第3章 变电站电气设备及运行维护

3.1 高压开关

3.1.1 电弧的形成和熄灭

开关设备接通或断开电路时，其触头间出现强烈白光的现象称为弧光放电，这种白光称为电弧。电弧是一种极强烈的电游离现象，其特点是弧光很强、温度很高，而且具有导电性。电弧不仅延长了切断电路的时间，而且电弧的高温可能烧损开关的触头，造成电路的弧光短路，甚至引起火灾和爆炸事故。此外，强烈的弧光可能损伤人的视力，严重的可使人眼失明。因此开关设备在结构设计上要保证操作时电弧能迅速地熄灭，所以有必要了解各种开关电器的结构和工作原理，了解开关电弧的形成与熄灭。

1. 电弧的产生

电弧燃烧是电流存在的一种方式，电弧内存在着大量的带电质点，这些带电质点的产生与维持需经历以下4个过程。

1）热电子发射。开关触头分断电流时，随着触头接触面积的减小，接触电阻增大，触头表面会出现炽热的光斑，使触头表面分子中的外层电子吸收足够的热能而发射到触头间隙中去，形成自由电子，这种电子发射称为热电子发射。

2）强电场发射。开关触头分断之初，电场强度很大，在强电场的作用下，触头表面的电子可能进入触头间隙，也形成自由电子，这种电子发射称为强电场发射。

3）碰撞游离。已产生的自由电子在强电场的作用下高速向阳极移动，在移动中碰撞到中性质点，就可能使中性质点获得足够的能量而游离成带电的正离子和新的自由电子，即碰撞游离。碰撞游离的结果，使得触头间正离子和自由电子大量增加，介质绝缘强度急剧下降，间隙被击穿形成电弧。

4）热游离。电弧稳定燃烧，电弧的表面温度达3000～4000℃，弧心温度高达10000℃。在此高温下，中性质点热运动加剧，获得大量的动能，当其相互碰撞时，可生成大量的正离子和自由电子，进一步加强了电弧中的游离，这种由热运动产生的游离称为热游离。电弧温度越高，热游离越显著。

由于上述几种方式的综合作用，使电弧产生并得以维持。

2. 电弧的熄灭

在电弧中不但存在着中性质点的游离，同时也存在着带电质点的去游离。要使电弧熄灭，必须使触头间电弧中的去游离（带电质点消失的速率）大于游离（带电质点产生的速率）。带电质点的去游离主要是复合和扩散。

1）复合。复合是指带电质点在碰撞的过程中重新组合为中性质点。复合的速率与带电质点浓度、电弧温度、弧隙电场强度等因素有关。通常是电子附着在中性气体质点上，形成负离子，然后再与正离子复合。

2）扩散。扩散是指电弧与周围介质之间存在着温度差与离子浓度差，带电质点就会向周围介质中运动。扩散的速度与电弧及周围介质间温差、电弧及周围介质间离子的浓度差、电弧的截面面积等因素有关。

3）交流电弧的熄灭。交流电弧的电流过零时，电弧将暂时熄灭。电弧熄灭的瞬间，弧隙温度骤降，去游离（主要为复合）大大增强。对于低压开关而言，可利用交流电流过零时电弧暂熄灭这一特点，在1～2个周期内使电弧熄灭。对于具有较完善灭弧结构的高压断路器，交流电弧的熄灭也仅需要几个周期的时间，而真空断路器只需半个周期的时间，即电流第一次过零时就能使电弧熄灭。

3.1.2 高压断路器

1. 高压断路器的作用、型号及主要的技术参数

（1）高压断路器的作用

高压断路器是供配电系统中最重要的开关电器。它的作用是使1000V以上的高压线路在正常负荷下接通或断开；在线路发生短路故障时，通过继电保护装置的作用将故障线路自动断开，使非故障部分正常运行。在断路器中最主要的问题是如何熄灭触头分断瞬间所产生的电弧，所以它必然具备可靠的灭弧装置。

现在大量使用的是真空和SF₆断路器。

（2）高压断路器的型号表示及含义

（3）高压断路器的主要技术参数

1）额定电压（U_N）。断路器的额定电压为它在运行中能长期承受的系统最高电压。我国目前采用的额定电压标准值有3.6kV、7.2kV、12kV、（24kV）、40.5kV、72.5kV、126kV、252kV、363kV、550kV、（800kV）等。其中括号中的数值为用户有要求时使用。

2）额定电流（I_N）。断路器能够持续通过的最大电流。设备在此电流下长期工作时，其各部温升不得超过有关标准的规定。一般额定电流的等级为400A、600A、1000A、1250A、1500A、2000A、3000A。

3）额定短路开断电流（I_OC）。断路器在额定电压下能可靠开断的最大短路电流。额定短路开断电流是表明断路器开断能力的一个重要参数。其单位为kA。

4）额定开断容量（S_oc）。额定开断容量也是表征断路器开断能力的一个参数，对于三相断路器，额定开断容量（MV·A）由下式决定：

额定开断容量=×额定开断电流×额定线电压

由于额定开断容量纯粹由计算得出，并不具备具体的物理意义，而开断电流能更明确更直接地表述断路器的开断能力，所以我国国标及IEC标准都不再采用这个参数。

5）热稳定电流（I_k）。热稳定电流描述的是断路器承受短路电流热效应的能力。它是指在规定的时间内（国家标准规定的时间为2s）断路器在合闸位置能够承载的最大电流，数值上就等于断路器的额定短路开断电流。

6）动稳定电流（I_P）。动稳定电流是指断路器在合闸位置或闭合瞬间，允许通过电流的最大峰值，又称为极限通过电流，它反映了断路器允许短时通过电流的大小，反映了断路器承受短路电流电动力效应的能力。

7）合闸时间。合闸时间是指从断路器合闸回路接到合闸命令（合闸线圈电路接通）开始到所有极触头都接通的时间。以前合闸时间又称为固有合闸时间，一般为0.2s。

8）分闸时间。分闸时间是指从断路器分闸回路接到分闸命令到所有极的触头都分离的时间。以前分闸时间又称为固有分闸时间，一般≤0.06s。断路器的实际开断时间等于固有分闸时间加上灭弧时间。

9）电弧持续时间。电弧持续时间是指从断路器某极触头首先起弧至各极均灭弧的时间。该时间又称为燃弧时间。

2. 真空断路器的特点、结构及工作原理

（1）真空断路器的特点

1）真空灭弧室的绝缘性能好，触头开距小（12kV真空断路器的开距约为10mm，40.5kV的约为25mm），要求操动机构的操作功率小，动作快。

2）由于开距小，电弧电压低，电弧能量小，开断时触头表面烧损轻微。因此真空断路器的机械寿命和电气寿命都很高。特别适宜用于要求操作频繁的场所。

3）真空灭弧室出厂时的真空度应保持在10^-4Pa以上，运行中不应低于10^-2Pa，因此密封问题特别重要，否则就会导致开断失败，造成事故。

4）真空断路器使用安全，维护简单操作噪声小，防火防爆。真空开关使用中，灭弧室无须检修。广泛使用在10kV、35kV配电系统中。

5）分断感性负载时会产生过电压。真空灭弧室对高频小电流的灭弧能力很强，在交流电流接近过零瞬间开断电路时还会产生多次复燃过电压和三相同时截流过电压。为安全起见，常常在真空开关的负载侧加装过电压保护装置，将过电压抑制在一定范围内。常用的有氧化锌（ZnO）避雷器和阻容（RC）保护装置。

（2）真空断路器灭弧室结构

真空灭弧室的基本元器件有外壳、波纹管、动静触头和屏蔽罩等，其结构示意图如图3-1所示。在真空灭弧室内，装有一对动、静触头，触头周围是屏蔽罩。灭弧室的外部密封壳体可以是玻璃或陶瓷。动触头的运动部件连接着波纹管，作为动密封。波纹管能在动触头往复运动时保证真空灭弧室外壳的完全密封。

真空开关常用的触头有：圆盘形触头，横向磁场的触头，纵向磁场的触头。

圆盘形触头，如图3-2所示。只能在不大的电流下维持电弧为扩散型。随着开断电流的增大，阳极出现斑点，电弧由扩散型转变为集聚型电弧就难以熄灭了。增大圆盘形触头的直径可以延缓阳极斑点的形成。

横向磁场的触头见图3-3。横向磁场就是与弧柱轴线相垂直的磁场，它与电弧电流产生的电磁力能使电弧在电极表面运动，防止电弧停留在某一点上，延缓阳极斑点的产生，提高开断性能。

纵向磁场的触头。在同样的触头直径下，纵向磁场触头能够开断的电流最大。纵向磁场的触头结构比较复杂，机械强度不易解决。该触头比常规的圆盘触头的损耗大，触头温升高。

（3）ZN28-12型真空断路器

ZN28-12真空断路器，配用CD17型电磁操动机构，也可配用相应的弹簧操动机构。本系列真空断路器根据其结构特点分为两大类：一类是ZN28-12系列，其特点是操动机构和断路器装在一起，称为整体式，如图3-4所示；另一类是ZN28A-12系列，其特点是操动机构和断路器分开布置，称为分体式，如图3-5所示。

配CD17型电磁操动机构的ZN28-12型真空断路器的基本结构如图3-4所示。产品总体结构为落地式，每个真空灭弧室由一只落地绝缘子和一只悬挂绝缘子固定，真空灭弧室旁有半棒形绝缘子支撑。

（4）ABB（VD4）真空断路器

VD4中压真空断路器的灭弧室被整体浇注在环氧树脂中，如图3-6所示。整体浇注的极柱结构更坚固，可为真空灭弧室提供更加充分的保护，并可消除灰尘和潮气对灭弧室的外绝缘能力的影响。灭弧室将开关的主触头永久密封在真空环境中，构成开断灭弧单元。VD4断路器操动机构正面布置，有固定式和可抽出式两种安装，如图3-6和图3-7所示。

VD4断路器使用了弹簧储能、自由脱扣的模块化机械操动机构。断路器的分合闸操作性能与具体操作者无关。操动机构和极柱固定在一个金属壳体上，此金属壳体也是固定式断路器的安装壳体。这种紧凑的结构保证了断路器的坚固和机械可靠性。除了隔离触头和连接到辅助电路的带软管的航空插外，可抽出式断路器还装配有手车底盘，断路器仅在柜门关闭条件下摇进摇出。

VD4断路器整体浇注极柱和真空灭弧室如图3-8和图3-9所示。

3. SF₆断路器的特点、结构及工作原理

（1）高压SF₆断路器的特点

SF₆无色、无味、无毒、不会燃烧、化学性能稳定，作为断路器的灭弧介质，灭弧能力比空气高近百倍，作为断路器的绝缘介质，绝缘能力比空气高近3倍。高压SF₆断路器就是利用SF₆作为灭弧介质和绝缘介质的气吹断路器，在灭弧过程中，SF₆气体不排入大气，而是在封闭系统中反复使用。

高压SF₆断路器目前占据着高压和超高压领域，逐渐取代了高压油断路器和高压空气断路器而广泛应用。

（2）SF₆断路器的结构

SF₆断路器按总体结构可以分为3类。

1）瓷柱式SF₆断路器。其灭弧室在高电位的支柱瓷套的顶部，由绝缘杆进行操动。这种结构的优点是系列性好，用不同个数的标准灭弧单元和支柱瓷套，即可组成不同电压等级的产品；其缺点是稳定性差，不能加装电流互感器。

2）落地罐式SF₆断路器。它的灭弧室用绝缘件支撑在接地金属罐的中心，借助于套管引线，基本上不改装就可以用于全封闭组合电器之中。这种结构便于加装电流互感器，抗震性好，但系列性差，且造价比较昂贵。

3）3～35kV SF₆断路器。旋弧式、气自吹式和压气式3种用于配电开关柜中，常常做成小车式。

（3）SF₆断路器灭弧室

SF₆断路器灭弧室按结构分为下列几种。

1）压气式灭弧室，即单压式。压气式断路器内的SF₆气体只有一种压力。灭弧所需压力是在分闸过程中由动触杆带动压气缸（又称为压气罩），将气缸内的SF₆气体压缩而建立的。吹弧能量来源于操动机构。因此，压气式SF₆断路器对所配操动机构的分闸功率要求较大。在合闸操作时，灭弧室内的SF₆气体将通过回气单向阀迅速补充到气缸中，为下一次分闸做好准备。

2）旋弧式灭弧室。旋弧式灭弧室在静触头附近设置有磁吹线圈。开断电流时，在动静触头之间产生横向或者纵向磁场，使被开断的电弧沿触头中心旋转，最终熄灭。这种灭弧室结构简单，触头烧损轻微，在中压系统中使用比较普遍。

3）自吹式灭弧室。由电弧的能量加热SF₆气体，使之压力增高形成气吹，从而使电弧熄灭。这种依靠电弧本身能量来熄灭电弧的灭弧室称为气自吹灭弧室。这种灭弧室开断小电流时电弧能量小，气吹效果差，因而必须与压气式结构结合起来使用。灭弧室（断口）结构如图3-10所示。

灭弧室瓷套（断口瓷套）为腰鼓形，这种结构内部空间利用率最高，承受内部压力强度也较好。

4）LW8-40.5型SF₆断路器的主要部件

LW8-40.5型SF₆断路器本体为三相分立落地式结构。本体由瓷套、电流互感器、灭弧单元、吸附剂器、传动箱和连杆组成。配用CT14型弹簧操动机构。断路器具有内附电流互感器的优点，可在断口两侧各装入串芯式电流互感器两只。

该断路器采用压气式灭弧原理。分闸过程中，可动气缸对静止的活塞作相对运动，气缸内的气体被压缩。在喷口打开后，高压力的SF₆气体通过喷口强烈吹弧，在电流过零时电弧熄灭。由于静止的活塞上装有逆止阀，合闸时气缸中能及时补气。灭弧室结构如图3-11所示。

4. 高压断路器的操动机构简介

操动机构是断路器的重要组成部分。其作用是使断路器准确地合闸和分闸，并维持合闸状态。操作机构由合闸机构、分闸机构和维持合闸机构（搭钩）3部分组成。由于相同的操作机构可配用不同的断路器，因此操动机构通常与断路器分开，并具有独立的型号。根据断路器合闸所需能量不同，操动机构可分为手动机构、直流电磁机构、弹簧机构、液压机构、气动机构和永磁操作机构。操动机构的特点见表3-1。

3.1.3 高压隔离开关

1. 隔离开关的用途和分类

隔离开关是一个最简单的高压开关，在实际中也称为刀闸。由于隔离开关没有专门的灭弧装置，不能用来开断负荷电流和短路电流。在配电装置中，隔离开关的主要用途有：

1）用隔离开关在需要检修的部分和其他带电部分构成明显可见的断口，保证检修工作的安全。

2）利用“等电位原理”，用隔离开关进行电路的切换工作。

3）由于隔离开关通过拉长电弧的方法灭弧，具有切断小电流的可能性，所以隔离开关可用于下列操作：断开和接通电压互感器和避雷器；断开和接通母线或直接连接在母线上设备的电容电流；断开和接通励磁电流不超过2A的空载变压器或电容电流不超过5A的空载线路；断开和接通变压器中性点的接地线（系统没有接地故障才能进行）。

隔离开关可按下列原则进行分类：

①按装设地点可分为户内式和户外式。②按隔离开关的运行方式可分为水平旋转式、垂直旋转式、摆动式和插入式。③按绝缘支柱的数目可分为单柱式、双柱式和三柱式。④按是否带接地隔离开关可分为有接地隔离开关和无接地隔离开关。⑤按极数多少可分为单极式和三极式。⑥按配用的操作机构可分为手动、电动和气动等。

隔离开关的型号含义如下：

2. 隔离开关的结构原理

（1）户内式隔离开关（GN型）

图3-12为GN8—10/600型隔离开关的外形图。GN8—10/600型开关每相导电部分通过一个支柱绝缘子和一个套管绝缘子安装，每相隔离开关中间均有拉杆绝缘子，拉杆绝缘子与安装在底架上的转轴相连，主轴通过拐臂与连杆和操作机构相连。

（2）户外式隔离开关（GW型）

户外式隔离开关的工作条件比较恶劣，绝缘要求较高，应保证在冰雪、雨水、风、灰尘、严寒和酷暑等条件下可靠地工作。户外隔离开关应具有较高的机械强度，因为隔离开关可能在触点结冰时操作，这就要求隔离开关触点在操作时有破冰作用。

图3-13为GW5—35 D型户外式隔离开关的外形图。它是由底座、支柱绝缘子和导电回路等部分组成，两绝缘子呈“V”形，交角为50°，借助连杆组成三极联动的隔离开关。底座部分有两个轴承，用以旋转棒式支柱绝缘子，两轴承座间用齿轮啮合，即操作任一柱，另一柱可随之同步旋转，以达分断、关合的目的。

3.1.4 高压负荷开关

高压负荷开关具有简单的灭弧装置，能通断一定的负荷电流，装有脱扣器时，在过负荷情况下可自动跳闸。负荷开关断开后，具有明显可见的断口，也具有隔离电源、保证检修安全的功能。但它不能断开短路电流，必须与高压熔断器串联使用，借助熔断器来断开短路电流。负荷开关主要用在10～35kV配电系统中，作分合电路之用。

按负荷开关灭弧介质及灭弧方式的不同可分为产气式、压气式、充油式、真空式及SF₆式等。按负荷开关安装地点的不同又可分为户内式和户外式。高压负荷开关的型号及含义如下：

图3-14所示为一种较为常用的FN3—10 RT型户内压气式高压负荷开关的外形结构图。上半部是负荷开关本身，下半部是RN1型高压熔断器。负荷开关的上绝缘子是一个压气式灭弧室，它不仅起有绝缘子的作用，而且内部是一个气缸，其中装有由操动机构主轴传动的活塞。分闸时，和负荷开关相连的弧动触头与绝缘喷嘴内的弧静触头之间产生电弧。由于分闸时主轴传动而带动活塞，压缩气缸内的空气从喷嘴往外吹弧，加之断路弹簧使电弧迅速拉长及本身电流回路的电动吹弧作用，使电弧迅速熄灭。