高压开关简介

高压开关设备简介

高压设备是指额定电压3.6KV及以上的电器设备，主要功能是在高压线路中用来实现关合、开断、控制、保护、调节和测量。高压电器按其用途可分为开关电器、测量电器、限制电器和组合电器。其中开关电器又可分为断路器、隔离开关、接地开关、负荷开关、熔断器、重合器、分段器等；测量电器可分为电流互感器和电压互感器；限制电器可分为电抗器（限制过电流）和避雷器（限制过电压）；组合电器是指将两种或两种以上的高压电器，按照电力系统的主接线要求组成一个有机的整体而各电器扔保持原功能的装置，可以分为封闭式组合电器（GIS）、敞开式组合电器、复合式组合电器（HGIS）。

高压断路器是电力系统中重要的电气设备之一，它使用数量多、范围广，应用在电力系统的各种电压等级中。主要作用是在正常情况下，控制各种电气设备和电力线路的开断及投入；在电力系统发生故障时，与继电保护及自动装置配合，快速地切断电力系统中的故障电流，防止故障电流波及到整个电力系统中造成巨大的损失，以保持电力系统的正常运行。因此，断路器各机构的工作可靠性，直接影响着整个电力系统的稳定。

1.1高压断路器概述

1. 1. 1断路器分类

自从1893年在美国诞生了世界第一台断路器以来，断路器的理论和制造技术己取得了长足的进步和发展。通常，按照断路器所采用灭弧介质和灭弧方法的不同，可将断路器划分为如下几类：

（1）油断路器：以绝缘油为灭弧介质。进一步可细分为多油断路器和少油断路器。现在各种断路器中，油断路器是最早出现的、历史最悠久的断路器。在我国，油断路器是电力系统中使用最多的高压断路器。油断路器是在绝缘油中切断电弧的，对大地的绝缘是靠支持绝缘件和绝缘油来保持的。

（2）真空断路器：在高度真空中进行灭弧的断路器，由美国Jennings公司于1955年推出。使用安全，维护简单，噪声小，寿命长，占地面积小，但散热效果较差，提高额定电流也有困难。

（3）SF6断路器：以六氟化硫等惰性气体作为灭弧介质，由美国西屋公司于1956年推出。利用高压力的惰性气体SF6吹拂、冷却电弧使之熄弧，用较低压力的气体作绝缘，而较高压力的气体作吹弧用。具有开断性能好，电寿命长，使用安全，检修周期长等优点。此断路器在五十年代开始使用，七十年代后大量使用而且发展为全封闭式组合电器，成为超高压等级电力断路器的最主要的品种。6SF断路器分为瓷柱式和罐式两种。

（4）压缩空气断路器：以压缩空气为灭弧介质，由德国AEG公司在1930年首先推出。压缩空气断路器切断电路是利用贮存罐内贮存的压缩空气作用于断开触头时产生的电弧而把电路断开的。断开电路后触头间绝缘是靠主触头间的断口以及串联的其它断口来保持。对大地的绝缘靠支持绝缘件、压缩空气来保持。

（5）磁吹断路器：磁吹断路器在切断电路时利用分断电流所产生的磁场对触头分离时产生的电弧的作用，把电弧推入栅式灭弧装置内使其熄灭，对大地的绝缘是靠支持绝缘件来保持。现在，运行中的断路器大多采用少油或无油等方法来灭弧，多油断路器由于存在事故隐患而逐渐被淘汰。目前，在我国的高压电网中，少油断路器和六氟化硫断路器所占的比重较大；而在超高压和特高压电网几乎都是六氟化硫断路器。

1. 1. 2断路器主要用途

高压断路器是高压电力系统中最重要的控制和保护设备。高压断路器应该做到能够开断、关合及承载运行线路的正常电流，也能在规定时间内承载、关合及开断规定的异常电流，如过载电流和短路电流。概括的讲，高压断路器在电网中

起两方面的作用:

一方面，控制作用。根据电网运行需要，用高压断路器把一部分电力设备或线路投入或退出运行，这种作用称为控制。

另一方面，保护作用。高压断路器还可以在电力线路或设备发生故障时将故障部分从电网快速切除，保证电网中的无故障部分正常运行。这种作用成为保护。

1.2 SF6高压断路器的发展及其特点

2.2.1 SF6气体的性质

近年来，SF6气体作为断路器的灭弧介质得到了迅速的发展。SF6气体是理想的气体绝缘介质和灭弧介质，在均匀电场中SF6气体的绝缘强度约为空气的2.5倍，其灭弧能力是则为空气的100倍以上，它的灭弧能力非常强，由导电电弧向绝缘体的变化速度非常快。因而在高压断路器中，SF6既可作为灭弧介质，又可作为绝缘介质。在各种特性中SF6气体最显著的特点有：优良的基本性能，特异的热化学性能和很强的电负性。

（1）SF6气体的基本性能

纯SF6是无色、无味、无毒和不可燃的卤素化合物气体。在0-20C和0.1MPa时，其相对密度为6.135，即是空气相对密度的5倍。在0.1MPa气压时，沸点为-060C。SF6气体容易液化。在0.1MPa和0-62C时，SF6仍能保持气体状态，而在0.5MPa是，0-30C时其就要液化。SF6的传热系数，包括对流作用，为0.034，是空气的1.6倍。纯净的6SF气体是稳定和无毒的介质，但是高温分解出来的低氟化物却具有剧毒。

（2）SF6气体的化学特性

常温常压下SF6气体是—种可与氮气相比的性能十分稳定的气体。SF6气体的自分解温度大约为800K，1000K时出现SF4和F，3000K时SF6完全消失分解为+S，+F，-S和-F，5000K 时SF4也消失，7500K时形成了自由电子、原子或离子态的S和F组成的等离子体。

SF6断路器开断电路时，在电弧的高温作用下，SF6气体与触头材料（W，Cu）和金属材料(A1)会产生化学反应，主要为

4SF+W+Cu4SF+WFCuF→+ （2-1）

其他还有62622SF+W+Cu2SF+WFCuF→+ （2-2）

622624SF+3W+Cu2SF+3WFCuF→+ （2-3）3Al+3FAlF→ （2-4）

此外，6SF气体还可能与石墨（C）、绝缘材料（xCHy）和聚四氟乙烯（2CF）发生化学反应产生HF和4CF。其中6WF与水继续反应还会生成3WO，C ，2MF的固态金属氟化物，呈粉末状沉积在灭弧室底部，而2SF和22SF在电弧作用下、还会再次反应成4SF。以上各种反应可以看成是6SF气体在电弧作用下的一次反应过程，这一过程大约在出现电弧后一秒内完成。

（3）6SF气体的电负性

不仅6SF气体，通常卤素元素及其化合物气体，都具有电负性，即分子或离解原子具有生产负离子的倾向，而6SF气体的这种倾向非常强。6SF和由它分解产生的卤族分子和原子强烈地吸附电弧中的电子，形成负离子，而负离子的质量又比电子大得多。在电场作用下负离于的移动速度比电子小得多。因此，在电场中运动时很容易与正离子复合形成中性分子。因此，空间导电性的消火过程非常迅速，此种现象与电离空间的冷却能力非常强的情况具有同样的效果，从而电弧在电流零依附近空间电导率的变化非常快。

将上述过程简化并得到一个反应过程表示如下：

（2-7）对于灭弧来说，大量6SF中性分子与电弧接触是有效的方法。

2.2.2 6SF高压断路器的发展过程

根据6SF断路器灭弧室结构的变化，6SF断路器的发展过程可划分为以下三个阶段：

（1）第一代6SF断路器

第一代6SF断路器是沿用压缩空气断路器的原理，配置压缩机将6SF气体压缩到高压罐（1.2～1.5MPa）内。当触头开断时打开主气阀，高压力的6SF气体通过主气阀，在灭弧室喷口中形成高速气流经过弧隙喷向低压区（0.2～0.3MPa），是电弧过零时熄灭。因为灭弧室结构有两种压力，所以称它为双压式灭弧室。这种断路器需要气压泵和加压装置，结构复杂，适应环境能力差，已经被淘汰。

（2）第二代6SF断路器

随着各国对6SF断路器的不断研制和开发，设计出了单压式灭弧室，产生了单压式6SF断路器。与第一代相比，具有结构简单、灭弧性能好、生产成本低的特点。这中断路器只充入较低压力的6SF气体（0.5～0.7MPa），分闸时靠动触头带动压气缸，产生瞬时压缩气体吹弧。（3）第三代6SF断路器

第三代6SF断路器是指具有“自能”灭弧功能的6SF断路器。它具有开断能力强，操动机构功率小的优点，有利于新型操动机构的小型化，应用前景广阔。这种6SF断路器在开断电流时，依靠短路电路电弧自身的能量加热6SF气体，产生灭弧所需要的高压气；在开断小电感电流和小电容电流时，电弧自身的能量不足于加热6SF气体，产生灭弧所需要的高压气，这时依靠机械辅助压气建立高气压，不易产生载流过电压。

随着电力系统电压等级的不断提高，人们迫切需要和寻求一种体积更小、性能更好、维护更简单的高压电气设备，又研制和生产出了一种气体绝缘金属封闭式组合电器（GIS）。它是由断路器、隔离开关、接地开关、电流互感器、电压互感器、霹雷器、母线以及这些元件的封闭外壳、伸缩节、出线套管等组成，内部充入一定压力的6SF气体作为GIS的绝缘和灭弧介质。

2.2.3 6SF高压断路器的特点

（1）6SF路器的优点

1）6SF气体绝缘强度高。电气设备的绝缘距离可以大幅度减小，可优化灭弧室结构，单元电压可以做得很高，同样的电压等级下串联断口减少，有利于高压断路器的小型化。2）灭弧能力强，触头烧损轻微，检修周期长。目前6SF断路器一般都能够达到额定开断短路电流10～25次，大修周期达15～20年之久。

3）开断容量大，额定开断短路电流可达40～63kA，最大的已达到了80kA。断开大短路电流时灭弧快，不重燃，不会有火灾危险。

4）断开小电感电流和小电容电流时，灭弧特性好，恢复电压不高，过电压值很小，不易产生操作过电压。

5）操作所需操动能量小，操动机构体积小，分、合闸特性好。

6）模块化结构简单，体积小，重量轻，安装、调试方便，适用于各种不同的地理和环境要求。

7）封闭的6SF气体保持了内部的干燥，不受潮，不受外部环境条件的影响。

8）操作简单，安全，无火灾危险，检查巡视方便，运行维护工作量少。

9）技术含量高，制造工艺精良，机械、电气特性好，使用寿命长。

（2）6SF断路器的缺点

1）价格昂贵，一次性投资达。

2）技术标准、工艺要求高，一般要求安装、调试、大修由制造厂家进行或制造厂委派专业技术人员并在其指导下进行作业。

3）试验项目、试验条件、试验标准等要求严格，试验设备复杂、精确度高，

要求操作人员技术水平较高。

4）安装、检修、试验时，对6SF气体的管理、回收、处理等要求严格。5）安装、检修、

试验时，对水分含量的要求特别严格，处理方法复杂。

6）由于技术含量高，所需知识范围广，致使现场人员对一些现象的正确分析、判断、处理比较困难。

2.2.4 6SF断路器的分类

（1）按灭弧室结构原理6SF断路器可分为：双压式、单压式、自能式

1）双压式：双压式灭弧室有高压和低压两个气压系统，灭弧时，喷口打开，高压6SF气体经过喷口吹向低压系统，与电弧发生能量交换使电弧熄灭。双压式6SF断路器工作性能虽然良好，但必须配置一台在密封循环中工作的气体压缩机，结构复杂、价格昂贵。

2）单压式：单压式6SF断路器只有一个气压系统，灭弧室的可动部分带有压气装置，靠分闸过程中活塞气缸的相对运动，造成短时间的气压升高，产生吹弧作用来熄灭电弧。

3）自能式：自能式灭弧原理是最大限度地利用电弧自身的能量，加热膨胀室或气压室中6SF 气体建立起高气压，形成压差，通过高压力6SF膨胀，在喷口处形成高速气流，与电弧发生强烈的能量交换，当电流过零时，达到熄灭电弧的目的。

（2）按外形结构可分为：绝缘子支柱式和落地罐式

1）绝缘子支柱式：这类型断路器的结构特点是安置触头和灭弧室的容器是金属筒或是绝缘筒，且处于高电位，靠支持绝缘子对地绝缘。

2）落地罐式：这类型断路器结构特点是触头和灭弧室装于接地的金属箱中，导电回路靠绝缘套管引入，高压带电部分与外壳之间的绝缘主要由SF6气体和环氧树脂浇注绝缘子承担。它的主要优点是可以在进出线套管上装设电流互感器，以提供电流信号，和利用出线套管的电容制成电容式分压器，以提供电压信号，还能与隔离开关、接地开关、避雷器等融为一体，组成复合式开关设备。

（3）按电压等级可分为：

3.3kv、10kv、40.5kv、55kv、72.5kv、126kv、252kv、363kv、550kv、660kv、765kv、800kv、1100kv。

2.3 SF6断路器基本结构

SF6断路器的基本结构组成，主要有：

（1）导电部分。它包括动、静弧触头和主触头或中间触头以及各种形式的过渡连接等，其作用是通过工作电流和短路电流。

（2）绝缘部分。主要包括SF6气体、瓷套、绝缘拉杆等，其作用是保证导电部分对地之间、不同相之间、同向断口之间具有良好的绝缘状态。

（3）灭弧部分。主要包括动、静触头、喷嘴以及压气缸等部件，其作用是提高熄灭电弧的能力，缩短燃弧时间。

（4）操动机构。主要指各种型式的操动机构和传动机构，它的作用是实现对断路器规定的操作程序，并使断路器能够保持在相应的分、合闸位置。

2. 3. 1 SF6断路器典型结构

SF6断路器主要包括带电箱壳式和接地箱壳式两种典型的结构。

图中开断元件是断路器用来进行关合、承载和开断正常工作电流和故障电流的执行元件，它包括触头、导电部分和灭弧室等。触头的分合操作是靠操动机构来带动的，常用操动机构有电磁操动机构、弹簧操动机构、压缩空气操动机构和液压操动机构等。

开断元件放在绝缘支柱上，如图2-1 (a)，使处于高电位的触头、导电部分及灭弧室与地电位绝缘，绝缘支柱则安装在接地的基座上。这类结构成为外壳带电断路器，也有人称之为绝缘支柱断路器。

另一类结构的断路器称为外壳接地断路器(又称落地罐式)，如图2-1 (b)所示。开断元件放在接地的箱壳中，其间的绝缘依靠SF6气体来承担，导电部分经套管引入，结构比较稳定，常

在额定电压高的电压、超高压和特高压断路器中使用。

2. 3. 2 SF6高压断路器操动机构的构成

无论哪一种断路器，都必须能够进行机械运动，可以分离或接通触头，同时还需要为控制电弧而操纵灭弧介质等的运动。为了操作这些可动部件，断路器具有控制机械运动的部件，即操动机构。对此操动机构，要求具有独特的结构和机能，以满足断路器的使用目的。

操动机构的机能简单的说就是如下四项并成一体的反复操作：

（1）接受合闸指令关合触头。(合闸) （2）使触头保持在关合位置。(保持合闸) （3）接受分闸指令使触头分离。(脱扣) （4）使触头保持在分离位置。(保持开路)

6SF断路器的分合闸要靠一定的能源和机械操动系统来实现。合分闸能源可以是弹簧能、气体或液体的压缩能等；一般，6SF断路器的操动机构分为压缩空气操动机构、弹簧操动机构以及液压操动机构。

机械操动机构大致可分为三部分：

（1）操动机构：指断路器本体外的和操动能源直接联系的机械传动装置；

（2）提升机构：指直接带动断路器动触头运动的机构；

（3）传动机构：是指连接操动机构和提升机构的中间环节。

此外，断路器操作是速度很高，为了减轻断路器在分合闸终了时的撞击，避免零部件的损坏，需要在断路器机构的适当部位(一般在提升机构的附近)装设分、合闸缓冲器。断路器的分闸缓冲一般都采用油缓冲器，合闸缓冲可用弹簧缓冲器。

操动机构、传动机构和提升机构的职能虽然不同，但它们实质上都是以四连杆机构为基础构成的。另外，绝大部分断路器的触头都是作直线运动或近似直线运动，而断路器的主轴则作旋转运动，因此在断路器的机械操动系统中必须有一个能把旋转运动变为直线运动的机构。由此可见，断路器的操动机构是由许多的机械部分组合而成。因此，断路器能否开断短路电流的前提是其操动机构的每一组成部分都能正确无误的动作。2. 3. 36SF高压断路器对操动机构的要求

（1）合闸

在电网正常工作时，用操动机构使断路器关合，这是电路中流过的是工作电流，关合是比较容易的。但在电网事故情况下，如断路器关合到有预伏短路故障的电路时，情况就要严重的多。因为断路器关合时，电路中出现的短路电流可达几万安以上，断路器导电回路受到的电动力可达几千牛以上。另一方面，从断路器导电回路的布置以及触头结构来看，电动力方向又常常是阻碍触头关合的。因此，在关合有预伏短路故障的电路时，由于电动力过大，断路器有可能出现触头不能关合，从而引起触头严重烧伤，甚至断路器爆炸等严重故障。

总之，就合闸操作而言，操动机构应有足够能力来带动断路器可靠关合电路。标志操动机构合闸能力大小的一项指标是操动机构输出的机械功。

（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

该可以在操动机构上进行手动分闸，而且要求断路器的分闸速度与操作人员的动作快慢和下达命令的时间长短无关。同时，为了减少分闸信号的能量，达到快速分闸，简化继电保护回路的要求，在操动机构中应有分闸省力措施。

（4）自由脱扣

自由脱扣就是，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

使断路器关合短路而又自动分闸后，即使合闸命令尚未解除，也不会再次合闸。防止断路器无谓的多次合、分短路电流，造成触头的严重烧损甚至引起爆炸事故。

（6）复位

断路器分闸后，操动机构中的各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；断路器在分闸位置时，操动机构不能进行分闸操作。

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，操动机构不能进行合、分操作。

3）弹簧操动机构中的位置连锁。弹簧出能不到规定要求时，操动机构不能进行分、合闸操作。

（8）重合闸

断路器在自动分闸后，保证在接到重合闸指令后可靠重合闸。

2.4 6SF断路器主要性能指标

与6SF高压断路器的主要性能包括电压、电流和开断关合时间等几项指标。（1）额定电压(NU) kV，断路器的额定电压是指在规定的正常使用和性能条件下，能够连续运行的最高电压。同时断路器工作时还应耐受高于额定电压的各种过电压，而不会导致绝缘的损坏。具体数值与断路器额定电压有关，由国家标准GB1984规定。

（2）额定电流(NI)kA，断路器的额定电流是指在规定的正常使用和性能条件下，主回路能够长期连续承载的电流有效值。

（3）额定短时耐受电流（swI，kA），又称额定热稳定电流，是指在规定的使用和性能条件下，在确定的短时间内，断路器在合闸位置所能承受的电流有效值。

（4）额定短路持续时间（swt，s），又称额定热稳定时间，是指断路器在合闸位置所能承受其额定短时耐受电流的时间间隔。这一时间通常为1s～4s。

（5）额定峰值耐受电流（pwI，kA），又称额定动稳定电流，是指在规定的使用和性能条件下，断路器在合闸位置所能耐受的额定短时耐受电流第一个大半波的峰值电流。

（6）开断时间（bt，s），是指断路器接到分闸指令瞬间起到所有各相中电弧最终熄灭的时间间隔。

电力系统发生短路故障后，要求继电保护系统尽快动作，断路器开断得越快越好。这样可以缩短电力系统故障存在的时间，减轻短路电流对电力设备造成的伤害。在超高压电力系统中，缩短断路器开断断路故障的时间可以增加电力系统的稳定性，从而保证输电线路的输送容量。因此开断时间是高压断路器的一个重要参数。

开断时间是分闸时间与燃弧时间之和(boattt=+)分闸时间ot为断路器接到分闸指令瞬间起到所有相中弧触头分离瞬间的时间间隔。燃弧时间at是指某相中首先起弧瞬间起到各相中电弧最终熄灭的时间间隔。

对于，高压断路器，分闸时间和燃弧时间都必须尽量缩短。

（7）关合时间(pmt，s) s，是指断路器接到合闸指令瞬间起到所有相触头都接触瞬间的时间间隔。

关合时间是合闸时间与预击穿时间之差(pmcpattt=?)。合闸时间ct是指断路器接到合闸指

令瞬间起到所有相触头都接触瞬间的时间间隔。预击穿时间pat是指关合时，从任意一相中首先出现电流到所有相中触头都接触瞬间的时间间隔。

上述性能指标中，高压断路器的各项电流幅值大小于断路器电磨损量有关，各时间参数则反映断路器机械操动机构的状况。

隔离开关