模塊4 交流開關柜《城市軌道交通供變電技術》教學課件

《城市軌道交通供變電技術》?精品課件合集第X章XXXX模塊4

交流開關柜城市軌道交通供變電技術第四章交流開關柜第一節(jié)電弧理論學習要點了解交流電弧形成的過程熟悉交流電弧熄滅的原理掌握工程上采用的交流電弧熄滅的方法一、電弧的形成二、電弧的特點及危害三、電弧的熄滅四、交流電弧的特性和熄滅的條件五、熄滅交流電弧的基本方法第一節(jié)電弧理論

產(chǎn)生電弧的根本原因是開關觸頭在分斷電流時，觸頭間電場強度很大，使觸頭本身的電子及觸頭周圍介質中的電子被游離而形成電弧。電弧的溫度極高，它是能發(fā)出強光、能導電近似于圓柱形的氣體，電弧是電器設備開斷過程中不可避免的現(xiàn)象。產(chǎn)生電弧的游離方式：(1)陰極在強電場作用下發(fā)射電子開關電器的觸頭開始分離時，觸頭間隙很小，觸頭間會形成很高的電場強度。當電場強度超過一定值后，陰極觸頭表面的電子就會在強電場作用下被拉出，成為存在于觸頭間隙中的自由電子。這種現(xiàn)象稱為強電場發(fā)射。(2)陰極在高溫下發(fā)生熱電子發(fā)射開關電器的觸頭是由金屬材料制成的，在常溫下，金屬內部就存在大量的自由電子。當觸頭開始分離時，由于動靜觸頭間的接觸壓力不斷下降，接觸面積不斷減少，使接觸電阻迅速增大，在電流的作用下接觸處的溫度急劇升高，在陰極第一節(jié)電弧理論一、電弧的形成上出現(xiàn)強烈的熾熱點，從而有電子從陰極表面向四周發(fā)射，這種現(xiàn)象稱為熱電子發(fā)射。發(fā)射電子的多少與陰極材料及表面溫度有關。(3)弧柱區(qū)產(chǎn)生碰撞游離從陰極表面發(fā)射出來的電子，在電場力的作用下向陽極作加速運動。在運動過程中，質點就會在電場作用下獲得能量，并不斷地與其它質點發(fā)生碰撞，相互間就會發(fā)生能量的交換。當帶電質點的運動速度足夠高時，它的動能就可能超過原子或分子的游離能，當它和中性質點相碰撞時，就可能使束縛在原子內部的電子釋放出來，形成新的自由電子和正離子，這種現(xiàn)象稱為碰撞游離。游離出來的正離子向陰極運動，速度很慢，而從陰極表面發(fā)射出來和碰撞游離出來的自由電子一起以極高的速度向陽極運動；當它們與其他中性質點碰撞時，又會再次發(fā)生碰撞游離。碰撞游離連續(xù)進行的結果就會使觸頭間充滿自由電子和正離子，具有很大的電導。在外加電壓作用下，帶電粒子作定向運動形成電流，使介質被擊穿而形成電弧。第一節(jié)電弧理論一、電弧的形成

(4)弧柱區(qū)產(chǎn)生熱游離電弧形成后，弧隙的溫度極高，處于高溫下的中性質點由于高溫而產(chǎn)生強烈的熱運動。當那些具有足夠動能的中性質點互相碰撞時，又可游離出自由電子和正離子，這種現(xiàn)象稱為熱游離。熱游離也會產(chǎn)生大量的帶電粒子，因此，電弧形成后維持電弧穩(wěn)定燃燒的電壓不需要很高，熱游離足以維持電弧的燃燒。斷路器斷開過程中電弧是這樣形成的：觸頭剛分離時突然解除接觸壓力，陰極表面立即出現(xiàn)高溫熾熱點，產(chǎn)生熱電子發(fā)射；同時，由于觸頭的間隙很小，使得電壓強度很高，產(chǎn)生強電場發(fā)射。從陰極表面逸出的電子在強電場作用下，加速向陽極運動，發(fā)生碰撞游離，導致觸頭間隙中帶電質點急劇增加，溫度驟然升高，產(chǎn)生熱游離并且成為游離的主要因素，因此，在外加電壓作用下，間隙被擊穿，形成電弧。第一節(jié)電弧理論一、電弧的形成

第一節(jié)

電弧理論

電弧具有以下特點：(1)起弧電壓、電流的數(shù)值很低。(2)電弧中含有大量的電子、離子，因此電弧有良好的導電性能，具有很高的電導?；≈娏髅芏瓤蛇_10kA/cm2。電孤存在時，盡管開關電器的觸頭是斷開的，電路中仍然有電流流通，電路將繼續(xù)導通。只有當電弧熄滅后，電路中才無電流通過而真正斷開。(3)電弧能量集中，溫度很高?；》烹姇r，能量高度集中，弧心溫度可達10000℃左右，電弧表面的溫度也可達到3000℃～4000℃。(4)電弧是一束質量很輕的游離狀態(tài)的氣體，在外力的作用下，能迅速移動、伸長、彎曲、變形。二、電弧的特點及危害

電弧的危害：當開關電器的觸頭間發(fā)生電弧時，它的存在延長了電器開斷故障電路的時間，加重了系統(tǒng)短路故障的危害；電弧產(chǎn)生的高溫，將使觸頭表面熔化和汽化，燒壞絕緣材料，對充油電器設備還可能引起著火、爆炸等危險；由于電弧在電動力、熱力作用下能移動，很容易造成飛弧短路和傷人或引起事故的擴大；在最嚴重情況下甚至可能引起相間短路,或使開關電器爆炸，形成火災，影響電力系統(tǒng)安全運行。第一節(jié)電弧理論二、電弧的特點及危害

第一節(jié)

電弧理論

電弧中發(fā)生游離的同時，還存在著相反的過程，即去游離。若去游離作用始終大于游離作用，則電弧電流減少，直至電弧熄滅。因此，要熄滅電弧，就必須加強去游離作用。1.電弧的去游離過程電弧的去游離過程包括復合和擴散兩種形式：(1)復合(2)擴散三、電弧的熄滅——1.電弧的去游離過程

(1)電弧溫度

電弧是由熱游離維持的，降低電弧溫度就可以減弱熱游離，減少新的帶電質點的的產(chǎn)生。同時，也減小了帶電質點的運動速度，加強了復合作用。

(2)介質的特性

這些特性包括：導熱系數(shù)、熱容量、熱游離溫度、介電強度等。若這些參數(shù)值大，則去游離過程就越強，電弧就越容易熄滅。

(3)氣體介質的壓力

氣體的壓力越大，電弧中質點的濃度就越大，質點間的距離就越小，復合作用越強，電弧就越容易熄滅。

(4)觸頭材料

當觸頭采用熔點高、導熱能力強和熱容量大的耐高溫金屬時，減少了熱電子發(fā)射和電弧中的金屬蒸汽，有利于電弧熄滅。

除了上述因素以外，去游離還受電場電壓等因素的影響。三、電弧電弧的熄滅——2.影響去游離的因素

第一節(jié)

電弧理論

交流電弧的電流變化速度很快，不可能建立穩(wěn)定平衡狀態(tài)，因此它伏安特性具有動態(tài)特性，如圖4.1（a）所示。交流電流每半個周期經(jīng)過一次零值，稱為自然過零。電流過零時，交流電弧電流通過零點時，由于電源停止供給電弧能量，熱游離迅速下降，電弧自動熄滅。如果電弧是穩(wěn)定燃燒的，則電弧電流過零熄滅后，在另半周又會重新燃燒。如果電弧過零后，電弧不發(fā)生重燃，電弧就會熄滅。由電流的波形及伏安特性，得到的電弧電壓隨時間的變化波形呈馬鞍形，電流小時，電弧電壓高，電流大時，電弧電壓減小且接近于常數(shù)，如圖4.1(b)所示。其中A點為電弧產(chǎn)生時的電壓，稱為燃弧電壓，C點為電弧熄滅時的電壓，稱為熄弧電壓。四、交流電弧的特性和熄滅的條件——1.交流電弧的物理特性

第一節(jié)

電弧理論

第一節(jié)

電弧理論

四、交流電弧的特性和熄滅的條件——1.交流電弧的物理特性

交流電流過零的時刻是熄滅電弧的良好時機，如果在電流過零時采取有效措施使電弧不再重燃，則電弧最終熄滅。在交流電弧電流過零前后，弧隙中發(fā)生的現(xiàn)象是很復雜的，存在著兩個作用相反的過程：一是弧隙介質介電強度的增大；另一是加于弧隙的電壓（稱恢復電壓）的增大?；∠督橘|介電強度是指弧隙介質能夠承受外加電壓作用而不致使弧隙擊穿的電壓。當電弧電流過零時電弧熄滅，弧隙中去游離作用繼續(xù)進行，弧隙電阻不斷增大，而弧隙的介電強度要恢復到正常狀態(tài)值需要有一個過程，此恢復過程稱為弧隙介質介電強度的恢復過程，以能耐受的電壓表示。

介質介電強度的恢復速度與冷卻條件、電流大小、開關電器滅弧裝置的結構和滅弧介質的性質有關。四、交流電弧的特性和熄滅的條件——2.交流電弧的熄滅

第一節(jié)

電弧理論

恢復電壓是指電流過零使電弧熄滅后，電路施加于弧隙的電壓將從不大的電弧電壓逐漸增長，一直恢復到電源電壓的過程中加在弧隙上的電壓。電弧電流過零前，弧隙電壓值很低，電源電壓的絕大部分降落在線路和負載阻抗上。電流過零時，弧隙電壓等于熄弧電壓，正處于馬鞍形的后峰值處（圖4.1的C點），電流過零后，弧隙電壓從后峰值逐漸增長，一直恢復到電源電壓，也要有一個過程，這一過程中弧隙電壓從熄弧電壓變成電源電壓稱為弧隙電壓恢復過程。電壓恢復過程與電路參數(shù)、負荷性質等有關。受電路參數(shù)等因素的影響，電壓恢復過程可能是周期性的變化過程，也可能是非周期性變化過程。這里用表示電壓恢復過程。電弧電流過零時，是熄滅電弧的有利時機，但電弧是否能熄滅，取決于上述兩方面競爭的結果。

第一節(jié)

電弧理論

四、交流電弧的特性和熄滅的條件——2.交流電弧的熄滅

為了使電流過零值后電弧熄滅不發(fā)生重燃，就必須使弧隙介質介電強度的恢復速度始終大于電壓的恢復速度；反之，如果弧隙電壓的恢復速度大于介質介電強度的恢復速度，弧隙就被擊穿，電弧重燃。當如圖4.2(b）所示情況時，電弧則熄滅；否則，當如圖4.2(a)所示情況時，在曲線交點處，電弧重燃。因此，交流電弧熄滅的條件為：四、交流電弧的特性和熄滅的條件——3.交流電弧的熄滅條件

第一節(jié)

電弧理論

（1.1）式中ud(t)——弧隙介質界電強度；ur(t))——弧隙恢復電壓。

綜上所述，在開斷交流電弧時，應充分利用交流電流的自然過零點，采取有效的措施，加強對弧隙的冷卻，抑制熱游離，加大弧隙間去游離的強度，使電弧不再重燃，最終熄滅。為此，在開關設備中均裝設了滅弧裝置，稱為滅弧室，滅弧室不斷改進，大大提高了開關的滅弧能力。另一方面，為了進一步提高滅弧能力，還可以采用性能更為優(yōu)越的新型滅弧介質如SF6等。四、交流電弧的特性和熄滅的條件——3.交流電弧的熄滅條件

第一節(jié)

電弧理論

電弧中的去游離強度，在很大程度上取決于電弧周圍介質的特性。高壓電器中廣泛采用以下幾種滅弧介質：壓縮空氣：壓縮空氣的壓力約20X10Pa，由于其分子密度大，質點的自由行程小，能量不易積累，不易發(fā)生游離，所以有良好的絕緣和滅弧能力。SF6氣體：SF6是良好的負電性氣體，其氟原子具有很強的吸附電子的能力，能迅速捕捉自由電子而形成穩(wěn)定的負離子，為復合創(chuàng)造了有利條件，因而具有很強的滅弧能力，滅弧能力比空氣強100倍。真空：真空氣體壓力低于133.3×10Pa，氣體稀薄，弧隙中的自由電子和中性質點都很少，碰撞游離的可能性大大減少，而且，弧柱與真空的帶電質點的濃度差很大，有利于擴散。其絕緣能力比變壓器油、1個大氣壓力下的SF6、空氣都大。五、熄滅交流電弧的基本方法——1.采用滅弧能力強的滅弧介質

第一節(jié)

電弧理論

電弧中的去游離強度，在很大程度上與觸頭材料有關。用熔點高、導熱系數(shù)和熱容量大的耐高溫金屬制作觸頭，如銅、鎢合金和銀、鎢合金等，在電弧高溫下不容易融化和蒸發(fā)，有較高的抗電弧、抗熔焊能力，可以減少熱電子發(fā)射和金屬蒸汽，抑制游離作用，有利于熄滅電弧。五、熄滅交流電弧的基本方法——2.采用特殊金屬材料作滅弧觸頭

第一節(jié)

電弧理論

利用氣體或油吹動電弧，廣泛應用于各種電壓的開關電器，特別是高壓斷路器中。溫度對滅弧的影響很大。氣體熱游離的基本條件是需要有一定的溫度，溫度愈低，熱游離愈不易發(fā)生。降低弧隙溫度便能加速去游離，而且介質的絕緣強度隨溫度的降低而增加。介質強度恢復的快慢，在很大程度上決定于弧隙溫度降低的速率。所以，冷卻電弧是熄滅電弧的重要方法之一。用氣體或液體介質吹弧，既能起到對流散熱、強烈冷卻弧隙，也有部分取代原弧隙中游離氣體或高溫氣體的作用，氣體流速愈大，對弧隙的冷卻作用愈強。在高壓開關中，常制成各種形式的滅弧室，使氣體或液體產(chǎn)生較高的壓力，有力地吹向電弧。吹動電弧的方式有縱吹和橫吹，如圖4.3所示?？v吹主要是使電弧冷卻變細，加大介質壓強，加強去游離，使電弧熄滅。而橫吹還能把電弧拉長，使其表面積增大并加強冷卻，滅弧效果較好?？v吹和橫吹的方式各有特點，不少高壓開關是采用縱橫混合吹弧的方式，滅弧效果更好。在大電流時主要靠橫吹，小電流時主要靠縱吹。五、熄滅交流電弧的基本方法——3.吹弧

第一節(jié)

電弧理論

五、熄滅交流電弧的基本方法——3.吹弧

第一節(jié)

電弧理論

五、熄滅交流電弧的基本方法——4.采用多斷口熄弧

高壓開關設備常采用每相有兩個或多個串聯(lián)斷口的滅弧方式，圖4.4所示為雙斷口。采用雙斷口是把電弧分割成二個小弧段，在相等的觸頭行程下，雙斷口比單斷口的電弧拉長了，從而增大弧隙電阻。而且電弧被拉長的速度也增加，加速了弧隙電阻的增大，增大了介質強度的恢復速率，縮短了滅弧時間。由于加在每個斷口上的電壓降低，使弧隙的恢復電壓降低，也有利于電弧的熄滅，因此滅弧性能更好。在要求將電弧拉到相同的長度時，采用多斷口結構成倍減小了觸頭行程，也就減小了開關電器的尺寸。

第一節(jié)

電弧理論

五、熄滅交流電弧的基本方法——5.提高觸頭的分離速度

在高壓開關電器中都裝有強力分閘彈簧，以加快觸頭的分離速度，迅速拉長電弧，使弧隙的電場強度驟降，同時使電弧的表面積增大，有利于電弧的冷卻及帶電質點的擴散和復合，削弱游離而加強去游離，從而加速電弧的熄滅。

第一節(jié)

電弧理論

五、熄滅交流電弧的基本方法——6.金屬柵片滅弧裝置

這種滅弧裝置的構造原理如圖4.5所示。滅弧室內裝有很多由鋼板沖成的金屬滅弧柵片，柵片為鐵磁性材料。當觸頭間發(fā)生電弧后，由于電弧電流產(chǎn)生的磁場與鐵磁物質間產(chǎn)生的相互作用力，把電弧吸引到柵片內，將一束長弧分割成多個串聯(lián)的短弧。如果所有串聯(lián)短弧陰極區(qū)的起始介質強度或陰極區(qū)的電壓降的總和永遠大于觸頭間的外施電壓，電弧就不再重燃而必將熄滅。

第一節(jié)

電弧理論

城市軌道交通供變電技術第四章交流開關柜第二節(jié)六氟化硫組合電器（GIS）概述

學習要點了解組合電器的結構熟悉組合電器的組成部分一、GIS組合電器概述二、GIS組合電器的結構

第二節(jié)六氟化硫組合電器（GIS）概述

GIS組合電器又稱氣體絕緣全封閉組合電器，它是以SF6氣體作為絕緣和滅弧介質，以優(yōu)質環(huán)氧樹脂絕緣子作支撐的一種新型成套高壓電器。GIS與一般配電裝置相比，具有下列特點：1.縮小了配電裝置的尺寸，減少了變配電站的占地面積和空間。2.運行可靠性高。3.維護工作量小，檢修周期長，普通定為1O～20年，安裝工期短。4.由于封閉金屬筒外殼的屏蔽作用，消除了無線電干擾、靜電感應和噪聲。5.抗震性能好，所以也適宜使用在高地震烈度地區(qū)。一、組合電GIS組器概述

第二節(jié)六氟化硫組合電器（GIS）概述

GIS組合電器是把各種獨立機構的元件，如母線、斷路器、隔離開關、接地開關、電壓及電流互感器、避雷器、電纜終端等一次元件，按電氣主接線的要求依次連接，組合成一個整體，并且全部元件封閉在接地的金屬（鋼或鋁）外殼中。殼體內充以SF6氣體，作為絕緣和滅弧介質。由于內部氣體壓力較高，為提高機械強度多采用圓筒式結構，即所有電器元件都放置在圓筒形外殼中。1.110kVGIS組合電器圖4.6所示為110kV單母線GIS組合電器結構示意圖，圖中主要設備如母線、高壓斷路器布置在下層或靠外側，電流互感器、電壓互感器、接地開關等輕型設備布置在上層。母線和斷路器通過伸縮節(jié)頭波紋管連接，以減少溫度和安裝誤差所引起的附加應力。組合電器裝置外殼設有檢查孔、窺測孔和其他輔助設備。這樣，整個電氣設備的布置比較緊湊，并對主要設備的支撐和檢修也較方便。根據(jù)圖4.6(a)所示接線圖要求，將電器元件依次連接，構成4.6(b)所示的整體布置形式。二、GIS組合電器的結構——1.110kVGIS組合電器

第二節(jié)六氟化硫組合電器（GIS）概述

第二節(jié)六氟化硫組合電器（GIS）概述

二、GIS組合電器的結構——1.110kVGIS組合電器

現(xiàn)代重工電氣有限公司的110kVGIS，其外形如圖4.7（a）所示。其主要構成包括：斷路器、接地/隔離開關、電流互感器、電壓互感器、避雷器及相連的導體和絕緣支撐件等，構成目前地鐵系統(tǒng)主變電所常見的110kV電氣主接線形式：線路變壓器組接線（單元接線），如圖4.7（b）所示。這個組合電器還配備了控制柜，是監(jiān)視、控制、測量一次主電路的二次設備。下面分述一下GIS組合電器中的主要電氣設備。（1）斷路器圖4.8為該組合電器中的斷路器，SF6斷路器，采用垂直(立式)布置結構，配用模塊化設計的彈簧操動機構。該斷路器結構簡單，維修方便，操作可靠，機械壽命可達到10000次以上。

第二節(jié)六氟化硫組合電器（GIS）概述

二、GIS組合電器的結構——1.110kVGIS組合電器

（2）接地/隔離開關如圖4.9所示，是GIS組合電器中的三工位開關。三工位開關實質上是隔離開關和接地開關的功能組合，兩者共用一個電動操動機構、一個動觸頭和一個中間觸頭，可實現(xiàn)電氣和機械聯(lián)鎖，防止誤操作。中間的這個移動觸頭只能停留在三個位置：中間絕緣的位置、與隔離開關相連、與接地開關相連。該開關操作機構緊湊、精巧、操作簡單，機構運行可靠性高，機械壽命可達5000次以上。

第二節(jié)六氟化硫組合電器（GIS）概述

二、GIS組合電器的結構——1.110kVGIS組合電器

（3）電流互感器該組合電器的電流互感器如圖4.10所示，其結構屬于環(huán)型鐵芯型，它安裝在斷路器旁邊。電流互感器一次繞組的絕緣材料是SF6氣體，二次繞組的絕緣材料是聚酯薄膜，且抽頭全部引出接至端子。（4）電壓互感器該組合電器的電流互感器如圖4.11所示，電磁式結構，一次繞組的絕緣材料是SF6氣體，二次繞組的絕緣材料是聚酯薄膜。安裝在母線上或進線部位。（5）避雷器該組合電器的避雷器采用氧化鋅避雷器，如圖4.12所示。其絕緣材料是SF6氣體。氧化鋅避雷器體積小、保護性能優(yōu)良的特點，很適合全封閉組合電器。

第二節(jié)六氟化硫組合電器（GIS）概述

二、GIS組合電器的結構——1.110kVGIS組合電器

第二節(jié)六氟化硫組合電器（GIS）概述

二、GIS組合電器的結構——1.110kVGIS組合電器

圖4.12避雷器外形圖

圖4.13三相共箱母線外形圖圖4.14電纜終端外形圖（6）三相共箱母線母線用于GIS內部間隔之間和各種元件間的連接，母線可通過連續(xù)額定電流及耐受動、熱穩(wěn)定電流。該GIS組合電器的母線布置型式采用了三相共箱式，如圖4.13所示，將三相母線封閉于一個金屬箱內，殼體材料和導體材料均為鋁合金。與每相母線單獨一個箱子的“三相分箱式”相比，這種“三相共箱式”占地面積小，得到更普遍的應用。（7）電纜終端在GIS組合電器中，作為GIS與進、出線或者變壓器的連接元件，稱為GIS組合電器的終端元件。電纜終端用于GIS組合電器與電纜的連接，當輸送電力采用電力電纜時，電纜通過電纜密封終端與GIS本體連在一起。電纜終端一般采用干式電纜頭，與GIS連接采用插接結構。該組合電器的電纜終端外形如圖4.14所示。當GIS組合電器進行交流工頻耐壓試驗和電纜頭進行直流試驗時，GIS本體也需要與電纜分離。因此，電纜終端單元的結構，既可方便地接入交流耐壓試驗套管，又可容易地接入直流試驗電纜。

第二節(jié)六氟化硫組合電器（GIS）概述

二、GIS組合電器的結構——1.110kVGIS組合電器

城市軌道交通供電系統(tǒng)中，常見的35kVGIS組合電器的結構有兩種：圓筒型和柜型。（1）圓筒型GIS組合電器圓筒型結構的主回路高壓元件均安裝在密封的圓筒型金屬外殼中，西門子公司生產(chǎn)的8DA10型結構的外形如圖4.15所示，它是一種將免維護真空開關管（真空滅弧室）封閉在充有SF6絕緣氣體的金屬外殼內的開關設備。該設備由若干標準化單元組成，包括柜體、高壓室、低壓室、電纜室、柜間連接、操作機構等模塊單元。模塊單元中設有主母線、斷路器、三工位開關、電壓（流）互感器、避雷器、微機保護測控單元、電纜插頭等主要元器件。開關柜還包括斷路器/三工位開關操作手柄、鑰匙、主母線連接裝置、插頭堵頭、邊盤、地腳螺栓等設附件。

第二節(jié)六氟化硫組合電器（GIS）概述

二、GIS組合電器的結構——2.35kVGIS組合電器

第二節(jié)六氟化硫組合電器（GIS）概述

二、GIS組合電器的結構——2.35kVGIS組合電器

該GIS組合電器每相有兩個接地的鑄鋁圓筒外殼，呈T型排列。上部圓筒中裝有母線、隔離開關，下部圓筒中裝有真空斷路器，電流互感器放在圓筒下方，電纜由下部引出。真空斷路器為免維護，其操動機構為彈簧儲能，三工位隔離開關為緊湊式的。8DA10型GIS采用單極金屬外殼；采用邏輯機械聯(lián)鎖的完整開關柜聯(lián)鎖系統(tǒng)；氣密性一次外殼，不受污物、濕氣和小動物等環(huán)境因素的影響；具有較高的人員安全性和設備安全性。8DA10系列包括了斷路器柜、隔離開關柜、母聯(lián)柜等形式，典型接線如圖4.16所示。

第二節(jié)六氟化硫組合電器（GIS）概述

二、GIS組合電器的結構——2.35kVGIS組合電器（2）柜型GIS組合電器柜型GIS組合電器產(chǎn)品的主回路高壓元件的三相集中安裝在柜形密封殼體內，外部配裝常規(guī)開關設備外殼，其結構的外形如圖4.17所示，該設備采用全金屬進行封閉。外殼采用不銹鋼板制成，柜體焊接采用先進的激光技術，絕緣材料采用抗氧化耐溫升的材料，保證了設備氣室具有極高的氣密性。柜型GIS共分為母線室、斷路器室、電纜室和二次接線及斷路器操作機構室。這種GIS最大特點就是使用SF6氣體絕緣，其絕緣性能好，令開關柜更為緊湊，體積小，更適合于城市軌道交通變電所這種由于受到環(huán)境限制的地方。柜型GIS結構如圖4.18所示，基本配置有：真空斷路器、三工位開關、傳感器系統(tǒng)、智能型控制和保護單元、電纜插口等。

第二節(jié)六氟化硫組合電器（GIS）概述

二、GIS組合電器的結構——2.35kVGIS組合電器

第二節(jié)六氟化硫組合電器（GIS）概述

二、GIS組合電器的結構——2.35kVGIS組合電器

柜型GIS的高壓室分為上、下兩個獨立隔離的密封氣室，內充SF6氣體。上氣室為三工位開關單元及主母線進出端，下氣室為真空斷路器單元、傳感器及電纜進出端；主母線采用固定絕緣母線，裝在柜的側面；柜體前半部為操作機構和二次控制部分；柜體下部為電纜室，電流互感器安裝在電纜室內；柜后有泄壓裝置，確保人身和防止事故的擴大。斷路器單元和三工位開關單元與主回路為插拔式柔性連接，施工和維護極為方便。圖4.19、圖4.20、圖4.21介紹的是東芝白云電器有限公司生產(chǎn)的35kV柜型GIS開關柜。如圖4.19，是進線/出線/饋線柜的結構、外形、主接線，圖中BUS為母線，DS為隔離開關，ES為接地開關，VCB為斷路器，VD為帶電顯示器，CH為電纜接頭，CT為電流互感器。如圖4.20所示，是電壓互感器柜結構、外形、接線，圖中LA為避雷器，PT為電壓互感器。如圖4.21所示，是35kV柜型GIS開關柜的母聯(lián)柜結構的結構、外形、主接線。本書第八章將講述圖4.19所示開關柜的二次回路工作原理。

第二節(jié)六氟化硫組合電器（GIS）概述

二、GIS組合電器的結構——2.35kVGIS組合電器

第二節(jié)六氟化硫組合電器（GIS）概述

二、GIS組合電器的結構——2.35kVGIS組合電器

圖4.19GIS進線/出線/饋線柜示意圖

第二節(jié)六氟化硫組合電器（GIS）概述

二、GIS組合電器的結構——2.35kVGIS組合電器城市軌道交通供變電技術第四章交流開關柜第三節(jié)交流高、中壓開關柜中的斷路器

學習要點了解斷路器的用途、類型、結構熟悉斷路器的技術參數(shù)、類型、結構掌握真空斷路器的結構和原理掌握SF6斷路器的結構和原理

第三節(jié)交流高、中壓開關柜中的斷路器

一、高壓斷路器概述二、真空斷路器的結構、原理三、SF6斷路器的結構、原理1.用途高壓斷路器是高壓電器設備中最重要的設備，是一次系統(tǒng)中控制和保護電路的關鍵設備。斷路器在正常運行時，用來接通或斷開電路的負荷電流；當系統(tǒng)故障時，在繼電保護裝置的作用下，用來迅速斷開短路電流，切除故障電路，以保障系統(tǒng)中非故障部分的正常運行。一、高壓斷路器概述——1.用途

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（1）在合閘狀態(tài)時應為良好的導體，不但能通過正常的負荷電流，即使通過短路電流時，也不應因熱和電動力的作用而損壞。（2）在分閘狀態(tài)時應具有良好的絕緣性，在規(guī)定的環(huán)境條件下，能承受相對地的電壓，以及一相內斷口間的電壓。（3）在開斷規(guī)定的短路電流時，應有足夠的開斷能力和盡可能短的開斷時間，一般在開斷臨時性故障后，要求能進行自動重合閘。(4)在接通規(guī)定短路電流時，短時間內斷路器的觸頭不能產(chǎn)生熔焊等情況。(5)在制造廠家給定的技術條件下，高壓斷路器要能長期可靠地工作，有一定的機械壽命和電氣壽命。此外，高壓斷路器還應具有結構簡單、體積小、重量輕、安裝和檢修方便等優(yōu)點。一、高壓斷路器概述——2.對斷高壓路器的基本要求

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按照不同的標準，高壓斷路器有不同的分類方法。（1）根據(jù)裝設地點的不同，高壓斷路器可分為戶內和戶外用兩種。（2）根據(jù)使用的滅弧介質不同，高壓斷路器可分為下列幾種類型：①油斷路器。②空氣斷路器?？諝鈹嗦菲饕詨嚎s空氣作為滅弧介質，具有滅弧能力強、動作迅速等優(yōu)點，但結構復雜、工藝要求高、有色金屬消耗多。因此，空氣斷路器一般應用在110kV及以上的系統(tǒng)中。③SF6斷路器。SF6斷路器采用具有優(yōu)良滅弧能力和絕緣能力的SF6氣體作為滅弧介質，具有開斷能力強、動作快、體積小等優(yōu)點，但金屬消耗多，價格較貴。SF6斷路器在我國發(fā)展很快，在高壓和超高壓系統(tǒng)中得到了廣泛的應用，尤其以SF6斷路器為主體的封閉式組合電器，是高壓和超高壓電器的重要發(fā)展方向。④真空斷路器。一、高壓斷路器概述——3.高壓斷路器的類型

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高壓斷路器是由開斷元件、絕緣支撐元件、操動機構、中間傳動機構和基座等幾部分組成，如圖4.22所示。開斷元件是斷路器用來進行關合、承載和開斷正常工作電流和故障電流的執(zhí)行元件，它包括觸頭、導電部分和滅弧室等。操動機構（也稱為操作機構）向開斷元件提供分、合閘操作的能量，實現(xiàn)各種規(guī)定的順序操作，并維持開關的合閘狀態(tài)，觸頭的分合動作是靠操動機構來帶動的，常用的操動機構有手動操動機構、電磁操動機構、彈簧操動機構、氣動操動機構和液壓操動機構等。絕緣支撐元件起著固定開斷元件的作用，并使其帶電部分與地絕緣。中間傳動機構把操動機構提供的操作能量及發(fā)出的操作命令傳遞給開斷元件?；糜谥?、固定和安裝開關電器的各結構部分，使之成為一個整體。斷路器在電路中的圖形符號如圖4.23所示，文字符號用QF表示。一、高壓斷路器概述——4.高壓斷路器的基本結構

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一、高壓斷路器概述——4.高壓斷路器的基本結構高壓斷路器的型號一般由文字符號和數(shù)字按以下方式組成：[1][2][3][4］一［5][6][7]／[8][9]一［10］[11]其意義為：[1]產(chǎn)品名稱，用下列字母表示：S一少油斷路器；D一多油斷路器；K一空氣斷路器；L一六氟化硫斷路器；Z一真空斷路器。[2]裝置地點代號：N一戶內；W一戶外。[3]設計序號：以數(shù)字1、2、3表示。[4]改進順序號：以A、B、C表示。[5]額定電壓，kV。[6]其他補充工作特性標志：G一手車式；C一改進型；F一分相操作。[7]特殊使用條件標志：w一污穢；TH一濕熱；G一高海拔。[8]操動機構類別：CS一手動；CD一電磁；CY一液壓；CT一彈簧。[9]額定電流，A。[10]額定開斷電流，kA。[11]企業(yè)自定義符號。一、高壓斷路器概述——5.高壓斷路器的型號

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（1）額定電壓高壓斷路器在規(guī)定的正常使用和性能條件下，能夠連續(xù)運行的最高電壓稱為斷路器的額定電壓。根據(jù)我國交流高壓斷路器國家標準的規(guī)定，高壓斷路器的額定電壓分為3.6，7.2，12，40.5，72.5，126，252，363，550，800kV等。（2）額定電流；指在規(guī)定的正常使用和性能條件下，斷路器主回路能夠連續(xù)承載的電流有效值。（3）額定開斷電流：它是表征斷路器開斷能力的參數(shù)。在額定電壓下，斷路器能保證可靠開斷的最大電流，稱為額定開斷電流，其單位用斷路器觸頭分離瞬間短路電流周期分量有效值的千安數(shù)表示。當斷路器在低于其額定電壓的電網(wǎng)中工作時，其開斷電流可以增大。但受滅弧室機械強度的限制，開斷電流有一最大值，稱為極限開斷電流。（4）動穩(wěn)定電流：它是表征斷路器通過短時電流能力的參數(shù)，反映斷路器承受短路電流電動力效應的能力。斷路器在合閘狀態(tài)下或關合瞬間，允許通過的電流最大峰值，稱為電動穩(wěn)定電流，又稱為極限通過電流。斷路器通過動穩(wěn)定電流時，不能因電動力作用而損壞。一、高壓斷路器概述——6.高壓斷路器的基本技術參數(shù)

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（5）關合電流：是表征斷路器關合電流能力的參數(shù)。因為斷路器在接通電路時，電路中可能預伏有短路故障，此時斷路器將關合很大的短路電流。這樣，一方面由于短路電流的電動力減弱了合閘的操作力，另一方面由于觸頭尚未接觸前發(fā)生擊穿而產(chǎn)生電弧，可能使觸頭熔焊，從而使斷路器造成損傷。斷路器能夠可靠關合的電流最大峰值，稱定關合電流。額定關合電流和動穩(wěn)定電流在數(shù)值上是相等的，兩者都等于額定開斷電流的2.55倍。（6）熱穩(wěn)定電流和熱穩(wěn)定電流的持續(xù)時間：執(zhí)穩(wěn)定電流也是表征斷路器通過短時電流能力的參數(shù)，但它反映斷路器承受短路電流熱效應的能力。熱穩(wěn)定電流是指斷路器處于合閘狀態(tài)下，在一定的持續(xù)時間內，所允許通過電流的最大周期分量有效值，此時斷路器不應因短時發(fā)熱而損壞。（7）合閘時間與分閘時間：這是表征斷路器操作性能的參數(shù)。各種不同類型的斷路器的分、合閘時間不同，但都要求動作迅速。合閘時間是指從斷路器操動機構合閘線圈接通到主觸頭接觸這段時間，斷路器的分閘時間包括固有分閘時間和熄弧時間兩部分。固有分閘時間是指從操動機構分閘線圈接通到觸頭分離這段時間。熄弧時間是指從觸頭分離到各相電弧熄滅為止這段時間。

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一、高壓斷路器概述——6.高壓斷路器的基本技術參數(shù)（8）操作循環(huán)：這也是表征斷路器操作性能的指標。架空輸電線路的短路故障，大多數(shù)是雷害、鳥害等臨時性故障。因此，為了提高供電的可靠性并增加電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，線路保護多采用快速自動重合操作的方式。即輸電線路發(fā)生短路故障時，根據(jù)繼電保護發(fā)出的信號，斷路器開斷短路故障；然后經(jīng)很短時間又再次自動關合。斷路器重合后，如故障并未消除，斷路器必須再次開斷短路故障。在有的情況下，由運行人員在斷路器第二次開斷短路故障后經(jīng)過一定時間（例如180s），再令斷路器關合電路，稱作“強送電”。強送電后，故障如仍未消除，斷路器還需第三次開斷短路故障。上述操作順序稱為快速自動重合閘斷路器的額定操作順序。

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一、高壓斷路器概述——6.高壓斷路器的基本技術參數(shù)

真空間隙的氣體稀薄，分子的自由行程大，發(fā)生碰撞的幾率小，因此，碰撞游離不是真空間隙擊穿產(chǎn)生電弧的主要因素。真空中電弧是在觸頭電極蒸發(fā)出來的金屬蒸氣中形成的。不管觸頭表面如何平整，微觀上看總是凸凹不平的。兩觸頭接觸時，只有表面突起的部分相接觸，接觸點的多少和接觸面積的大小、接觸壓力等有關。當觸頭在真空中開斷電流時，隨著觸頭分離，接觸壓力減小，接觸點的數(shù)量和接觸面積也隨之減少。電流集中在越來越少的少數(shù)接觸點上，損耗增加，接觸點溫度急劇升高，出現(xiàn)熔化。隨著觸頭繼續(xù)分開，熔化的金屬橋被拉長變細并最終斷裂產(chǎn)生金屬蒸氣。金屬蒸氣的溫度很高，部分原子可能產(chǎn)生熱電離，加上觸頭剛分離時，間隙距離很短，電場強度很高，陰極表面在高溫、強電場的作用下又會發(fā)射出大量電子，并很快發(fā)展成溫度很高的陰極斑點。而陰極斑點又會蒸發(fā)出新的金屬蒸氣和發(fā)射電子，這樣觸頭間的放電將轉變?yōu)樽猿值恼婵针娀?。由此可見，維持真空電弧的是金屬蒸氣而不是氣體分子。金屬蒸氣來自觸頭材料的蒸發(fā)，因此，影響真空間隙擊穿的主要因素除真空度外，還與電極材料、電極表面狀況、真空間隙長度等有關。二、真空斷路器的結構、原理——1.真空中的電弧

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真空滅弧室的結構示意圖如圖4.24所示。它主要由絕緣外殼、波紋管、動靜觸頭和屏蔽罩等組成。外殼是由絕緣筒1、靜端蓋板2、動端蓋板7和波紋管8所組成的真空密封容器。滅弧室內的靜觸頭3固定在靜導電桿9上，靜導電桿穿過靜端蓋板2并與之焊成一體。動觸頭4固定在動導電桿10的一端，動導電桿的中部與波紋管8的一個端口焊在一起，波紋管的另一端口與動端蓋板7的中孔焊接，動導電桿從中孔穿出外殼。在動、靜觸頭和波紋管周圍分別裝有屏蔽罩5和6。由于波紋管在軸向上可以伸縮，因而這種結構既能實現(xiàn)從滅弧室外操動動觸頭作分合運動，又能保證外殼的密封性。

二、真空斷路器的結構、原理——

2.真空滅弧室結構

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（1）絕緣外殼絕緣外殼的作用是構成一個真空密封容器，同時容納和支持真空滅弧室內的各個零件。為保證真空滅弧室工作的可靠性，對外殼的密封性要求很高，其次是要有一定的機械強度。絕緣筒用硬質玻璃、高氧化鋁陶瓷或微晶玻璃等絕緣材料制成。外殼的端蓋常用不銹鋼、無氧銅等金屬制成。（2）波紋管波紋管的功能是用來保證滅弧室完全密封，同時使操動機構的運動得以傳到動觸頭上。波紋管常用的材料有不銹鋼、磷青銅等，以不銹鋼性能最好，有液壓成形和膜片焊接兩種形式。波紋管允許伸縮量應能滿足觸頭最大開距的要求。觸頭每分合一次，波紋管的波狀薄壁就要產(chǎn)生一次大幅度的機械變形，很容易使波紋管因疲勞而損傷。通常，波紋管的疲勞壽命也決定了真空滅弧室的機械壽命。

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二、真空斷路器的結構、原理——

2.真空滅弧室結構（3）屏蔽罩主屏蔽罩的主要作用是：防止燃弧過程中電弧生成物噴濺到絕緣外殼的內壁上，引起其絕緣強度降低；冷凝電弧生成物，吸收部分電弧能量，以利于弧隙介質強度的快速恢復；改善滅弧室內部電場分布的均勻性，降低局部場強，促進真空滅弧室小型化；保護波紋管免遭電弧生成物的燒損，防止電弧生成物凝結在其表面上。

屏蔽罩采用導熱性能好的材料制成，常用的材料為無氧銅、不銹鋼和玻璃，其中銅是最常用的。在一定范圍內，金屬屏蔽罩厚度的增加可以提高滅弧室的開斷能力。

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二、真空斷路器的結構、原理——

2.真空滅弧室結構（4）觸頭一般斷路器的觸頭只是用來承載和開、合電流，電弧的熄滅另由專門的滅弧裝置來完成。真空斷路器則不同，為了保持由玻璃、陶瓷或微晶玻璃制成的絕緣外殼內高的真空度，外殼內除了必要的動靜觸頭外，不可能再配置結構復雜的滅弧裝置。觸頭是真空滅弧室最為重要的元件，真空滅弧室的開斷能力和電氣壽命主要取決于觸頭狀況。真空觸頭具有三種典型的結構型式：平板觸頭（如圖4.25(a)所示）、橫磁場觸頭（如圖4.25(b)、(c)所示）、縱磁場觸頭（如圖4.25(d)、(e)所示）。

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二、真空斷路器的結構、原理——

2.真空滅弧室結構①平板觸頭。最初的真空滅弧室采用簡單的平板觸頭。要增大開斷電流，就得增大觸頭截面積。當電流超過10kA時，真空電弧聚集，并停滯在局部地方，隨著電弧溫度的上升，產(chǎn)生嚴重熔焊的斑點。因此，平板電弧一般用于開斷電流8000A以下。②橫磁場觸頭。為了防止觸頭局部熔焊，利用電弧沿特殊路徑流過觸頭產(chǎn)生橫磁場而驅動電弧在觸頭表面上運動。這種橫磁場觸頭可分為螺旋觸頭和杯狀觸頭兩種。其開斷能力可達40kA。③縱磁場觸頭?？v磁場觸頭沿正極性真空弧柱的軸向施加一磁場，使之熄弧更為強烈。其開斷電流在實驗室已高達200kA。

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二、真空斷路器的結構、原理——

2.真空滅弧室結構3.真空斷路器的結構真空斷路器的結構主要由操動機構、支撐用的絕緣子和真空滅弧室、支持套管、支架等構成，其基本結構如圖4.26所示。

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二、真空斷路器的結構、原理——

3.真空斷路器的結構

城市軌道交通供電系統(tǒng)中，中壓柜型開關柜通常采用真空斷路器，其外形如圖4.27所示。真空斷路器的結構如圖4.28所示，斷路器本體呈圓柱狀，垂直安裝在做成托架狀的斷路器操動機構外殼1的后部。斷路器本體為組裝式，導電部分設置在用絕緣材料制成的極柱套筒4內，使得真空滅弧室免受外界影響和機械的傷害。斷路器在合閘位置時主回路的電流路徑是：從上出線端子3經(jīng)固定在極柱套筒4上的滅弧室支撐座，到位于真空滅弧室5內部的靜觸頭，而后經(jīng)過動觸頭及滾子觸頭7，至下部接線端子6。真空滅弧室的開合是依靠絕緣拉桿9與觸頭壓力彈簧8推動的。二、真空斷路器的結構、原理——4.開關柜斷路器的類型

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二、真空斷路器的結構、原理——4.開關柜斷路器的類型

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二、真空斷路器的結構、原理——4.開關柜斷路器的類型

真空斷路器具有體積小、占地面積小，使用安全、維護簡單。真空滅弧室是密封的，工作狀態(tài)與外界大氣條件無關，真空滅弧室開斷性能不受外部環(huán)境的影響，在開斷短路電流時不會產(chǎn)生噴油、排氣給外界帶來污染。真空斷路器使用中，滅弧室無需檢修；開斷過程中不會產(chǎn)生很高的壓力，爆炸危險性??；開斷短路電流時也沒有很大的噪聲，可以頻繁操作，因此特別適合配電系統(tǒng)使用。

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二、真空斷路器的結構、原理——5.真空斷路器的特點

SF6斷路器是以SF6氣體作為滅弧介質和絕緣介質。SF6氣體具有良好的絕緣性能和滅弧能力，因此在斷路器中的應用得到迅速發(fā)展。1.SF6氣體的性能SF6氣體是無色、無臭、無毒、不燃的惰性氣體，并且容易液化。其化學性質非常穩(wěn)定，在允許運行溫度范圍內，SF6氣體對設備中常用的銅、鋼、鋁等金屬材料不起化學作用。在200℃以上時，對銅和鋁的腐蝕也是極微弱的。一般來說，SF6氣體對斷路器的材料沒有腐蝕作用，因此斷路器的檢修周期長，檢修工作量少。三、SF6斷路器的結構、原理——1.SF6氣體的性能

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SF6斷路器滅弧室有雙壓式和單壓式兩種結構。雙壓式滅弧室設有高壓和低壓兩個氣壓系統(tǒng)。低壓系統(tǒng)主要用作滅弧室的絕緣介質，高壓系統(tǒng)只在滅弧過程中才起作用。這種滅弧室具有吹弧能力強、開斷容量大、動作快、燃弧時間短等優(yōu)點。單壓式滅弧室是根據(jù)活塞壓氣原理工作的，又稱壓氣式滅弧室。平時滅弧室中只有一種壓力的SF6氣體，起絕緣作用。開斷過程中，滅弧室所需的吹氣壓力由動觸頭系統(tǒng)帶動壓氣缸對固定活塞做相對運動，產(chǎn)生短時高壓氣體，從而吹弧并熄弧。其SF6氣體同樣是在封閉系統(tǒng)中循環(huán)使用，不能排向大氣。這種滅弧室結構簡單、動作可靠。我國研制的SF6斷路器均采用單壓式滅弧室，按電弧是否被拉長可分為定開距和變開距兩種。定開距是指開關在滅弧過程中弧觸指位置始終不變，而變開距的弧觸指是移動的，電弧隨觸指的運動改變長度。兩者共同的特點是都要通過壓氣缸預壓縮，在電弧形成后對電弧進行吹弧。三、SF6斷路器的結構、原理——2.SF6斷路器滅弧室工作原理

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(1)定開距滅弧室(2)變開距滅弧室變開距滅弧室結構示意圖（分閘狀態(tài)）如圖4.31所示，其觸頭系統(tǒng)包括主靜觸頭1、弧靜觸頭2、主動觸頭5、弧動觸頭4及中間觸頭10，主觸頭（即工作觸頭）和中間觸頭裝在外側，以改善散熱條件，提高斷路器的熱穩(wěn)定性。噴嘴3由耐高溫的絕緣材料制成，并與弧動觸頭4、主動觸頭5及壓氣缸6連成一體，構成滅弧室的可動部分。壓氣室8有通道通向噴嘴3，在固定活塞9上有逆止閥7。合閘時操動機構通過拉桿使可動部分向左運動，壓氣室壓力降低，逆止閥打開，SF6氣體從活塞上的小孔經(jīng)逆止閥沖入壓氣室，不致使壓氣室內形成負壓，影響合閘速度。

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三、SF6斷路器的結構、原理——2.SF6斷路器滅弧室工作原理

變開距滅弧室動作過程示意圖如圖4.32所示，圖4.32(a)為斷路器處于合閘位置，這時由主靜觸頭、主動觸頭、壓氣缸、中間觸頭構成電流通路；分閘時，操動機構通過拉桿帶著可動部分向右運動，使壓氣室內的SF6氣體被壓縮，逆止閥關閉，壓氣室壓力增加，主動、靜觸頭首先分離，如圖4.32(b)所示；當弧動、靜觸頭分離時，產(chǎn)生電弧，同時壓氣室高壓氣流向弧動、靜觸頭內腔噴射，對電弧進行強烈的雙向縱吹，如圖4.32(c）所示；當電弧過零時熄滅，觸頭處在分閘位置，弧柱的熱能被排入滅弧室鋼筒外殼，新鮮冷態(tài)的SF6氣體重新充入弧隙，保證斷口的絕緣，如圖4.32(d)所示。

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三、SF6斷路器的結構、原理——2.SF6斷路器滅弧室工作原理

這種滅弧室的特點：氣吹時間長，氣體利用率較高，可利用弧柱對弧道的堵塞效應，加強電弧過零前后的氣流量，開距較長，弧壓高弧能大，不易提高開斷容量。

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三、SF6斷路器的結構、原理——2.SF6斷路器滅弧室工作原理三、SF6斷路器的結構、原理——3.開關柜中斷路器的類型

高壓開關柜通常采用SF6斷路器，其結構見圖4.33，斷路器由裝于上部的彈簧操動機構1和下部的斷路器本體兩大部分組成。斷路器本體由支持件2、連動桿3、支持絕緣件4、導體5、滅弧室6等組成，主導電回路通過盆式絕緣子7引入（引出）并固定在殼體9上；彈簧機構的操作能通過連動件轉化為三個滅弧室的操作能,滅弧室與殼體之間通過支持絕緣件絕緣，斷路器的殼體在工作狀態(tài)始終處于地電位，殼體內部充額定壓力的SF6氣體用于滅弧和相間、導電部位與接地的殼體之間的絕緣。

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城市軌道交通供變電技術第四章交流開關柜第四節(jié)交流高、中壓開關柜中的隔離開關學習要點了解交流電弧形成的過程熟悉交流電弧熄滅的原理掌握工程上采用的交流電弧熄滅的方法

第四節(jié)交流高、中壓開關柜中的隔離開關一、隔離開關的概述二、隔離開關的典型結構三、三工位隔離開關四、戶內隔離開關一、隔離開關的概述——1.高壓隔離開關的特點隔離開關又稱刀閘，是一種沒有滅弧裝置的開關電器，敞開式隔離開關的觸頭全部敞露在空氣中。在分閘狀態(tài)下，有明顯可見的斷口；在合閘狀態(tài)下能可靠地通過正常工作電流，并能在規(guī)定的時間內承受故障短路電流和相應電動力的沖擊。隔離開關沒有滅弧裝置，僅能用來分、合只有電壓沒有負荷電流的電路，否則會在隔離開關的觸頭間形成強大電弧，危及設備和人身安全，造成重大事故。因此，在電路中隔離開關一般只能在斷路器已將電路斷開的情況下才能接通或斷開。隔離開關的動觸頭和靜觸頭斷開后，兩者之間的距離應大于被擊穿時所需的距離，避免在電路中發(fā)生過電壓時斷開點發(fā)生擊穿，以保證檢修人員的安全。必要時可在隔離開關上附設接地開關，以供檢修時接地用。

第四節(jié)交流高、中壓開關柜中的隔離開關一、隔離開關的概述——2．高壓隔離開關的用途

隔離開關是變電所中用量最多的高壓電器，它的主要用途是保證高壓電器設備檢修時的安全。用隔離開關將需要檢修的部分與其他帶電部分可靠地斷開隔離，工作人員可以安全地檢修電器設備，不致影響其余部分的工作，隔離開關的主要用途為：(1)檢修與分段隔離利用隔離開關斷口的可靠絕緣能力，使需要檢修的電氣設備與帶電系統(tǒng)相互隔離，以保證被隔離的設備能安全地進行檢修。(2)改變運行方式在斷口兩端接近等電位的條件下，帶電進行分、合閘，變換母線或其他不長的并聯(lián)線路的接線方式。例如雙母線電路中的倒換母線操作等。(3)接通和斷開小電流電路利用隔離開關斷口在分開時的電弧拉長和空氣的自然熄弧能力，分、合一定長度的母線、電纜或架空線路的電容電流；分、合電壓互感器、避雷器或分、合變壓器的接地中性點等。(4)自動快速隔離

第四節(jié)交流高、中壓開關柜中的隔離開關一、隔離開關的概述——3．高壓隔離開關的基本要求

(1)應有明顯的斷開點，運行人員能清楚看出隔離開關的分、合狀態(tài)，易于區(qū)別電器是否與電網(wǎng)隔離。(2)斷開點間應具有可靠的絕緣。即要求斷開點間有足夠的安全距離，能保證在過電壓和相間擊穿的情況下，確保檢修、運行人員安全。(3)具有足夠的熱穩(wěn)定性和動穩(wěn)定性。即受到允許范圍內電流的熱效應和電動力作用時，其觸頭不能熔焊，也不能因電動力的作用而斷開或損壞。(4)對于用在氣候寒冷地區(qū)的戶外型隔離開關應具有設計要求的破冰能力，在冰凍的環(huán)境里應能可靠地分、合閘。(5)帶有接地刀開關的隔離開關，隔離開關的主刀開關與接地刀開關之間要有機械的或電氣的聯(lián)鎖機構，以保證分閘時先斷開隔離開關的主刀開關、后閉合接地刀開關；合閘時，先斷開接地刀開關、后閉合隔離開關的主刀開關的操作順序。(6)隔離開關與斷路器配合使用時，要有機械的或者電氣的聯(lián)鎖裝置，保證斷路器分閘后隔離開關才能分閘，隔離開關合閘后斷路器才能合閘。(7)結構簡單、動作準確可靠。

第四節(jié)交流高、中壓開關柜中的隔離開關一、隔離開關的概述——4.高壓隔離開關的分類

隔離開關類型很多，一般按下列方法進行分類：(1)按安裝地點的不同，可分為戶內式和戶外式兩種。(2)按支柱絕緣子的數(shù)目，可分為單柱式、雙柱式和三柱式。(3)按隔離開關的運動方式，可分為水平旋轉式、垂直旋轉式、擺動式和插入式等四種。(4)按有無接地裝置及裝設接地開關數(shù)量的不同，分為不接地、單接地和雙接地等三類。(5)按極數(shù)，可分為單極和三極兩種。(6)按操動機構的不同，可分為手動、電動等類型。(7)按使用性質不同，分為一般用、快分用和變壓器中性點接地用三類。

第四節(jié)交流高、中壓開關柜中的隔離開關

隔離開關型號、規(guī)格一般由文字符號和數(shù)字表示：[1][2][3]—[4][5]／[6][1]：產(chǎn)品字母代號，隔離開關用G；[2]：安裝場所代號，戶內用N，戶外用W；[3]：設計序列順序號，用數(shù)字1、2、3、……表示；[4]：額定電壓，kV；[5]：其他標志，如T表示統(tǒng)一設計，G表示改進型，D表示帶接地刀閘，K表示快分型等。[6]：額定電流，A。

第四節(jié)交流高、中壓開關柜中的隔離開關一、隔離開關的概述——5.高壓隔離開關的型號二、隔離開關的典型結構

隔離開關由導電部分、絕緣部分、操動機構、傳動機構、持底座五部分組成，各組成部分的功能如下：1.導電部分：包括觸頭、閘刀、接線座。主要起傳導電路中的電流，關合和開斷電路的作用。2.絕緣部分：包括支持絕緣子和操作絕緣子。實現(xiàn)帶電部分和接地部分的絕緣。3.操動機構：通過手動、電動、氣動、液壓向隔離開關的動作提供能源。4.傳動機構：由拐臂、聯(lián)桿、軸齒或操作絕緣子組成。接受操動機構的力矩，將運動傳動給觸頭，以完成隔離開關的分、合閘動作。5.支持底座：導電部分、絕緣部分、傳動機構、操動機構等固定為一體，并使其固定在基礎上。

第四節(jié)交流高、中壓開關柜中的隔離開關三、三工位隔離開關——1.概述

三工位隔離開關通常用于GIS中，其有三個工作位置：隔離開關主斷口接通的合閘位置、主斷口分開的隔離位置、接地側的接地位置。三工位開關整合了隔離開關和接地開關兩者的功能，即可由一把刀閘來完成，這樣就可以實現(xiàn)機械閉鎖，防止主回路帶電時接通接地刀閘。因為三工位隔離開關用的是一把刀閘，其工作位置在某一時刻是唯一的，即不是主刀閘在合閘位置，就是在隔離位置或接地位置。而不象傳統(tǒng)的隔離開關，主刀閘和接地刀閘獨立的，兩把刀閘之間可能出現(xiàn)誤操作的可能性。三工位隔離開關采用母線穿墻式整塊絕緣底板，三工位結構確保隔離開關合閘時不能接地，接地時不能合閘，配有同軸手動操動機構和位置定位裝置與短路器，具有機械聯(lián)鎖以確保隔離開關不會帶負荷分合閘，配置帶電顯示功能。

第四節(jié)交流高、中壓開關柜中的隔離開關三、三工位隔離開關——2.三工位隔離開關位置三工位隔離開關位置見表4.1。

第四節(jié)交流高、中壓開關柜中的隔離開關三、三工位隔離開關——3.三位置開關操作的注意事項（1）手動合隔離開關時機械聯(lián)鎖可防止三位置開關帶負荷操作。（2）帶負荷接地會損壞三位置開關。（3）只有斷路器合入后，接地過程才結束。（4）在裝有馬達操作三位置開關的開關柜中，如果馬達電源出現(xiàn)故障，三位置開關在非特定的位置，必須用緊急操作桿手動操作三位置開關。（5）緊急操作桿沒有停止位置。操作超過了停止位置會損壞三位置開關。（6）操作緊急操作桿時一定要一次操作到位，嚴禁來回搬動，以防止誤操作。（7）饋線接地應遵守五項安全守則：（8）要確保斷路器不會打開應：向上拉鎖定裝置；裝上掛鎖。（9）解除接地時應：取下掛鎖；鎖定裝置的桿自動向下回位；操作斷路器到“分開”位置；操作接地開關到“分開”位置。

第四節(jié)交流高、中壓開關柜中的隔離開關

戶內隔離開關分為單極式和三級式兩種。一般為閘刀式結構并多采用線接觸觸頭，圖4.35所示為戶內隔離開關的典型結構圖。戶內隔離開關導電部分包括閘刀1、靜觸頭3。閘刀及靜觸頭采用銅導體制成，一般額定電流為3000A及以下的隔離開關采用矩形截面的銅導體，額定電流為3000A以上則采用槽形截面的銅導體。閘刀由兩片平行刀片組成，電流平均流過兩刀片且方向相同，產(chǎn)生相互吸引的電動力，使接觸壓力增加。支持絕緣子4固定在角鋼底座5上，承擔導電部分的對地絕緣。操作絕緣子2與閘刀1及轉軸7上對應的拐臂鉸接，操動機構則與軸端拐臂6連接，各拐臂均與軸硬性連接。當操動機構動作時，帶動轉軸轉動，從而驅動閘刀轉動而實現(xiàn)分、合閘。四、戶內隔離開關

第四節(jié)交流高、中壓開關柜中的隔離開關城市軌道交通供變電技術第四章交流開關柜第五節(jié)交流高、中壓開關柜中的互感器學習要點了解互感器的作用和原理熟悉電壓互感器的工作原理、誤差、接線方式、使用注意事項掌握電流互感器的工作原理、誤差、技術參數(shù)、接線方式、使用注意事項

第五節(jié)交流高、中壓開關柜中的互感器

一、互感器概述二、電壓互感器三、電流互感器一、互感器概述

互感器是電力系統(tǒng)中一次系統(tǒng)和二次系統(tǒng)之間的聯(lián)絡元件，用以變換電壓或電流，分別為測量儀表、保護裝置和控制裝置提供電壓或電流信號，反映電氣設備的正常運行和故障情況。電力系統(tǒng)中互感器有電感型、電容型、光電式等，廣泛使用的是電磁式互感器，它分為電壓互感器（TV）和電流互感器（TA）兩種，其一次繞組接入電網(wǎng)，二次繞組分別與測量儀表、保護裝置等相互連接，如圖4.36所示。

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二、電壓互感器——1.電壓互感器工作原理

工作時，電磁式電壓互感器一次繞組與一次被測電力網(wǎng)并聯(lián)，二次繞組與二次測量儀表和繼電器的電壓線圈并聯(lián)，如圖4.37（a）所示。電磁式電壓互感器二次電壓近似與一次電壓成正比，測出二次電壓，便可確定一次電壓。電動勢平衡方程： （1.2）

（1.3）

忽略繞組漏阻抗壓降：

（1.4）（1.5）即：（1.6）電壓互感器在電路圖中的圖形符號如圖4.37（b）所示，文字符號用TV表示。

第五節(jié)交流高、中壓開關柜中的互感器

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二、電壓互感器——1.電壓互感器工作原理

由于電壓互感器存在勵磁電流和內阻抗，使二次電壓和一次電壓大小不等，相位差也不等于1800，即電壓互感器測量結果會存在誤差，通常用電壓誤差和相位誤差表示。（1）電壓誤差為：（2）相位差：指互感器二次側電壓相量與一次電壓相量的相角之差，以分為單位，并規(guī)定二次側相量超前于一次側相量時角誤差為正，反之為負。角誤差對功率型測量儀表和繼電器以及反映相位的保護裝置會有影響。運行電壓互感器誤差的運行工況是二次負荷、功率因數(shù)和一次電壓的數(shù)值等。二、電壓互感器——2.電壓互感器的電壓誤差和相位差

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（1）電壓互感器一次繞組匝數(shù)較多，二次繞組匝數(shù)較少，使用時一次繞組與被測量電路并聯(lián)，二次繞組與測量儀表或繼電器等電壓線圈并聯(lián)。（2）由于測量儀表、繼電器等電壓線圈的阻抗很大，電壓互感器在正常運行時二次繞組中的電流很小，一次、二次繞組中的漏阻抗壓降都較小。因此，電壓互感器在正常運行時相當于一個空載運行的降壓變壓器，其二次電壓基本等于二次電動勢值，且取決于一次的電壓值，所以電壓互感器在準確度所允許的負載范圍內，能夠準確地測量一次電壓。（3）二次側所接負荷阻抗較大，正常情況下二次電流很小，電壓互感器在接近于開路狀態(tài)下運行，容量較小，要求有較高的安全系數(shù)。二、電壓互感器——3.電壓互感器的特點

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（1）電壓互感器的種類按安裝地點分：戶內式（35kV電壓等級以下）和戶外式（35kV及以上）。按絕緣方式分：干式（低壓）、澆注式（3～35kV）、油浸式（35kV及以上）和氣體絕緣式等。按繞組數(shù)分：雙繞組、三繞組和四繞組式。按相數(shù)分：單相式（35kV及以上）和三相式（20kV以下）。按結構原理分：電磁式和電容式。電磁式又可分為單級式（35kV以下）和串級式（63kV以上）。二、電壓互感器——4.電壓互感器的的種類和型號

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（2）電壓互感器的型號電壓互感器的型號用漢語拼音字母表示，其中包括產(chǎn)品型號符號和設計序號，短斜線后為電壓等級。電壓互感器的型號如下：[1][2][3][4][5]／[6][1]：產(chǎn)品名稱：J-電壓互感器[2]：相數(shù)：D-單相；S-三相[3]：絕緣形式：J-油浸式；G-干式；Z-樹脂澆注式；Q-氣體；C-油瓷絕緣；R-電容分壓式；[4]：結構形式：B-三柱帶補償繞組；W-五柱三繞組；J-接地保護[5]：設計序號：用數(shù)字1、2、3表示[6]：額定電壓：單位取kV二、電壓互感器——4.電壓互感器的的種類和型號

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(1)單相電壓互感器接線一個單相電壓互感器接入電路，如圖4.38（a）所示，左側圖用于測量某相線電壓，用于35kV及以下的中性點非直接接地電網(wǎng)中;右側圖用于測量某相相電壓,在110kV及以上中性點有效接地系統(tǒng)中。為安全起見，二次繞組有一端（通常取x端）接地。(2)V，v形接線又叫不完全星形接線，如圖4.38（b）所示，可以由一臺高壓側無接地的三相電壓互感器構成，也可以由兩臺單相高壓側無接地的電壓互感器構成?？梢杂脕頊y量三相中任意相間電壓，應用于20kV及以下中性點不接地或經(jīng)消弧線圈接地的電網(wǎng)中。此接線特點是接線簡單、經(jīng)濟，缺點是不能測量相電壓。(3)一臺三相三柱式電壓互感器Y，yn接線，用于測量線電壓，如圖4.38（c）所示。二、電壓互感器——5.電壓互感器的接線方式

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(4)一臺三相五柱式電壓互感器YN，yn，d0接線。這種接線方式中互感器的一次側、基本二次側繞組均接成星形，且中性點接到，輔助二次側繞組接成開口三角形。它既能測量線電壓和相電壓，又可以用作絕緣監(jiān)察裝置，廣泛應用于小接地電流電網(wǎng)中，如圖4.38（d）所示。(5)三個單相三繞組電壓互感器接成的YN，yn,d0接線，這種接線方式主要應用于3kV及以上電網(wǎng)中，用于測量線電壓、相電壓和零序電壓，如圖4.38（e）所示。二、電壓互感器——5.電壓互感器的接線方式

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電壓互感器型式很多，其結構與變壓器相似，主要由鐵心、一次繞組、二次繞組、絕緣等幾個主要部分構成。(1)澆注式電壓互感器 澆注絕緣有其獨特的電氣性能和機械性能，防火防潮、壽命長且制造簡單，該類結構廣泛應用于戶內35kV及以下電壓等級。圖4.39所示為澆注式JDZ-1O型電壓互感器外形圖，該電壓互感器為半封閉式結構，一、二次側繞組同心繞在一起（二次側繞組在內側），連同一、二次側引出線用環(huán)氧樹脂澆注成型，并固定在底板上。澆注體下面涂有半導體漆，并與金屬底板及鐵心相連以改善電場的不均勻性。

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二、電壓互感器——6.電壓互感器的結構類型(2)油浸式電壓互感器油浸式電壓互感器按其結構又可分為普通式和串級式。所謂普通式就是二次繞組與一次繞組完全相互耦合，與普通變壓器一樣，3～35kV電壓互感器多采用普通式；串級式就是一次繞組分成匝數(shù)接近相等的幾個繞組，然后串聯(lián)起來。110kV及以上電壓互感器普遍制成串級式結構，其特點是鐵芯和繞組采用分級絕緣，可簡化絕緣結構，減小重量和體積。圖4.40所示為單相戶內油浸式JDJ-35型電壓互感器的外形圖。電壓互感器的器身固定在油箱蓋上并浸在油箱內，一、二次繞組的引出線分別經(jīng)固定在箱蓋上的高、低壓瓷套管引出。圖4.41所示為單相串級JCC1-110型電壓互感器結構圖。電壓互感器的鐵芯和繞組裝在充油的瓷外殼內，鐵心帶電位，用支撐電木板固定在底座上。貯油柜工作時帶電，一次繞組首端從貯油柜上引出，一次繞組末端和二次繞組出線端從底座引出。

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二、電壓互感器——6.電壓互感器的結構類型

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二、電壓互感器——6.電壓互感器的結構類型(3)SF6氣體絕緣電壓互感器SF6氣體絕緣電壓互感器有兩種結構形式。一種是為GIS配套使用的組合式，另一種為獨立式。與前者相比，后者主要是增加了高壓引出線部分，它包括一次繞組高壓引出線、高壓瓷套等。圖4.42所示為SF6氣體絕緣電壓互感器結構示意圖。SF6氣體絕緣電壓互感器的器身由一次繞組、二次繞組、輔助二次繞組和鐵芯組成。低壓繞組為層式結構，一次繞組為寶塔形，繞組層絕緣采用聚脂薄膜。一次繞組除在出線端有靜電屏外，在超高壓產(chǎn)品中，一次繞組的中部還設有中間屏蔽電極。鐵芯內側設有屏蔽電極以改善繞組與鐵芯間的電場。

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二、電壓互感器——6.電壓互感器的結構類型

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二、電壓互感器——6.電壓互感器的結構類型（4）電容式電壓互感器隨著電力系統(tǒng)電壓等級的增高，電磁式電壓互感器的體積和重量越來越大，成本也隨之增加。電容式電壓互感器與電磁式電壓互感器相比，具有結構簡單、重量輕、體積小、成本低的優(yōu)點，且電壓愈高效果愈明顯，電容式電壓互感器的運行維護也較方便，因此廣泛用于11O～500kV中性點直接接地系統(tǒng)中，作為電壓測量、功率測量、繼電防護及載波通信用。其缺點是輸出容量小，誤差較大時暫態(tài)特性不如電磁式電壓互感器。TYD220系列單柱疊裝型電容互感器如圖4.43所示。電容分壓器由上、下節(jié)串聯(lián)組合而成，裝在瓷套管中，瓷管套內充滿絕緣油；電磁單元裝置由裝在同一油箱中的中壓互感器、補償電抗器、保護間隙和阻尼器組成，油箱同時作為互感器的底座；二次接線盒在電磁單元裝置側面，盒內有二次端子接線板及接線標牌。

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二、電壓互感器——6.電壓互感器的結構類型(1)電壓互感器二次側不得短路。電壓互感器的一、二次側都應裝設熔斷器。(2)電壓互感器鐵芯及二次繞組一端必須接地。(3)電壓互感器在接線時要注意端子極性的正確，接線時應保證一、二次繞組的首尾標號及同名端的正確。(4)電壓互感器的負載容量應不大于準確級相對應的額定容量。

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二、電壓互感器——7.電壓互感器使用注意事項電力系統(tǒng)中廣泛采用電磁式電流互感器，其原理接線如圖4.44（a）所示。其一次繞組串聯(lián)于被測量電路內，二次繞組與二次回路串聯(lián)。當電流互感器一次側流過電流時，在鐵心中產(chǎn)生交變磁通，此磁通穿過二次繞組，產(chǎn)生電動勢，在二次回路中產(chǎn)生電流。磁勢平衡方程為：（1.7）