高压开关基础知识

高压断路器基础知识

第一节、高压断路器的基本功能

断路器（circuit-breaker）的定义为：能够关合、承载、开断运行回路的正常电流，也能在规定时间内关合、承载及开断规定的过载电流（包括短路电流）的开关设备。一般来讲对地电压高于1kV的断路器为高压断路器。

高压断路器也应该能开断空载长线的充电电流（容性电流）、空载变压器的励磁电流（感性小电流）等等。通常使用的断路器分合频度不大，不经常承载、开断和关合短路电流，但有些特殊断路器也用于频繁分合。

总的来说，为实现断路器的作用，要求断路器具备以下最基本的功能：

在关合状态时为良好的导体，在长时间工作时各部位温度和温升低于最大允许发热温度和允许温升，能够承受短路情况下热的和机械的作用。

在开断状态时，具有良好的绝缘性能。在不同环境条件下，皆能承受对地同相以及不同相端子间的电压。

在关合状态的任一时刻，在尽可能短的时间内，能够开断额定开断电流及以下的各种故障电流。

在开断状态的任意时刻，在短时间内能关合处于短路状态下的电路。

在实际的生产运行中，存在着各种类型的开关设备，国家相关标准也对其进行了定义。

隔离开关（disconnector）：在分位时，触头间有符合规定要求的绝缘距离和明显的断开标志；在合闸位臵时，能承载正常线路条件下的电流及在规定时间内异常条件（短路）下的电流的开关。

负荷开关（switch，load-breaking switch）：能关合、开断及承载运行线路正常电流（包括规定的过载电流），也能在规定的时间内承载规定的异常电流（短路电流）的开关。接地开关（earthing switch）：用于将回路接地的一种机械式开关装臵。在异常条件（短路）下，可在规定时间内承载规定的异常电流。但在正常的回路条件下，不要求承载电流。接触器（contactor）：手动操作除外，只有一个休止位臵，能关合、承载及开断正常电流及规定的过载电流的开断和关合装臵。

重合器（automatic circuit recloser）：能够按照预定的顺序，在导电回路中进行开断和重合操作，并在其后自动复位、分闸闭锁或合闸闭锁的自具（不需要外加电源）控制保护功能的开关设备。

金属封闭开关设备：开关柜（metal-enclosd switchgear）：除进出线外，其余完全被接地金属外壳封闭的开关设备。

组合电器（composite apparatus）：将两种或两种以上的高压电器按电力系统主接线要求组成一个有机的整体而各电器仍保持原规定功能的装臵。

气体绝缘金属封闭开关设备；封闭式组合电器（gas insulated metal-enclosed switchgear，GIS）：至少有一部分采用高于大气压的气体作为绝缘介质的金属封闭开关设备。

第二节、高压断路器的分类和发展状况

1. 断路器的分类

按断路器灭弧原理来划分，有油断路器、压缩空气断路器、SF6断路器、真空断路器、磁吹断路器。

按照断路器的用途来划分，有发电机保护用断路器、线路用断路器（包括输电用断路器和配电用断路器）、供电用断路器（一般为6.9kV~40.5 kV）、高压直流断路器（开断直流回路）。

2. 断路器的发展状况

由于电力系统对输变电的质量和可靠性要求提高，对高压开关设备的性能要求也越来越高，另一方面由于基础理论，工艺水平，材料技术的不断进步，使得高压开关设备的技术有了长足的进步。目前，高压开关设备正在向着高压大容量、自能化、小型化、组合化、智能化的方向发展。(1)高压大容量断路器。

目前随着特高压输电系统工程的开展，500kV电压等级系统的不断发展，并且从技术经济性和可靠性角度的要求，都需要发展单元断口、容量大、电压高的断路器。

(2)断路器灭弧的自能化。

自能式灭弧室最大限度的利用了电弧自身的能量，使灭弧室建立起气吹熄弧所必需的操作功可降低为压气式的20%。由于自能式的断路器的操作功大大减小，必将大大提高断路器机械动作的可靠性。

自能式断路器由于熄弧技术先进、操作功小、整体体积小、因而在126-252kV电压等级应用逐渐增多，大有取代压气式断路器之势。

(3)高压开关设备的小型化。

高压开关设备小型化的目的是为了减少占地空间、进一步与环境相协调和易于组合化。小型化有着重要的社会意义。

(4)高压开关设备的组合化。

高压开关设备的组合化要求主要基于小型化技术，最重要的目的是可以实现体积小、具有成套性、可靠性高、少维护、易于安装、抗严酷环境等。例如GIS，GIS几乎囊括了大部分高压电器和保护检测电器，使原来分立的电器功能成为一个整体概念，可以说目前GIS的设计生产水平成为高压开关设备水平的代表。

(5)高压开关设备的智能化。

目前随着光电互感器、数字化变电站理论的成熟和技术的发展，逐渐提出了电器智能化的要求，目前集中在断路器智能化上的要求主要有：断路器自身状态的检测和故障诊断；对电网故障的诊断和信息远传技术；自动重合闸的智能控制；同步操作技术等。

(6)高压开关设备的高可靠性。

高压开关设备的可靠性主要体现在两方面，一方面为电气可靠性，另一方面则是机械可靠性。就目前的技术条件来说，电气可靠性已经大大提高，困扰高压电器整体水平的是机械可靠性问题。因为机械可靠性是和设计制造水平，材料技术息息相关的。提高机械可靠性是高压电器发展的主要努力方向。

第三节、开关电弧理论与绝缘介质特性

(一)电弧相关知识

开关设备使用触头分断回路中的电流，在大气环境中开断电流，只要电压超过12~20V，被开断的电流超过0.25~1A，在触头的间隙（弧隙）中通常产生一团温度极高、发出强光和能够导电的近似圆柱形的气体，这就是电弧。

电弧是由三个部分构成的，阴极区域、弧柱区域和阳极区域。电弧的阴极区域对电弧的发生和物理过程具有重要的意义，形成电弧放电的大部分电子是在阴极区产生或由阴极

本身发射的。电弧放电时，实际上并不是整个阴极全部参加放电过程，阴极表面的放电只集中在一个很小的区域上。这个小区域称为阴极斑点，它是一个非常集中，面积很小的光亮区域，其电流密度很大，是电弧放电中强大电子流的来源。同样阳极表面也存在阳极斑点，它接受从弧柱中过来的电子。弧柱是由高温、游离了的气体形成的充满了带电粒子的等离子体。

(二)SF6气体的基本特性

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气体本来是作为具有空气数倍的绝缘强度的绝缘气体为人们所熟悉。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。因此在高压断路器中SF6气体既作为灭弧介质，也作为绝缘介质。

纯净的SF6气体是无色、无味、无毒和不可燃的卤素化合物气体。纯净的SF6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。尽管在温度降低后大部分低氟化物也会复合，但是总会残留一些，因此在生产检修中要格外注意。

在20℃和0.1MPa时，其相对密度为6.135，即为空气相对密度的5倍。在0.1MPa气压时，沸点为-60℃。到150℃为止，SF6为化学惰性，和高压断路器中常用的金属等其他材料不发生化学作用。然而，在大功率电弧引起的高温下，

它能分解和游离成各种不同的成分，主要为SF4和SF2，以及少量的S2、F2、S、F等，在有湿气的时候对玻璃和金属有腐蚀作用。并且这些成分和蒸发的金属结合成一种极细的金属氟化物粉末，其电阻很高影响断路器的电气性能。因此断路器的触头表面必须有自洁功能，以除去在接触面上散布的这种金属氟化物。

(三)真空灭弧的基本特性

在真空中熄灭电弧的研究很早就开始了。而真空灭弧室到20年代实际50年代才被迅速应用，并且在电力系统中进行应用。

在真空中开断电流有很多优点：①开断时不需要外加气体或者液体灭弧介质，真空是不可燃的，也不会放出火焰或者气体，无火灾或爆炸的危险；②触头的电气寿命长；③有较大的开断能力，开断近区故障时不需要并联电容器或电阻；④真空中介质强度高，触头开距很小，需要的操作功也小。

真空中灭弧过程会出现一种特有的现象。对于工频电流的电弧，在电弧电流接近自燃零点时，由于金属蒸汽不足和电源电压不够高而会突然熄灭。熄灭后的真空间隙最终可以承受很高的电压。从熄弧前的几十伏电弧电压到能承受近100kV 的电压（12mm真空间隙）需要一个过程，这个过程即为真空燃弧间隙介质强度恢复过程。在恢复过程中，真空间隙能承

受外加电压的能力随时间的变化规律即为该真空间隙介质强度的恢复特性。熄弧后真空间隙在恢复电压的作用下有可能被击穿而引起电弧的重燃。引起重燃的原因有：①燃弧和燃弧后电极放出过量的气体②阴极表面吸附微小的绝缘物和金属微粒等维持着较强的场致发射作用而重新形成阴极斑点③恢复电压的电场强度超过500kV/cm以上产生场致击穿④电流过零后间隙有残余粒子碰撞继续维持较高的游离密度。在恢复初期①②为重燃的主要原因，后期③④为主要原因。

第四节、高压断路器的性能参数

（一）电流的通过能力

断路器在闭合的状况下导电系统长期通过的电流，或在限定时间内能够安全通过的一定的负荷电流成为断路器的额定电流。在通过这个一电流时，断路器各部分的允许温度不能超过国家标准中规定的数值。国家标准中给出的断路器额定电流值为：200、400、630、1000、1250、1600、2000、2500、3150、4000、5000、6300、8000、10000、12500、16000、20000（A）。

额定短时耐受电流又称额定热稳定电流，是在规定的短时间T内，断路器闭合位臵所能耐受的电流。在流过这一电流的时间内，断路器的温升应不超过规定的数值。我国规定

的短时间为2s。短时电流的通过能力，主要决定于触头的温升、熔焊、接触面的劣化和承受电动力的强度。

额定峰值耐受电流即为额定动稳定电流，是指断路器在闭合位臵所能耐受的峰值电流，其值等于额定短路关合电流是其额定短路开断电流交流分量有效值的2.5倍。在通过这一电流时，断路器应不受损坏而能继续正常工作。

（二）开断性能

开断能力是断路器最重要的性能之一。额定开断电流也即额定短路开断电流，标志着高压断路器开断短路故障的参数。国家标准规定断路器的额定短路开断电流是在标准规定的相应的工频及瞬态恢复电压下，能够开断的最大短路电流。有两个特征值表示：一是交流分量有效值，简称“额定短路电流”，二是直流分量百分数。标准规定，若直流分量不超过20%，则额定短路开断电流仅以交流分量有效值表征。（三）合闸能力和操作性能

1．合闸能力

（1）.额定短时耐受电流（热稳定电流）：

表示热稳定电流通过断路器时，在规定的时间（1s、4s、5s或10s，我国国标规定为4s）内，温度不超过规定的允许发热温度，且无触头熔焊或妨碍断路器正常工作的导体退火，变形的现象。热稳定电流一般用多少秒内允许通过的电流有效值来表示。且一般采用与额定开断电流相等的数值。

（2）.额定峰值耐受电流（动稳定电流或极限通过电流）：

指断路器的触头未分开之前或合闸时，允许通过短路电流的最大值。其值等于额定短路关合电流，是额定短路开断电流交流分量有效值的2.5倍。短路电流的最大峰值一般出现在短路电流发生后电流波形的第一个周波内。在通过此电流后，断路器应不受电动力的破坏且能继续正常工作。极限通过电流决定于断路器的导电部分和支持绝缘部分的机械强度，以及触头的结构形式。极限通过电流表示断路器对短路电流电动稳定性。

2．操作性能和动作时间

（1）分闸时间：从开关分闸操作起始瞬间（即接到分闸指令瞬间）起到所有极的触头都分离瞬间的时间间隔。

（2）燃弧时间：从首先分离极主回路触头刚脱离金属接触起，到各极中的电弧最终熄灭为止的时间间隔。

（3）合闸时间：处于分闸状态的断路器，从接到合闸指令瞬间起到所有极的触头都接触瞬间的时间间隔。

（4）分合时间（自动重合时）：重合操作时，从所有极的弧触头都分离瞬间起到首合极各弧触头都重新接触瞬间的时间间隔。

（5）合分时间（金属短接时间）：合操作中，从首合极各触头都接触瞬间起到随后的分操作时所有极中弧触头都分离

瞬间的时间间隔。

（6）合（分）闸同期性：开关合（分）时各极间及（或）同一极各断口间的触头接触（分离）瞬间的最大时间间隔。（7）合闸弹跳时间：指对于真空断路器在合闸过程中，动、静触头在接触瞬间发生的短暂、多次的合分过程所需的时间。

图1-1-1 断路器分闸时间

图 1-1-2 断路器合闸时间

图1-1-3 断路器自动重合闸时间（Ｏ－ｔ－ＣＯ）

3．机械寿命

由于开关设备属于变电设备中唯一的机械运动为主的设备，因此其机械寿命的参数显得尤为重要，我国标准规定，在常温下应能正常连续进行3000次操作。

但是由于断路器不仅仅正常操作，在实际情况中，经常需要开断故障电流，因此对断路器还应有电寿命的要求，一般对220SF6断路器开断额定短路电流次数的要求为20次。