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第三讲 高压开关

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发表于 2015-8-15 07:41:28 | 显示全部楼层 |阅读模式
第三讲  高压开关
变电所常用设备有开关、变压器、互感器等。
一、高压开关(第四章第1、2、3节)
交流额定电压在1200V及以下或直流额定电压在1500V及以下的开关,属于低压开关。额定电压在3kV及以上的开关,属于高压开关。
1.电弧的产生与熄灭
电弧是开关触头间绝缘介质导电引起的高温现象。电弧在断开的触头之间燃烧,使电路仍处于接通状态,延迟了电路的开断,只有当电弧熄灭后电路才算被断开。当开关分断电路时,如果触头间电压在10V~20V,电流在80mA~100mA时,触头间就会产生电弧,故电弧的产生是一个必然现象。电弧燃烧时,其温度可高达6000℃,如不能及时熄灭,会使开关触头烧损,导致触头熔焊,还可能造成弧光短路形成更严重的事故。所以,研究电弧的产生和熄灭规律,采取有效的灭弧措施,避免电弧的危害,是非常必要的。
1.电弧的发生与发展
在开关触头分开的过程中,动静触头间的接触压力与接触面积不断减少,使接触电阻迅速增大,导至接触处温度升高,使一部分自由电子由于热运动而逸出金属表面,形成了热电子发射。
在开关触头分断瞬间,由于触头间距很小,其间电压虽然仅有几百至几千伏,但电场强度却很大,在电场力作用下,自由电子高速奔向阳极,便形成了强电场发射。
高速运动的自由电子与触头间的中性质点发生碰撞,可使中性质点分离为自由电子和正离子,这种现象称为碰撞游离。新产生的自由电子又会碰撞其它中性质点,产生更多的自由电子和正离子。由于连续不断地碰撞游离,使触头间带电质点大量增加,结果使绝缘介质变成了导体,形成弧光放电。
高温使中性质点使原子外围电子的运动速度增大,脱离原子束缚,产生新的带电粒子,发生热游离现象,从而使电弧继续燃烧。
电弧的产生过程是一个绝缘介质被电离的过程。最初由热电子发射和强电场发射提供起始自由电子,然后由碰撞游离导致介质击穿产生电弧,最后靠热游离来维持。可见,强电场是产生电弧的必要条件,碰撞游离是产生电弧的主要原因,热游离是维持电弧的必要因素。
2.电弧的熄灭
在电弧中不但存在着中性质点的游离过程,而且还存在着带电质点不断消失的去游离过程。当游离速度大于去游离速度时,电弧加强;相等时,电弧稳定燃烧;游离速度小于去游离速度时,电弧减弱以致熄灭。因此,要促使电弧熄灭,就必须削弱电弧的游离作用,加强其去游离作用。去游离主要表现在复合与扩散两个方面。
复合是自由电子和正离子重新结合为中性质点的现象,电弧温度越低,弧隙电场强度越小,带电质点运动速度就越慢,复合就越容易。
扩散是指带电质点逸出弧道的现象,弧区与周围介质的温差越大;弧区与周围介质离子的浓度差越大;电弧的表面积越大;扩散就越快。
上述带电质点的复合和扩散,都使电弧中的带电粒子减少,触头间绝缘强度增加,最后导致电弧熄灭。
3.开关电器常用的灭弧方法
开关电器常用的灭弧方法主要有以下几种:
1)速拉灭弧法
加快触头的分离速度,可迅速拉长电弧,使电弧中的电场强度骤降,从而削弱了碰撞游离、增强了带电质点的复合作用,加速电弧的熄灭。这种灭弧方法是开关电器中普遍采用的最基本的一种灭弧法,通常利用强力储能弹簧迅速释放能量,可使触头的分离速度达到4m/s~5m/s。
2)狭缝(狭沟)灭弧法
使电弧在固体介质的狭缝中运动,电弧与固体介质紧密接触,一方面加强了冷却与复合作用;另一方面电弧被拉长,弧径被压小,弧电阻增大,促使电弧迅速熄灭。如狭缝灭弧栅和填料式熔断器等,都属于这种灭弧结构。主要用于低压开关。
3)金属灭弧栅
这种方法常用于低压交流开关中。触头间的电弧在电磁力作用下,进入与电弧垂直放置的,彼此绝缘的金属栅片内(由A处移向B处),将一个长弧切割成若干个短弧。在交流电路中,利用近阴极效应:当电流过零时所有短弧同时熄灭,在每一短弧的阴极附近立即出现150V~250V的绝缘强度。由于各段短弧是串联的,所以短弧的数目越多,总的绝缘强度就越高,当总绝缘强度大于外加电压时,电弧就不再重燃。此外,金属栅片也有冷却电弧的作用。
4)多断口灭弧
5)特殊介质灭弧
采用除空气和油之外的灭弧性能更好的介质,如真空、六氟化硫等。
2.隔离开关
隔离开关又称刀闸。图4-5为户内式隔离开关的外形图。
隔离开关的触头敞露在空气中,其通断状态明显可见,开断距离大,绝缘介质可靠。
隔离开关没有专门的灭弧装置,不能切断大电流,不能用来通断负荷电路和短路电流,否则会产生强烈的电弧,引起相间弧光短路,这不仅会损坏隔离开关而且对操作人员也十分危险。
隔离开关的主要用途是将需要检修的部分与其它带电部分可靠隔离,保证检修人员的安全,防止触电事故的发生。同时可增加检修人员的安全感。隔离开关可以用于操作电压互感器。
高压隔离开关种类很多,按极数可分为单极的和三极的;按使用环境可分为户内的和户外的;按触头的动作方式可分为刀闸式和插销式;按有无接地刀闸可分为带接地刀闸的和不带接地刀闸的;按操作机构可分为手动的、电动的和气动的。
3.高压断路器
断路器有专门设置的灭弧装置,断流能力很强,不仅可在正常时接通和断开负荷电路,还可在发生短路故障时切断短路电流。
断路器的触头不外露,开距小,绝缘介质易失效,超高压断路器还有并联电阻或电容,不能保障安全。
断路器的用途是正常停送电操作和故障时自动切断故障电路。
高压断路器按其灭弧介质不同,可分为油断路器、压缩空气断路器、六氟化硫断路器、真空断路器、自产气断路器及磁吹断路器。下面着重介绍常用的真空断路器。
1)真空断路器
真空断路器是用真空作绝缘介质的断路器。真空具有很高的绝缘强度和很强的灭弧能力。
真空断路器的主要部分是真空灭弧室,其原理结构如图4-8所示。断路器的动、静触头及屏蔽罩都密封在抽成真空的绝缘外壳中,外壳用玻璃或陶瓷制作。动触头与真空管之间的密封问题用波纹管来解决,当动触头运动时,波纹管在其弹性变形范围内伸缩。为了保证外壳的绝缘性能,在动、静触头外面装有金属屏蔽罩,用来冷凝吸收弧隙的金属蒸气。
图4-8  真空灭弧室原理结构图
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在真空中由于气体稀薄,分子的自由行程大,发生碰撞的几率很小,因此碰撞游离不是真空间隙击穿产生电弧的主要原因。真空绝缘击穿产生电弧的主要因素是触头蒸发出的金属蒸汽及其带电质点。当真空断路器分断电路时,随着触头的逐渐分离,形成阴极斑。由于阴极斑点附近温度很高,因而产生热电子发射和蒸发出压力较高并带有大量金属原子和带电质点的金属蒸气。电子与附有电子的金属蒸气,在电场作用下加速撞击阳极,使阳极局部发热产生金属蒸气与正离子,正离子再碰撞阴极,产生二次电子发射,如此不断循环,造成真空间隙绝缘的击穿产生电弧。
在真空电弧中,一方面金属蒸气及带电质点不断向弧柱四周扩散,并凝结在屏蔽罩上;另一方面触头在高温作用下不断蒸发向弧柱注入金属蒸气与带电质点。当扩散速度大于蒸发速度时,弧柱内的金属蒸气量与带电质点的浓度降低,以至不能维持电弧时,电弧熄灭,否则电弧将继续燃烧。当交流电流过零电弧熄灭时,触头温度下降,蒸发作用急剧减小,而残存质点又继续扩散,故真空断路器在熄弧后,介质的绝缘强度恢复极快,其速度可达20kV/μs,一般只需半个周期即可熄灭电弧。在开断容量范围内,绝缘强度的恢复速度基本不变。
真空断路器具有以下优点:触头开距小、体积小、质量轻、寿命长、操作噪音小、所需操作功率小;真空断路器动作速度快,燃弧时间短,一般只需半个周期即可熄灭电弧,熄弧后触头间隙介质恢复迅速;真空断路器运行维护简单、特别适于频繁操作。
真空断路器当分断小电流时,由于弧柱扩散速度过快,使阴极斑附近的蒸气压力和温度骤降,电弧难于维持,而突然熄灭,这种情况称为截流现象。截流现象会在电机和变压器等大电感设备中产生很高的过电压,可达到额定电压的2~3倍以上,称为操作过电压。在真空断路器的电路中必须采取过电压保护措施,详见第三讲。
2)六氟化硫断路器
六氟化硫断路器是采用具有优良灭弧性能和绝缘性能的SF6气体,作为灭弧介质的断路器。SF6气体能大量地吸收电弧能量,使电弧迅速冷却乃至熄灭,它的灭弧能力约为空气的100倍。六氟化硫断路器的缺点是:它的电气性能受电场均匀程度及水分等杂质的影响特别大,在开断大电流时,可能产生微量有毒的低氟化硫,故对该断路器密封结构、工艺与材料及SF6气体本身质量的要求相当严格。主要用于35kV以上的高压和超高压断路器。
在停、送电操作时,必须严格按照顺序操作,即断路器与隔离开关之间:送电时,先合隔离开关,后合断路器;停电时,先分断断路器,后分断隔离开关。否则,会在操作隔离开关时发生弧光短路,危及人身和设备安全。
三、熔断器
熔断器是一种过电流保护装置。熔断器串联在被保护电路中,当电路发生过载或短路故障时,通过熔体的电流超过其额定电流,当熔体温度达到其熔点温度后,熔体迅速熔化,切断故障电路,起到保护作用。
由于其结构简单、体积小、质量轻、价格便宜、使用维护方便,所以被广泛用来保护小容量的电气设备和对继电保护要求不高的电路。它的主要缺点是:熔体熔断后必须更换,保护特性和可靠性差。
熔断器的熔断时间与通过熔体电流的关系称为熔断器的保护特性,其曲线如图4-10所示。
图4-10  熔断器的保护特性曲线
1.户内式高压熔断器
图4-10是RN1型高压熔断器熔管的剖面示意图,在其密闭的瓷质熔管内充有石英砂填料,工作熔体(铜熔丝)上焊有小锡球。锡的熔点(232℃)较铜的熔点(1083℃)低,因此当熔体发热到锡的熔点时,锡球受热首先熔化,包围铜熔丝,铜锡分子相互渗透,形成熔点较低的铜锡合金,使铜熔丝能在较低的温度下熔断,这就是所谓的“冶金效应”。既降低了熔体的熔点温度,不使熔断器在正常工作时过热,又减少了熔体熔化时产生的金属蒸气,有利于电弧的熄灭。
工作熔体采用多根熔丝并联,在熔体熔断时产生多根并联电弧,多根变细了的电弧在石英砂中燃烧,对灭弧有利。这种熔断器的灭弧能力很强,在短路电流未达冲击值之前(即短路后不到半个周期)就能完全熄灭电弧。由于这种熔断器限制了短路电流的发展,所以称为限流熔断器。用限流熔断器保护的设备,可以不校验短路时的动、热稳定性。
2.户外式高压熔断器
1)跌开式熔断器
跌开式熔断器常用来保护配电变压器。利用高压绝缘钩棒的操作,可使熔断器的熔管与固定触头分断和闭合,其分、合状态明显可见,所以可起隔离开关的作用。在一定条件下,可用来通断空载变压器和空载线路。
图4-11a是RW4-6型跌开式熔断器的结构图,它由瓷绝缘子8、熔管5和接触导电系统等几部分组成。动触头2与熔管内的熔体6相连,熔管由钢纸管和酚醛纸管复合而成。熔体由铜银合金制成,焊在编织导线上,如图4-11b所示。合闸时,用绝缘棒钩住操作环4,向上推熔管即可。熔断器合上后,熔体依靠其机械张力使动触头紧卡在鸭嘴上,鸭嘴上的弹簧钢片3又顶着动触头,故熔管掉不下来。此时动触头与静触头紧密接触,将电路接通。
图4-11  跌开式熔断器
当严重过载或短路时,熔体熔断,动触头失去拉力从鸭嘴中滑脱,熔管靠自身重力作用,迅速跌落断开电路。熔管内衬的钢纸管在电弧作用下产生大量气体,使管内压力增加,高压气体从熔管上部喷出,对电弧产生纵吹作用。与此同时,随着熔管下落,电弧被拉长冷却,促使电弧熄灭。正常分闸时,只要用绝缘棒向上捅一下鸭嘴,熔管就会自行跌落,绝对不能硬拉操作环。
3.低压熔断器
低压熔断器按结构及用途可分为:RC系列插入式熔断器,多用于照明电路及小容量电动机电路;RL系列螺旋式熔断器,多用于额定电压为500V,额定电流为200A及以下的交流电动机控制电路;RM系列无填料封闭管式熔断器,多用于低压电力网络和成套配电装置的短路和过载保护;RT系列有填料封闭管式熔断器,多用于短路电流大的电力网络或配电装置中。RLS系列螺旋式快速熔断器,用于保护半导体元件。
图4-15a为RT0型熔断器结构图。外壳1由滑石陶瓷制成,其耐热性好,机械强度高。两端的金属盖板2用螺栓3紧固在壳体上,并把刀形触头7紧紧地压住。熔断器内有两个熔体,指示熔体5为康铜丝,与工作熔体6并联,当工作熔体熔断后,指示熔体也立即熔断,上盖板装设的红色熔断指示器4被弹出,表明电路已断开。工作熔体由多条冲有网孔的薄紫铜栅片9并联组成,中部焊有降低熔体熔点的锡桥10,栅片上的小孔11使熔体截面变小,如图4-15b所示。工作熔体被卷成笼状,其两端点焊在刀形触头上,以保证熔体与触头接触良好。熔断器外壳内充满石英砂8作为灭弧介质,当熔体熔断时,电弧与石英砂紧密接触,使电弧强烈去游离而迅速熄灭。
RT0型熔断器具有很高的分断能力,保护特性稳定,属限流熔断器,因此多用于短路电流较大的低压电路中。它的主要缺点是熔体熔断后不能更换,整个熔断器也随之报废。
图4-15  RT0型熔断器结构





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