳内壁而破坏其绝缘性能。屏蔽罩固定在玻璃外亮的腰部，燃弧时，屏蔽罩吸收的热量容易通过传导的方式散发，有利于提高灭弧室的开断能力。

真空断路器的触头结构示意图如图6－12所示，触头的中部是一圆环状的接触面，接触面的周围是开有螺旋槽的吹弧面，触头闭－合时，只有接触面相接触。当开断电流时，最初在接触面上产生电弧，电流回路呈Ⅱ形，在流过触头中的电流所形成的磁场作用下，电弧沿径向向外缘快速移动，即从位置a位向外移动到b位。电流在触头中的流动路径受螺旋线的限制，因此，通过电极内的电流路径是螺旋形的，如图（b）中的虚线所示。电流可分解为切向分量i2和径向分量i1。其中切向分量电流i2在弧柱上产生沿触头方向的磁感应强度B2，它与电弧电流形成的电动力是沿切线方向的，在此力的作用下，可使电弧沿触头作圆周运动，在触头的外缘上不断旋转，于是可避免电弧固定在触头某处而烧坏触头，同时能提高真空断路器的开断能力。

四、岱海电厂真空断路器简介：

岱海电厂6KV开关柜选用的是厦门ABB公司生产的10KV中置柜，主体使用了德国VD4真空断路器,这种断路器适用于空气绝缘的户内式开关系统中．断路器本体呈圆柱状，垂直安装在做成托架状的断路器操动机构外壳的后部。断路器本体为组装式，导电部分设置在用绝缘材料制成的极柱套筒内，使得真空灭弧室不受外界影响和机械的伤害。选用弹簧储能机构，三相联动，储能弹簧是平面蜗卷弹簧，断路器前方装有储能电动机、脱扣器、辅助开关、控制设备等辅助部件。真空灭弧室的静态压力极低，很小的触头间隙可 达到很高的电介质强度，电弧在 电流第一次自然过零时就熄灭，残留的离子电子和金属蒸气只需在几分之一毫秒内可复合或凝聚在触头表面屏蔽罩上，所以灭弧室断口的电介质强度恢复极快。下面以馈线柜断路器为例介绍真空断路器的技术参数：

型号：	VD4真空断路器
额定电压(kV)：	10kV
最高工作电压（kV）：	12kV
额定电流（A）	1250A
额定开断电流（kA）：	50kA
3s热稳定电流（有效值）：	50kA
额定动稳定电流（峰值kA）：	125kA
1min工频耐压（kV）：	42kV
雷电冲击电压（kV）：	75kV
分闸时间（ms）	33~45
合闸时间（ms）	55~67
操作循环周期：	O-3min-CO-3min-CO
满容量开断次数：	50次
机械寿命：	30000次
操作机构型式：	弹簧储能
生产厂家	德国ABB

第五节 断路器的操动机构

一、概述

高压断路器都是带触头的电器，通过触头的分、合动作达到开断与关合电路的目的，因此必须依靠一定的机械操动系统才能完成。在断路器本体以外的机械操动装置称为操动机构，而操动机构与断路器动触头之间连接的部分称为传动机构和提升机构。上述关系可用图6－13表示。

断路器操动机构接到分闸（或合闸）命令后，将能源（人力或电力）转变为电磁能（或弹簧位能、重力位能、气体或液体的压缩能等），传动机构将能量传给提升机构。

传动机构将相隔一定距离的操动机构与提升机构连在一起，并可改变两者的运动方向。提升机构是断路器的一个部分，是带动断路器动触头运动的机构，它能使动触头按照一定的轨迹运动，通常为直线运动或近似直线运动。操动机构一般做成独立产品。一种型号的操动机构可以操动几种型号的断路器，而一种型号的断路器也可配装不同型号的操动机构。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）、弹簧操动机构（CT）、电动机操动机构（CJ）、气动操动机构（CQ）和液压操动机构（CY）等。

断路器操作时的速度很高。为了减少撞击，避免零部件的损坏，需要装置分、合闸缓冲器，缓冲器大多装在提升机构的近旁。在操动机构及断路器上应具有反映分、合闸位置的机械指示器。

二、操动机构的性能要求

断路器的全部使命，归根结底是体现在触头的分、合动作上，而分、合动作又是通过操动机构来实现的。因此，操动机构的工作性能和质量的优劣，对高压断路器的工作性能和可靠性起着极为重要的作用，对于操动机构的主要要求如下。

1、合闸。不仅能关合正常工作电流，而且在关合故障回路时，能克服短路电动力的阻碍，关合到底。在操作能源（如电压、气压或液压）在一定范围内（80％～110％）变化时，仍能正确、可靠的工作。

2、保持合闸。由于合闸过程中，合闸命令的持续时间很短，而且操动机构的操作力也只在短时内提供，因此操动机构中必须有保持合闸的部分，以保证在合闸命令和操作力消失后，断路器仍能保持在合闸位置。

3、分闸。操动机构不仅要求能够电动（自动或遥控）分闸，在某些特殊情况下，应该可能在操动机构上进行手动分闸，而且要求断路器的分断速度与操作人员的动作快慢和下达命令的时间长短无关。操动机构应有分闸省力机构。

4、自由脱扣。在断路器合闸过程中，如操动机构又接到分闸命令，则操动机构不应继续执行合闸命令而应立即分闸。

5、防跳跃。断路器关合短路而又自动分闸（关合在故障线路上）后，即使合闸命令尚未解除也不会再次合闸。

6、复位。断路器分闸后，操动机构中的每个部件应能自动地恢复到准备合闸的位置。

7、连锁。为了保证操动机构的动作可靠，要求操动机构具有一定的连锁装置。常用的在连锁装置有：①分合闸位置连锁。保证断路器在合闸位置时，操动机构不能进行合闸操作；在分闸位置时，不能进行分闸操作。②低气（液）压与高气（液）压连锁。当气体或液体压力低于或高于额定值时，操动机构不能进行分、合闸操作。③弹簧操动机构中的位置连锁。弹簧储能不到规定要求时，操动机构不能进行分、合闸操作。

三、操动机构的种类及其特点

1．手动操动机构（CS）

靠手力直接合闸的操动机构称为手动操动机构。它主要用来操动电压等级较低、额定开断电流很小的断路器。除工矿企业用户外，电力部门中手动操动机构已很少采用。手动操动机构结构简单、不要求配备复杂的辅助设备及操作电源；缺点是不能自动重合闸，只能就地操作，不够安全。因此，手动操动机构应逐渐被手力储能的弹簧操动机构所代替。

2．电磁操动机构（CD）

也靠电磁力合闸的操动机构称为电磁操动机构。电磁操动机构的优点是结构简单、工作可靠、制造成本较低，缺点是合闸线圈消耗的功率太大，因而用户需配备价格昂贵的蓄电池组。电磁操动机构的结构笨重、合闸时间长（0.2～0.8s），因此在超高压断路器中很少采用，主要用来操作110KV及以下的断路器。

3．电动机操动机构（CJ）

利用电动机经减速装置带动断路器合闸的操动机构称为电动机操动机构。电动机所需的功率决定于操作功的大小以及合闸作功的时间，由于电动机作功的时间很短（即断路器的固有合闸时间，约在零点几秒左右），因此要求电动机有较大的功率。电动机操动机构的结构比电磁操动机构复杂、造价也贵，但可用于交流操作。用于断路器的电动机操动机构在我国已很少生产，有些电动机操动机构则用来操动额定电压较高的隔离开关，对合闸时间没有严格要求。

4．弹簧操动机构（CT）

利用已储能的弹簧为动力使断路器动作的操动机构称为弹簧操动机构。弹簧储能通常由电动机通过减速装置来完成。对于某些操作功不大的弹簧操动机构，为了简化结构、降低成本，也可用手力来储能。

5．气动操动机构

图6－14示出配用压气式SF6断路器的一种气动操动机构的动作原理图。由于这种断路器的分闸功比合闸功大，所以分闸时由压缩空气活塞2驱动，并使合闸储能弹簧1储能。合闸时由合闸弹簧驱动。机构的操作程序如下：

（1）分闸。如图6－14所示，分闸电磁铁5通电，分闸启动阀6动作，压缩空气向

A室充气，使主阀3动作，打开储气筒4通向工作活塞2的通道，B室充气，活塞向右

运动，一方面压缩合闸弹簧1使其储能，另一方面驱动断路器传动机构使之分闸。分闸完毕后，分闸电磁铁断电，分闸启动阀复位，A室通向大气，主阀3复位，B室通向大气。工作活塞被保持机构保持在分闸位置。

（2）合闸。合闸电磁铁7通电，使合闸脱扣机构10动作，在合闸弹簧力的驱动下，断路器合闸。

气动操动机构的压缩空气压力约为0.6～1.0MPa。气动操动机构的主要优点是：构造简单、工作可靠、出力大，操作时没有剧烈的冲击。缺点是：需要有压缩空气的供给设备。

6．液压操动机构

液压操动机构是利用液压传动系统的工作原理，将工作缸以前的部件制成操动机构，与断路器本体配合、使用。工作缸可以装在断路器的底部，通过绝缘拉杆及四连杆机构与断路器触头系统相连。

图6－15为液压操动机构的简图，其动作程序如下：

（l）升压。运行时，先将油泵9开动，低压油箱2的低压油经过过滤器10，经油泵9变成高压油后输到储压筒1内，使储压筒内活塞上升，压缩上腔氮气储能。

（2）合闸。合闸电磁铁4通电，使高压油通过3两级控制阀系统流到工作缸6活塞的左边，活塞向右运动，断路器合闸。

（3）分闸。分闸电磁铁5通电，两级控制阀系统3切断通向工作缸6活塞左边的高压油道，并使该腔通向低压油箱2，工作活塞向左动作，断路器分闸。

（4）信号指示。信号缸7的动作是与工作缸6－致的，通过信号缸内活塞的位置，接通或开断辅助开关的信号触点，显出分、合位置的指示信号。

（5）为了保证液压系统内的压力不超过安全运行的范围， 在图6－15中采用安全阀8。

我国液压操动机构的工作压力有20、33MPa等多种。因为液压油的性能受温度的影响很大，在操动机构箱壳内有的装有电热器，以保证液压油的工作温度不低于规定的数值。

第六节 隔离开关

一、隔离开关的功用

隔离开关是高压开关电器中使用最多的一种电器，主要特点是没有专门的灭弧装置，不能用来切断和接通电路中的负荷电流。其主要功用为：

（1）分闸后，建立可靠的绝缘间隙，将需要检修的线路或电气设备明显与电源隔开，以保证检修人员及设备的安全。

（2）可用来分、合线路中的小电流，如套管、母线、连接头和短电缆的充电电流，断路器均压电容的电容电流，双母线换接时的环流以及电压互感器的励磁电流等。

（3）根据不同结构类型的具体情况，可用来分、合一定容量的空载变压器的励磁电流。

二、对隔离开关的要求及其结构特点

对隔离开关的要求如下。

（1）应具有明显可见的断口：使运行人员能清楚地观察隔离开关的分、合状态。

（2）绝缘稳定可靠：特别是断口绝缘，一般要求比断路器高出约10％～15％，即使在恶劣的气候条件下，也不能发生漏电或闪络现象，确保检修运行人员的人身安全。

（3）导电部分要接触可靠：除能承受长期工作电流和短时动、热稳定电流外，户外产品应考虑在各种严重的工作条件下（包括母线拉力、风力、地震、冰冻、污秽等不利情况），触头仍能正常分合和可靠接触。

（4）尽量缩小外形尺寸：特别是在超高压隔离开关中，缩小导电闸刀运动时所需要的空间尺寸，有利于减少变电所的占地面积。

（5）隔离开关与断路器配合使用时，要有机械的或电气的连锁，以保证动作的次序：即在断路器开断电流之后，隔离开关才分闸；在隔离开关合闸之后，断路器再合闸。

（6）在隔离开关上装有接地刀闸时，主刀闸与接地刀闸之间应具有机械的或电气的连锁，以保证动作的次序：即在主刀闸没有分开时，保证接地刀闸不能合闸；在接地刀闸没有分闸时，保证主刀闸不能合闸。

（7）隔离开关要有好的机械强度，结构简单、可靠，操动时，运动平稳，无冲击。

三、隔离开关的结构和类型

隔离开关（简称刀闸）从基本功能看主要分为底座、支持绝缘子、导电系统和操作系统四个基本部分。

隔离开关可以分为以下类型

(1)按绝缘支柱的数目，可分为单柱式、双柱式及三柱式隔离开关。

(2)按运动方式，可分为水平旋转式、垂直旋转式、摆动式和插入式隔离开关。

(3)按装设地点，可分为户内式和户外式两种。

(4)按级数可分为单极和三极两种。

(5)按配用的操动机构，可分为手动、电动、气动、液压操作等类型。

隔离开关的型号：有字母和数字两部分组成，其代号和各符号含义如下：

/

额定电流（A）

派生代号：K（快分装置）D（接地刀闸）

G（改进产品）T（统一设计产品）

额定电压（KV）

设计序号

使用环境：N（户内式）W（户外式）

产品代号：G（隔离开关）J（接地开关）

例如GW4-220/1000型表示额定电流为1000A、额定电压为220KV、带接地刀闸、设计序号为4的户外式隔离开关。

四、户内式隔离开关

户内式隔离开关通常制成普通闸刀式，静触头用一只支柱绝缘子支持，闸刀和动触头用另一只支柱绝缘子支持。图6－16为户内式隔离开关的一种结构。操动机构通过连杆机构接在转轴6上，使转轴6转动，产生分、合闸动作。

在电流较大的户内式隔离开关中，为了增强对短路电流的稳定性，有时采用磁锁装置。磁锁装置的作用原理如图6－17所示。当短路电流沿着并行刀闸l流经静触头3时，由于铁片2的磁力作用使刀片互相吸引，因此增加了刀片对静触头的接触压力，增加了触头系统对短路电流的稳定作用。

五、户外式隔离开关

在35KV及其以上电压级系统中，一般隔离开关采用户外式结构。户外式隔离开关与户内式的比较，具有下列特点：

（1）支柱绝缘子要采用具有大裙边的户外式绝缘子。

（2）要求能开断小电流，有的结构上装置有灭弧角。

（3）为了保证在结冰的情况下，隔离开关能可靠地分、合，在有的结构上还采用有破冰机构。

（4）在电压较高时，为了保证检修线路时的安全，有时还装有接地刀闸。此时，在隔离开关的主刀闸打开后，随即将接地刀闸接地。

户外隔离开关按其绝缘支柱结构的不同可分为单柱剪刀式、单柱伸缩式、双柱伸缩式、双柱合抱式、三柱式，此外还有V形隔离开关。，如图6－18所示。

六、隔离开关的操动机构

隔离开关的操动机构用来将动力传递给隔离开关，使其产生分合闸动作。隔离开关的操动机构有以下几种：

a)手动杠杆式操动机构

b)手动蜗轮式操动机构（CS9型）

c)压缩空气操动机构（CQ2型）

d)液压操动机构（CYG-1型）

e)电动机操动机构（CJ2型）

与断路器的操动机构比较，隔离开关操动机构的分、合闸速度不高，动作时间长，主要是要求平衡、少冲击。接地闸刀一般配用手动机构，220KV及以上隔离开关同时采用电动和手动操动机构。

七、岱海电厂隔离开关简介：

岱海电厂一期工程500KV升压站选用了三种型号隔离开关，即GW17-550DW、GW16-550DW、GW17-550DW型隔离开关，这是种供50HZ高压线路在无载流情况下切换线路，对被检修的电器设备进行电器隔离的三极户外高压电器。该隔离开关设计新颖、结构独特、动作稳定可靠，具有优良的电气和机械性能，良好的抗腐蚀、抗地震性能。该产品的动触头系统是机械手式的单臂折叠式。传动部件密封在导电管内部，不受外界环境的影响。导电管内的平衡弹簧用来平衡动力元件的重力矩，使分、合闸动作十分轻便平稳，采用钳夹式结构夹紧静触头导线杆，夹紧力由导电管内的夹进弹簧来保证。采用顶压脱扣装置来保障隔离开关的可靠合闸，在风力、地震力、电动力等外力的作用下，隔离开关将始终保持在良好的工作状态。关节部位有耐磨性能优良的复合轴套及导电滚动触指，机械性能和电气性能非常稳定。

接地闸刀在合闸过程中，先旋转后竖直向上插入静触头，合闸可靠。 支撑瓷瓶和旋转瓷瓶采用高强度瓷套，具有很高的抗弯、抗扭强度。 GW16型为垂直隔离断口，GW17型为水平隔离断口。每相主刀配一个CJ7A型电动机构进行操作，每个地刀配一个CSA或CSB型手力机构。

岱海电厂一期工程500KV隔离开关以下几种形式

型号：	GW17-550DW	GW16-550DW	GW17-550DW	GW16-252/2500
额定电压	500	500	500	220
额定电流	3150A	3150A	3150A	2500
额定热稳定电流	50KA	50KA	50KA	50
额定动稳定电流	125KA	125KA	125KA	125
切断环流	2500A	2500A	2500A	1600A
主刀型式	CJ7A	CJ7A	CJ7A	CJ7A
接地刀组数	2/1	2	3	1
地刀型式	CJ7A	CJ7A	CJ7A	CJ7A
安装数量	6/4	4	2	1

第七节 低压开关

一、接触器

接触器是用来远距离接通或开断负荷电流，并适用于频繁起动及控制电动机的低压开关。

按控制电源不同，可分交流接触器和直流接触器。

接触器的基本结构及工作原理如图6－19所示。动触头3的动作，靠电磁铁线圈8通电时产生的电磁力。当电磁铁线圈失电后，由于激磁消失，衔铁4在本身重量作用下（或返回弹簧的作用下），向下跌落，将触点分离。

接触器的灭弧室是由陶土材料制成，并根据狭缝熄弧原理（电弧在灭弧片中被拉长，同时冷却）使电弧熄灭。

为了自动控制的需要，接触器除主触头外，还有为实现自动控制而接在控制回路中的辅助触点（如图6－19中10）。

二、低压自动空气开关

自动空气开关（简称自动开关或空气开关）是低压开关中性能最完善的开关，它不仅可以切断负荷电流，而且可以切断短路电流。广泛用作低压配电变电所的总开关、大负荷电力线路和大功率电动机的控制开关等。但因受灭弧结构限制，不适用具有频繁操作的电路。

自动开关种类接电源种类可分为万能式（框架式）和封闭式（塑料外壳式）。

自动开关的工作原理和接线如图6－20所示。自动开关的主触头，是靠锁键2和锁扣3维持在闭合状态的。过流脱扣器（瞬时脱扣）和热脱扣器（延时脱扣）的线圈串接在电路中。当电路发生故障时，较大的电流吸住衔铁的一端，另一端克服弹簧的拉力向上转动，并顶撞锁扣3，释放锁键2，触头即自动断开，电路切断。

自动开关还装有失压保护，当电网电压降低大约至60％额定电压时，为了不致因电压过低而烧坏电动机等，或为了恢复电网电压必须切除不重要的用户时，失压保护立即动作。失压脱扣器线圈并联在线电压上，当电压正常时，吸住衔铁，而当电压降低到约

为60％UN时，由于吸力小于弹簧拉力，衔铁撞击锁扣，触头断开。

图6－21所示为DZ10－250型塑料外壳式自动开关剖面图。塑料外壳式自动开关，简称塑壳式自动开关。

图6－22是DW10－200型框架式自动开关外型结构图。自动开关是敞开地装在框架上。它的保护方案和操作方式较多，具有较完善的灭弧罩，断流能力较大，合闸操作方

式较多，可直接由手柄操作、通过杠杆手动操作、也可由电磁铁操作和电动机操作等，故又称万能式自动开关。

三、岱海电厂低压开关简介：

以上是低压电器的常见形式，岱海电厂一期工程380V开关柜选用的低压电器基本上是施奈德产品，主开关有两种：一种是断路器，例如MT08H1型，其中08×100表示额定电流，H1表示分断类型（H1：高性能型，H2：超高性能，L1：限流型）；另一种是负荷开关，可分为HA、NA、HF三种。其中HF安装了瞬时保护，防止短路时合闸，一旦合闸，负荷开关不再提供保护与普通开关一样。例如MT08HA型，其中08×100表示额定电流，HA表示分断类型。负荷开关常用于母连上。在断路器面板上有几个字母下面说明一下：

Ue (V) —— 额定运行电压

Ui 1000V —— 额定绝缘水平1000V

Uimp12KV —— 冲击耐压 12KV

Uimp12KV —— 冲击耐压 12KV

Lcs(KA) —— 额定开断容量

Lcu(KA) —— 极限开断容量

Lcw(KA) —— 额定短时耐受电流

低压开关柜内抽屉安装了NS系列空气开关和LC1、LC2系列接触器，LC2系列接触器是一种机械连锁接触器，适用于频率50或60赫兹、电压在400～660V、额定电流至140A，适合控制可逆电动机的正反转操作。

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