高壓電器技術(shù)原理課件

高壓電器技術(shù)原理在2006年高壓開(kāi)關(guān)技術(shù)信息培訓(xùn)班上的講座2006.10.17主要內(nèi)容1概論2開(kāi)關(guān)作用與現(xiàn)代高壓斷路器的理論基礎(chǔ)3開(kāi)關(guān)電器的共同性問(wèn)題4六氟化硫（SF6）技術(shù)5真空開(kāi)關(guān)技術(shù)6高壓開(kāi)關(guān)絕緣7相位控制斷路器8智能操作斷路器西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院1概論

1.1高壓開(kāi)關(guān)行業(yè)的定位開(kāi)關(guān)行業(yè)是電力行業(yè)的主要裝備制造業(yè)之一，也是機(jī)電產(chǎn)品工業(yè)之一，是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)工業(yè)。西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院1前言

1.2開(kāi)關(guān)電器的定義與用途定義：

開(kāi)關(guān)電器switchingdevice：用作閉合（關(guān)合）或者開(kāi)斷一個(gè)或幾個(gè)電路電流的器件。機(jī)械開(kāi)關(guān)電器：用可分離的觸頭來(lái)合、分一個(gè)或幾個(gè)電路的的開(kāi)關(guān)電器。半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)電器：設(shè)計(jì)用半導(dǎo)體可控導(dǎo)電性來(lái)閉合（關(guān)合）電路電流的開(kāi)關(guān)電器。

西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院1前言用途：（1）正常工作狀態(tài)時(shí)的分合閘操作（控制用）（2）故障狀態(tài)時(shí)的保護(hù)操作（保護(hù)用）斷路器－互感器－繼電保護(hù)負(fù)荷開(kāi)關(guān)－熔斷器保護(hù)（3）設(shè)備的隔離（4）檢修時(shí)的接地保護(hù)西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院1前言分類：（1）高壓開(kāi)關(guān)電器種類可分：斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、負(fù)荷開(kāi)關(guān)、接觸器、重合器、分段器、接地開(kāi)關(guān)和熔斷器（參見(jiàn)各自定義）。從不同電器的定義來(lái)看：主要是從功能區(qū)分，然后是結(jié)構(gòu)性能的劃分。

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2.1開(kāi)關(guān)作用

所謂開(kāi)關(guān)作用是指：在具有一定電位的導(dǎo)體電路的一部分上進(jìn)行導(dǎo)體與絕緣體的相互迅速變換。西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院2開(kāi)關(guān)作用與現(xiàn)代高壓斷路器的理論基礎(chǔ)

從原理上講，作為具有這種功能的電路元件有：1、可分觸頭2、半導(dǎo)體（控制固體的電子的能級(jí)來(lái)改變電導(dǎo)率）3、超導(dǎo)（在低溫超導(dǎo)領(lǐng)域的溫度控制）4、真空電子流（電位控制）5、磁放大器（直流勵(lì)磁控制）等西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院2開(kāi)關(guān)作用與現(xiàn)代高壓斷路器的理論基礎(chǔ)

用觸頭分?jǐn)嚯娐罚灰谄鸹O限以上，就必然要產(chǎn)生電弧，只有在電弧熄滅后，電路才能斷開(kāi)。電弧的高溫、高壓力，給人們帶來(lái)很大麻煩，對(duì)電器本身也帶來(lái)危害。

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由于認(rèn)識(shí)上的局限性，使人們處于“被動(dòng)地位”。因此當(dāng)一種新的不產(chǎn)生電弧的開(kāi)關(guān)元件出現(xiàn)時(shí)，就會(huì)夸大其作用，認(rèn)為可最終“代替”有觸點(diǎn)設(shè)備。對(duì)高壓交流斷路器來(lái)說(shuō)，目前還無(wú)法取代，而且在（30～50）年內(nèi)還看不到這一前景。西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院2開(kāi)關(guān)作用與現(xiàn)代高壓斷路器的理論基礎(chǔ)

2.2開(kāi)關(guān)元件的性能比較有觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)元件無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)元件（1）阻抗轉(zhuǎn)換比1010～1014104～107

（斷開(kāi)時(shí)與導(dǎo)通時(shí)的阻抗比）（2）耐電壓程度單斷口可達(dá)550kV每個(gè)元件只達(dá)15kV（3）承受過(guò)載能力強(qiáng)弱（4）元件本身的功率損耗小大西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院2開(kāi)關(guān)作用與現(xiàn)代高壓斷路器的理論基礎(chǔ)

2.3現(xiàn)代交流斷路器的理論基礎(chǔ)

高壓交流斷路器由于它分合的電力系統(tǒng)的電壓、電流在數(shù)值上特別大，要求動(dòng)作時(shí)間短，工作條件又特別復(fù)雜，因而在技術(shù)上存在很大的困難，在現(xiàn)代電力設(shè)備中成為需要最高技術(shù)領(lǐng)域的產(chǎn)品之一。西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院2開(kāi)關(guān)作用與現(xiàn)代高壓斷路器的理論基礎(chǔ)

只有產(chǎn)生電弧，才能利用等離子體的溫度控制來(lái)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)體－－絕緣體的迅速變換，這個(gè)觀點(diǎn)就是現(xiàn)代高壓交流斷路器的理論基礎(chǔ)。對(duì)斷路器技術(shù)的發(fā)展起了積極的作用。認(rèn)為電弧是“利多弊少”，而“研究電弧主要在于利用電弧”。這是積極、進(jìn)取和正確的態(tài)度。西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院2開(kāi)關(guān)作用與現(xiàn)代高壓斷路器的理論基礎(chǔ)

對(duì)于斷路器中的等離子體來(lái)說(shuō)，希望具有：⑴電導(dǎo)率的變化范圍應(yīng)盡可能大：從良導(dǎo)體到完全絕緣體。若真能達(dá)到電阻從零變到無(wú)限大，這就是“理想電弧”。⑵電導(dǎo)率的變化速度應(yīng)盡可能快：電導(dǎo)率的變化速度反映在電弧熱時(shí)間常數(shù)的大小。西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院2開(kāi)關(guān)作用與現(xiàn)代高壓斷路器的理論基礎(chǔ)

第一項(xiàng)特性取決于等離子體的介質(zhì)材料，引進(jìn)新的電弧介質(zhì)是技術(shù)進(jìn)步的關(guān)鍵，例如SF6氣體、金屬蒸汽的采用。第二項(xiàng)要求也與介質(zhì)材料有關(guān)，但更大程度上受等離子體的溫度控制方法的影響，這也就是滅弧原理的作用?，F(xiàn)代斷路器技術(shù)簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)是盡可能造成導(dǎo)電性高的電弧、導(dǎo)通大電流，并在短時(shí)間內(nèi)“冷卻”變換成絕緣性能高的氣體間隙。

西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院3開(kāi)關(guān)電器的共同性問(wèn)題3.2從運(yùn)行角度的共同要求⑴電的作用；⑵熱的作用；⑶機(jī)械作用；⑷大氣環(huán)境的作用。西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院4六氟化硫（SF6）技術(shù)4.1SF6氣體的優(yōu)良絕緣和滅弧特性與目前使用狀況4.1.1SF6氣體的基本特性：

SF6氣體是一種無(wú)色、無(wú)嗅、無(wú)味、無(wú)毒、不可燃、不溶于水的惰性氣體，是目前世界上最不活潑的著名氣體之一。不侵蝕與它接觸的物質(zhì)。SF6是由六個(gè)氟原子以共價(jià)鍵的形式和硫原子結(jié)合成一個(gè)中性分子，分子量大（146.06）、密度也大，比空氣重5倍多。西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院4六氟化硫（SF6）技術(shù)非理想氣體。SF6靠對(duì)流和擴(kuò)散同空氣混合是很緩慢的，在未充分混合前，SF6氣體有向低處積聚的趨向，但一經(jīng)混合，就不分離。

SF6氣體的液化溫度高，在常溫下稍加高壓力就很容易液化。純凈的SF6氣體熱穩(wěn)定性也好，SF6氣體是很強(qiáng)的電負(fù)性氣體。

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SF6氣體的擊穿電壓隨間隙距離和氣體壓力的增加而升高，但并不是線性的，即隨著間距和壓力的增加都會(huì)出現(xiàn)飽和現(xiàn)象。由于SF6氣體的電氣強(qiáng)度高，通常在（0.5～0.7）MPa下就可得到很高的絕緣性能，現(xiàn)廣泛地被應(yīng)用為電氣設(shè)備的絕緣介質(zhì)，達(dá)到減少間隙尺寸和縮小設(shè)備的體積。

西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院4六氟化硫（SF6）技術(shù)4.1.3SF6氣體的熄弧特性與熄弧原理：

（1）SF6氣體具有特異的熱化學(xué)性：（2）具有很強(qiáng)的電負(fù)性。SF6氣體電弧的熄滅原理與其他斷路器不同，它并不僅依靠氣流的壓力梯度所形成的絕熱膨脹（等熵）冷卻作用，而主要是利用SF6氣體的特異的熱化學(xué)性和強(qiáng)電負(fù)性，才有特別強(qiáng)的滅弧能力。供給足夠量新鮮的SF6氣體中性分子并使之與電弧接觸是熄滅電弧的有效方法，這也是SF6氣體滅弧的基本原理。西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院4六氟化硫（SF6）技術(shù)4.1.4SF6氣體是電力設(shè)備中最佳的滅弧和絕緣用氣體介質(zhì)：60～70%用于電力設(shè)備：⑴氣體絕緣開(kāi)關(guān)設(shè)備（GIS）⑵氣體絕緣電纜（GIC－cable）或氣體絕緣輸電線路（GITL）⑶氣體絕緣變壓器（GIT）⑷配電電壓等級(jí)的C－GIS。

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對(duì)氣體溫室效應(yīng)，不僅要看到它所起作用的大小，還應(yīng)看它的潛在作用。目前是以GWP(GlobalWarmingPotential,全球溫暖化趨勢(shì)，或稱全球升溫潛能值)值來(lái)衡量或評(píng)價(jià)氣體的溫室效應(yīng)，有關(guān)研究報(bào)告指出，SF6氣體在大氣中的壽命最長(zhǎng)，為3200年。如以CO2（壽命為100年）的GWP值為1，則SF6氣體的GWP值為23900，是氣體中GWP值最高的氣體，顯然是最嚴(yán)重的溫室氣體，其潛在危害也最大。

西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院4六氟化硫（SF6）技術(shù)4.3《京都議定書(shū)》規(guī)定了氣體的限制使用

1997年12月10在日本京都會(huì)議上提出了決定草案，即《聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約京都議定書(shū)》，在該議定書(shū)的附錄A中，列出了六種溫室效應(yīng)氣體：二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）、氧化亞氮（N2O）、氫氟碳化物（HFCS）、全氟化碳（PFCS）、六氟化硫（SF6）；并列出了與這些溫室氣體相關(guān)的部門類別和相應(yīng)的產(chǎn)業(yè)，基本能源工業(yè)、制造工業(yè)和建設(shè)、六氟化硫的生產(chǎn)和消費(fèi)等均在被指名之列。

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《京都議定書(shū)》規(guī)定2008年至2012年為第一個(gè)排放量限制和削減承諾期，在附件B中列出了有關(guān)締約方的排放量限制或削減承諾（以1990為基準(zhǔn)年，對(duì)于六氟化硫等后3種氣體則以1995年為基準(zhǔn)年）。歐洲國(guó)家的要求呼聲最高，據(jù)說(shuō)不久將由歐共體共同制定的有關(guān)SF6氣體的限制或禁用的法律法規(guī)將出臺(tái)。我國(guó)已簽署該議定書(shū)，也會(huì)按這一要求去做，正如對(duì)氟利昂的態(tài)度一樣。對(duì)SF6氣體的政策如何還不太明確。西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院4六氟化硫（SF6）技術(shù)《京都議定書(shū)》對(duì)SF6氣體的限制使用應(yīng)引起我們足夠的重視。減少SF6氣體的使用量這一目的應(yīng)該是共同的。如何減少SF6氣體的使用直至最好盡量不用，將是我們電氣設(shè)備特別是高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備工作者的不可推卸的責(zé)任和義務(wù)。西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院4六氟化硫（SF6）技術(shù)4.4高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備制造業(yè)的對(duì)策4.4.1作為絕緣用：（1）尋找替代品：

（2）采用混合氣體，即SF6與N2的混合氣體

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4.4.2作為滅弧介質(zhì)：對(duì)SF6斷路器，混合氣體沒(méi)有好處，隨著SF6氣體用量的減少，則開(kāi)斷性能也相應(yīng)下降。這與滅弧原理有關(guān)。

目前仍無(wú)法取代的超高壓斷路器仍可采用SF6斷路器外，應(yīng)逐步減少SF6斷路器的產(chǎn)量，同時(shí)也應(yīng)盡量少采用罐式SF6斷路器。

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對(duì)于斷路器的介質(zhì)要求，電導(dǎo)率的變化范圍和變化速度都應(yīng)大或快，真空斷路器是一個(gè)較好的發(fā)展方向，目前也是斷路器的主要品種之一，用在40.5kV以下斷路器。污染最小的綠色環(huán)保品。126kV斷路器在高壓斷路器中用量最多。目前主要仍是SF6斷路器。日本已制成126kV真空滅弧室,并合作開(kāi)發(fā)了斷路器,但仍用少量SF6作滅弧室外殼的絕緣。

西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院4六氟化硫（SF6）技術(shù)我國(guó)如能在126kV真空滅弧室和斷路器方面近期內(nèi)能投入力量并取得突破,以取代126kV的SF6斷路器，則可大量減少SF6在開(kāi)關(guān)行業(yè)的用量,對(duì)環(huán)境保護(hù)十分有意義。而且也可跟上國(guó)際技術(shù)發(fā)展的步伐，并為在超高壓等級(jí)取代SF6打下扎實(shí)基礎(chǔ)。

西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院5真空開(kāi)關(guān)技術(shù)5.1真空中滅弧原理當(dāng)觸頭在真空中分?jǐn)嚯娐窌r(shí)將產(chǎn)生真空電弧。真空電弧實(shí)質(zhì)上是真空容器內(nèi)在觸頭材料等的金屬蒸汽中產(chǎn)生的電弧，屬于低氣壓電弧。

西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院5真空開(kāi)關(guān)技術(shù)真空電弧有兩種基本形態(tài)：（1）擴(kuò)散型真空電?。寒?dāng)電流小于某一數(shù)值時(shí)（幾千安），（2）集聚型真空電?。寒?dāng)電流大于某一數(shù)值時(shí)。

西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院5真空開(kāi)關(guān)技術(shù)交流真空電弧的熄滅原理：（1）特點(diǎn)：小電流時(shí)始終是擴(kuò)散型的；大電流時(shí)，電流值超過(guò)集聚值很多時(shí)，則轉(zhuǎn)變成集聚型后就始終是集聚型的。當(dāng)電流只在幅值附近時(shí)超過(guò)，則先轉(zhuǎn)變成集聚，后又可轉(zhuǎn)為擴(kuò)散型。西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院5真空開(kāi)關(guān)技術(shù)（2）熄弧原理：擴(kuò)散型，過(guò)零后，電極陰陽(yáng)極對(duì)調(diào)，新陰極不會(huì)產(chǎn)生陰極斑點(diǎn)，而真空中介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)又特別快，只要間隙（開(kāi)斷）距離足夠，過(guò)零后電弧不會(huì)重燃，一次過(guò)零熄滅。集聚型，由于陰極和陽(yáng)極都有較大的熔區(qū)，需要ms級(jí)時(shí)間才能冷卻，在未冷卻前，電極不斷提供大量金屬蒸汽，過(guò)零后，在恢復(fù)電壓作用下，不可避免地發(fā)生重燃。不采取相應(yīng)措施，則集聚型交流真空電弧不能熄弧，即沒(méi)有開(kāi)斷能力。西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院5真空開(kāi)關(guān)技術(shù)

兩種措施：a.在工頻半波末尾使轉(zhuǎn)化為擴(kuò)散型，用橫向磁場(chǎng)吹弧的方式，使陰、陽(yáng)極斑點(diǎn)快速移動(dòng)，降低電極表面溫度。b.提高集聚電流值，在開(kāi)斷范圍內(nèi)不發(fā)生集聚，通常是加縱磁。西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院5真空開(kāi)關(guān)技術(shù)（3）開(kāi)斷小電流時(shí)的截流現(xiàn)象：與觸頭材料和電流值有關(guān)。西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院5真空開(kāi)關(guān)技術(shù)5.2真空滅弧室的結(jié)構(gòu)和工作原理

真空滅弧室是真空開(kāi)關(guān)的一個(gè)最重要的部件，由絕緣外殼、端蓋、導(dǎo)電桿、波紋管、觸頭、屏蔽罩等部件組成。由絕緣外殼、端蓋和波紋管構(gòu)成封閉的容器，波紋管的使用才能實(shí)現(xiàn)在滅弧室外帶動(dòng)動(dòng)觸頭作分合運(yùn)動(dòng)。滅弧室在無(wú)機(jī)械外力作用時(shí)，由于自閉力，其動(dòng)靜觸頭始終保持閉合位置。西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院5真空開(kāi)關(guān)技術(shù)

觸頭是真空滅弧室內(nèi)的最為重要的元件，開(kāi)斷能力和電氣壽命主要由觸頭結(jié)構(gòu)來(lái)決定。真空開(kāi)關(guān)的觸頭目前都是對(duì)接式的。

西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院5真空開(kāi)關(guān)技術(shù)西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院5真空開(kāi)關(guān)技術(shù)5.3真空斷路器的發(fā)展趨勢(shì)

由于真空斷路器的品種和結(jié)構(gòu)繁多，但基本原理一樣。也就不詳細(xì)講各種類型，只說(shuō)明幾個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。（1）電壓等級(jí)：目前真空斷路器已廣泛用在40.5kV以下的配電電壓等級(jí)，今后將向更改電壓等級(jí)發(fā)展，首先是72.5kV～126kV。（2）小型化：一方面已采用新的電弧控制技術(shù)，在不降低開(kāi)斷能力的條件下不斷縮小真空滅弧室的尺寸和體積，另一是采用新的復(fù)合絕緣技術(shù)和澆注技術(shù)將真空滅弧室與非絕緣體澆注在一起使體積縮小。西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院5真空開(kāi)關(guān)技術(shù)（3）采用永磁保持式電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)（4）各種專用真空斷路器：切合電容器：西門子3AH260000次；3AH412000次東芝24kV/1250A/20kA和36kV/1250A/2000A/12.5kA達(dá)12萬(wàn)次選相分合真空斷路器合閘和分閘±0.5ms和±1ms（5）智能型真空斷路器：傳感技術(shù)和數(shù)字控制技術(shù)的應(yīng)用。（6）對(duì)于超高電壓等級(jí)，應(yīng)首先解決額定電流的提高及滅弧室外殼絕緣的技術(shù)難題。

西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院6高壓開(kāi)關(guān)絕緣6.1絕緣的工作條件6.1.1影響絕緣的因素：（1）電的作用；（2）熱的作用；（3）機(jī)械力的作用；（4）大氣條件的作用。西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院6高壓開(kāi)關(guān)絕緣

內(nèi)絕緣：處于密封容器或介質(zhì)中的絕緣和各種絕緣介質(zhì)，它的電氣絕緣強(qiáng)度由介質(zhì)的擊穿強(qiáng)度或沿液（氣）體表面的閃絡(luò)強(qiáng)度所決定。大氣條件對(duì)內(nèi)絕緣不起作用。

外絕緣：處于大氣中以空氣作為介質(zhì)的絕緣。它的電氣絕緣強(qiáng)度決定于空氣間隙的擊穿強(qiáng)度或沿空氣中絕緣表面的閃絡(luò)強(qiáng)度。大氣條件對(duì)外絕緣就起很大作用。西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院6高壓開(kāi)關(guān)絕緣6.1.2電氣絕緣強(qiáng)度：（1）干放電電壓：沿絕緣介質(zhì)的干燥和清潔的表面發(fā)生放電（閃絡(luò)）的電壓。（2）濕放電電壓：沿被雨淋濕的絕緣介質(zhì)的表面發(fā)生放電（閃絡(luò)）的電壓。（3）擊穿電壓：絕緣介質(zhì)發(fā)生擊穿的電壓。絕緣擊穿和閃絡(luò)的電壓值與所施加的電壓類別有關(guān)：直流還是交流；工頻電壓、操作沖擊電壓和雷電沖擊電壓。還有VFTO的沖擊電壓。西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院6高壓開(kāi)關(guān)絕緣6.2絕緣的部位、材料和結(jié)構(gòu)6.2.1絕緣部位：

開(kāi)關(guān)中的三種不同的絕緣：（1）帶電導(dǎo)體與地之間（對(duì)地絕緣）；（2）不同極導(dǎo)體之間（極間絕緣）；（3）斷開(kāi)位置時(shí)同極觸頭之間（開(kāi)關(guān)同極觸頭間的縱絕緣）。西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院6高壓開(kāi)關(guān)絕緣6.2.2絕緣材料：

（1）氣體；（2）液體；（3）固體；（4）高真空。西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院6高壓開(kāi)關(guān)絕緣6.2.3絕緣結(jié)構(gòu)：（1）固體絕緣；（2）氣體絕緣；（3）液體絕緣。對(duì)于開(kāi)關(guān)柜的絕緣結(jié)構(gòu)，有空氣（大氣）絕緣、氣體（主要是SF6氣體）絕緣，還沒(méi)有看到固體絕緣的開(kāi)關(guān)柜。目前有的在宣傳的所謂“固體絕緣開(kāi)關(guān)柜”，只是在空氣和氣體絕緣的開(kāi)關(guān)柜中，較多地采用固體絕緣，而元件與柜體金屬外殼間仍有較多的空氣和氣體絕緣。西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院6高壓開(kāi)關(guān)絕緣6.3開(kāi)關(guān)部件的絕緣配合和電場(chǎng)計(jì)算6.3.1部件的絕緣配合：

在同一絕緣強(qiáng)度要求下，給各部件有不同的裕度（安全系數(shù)）。6.3.2電場(chǎng)計(jì)算：用計(jì)算機(jī)和有限元方法對(duì)電場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算和分析。西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院7

相控?cái)嗦菲鳎ㄍ介_(kāi)關(guān)）

相控?cái)嗦菲鳎ㄋ追Q同步開(kāi)關(guān)），是指具有分/合閘相位控制的高壓交流斷路器，或具有選（定）相（位）分/合閘功能的高壓交流斷路器。

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相控?cái)嗦菲鳎ㄍ介_(kāi)關(guān)）

傳統(tǒng)斷路器由于分/合閘信號(hào)本身的隨機(jī)性和斷路器（包括操動(dòng)機(jī)構(gòu)）動(dòng)作的分散性，斷路器觸頭閉合或斷開(kāi)的相位也是隨機(jī)的，可在一個(gè)周波360o的任一相位下閉合或斷開(kāi)，而且通常認(rèn)為各相位是等概率事件。固有分/合閘時(shí)間西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院7

相控?cái)嗦菲鳎ㄍ介_(kāi)關(guān)）

選相分/合閘（或稱相位控制）技術(shù)的概念在幾十年前就早已經(jīng)被提出，相控?cái)嗦菲鞯慕Y(jié)構(gòu)框圖:

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相控?cái)嗦菲鳎ㄍ介_(kāi)關(guān)）

從圖可看出，相控?cái)嗦菲饕簿褪窃趥鹘y(tǒng)的斷路器上外加了一個(gè)控制器，以便實(shí)現(xiàn)對(duì)分合閘信號(hào)的選相控制。這里要解決兩個(gè)問(wèn)題：（1）控制器的相位控制要正確和可靠；（2）斷路器固有分/合閘時(shí)間的分散性應(yīng)足夠小。

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相控?cái)嗦菲鳎ㄍ介_(kāi)關(guān)）斷路器在電網(wǎng)中起到重要的控制和保護(hù)作用。運(yùn)行中經(jīng)常需要進(jìn)行正常開(kāi)合的操作，在操作過(guò)程中常伴隨著電網(wǎng)中電壓和電流出現(xiàn)的浪涌現(xiàn)象，造成操作過(guò)電壓和過(guò)電流，嚴(yán)重影響電網(wǎng)的安全運(yùn)行。

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相控?cái)嗦菲鳎ㄍ介_(kāi)關(guān)）理論分析和實(shí)踐證明：操作中出現(xiàn)的暫態(tài)現(xiàn)象不僅與所控制的電路參數(shù)有關(guān)，還與斷路器實(shí)際分、合閘的相位有關(guān)。一般來(lái)講，合閘和分閘時(shí)發(fā)生的機(jī)理不相同，合閘過(guò)程中出現(xiàn)的暫態(tài)過(guò)程是由于線路中的電磁暫態(tài)振蕩所引起，而開(kāi)斷時(shí)所出現(xiàn)的過(guò)電壓則由于弧隙的復(fù)燃或重?fù)舸┒a(chǎn)生。

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相控?cái)嗦菲鳎ㄍ介_(kāi)關(guān)）對(duì)于合閘操作，從理論上講，斷路器能選定相位合閘是最好的。對(duì)于感性負(fù)載（空載變壓器、電抗器）則應(yīng)在電壓峰值時(shí)關(guān)合；而對(duì)于容性負(fù)載（空載長(zhǎng)線、電容器組）則應(yīng)在電壓為零時(shí)關(guān)合。這樣就可以抑止合閘過(guò)程產(chǎn)生的各種涌流和合閘過(guò)電壓。

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相控?cái)嗦菲鳎ㄍ介_(kāi)關(guān)）但由于當(dāng)時(shí)技術(shù)水平的限制，斷路器最終控制的正確性和可靠性難以保證，得不到推廣使用。只得采取斷路器斷口并聯(lián)合閘電阻或其他措施來(lái)抑止過(guò)電壓和涌流。

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相控?cái)嗦菲鳎ㄍ介_(kāi)關(guān)）隨著技術(shù)水平的不斷提高，特別是半導(dǎo)體器件和微機(jī)技術(shù)的發(fā)展，控制器本身的正確性和可靠性已基本得到解決，相控?cái)嗦菲髟趪?guó)外已開(kāi)始實(shí)際應(yīng)用，取得了較好的成果。西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院7

相控?cái)嗦菲鳎ㄍ介_(kāi)關(guān)）國(guó)內(nèi)也開(kāi)始重視這一問(wèn)題，對(duì)相控?cái)嗦菲鞯男枨笠膊粩嗟靥岢?，特別是對(duì)空載長(zhǎng)線和并聯(lián)電容器組的投切問(wèn)題。例如，在500kV系統(tǒng)中已有安裝ABB公司的同步合閘裝置CAT和Simens公司的同步裝置。據(jù)報(bào)道，云南太朝山500kV系統(tǒng)中就是采用CAT裝置，解決了系統(tǒng)的內(nèi)過(guò)電壓?jiǎn)栴}。無(wú)功補(bǔ)償?shù)男枰?，大量電容器組在系統(tǒng)中被應(yīng)用，又特別關(guān)心電容器組的投切問(wèn)題。西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院7

相控?cái)嗦菲鳎ㄍ介_(kāi)關(guān)）關(guān)合電容電流的等值電路圖（圖中假定為集中參數(shù)）

C

U0

L——線路電感，R——電阻，C——電容，U0——電容上的初始電壓,α——合閘瞬間的電源電壓相位角

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相控?cái)嗦菲鳎ㄍ介_(kāi)關(guān)）可得：式中：。西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院7

相控?cái)嗦菲鳎ㄍ介_(kāi)關(guān)）

其最大值：過(guò)電壓大小與合閘相位角、電容上的初始電壓和極性有關(guān)。在U0＝0時(shí)，當(dāng)α＝90o時(shí)，Ucm＝2Um，最大；而當(dāng)α＝0o時(shí)，沒(méi)有暫態(tài)，按正弦規(guī)律上升，也就沒(méi)有過(guò)電壓；偏離0o時(shí)，有暫態(tài)，與偏離角大小有關(guān)，一般講不發(fā)生過(guò)電壓。

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相控?cái)嗦菲鳎ㄍ介_(kāi)關(guān)）在U0≠0時(shí)，同極性時(shí)，Ucm＜2Um； 反極性時(shí)，Ucm＞2Um。 若U0＝－Um，當(dāng)α＝90o時(shí)，則Ucm＝3Um；而當(dāng)α＝0o時(shí)，有過(guò)渡過(guò)程，但Ucm不會(huì)超過(guò)Um；而偏離0o時(shí)就會(huì)有過(guò)電壓，但數(shù)值受到抑止。

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相控?cái)嗦菲鳎ㄍ介_(kāi)關(guān)）從上面分析中可以看出： 當(dāng)α＝90o時(shí)合閘出現(xiàn)的過(guò)電壓最高，有可能達(dá)2～3倍。 而當(dāng)α＝0o時(shí)合閘，就不會(huì)有過(guò)電壓（偏離零度時(shí)，會(huì)有過(guò)電壓，但已受到抑止）。西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院7

相控?cái)嗦菲鳎ㄍ介_(kāi)關(guān)）對(duì)于不同電壓等級(jí)的系統(tǒng)和設(shè)備，承受過(guò)電壓的能力是不相同的。過(guò)電壓的允許倍數(shù)也有不同的規(guī)定和要求。對(duì)于110kV以下，通常能承受3倍以下的過(guò)電壓，而500kV已要求為2.0，750kV為1.8，1000kV為1.7。對(duì)于超高壓斷路器來(lái)說(shuō)，能夠?qū)崿F(xiàn)相控和同步合閘是很有必要的。

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相控?cái)嗦菲鳎ㄍ介_(kāi)關(guān)）在配電電壓等級(jí)，通常由于合電容器組而產(chǎn)生的過(guò)電壓是能夠承受的，同時(shí)又由于中壓斷路器原都為三極一個(gè)操動(dòng)機(jī)構(gòu)，三相本身的合閘相位就不同，也無(wú)法控制，所以并非急于需要解決合閘過(guò)電壓?jiǎn)栴}。但終究電容器雖能承受頻繁操作所出現(xiàn)的過(guò)電壓，卻影響了其使用壽命。因此實(shí)現(xiàn)同步合閘也是有好處的。

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相控?cái)嗦菲鳎ㄍ介_(kāi)關(guān)）配永磁機(jī)構(gòu)的真空斷路器為分極操作提供了可能性，實(shí)現(xiàn)相位控制也較為現(xiàn)實(shí)，據(jù)報(bào)道已經(jīng)能做到同步投入在±0.5ms以內(nèi)。

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相控?cái)嗦菲鳎ㄍ介_(kāi)關(guān)）從目前