第4章 电气设备及载流导体
教学要求：掌握高、低压开关电器结构特点、工作原理、电气参数及其应用，重点掌握断路器工作原理；掌握互感器作用、结构、接线方式及准确度等级；掌握母线、电缆、绝缘子、限流电器工作原理、结构及应用。
4.1高压开关电器
4.1.1 概述
在电力系统各类电力装置中，主要电力元件如发电机、变压器、线路、母线等，在改变运行方式或停电检修时，需要进行正常投入与切出；在出现故障时则须迅速分断短路电流，切除故障电路，以保证系统或装置其他部分正常工作。这种直接用于正常投切和故障切除电路电气一次设备称为开关电器。
开关电器分类有以下三种方式： 1．按电压高低分类
开关电器按使用电压高低分为高压开关电器和低压开关电器两类，后者用于1kV及以下电力网络中。
2．按安装场所分类
开关电器按安装场所分为户内式和户外式两类，其中低压开关电器除少数例外，多为户内式；110kV及以上开关电器主要是户外式。
3．按功能分类
根据开关电器在开断和关合电路中所担负任务不同，分为以下几类：断路器、隔离开关、负荷开关、熔断器。
将高压负荷开关和熔断器装配在一起组合式开关电器，具有类似高压断路器功能，在某些电路中可代替断路器使用。
4.1.2 高压断路器
4.1.2.1 高压断路器用途
高压断路器是高压电器中最重要部分，是电力系统一次设备中控制和保护关键电器，受它控制和保护电路，无论在空载、负载或短路故障状态，都应可靠地动作。
总来讲，高压断路器在电网中起两方面作用：一是控制作用，即根据电网运行需要，将部分电气设备或线路投入或退出运行；二是保护作用，即在电气设备或电力线路发生故障时，继电保护自动装置发出跳闸信号，启动断路器，将故障部分设备或线路从电网中迅速切除，确保电网中无故障部分正常运行。
4.1.2.2 高压断路器基本要求
由于断路器在电路中担负特别重要任务，必须满足以下基本要求：
1．工作可靠。断路器应能在规定运行条件下长期可靠地工作，并能在正常和故障情况下准确无误地完成关合和开断电路和指令，其拒动或误动都将造成严重后果。
2．具有足够开断能力。断路器开断能力是指能够安全切断最大短路电流能力，它主要决定于断路器灭弧性能，并保证具有足够热稳定和动稳定。开断能力不足可能发生触头跳开后电弧长时续燃，导致断路器本身爆炸飞弧，引起事故扩大严重后果。
3．动作快速。在电路发生故障时，快速地切除故障电路，不仅能缩短电力网故障时间和减轻巨大短路电流对电气设备损害，而且能增加电力系统稳定性，提高整个系统供电可靠性。
4．具有自动重合闸性能。输电线路短路故障大多数是临时性。为了提高电力系统运行稳定性和供电可靠性，线路保护多采用自动重合闸方式，即在发生短路故障时，继电保护动作使断路器跳闸，切断故障点短路电流，经很短时间后断路器又自动重合闸，恢复正常供电。若故障仍然存在，则断路器必须立即跳闸，再次切断短路电流，这要求断路器在第一次大电流灭弧后很快恢复灭弧能力，完成后续次灭弧。
5．结构简单，经济合理。在满足安全、可靠同时，还应考虑到经济性。故要求断路器结构力求简单、尺寸小、重量轻、价格合理。
4.1.2.3断路器基本参数
断路器特性和工作性能可用以下基本参数来表征：
1．额定电压。指断路器长时间运行能承受正常工作电压。它不仅决定了断路器绝缘水平，而且在相当程度上决定了断路器总体尺寸和灭弧条件。 由于输电线路有电压降，电网不同地点电压可能高出额定电压10%左右,使断路器可能在高于额定电压下长期工作，故制造厂规定断路器最高电压对于10~220kV为1.15倍额定电压，对于330kV及以上为1.1倍额定电压。
2．额定电流。它是断路器触头结构和导电部分在规定环境温度下允许通过长期工作电流，其相应发热温度不会超过国家标准。它决定了断路器触头及导电部分截面，并且在某种程度上也决定了它结构。
3．额定开断电流。指断路器在额定电压下能可靠开断最大短路电流有效值。它表征断路器开断能力。由于开断电流与电压有关，当断路器降低电压级使用（例如10kV断路器用于3~6kV电网）时，具有相应增大开断电流，但有一最大值，称为极限开断电流。
4．额定开断容量。断路器开断能力也可间接用开断容量Skd来表示，在三相电路中其大小等于额定电压与额定开断电流3倍。
5．动稳定电流。表明断路器在冲击短路电流作用下，承受电动力能力。其值由导电和绝缘等部件机械强度决定。
6．热稳定电流。表明断路器承受短路电流热效应能力。用通电时间（一般取4S）和最大电流有效值来综合表示。
7．开断时间。从操作机构跳闸线圈接通跳闸脉冲起，到三相电弧完全熄灭时止一段时间称为断路器开断时间，它等于断路器固有分闸时间tg和熄弧时间txh之和，即
tkd= tg+txh
其中固有分闸时间tg是从跳闸线圈接通跳闸脉冲到动、静触头刚分离一段时间；熄弧时间txh是从触头刚分离到各相电弧熄灭时间。
4.1.2.4 断路器操动机构
断路器在工作过程中合、分闸动作是由操动系统来完成。操动系统由相互联系操动机构和传动机构组成，后者常归入断路器组成部分。操动机构工作性能和质量对断路器工作性能和工作可靠性起着重要作用。
1、 操动机构组成
断路器操动机构由图4-1所示各个部分组成： 图4-1 操动机构部分组成 （1） 操动机构：由动力机构、扣住机构、脱扣机构等组成。
动力机构：为原动力机构，其操动能源由气压能、弹簧能、电磁能或液压能形成。 扣住机构：当断路器合闸到终了位置时，将机构固定在合闸位置。 脱扣机构：当断路器分闸时，能将死点机构脱开，实现分闸。
自由脱扣机构：由合闸电磁铁动作，顶起机构到合闸终点位置不落下，分闸电磁铁脱扣动作，机构能自由分闸。
（2） 传动机构：由拉杆、提升机构、缓冲机构等组成。 拉杆：是操动机构过渡到提升机构一种连接传动机构。 提升机构：用来提升触头进行分、合闸。
缓冲机构：用来在分、合闸终了位置吸收剩余动作，使操动平稳。
操动机构按照分、合闸信号进行操动，除此之外，根据运行和维护要求，还应有分、合闸位置机械指示器。
2、操动机构分类
操动机构按操动能源来进行分类，可分为手动型、电磁型、液压型、气压型和弹簧型等多种类型。
手动型操动机构是指靠人力合闸，靠弹簧力分闸操动机构； 电磁型操动机构是直接依靠电磁力来合闸操动机构；
液压型操动机构是用高压油推动活塞实现合闸与分闸操动机构。 气压型操动机构是以压缩空气推动活塞实现合闸与分闸操动机构。
弹簧型操动机构是用小功率电动机将弹簧拉伸储能实现合闸与分闸操动机构。
除手动型外，其他均为自动操动机构。其中，电磁型需直接依靠合闸电源提供操动功率；液压型、气压型和弹簧型则只需间接利用电能，并经转换设备和储能装置用非电能形式操动合闸，故短时失去电源后可由储能装置提供操动功率，因而减少了对电源依赖程度。
图4-2给出是由电磁型操动机构操动断路器动作原理示意图。
图4-2 断路器动作原理示意图
其合闸过程如下：当合闸线圈1接通时，合闸铁芯2被吸向上，推动合闸机构3绕O1轴作反时针旋转，同时通过绝缘连杆12和固定在断路器轴上拐臂11带动断路器轴9转动，使动触头系统8向上运动，并把装在动触头系统上分闸弹簧5压紧。合闸完成后，分闸机构搭钩4将合闸机构3扣住，使断路器保持在合闸位置。合闸所需能量是由合闸电磁铁提供。
其分闸过程如下：当分闸线圈7接通时，分闸铁芯6被吸向上，推动搭构4绕O2轴作反时针旋转，释放合闸机构3。此时，在分闸弹簧作用下动触头系统向下运动而完成分闸。断路器分闸是靠分闸弹簧实现，分闸所需能量是操动机构在合闸过程中储藏在分闸弹簧。
3、操动机构基本要求
断路器操动机构类型和产品型式多种多样，但其基本要求是一致，主要有以下几个方面。 （1）具有足够合闸功率，保证所需合闸速度，并使断路器在关合短路情况下关合到底。 （2）能维持断路器处在合闸位置，不因外界震动和其他原因产生误分闸功率。
（3）有可靠分闸装置和足够分闸速度，为了设备和系统安全，分闸装置务必工作可靠、灵敏快速，在任何情况下不允许误动或拒动。断路器分闸后，操动机构应自动回复到准备合闸位置。
（4）具有自由脱扣装置。在断路器进行合闸过程中又接到分闸命令时，操动机构应立即终止合闸过程，迅速进行分闸。这种在合闸过程中分闸叫做自由脱扣。可见自由脱扣装置是分闸装置重要补充，二者常结合在一起。无论对自动或手动操动机构，该装置都是不可缺少。 （5）在控制回路中，要保证分、合动作准确、连续，即分后准备合、合后准备分。 （6）结构简单、体积小、价格低廉。 4.1.2.5高压断路器分类
高压断路器一般按灭弧介质不同进行分类。 1．油断路器。
指采用变压器油作为灭弧介质断路器。它又可分为多油断路器和少油断路器。多油断路器油除了作灭弧介质和触头开断后绝缘外，还作为带电部分对地绝缘。少油断路器油只作为灭弧介质和触头开断后绝缘外，而带电部分对地绝缘采用瓷件或其他介质，和多油断路器相比，具有用油量少，体积小，重量轻，运输安装方便，有利于防火等优点。
2．压缩空气断路器
指采用压缩空气作为灭弧介质和弧隙绝缘介质断路器。压缩空气断路器特点是灭弧能力强，动作迅速，能快速自动重合闸。此外，其体积小，防火防爆，在低温下能可靠工作，维护检修方便。其缺点是工艺要求高，消耗有色金属多，操作时噪声大，并需一套专供操作用压缩空气设备等。
3．真空断路器。
指采用真空高绝缘强度来灭弧断路器。这种断路器动静触头密封在真空泡内，利用真空作为灭弧介质和绝缘介质。它特点是：体积小，能频繁操作，维修工作量小。
4．六氟化硫（SF6）断路器。
指利用具有优异绝缘性能和灭弧性能SF6气体作为灭弧介质和绝缘介质断路器。由于SF6气体电气性能好，所以SF6断路器断口电压较高，在电压等级相同、开断电流和其他性能相近情况下，SF6断路气比少油断路器串联断口要少，可使制造、安装、调试和运行比较方便和经济。
它特点是：灭弧能力强，绝缘强度高，开断电流大，燃弧时间短；开断电容电流或电感电流时，无重燃，过电压低；电气寿命长，检修周期长，适于频繁操作；操作功小，机械特性稳定，操作噪音小。
4.1.2.6 高压断路器基本结构和灭弧过程 1． 少油断路器
少油断路器分为户内式和户外式。低于35kV少油式断路器只有户内式，高于35kV只有户外式，35kV少油式则兼有户内式和户外式。目前我国生产少油断路器有多种系列，下面主要介绍SN10和SW6两种。
（1）SN10系列户内式少油断路器
SN10系列少油断路器结构基本相似，图4-3所示为SN10-10Ⅰ型少油断路器结构图。它由箱体、框架和机械传动机构三大部分组成。箱体下部用两个支持绝缘子垂直壁挂于框架上，并经一绝缘连杆与传动机构相连。断路器分合时，操作机构通过主轴27、绝缘拉杆29和基座内变直机构，使导电杆上下动作，实现断路器分合。
图4-3 SN10-10Ⅰ型少油断路器结构
少油断路器导电回路从上到下由上接线座5、静触座7、静触头13、弧触指14、导电杆20、滚
动触头19和下接线座18等组成。
导电杆端部和静触头弧触指上均装有耐弧铜钨合金，以增强触头抗弧能力和短路开断能力，延长其使用寿命。
箱体中间部位是灭弧室，采用纵横吹和机械油吹联合作用灭弧原理。图4-4是SN10-10Ⅰ型断路器灭弧室结构原理图，图4-4（a）中，绝缘筒11由高强度玻璃钢制成，其内叠装用耐弧耐热三聚氰胺玻璃纤维热压而成隔弧板1~5（共5片），内衬筒7和8（两个），绝缘垫圈6和10（两个）；上面用螺纹压圈9旋紧。第2、3、4片隔弧板带有横吹喷口，第5片隔弧板具有纵吹油囊，形成三级横吹和一级纵吹。此外还具有因导电杆分闸运动引起机械油吹作用。
图4-4 SN10-10Ⅰ型少油断路器灭弧室结构原理图
在灭弧室上部空间放置静触头，如图4-3所示。静触头座上套有一绝缘罩筒17，把灭弧室上部空间分为内、外两个部分。内空间向下可通过隔弧片中心孔和横吹孔与外空间相通；向上通过静触头座回油孔道中逆止阀与外空间相通。当断路器处于合闸位置时，下通道被导电杆塞闭，上通道因逆止阀钢球下落而开启，以接受回油。在分闸过程中，动静触头一分离便于工作产生电弧，分解变压器油，首先将逆止阀钢球上推堵住回油孔，造成密闭燃弧，使内腔压力迅速升高。随着导电杆向下运动，顺序打开第1、2、3横吹孔和下部油囊纵吹孔，造成压力油气流纵横吹。此外，在导电杆快速向下运动同时，总过程如图4-4（b）所示。图中在开断小电流时，由于横吹缺乏足够压力，电弧被拉至纵吹油囊后，在油气纵横吹及机械压油吹弧联合作用下熄灭。当开断大电流时，由于电弧能量大，油气压力高，一般在开启第1或第2横吹孔时即能熄灭，燃弧时间很短，约为8~16ms。 （2）SW系列户外式少油断路器
户外式少油断路器采用串联灭弧室、多断口积木式结构形式，其结构外型如图4-3所示。断路器每相由两个结构完全相同灭弧室1串联，对称地布置成V形，固定在中间机构箱2上，与支柱绝缘子3一起组成一个Y形落地式结构，每相有一单独底座4,三相共用一套操动机构实现三相联动。110KV少油断路器采用单柱双断口结构，按照积木式组装方式，用于220KV、330KV少油断路器可分别采用双柱四断口和三柱六断口结构，如图4-4所示。 图4-5 户外式少油断路器结构外型
图4-6 断路器积木组合 这种每相导电回路采用多断口方式可以增强灭弧能力、缩短分合闸时间和降低灭弧室高度。 灭弧室里结构大体与户内式少油断路器相似，也采用纵横吹和机械油吹联合作用灭弧原理。 油断路器优点是结构简单，价格便宜，但油在灭弧过程中容易被碳化，所以检修周期短，维护工作量大，再加油既会对造成对环境污染又容易引发火灾，所以在110KV及以上电力系统中已有被六氟化硫断路器取代趋势，而且在10KV电力系统中也有被真空断路器取代趋势。
2.SF6断路器 （1）SF6断路器发展
SF6气体出现于1900年，直至1940年才被用来作为电器设备绝缘介质，以此为起点，使SF6气
发电厂及变电站电气设备第4章
