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1、西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,高壓電器技術(shù)原理,在2006年高壓開關(guān)技術(shù)信息培訓(xùn)班上的講座 西安交通大學(xué) 馬志瀛 2006.10.17,西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,主要內(nèi)容,1 概論 2 開關(guān)作用與現(xiàn)代高壓斷路器的理論基礎(chǔ) 3 開關(guān)電器的共同性問題 4 六氟化硫（SF6）技術(shù) 5 真空開關(guān)技術(shù) 6 高壓開關(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 高壓開關(guān)行業(yè)的定位 開關(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 概論,我國雖然是一個(gè)“電力大國”，但不是“電力強(qiáng)國”，人均占有量仍

2、是“電力弱國”，發(fā)展前景很好。 目前全國裝機(jī)總?cè)萘恳殉^5億kW，估計(jì)到2015年可達(dá)10億kW。高壓開關(guān)的需求量仍然很大 。,西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,1 前言,1.2 開關(guān)電器的定義與用途 定義： 開關(guān)電器switching device：用作閉合（關(guān)合）或者開斷一個(gè)或幾個(gè)電路電流的器件。 機(jī)械開關(guān)電器：用可分離的觸頭來合、分一個(gè)或幾個(gè)電路的的開關(guān)電器。 半導(dǎo)體開關(guān)電器：設(shè)計(jì)用半導(dǎo)體可控導(dǎo)電性來閉合（關(guān)合）電路電流的開關(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

3、繼電保護(hù) 負(fù)荷開關(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）高壓開關(guān)電器種類可分：斷路器、隔離開關(guān)、負(fù)荷開關(guān)、接觸器、重合器、分段器、接地開關(guān)和熔斷器（參見各自定義）。 從不同電器的定義來看：主要是從功能區(qū)分，然后是結(jié)構(gòu)性能的劃分。,西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,1 前言,（2）從安裝場(chǎng)所可分： （a）戶內(nèi)式（in door）：設(shè)計(jì)成安裝在建筑物（building）內(nèi)或遮蔽物（other hosing）內(nèi)使用的電器，這些地方可保護(hù)它們免遭風(fēng)、雨、雪、塵埃、凝露、冰和濃霜等侵襲。 （b）戶外式（out door）：適合安裝

4、于露天（in the open air）使用的電器，它們能耐受風(fēng)、雨、雪、積塵（dirt deposits）、露（condensation）、冰及濃霜（hoar frost）等侵襲。,西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,2 開關(guān)作用與現(xiàn)代高壓斷路器的理論基礎(chǔ),2.1 開關(guān)作用 所謂開關(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、） 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?，只要在起弧極限以上，就必然要產(chǎn)生電弧，只有在電弧熄滅后，電路才能斷開。電弧的高溫、高壓力，給人們帶來很大麻煩，對(duì)電器本身也帶來危害。,西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,2 開關(guān)作用與現(xiàn)代高壓斷路器的理論基礎(chǔ),長(zhǎng)期來，只是努力地去限制電弧或更有效地去熄滅電弧。當(dāng)然這也給開關(guān)、斷路器的技術(shù)不斷帶來一些進(jìn)步。但總認(rèn)為“弊多利少”，認(rèn)為“研究電弧主要在于熄滅電弧”。 甚至有人不斷地在設(shè)想“無電弧”的觸頭開斷。,西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,2 開關(guān)作用與現(xiàn)代高壓斷路器的理論基礎(chǔ),由于認(rèn)識(shí)上的

6、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)高壓交流斷路器來說，目前還無法取代，而且在（3050）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 開關(guān)作用與現(xiàn)代高壓斷路器的理論基礎(chǔ),2.2 開關(guān)元件的性能比較 有觸點(diǎn)開關(guān)元件 無觸點(diǎn)開關(guān)元件 （1）阻抗轉(zhuǎn)換比 10101014 104107 （斷開時(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）承受過載能力 強(qiáng) 弱 （4）元件本身的 功率損耗 小

7、 大,西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,2 開關(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 開關(guān)作用與現(xiàn)代高壓斷路器的理論基礎(chǔ),其關(guān)鍵還在于“電弧”。電弧屬于低溫等離子體，其電導(dǎo)率是溫度的強(qiáng)函數(shù)。斷路器的開斷就是利用了等離子體的溫度控制來實(shí)現(xiàn)的。從導(dǎo)體絕緣體的相互變換，電弧等離子體具有重要的地位，利用電弧才能完成這一變換。其它辦法還達(dá)不到要求（設(shè)備大、不經(jīng)濟(jì)等）。,

8、西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,2 開關(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說，希望具有： 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)到電阻從零變到無限大，這就是“理想電弧”。 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

9、通大學(xué)電氣工程學(xué)院,2 開關(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。 現(xiàn)代斷路器技術(shù)簡(jiǎn)單來說是盡可能造成導(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 開關(guān)電器的共同性問題,3.1 開關(guān)電器在功能和結(jié)構(gòu)上的共性 要有帶電和導(dǎo)電部分； 要有絕緣部分，帶電部分與地及其它極間的隔離； 導(dǎo)體與觸頭的電連接部分； 觸頭的運(yùn)動(dòng)與機(jī)構(gòu)。,西安交通大學(xué)電

10、氣工程學(xué)院,3 開關(guān)電器的共同性問題,3.2 從運(yùn)行角度的共同要求 電的作用； 熱的作用； 機(jī)械作用； 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),4.1 SF6氣體的優(yōu)良絕緣和滅弧特性 與目前使用狀況 4.1.1 SF6氣體的基本特性： SF6氣體是一種無色、無嗅、無味、無毒、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)

11、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。,西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,4 六氟化硫（SF6）技術(shù),4.1.2 SF6氣體的絕緣性： SF6氣體是高電氣強(qiáng)度的氣體介質(zhì)，絕緣性能好，在均勻電場(chǎng)中，是空氣的3倍。 其原因： （1）SF6氣體具有很強(qiáng)的電負(fù)性，其中性分子很容易吸附自由電子而形成負(fù)離子，活動(dòng)性很差，自由電子減少，阻礙放電的形成和發(fā)展； （2）SF6分子的直徑大，電子在SF6氣體中的平均自由行程短（約

12、為0.22m），不易積累足夠的動(dòng)能，碰撞電離的可能性減少。,西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,4 六氟化硫（SF6）技術(shù),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（0.50.7）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),4.1.3 SF6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

13、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),4.1.4 SF6氣體是電力設(shè)備中最佳的滅弧和絕緣用氣體介質(zhì)： 6070%用于電力設(shè)備： 氣體絕緣開關(guān)設(shè)備（GIS） 氣體絕緣電纜（GICcable）或氣體絕緣輸電線路（GITL） 氣體絕緣變壓器（GIT） 配電電壓等級(jí)的CGIS。,西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,4 六氟化硫（SF6）技術(shù),4.2 SF6氣體的

14、釋放對(duì)健康和環(huán)境的影響 4.2.1 對(duì)健康的潛在影響： 4.2.2 環(huán)境影響： （1）同溫層的臭氧減?。ǔ粞鯇涌斩矗? 這不起作用。破壞臭氧層的是氯氣。 （2）平均全球溫度增加（溫室效應(yīng)）,西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,4 六氟化硫（SF6）技術(shù),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(Global Warming Potential,全球溫暖化趨勢(shì)，或稱全球升溫潛能值)值來衡量或評(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

15、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)合國氣候變化框架公約 京都議定書，在該議定書的附錄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。,西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,4 六氟化硫（SF6）技術(shù),京都議定書規(guī)定2

16、008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）。 歐洲國家的要求呼聲最高，據(jù)說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)。 我國已簽署該議定書，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

17、壓開關(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,西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,4 六氟化硫（SF6）技術(shù),4.4.2 作為滅弧介質(zhì)： 對(duì)SF6斷路器，混合氣體沒有好處，隨著SF6氣體用量的減少，則開斷性能也相應(yīng)下降。這與滅弧原理有關(guān)。 目前仍無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。,西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,4 六氟化硫（SF6）技術(shù),對(duì)于斷路

18、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。而且也可跟上國際技術(shù)發(fā)展的步伐，并為在超高壓等級(jí)取代SF6打

19、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，則先轉(zhuǎn)變成集聚，后又可

20、轉(zhuǎn)為擴(kuò)散型。,西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,5 真空開關(guān)技術(shù),（2）熄弧原理：擴(kuò)散型，過零后，電極陰陽極對(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（開斷）距離足夠，過零后電弧不會(huì)重燃，一次過零熄滅。 集聚型，由于陰極和陽極都有較大的熔區(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，即沒有開斷能力。,西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,5 真空開關(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、陽極 斑點(diǎn)快速移動(dòng)，降低電極表面溫度

21、。 b.提高集聚電流值，在開斷范圍內(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 真空開關(guān)技術(shù),（3）開斷小電流時(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 真空開關(guān)技術(shù),觸頭是真空滅弧室內(nèi)的最為重要的元件，開斷能力和

22、電氣壽命主要由觸頭結(jié)構(gòu)來決定。真空開關(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 真空開關(guān)技術(shù),,,,西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,5 真空開關(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72.5kV126kV。 （2）小型化：一方面已采用新的電弧控制技術(shù)，在不降低開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

23、交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,5 真空開關(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3AH2 60000次；3AH4 12000次 東芝 24kV/1250A/20kA 和 36kV/1250A/2000A/12.5kA 達(dá)12萬次 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；

24、 （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）

25、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）斷開位置時(shí)同極觸頭之間（開關(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

26、開關(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，還沒有看到固體絕緣的開關(guān)柜。目前有的在宣傳的所謂“固體絕緣開關(guān)柜”，只是在空氣和氣體絕緣的開關(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 高壓開關(guān)絕緣,6.3開關(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,

27、7 相控?cái)嗦菲鳎ㄍ介_關(guān)）,相控?cái)嗦菲鳎ㄋ追Q同步開關(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。,,,西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,7 相控?cái)嗦菲鳎ㄍ介_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的相位也是隨機(jī)的，可在一個(gè)周波360的任一相位下閉合或斷開，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_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:,

28、,西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,7 相控?cái)嗦菲鳎ㄍ介_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。,西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,7 相控?cái)嗦菲鳎ㄍ介_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)行正常開合的操作，在操作過程中常伴隨著電網(wǎng)中電壓和電流出現(xiàn)的浪涌現(xiàn)象，造成操作過電壓和過電流，嚴(yán)重影響電網(wǎng)的安全運(yùn)行。,西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,7 相控?cái)嗦菲鳎ㄍ介_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

29、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)。一般來講，合閘和分閘時(shí)發(fā)生的機(jī)理不相同，合閘過程中出現(xiàn)的暫態(tài)過程是由于線路中的電磁暫態(tài)振蕩所引起，而開斷時(shí)所出現(xiàn)的過電壓則由于弧隙的復(fù)燃或重?fù)舸┒a(chǎn)生。,西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,7 相控?cái)嗦菲鳎ㄍ介_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程產(chǎn)生的各種涌流和合閘過電壓。,西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,7 相控?cái)嗦菲鳎ㄍ介_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

30、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抑止過電壓和涌流。,西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,7 相控?cái)嗦菲鳎ㄍ介_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庖验_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_關(guān)）,國內(nèi)也開始重視這一問題，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C

31、AT裝置，解決了系統(tǒng)的內(nèi)過電壓?jiǎn)栴}。 無功補(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題。,西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,7 相控?cái)嗦菲鳎ㄍ介_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 ,合閘瞬間的電源電壓相位角,,西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,7 相控?cái)嗦菲鳎ㄍ介_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_關(guān)）,其最大值： 過電壓大小與合閘相位角、電容上的初始電壓和極性有

32、關(guān)。 在U00時(shí)， 當(dāng)90時(shí)， Ucm2Um，最大； 而當(dāng)0時(shí)，沒有暫態(tài)，按正弦規(guī)律上升，也就沒有過電壓； 偏離0時(shí)，有暫態(tài)，與偏離角大小有關(guān)，一般講不發(fā)生過電壓。,,西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,7 相控?cái)嗦菲鳎ㄍ介_關(guān)）,在U00時(shí)，同極性時(shí)，Ucm2Um； 反極性時(shí)，Ucm2Um。 若U0Um， 當(dāng)90時(shí)，則Ucm3Um； 而當(dāng)0時(shí)，有過渡過程，但Ucm不會(huì)超過Um；而偏離0時(shí)就會(huì)有過電壓，但數(shù)值受到抑止。,西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,7 相控?cái)嗦菲鳎ㄍ介_關(guān)）,從上面分析中可以看出： 當(dāng)90時(shí)合閘出現(xiàn)的過電壓最高，有可能達(dá)23倍。 而當(dāng)0時(shí)合閘，就不會(huì)有過電壓（偏離

33、零度時(shí)，會(huì)有過電壓，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_關(guān)）,對(duì)于不同電壓等級(jí)的系統(tǒng)和設(shè)備，承受過電壓的能力是不相同的。過電壓的允許倍數(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)于超高壓斷路器來說，能夠?qū)崿F(xiàn)相控和同步合閘是很有必要的。,西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,7 相控?cái)嗦菲鳎ㄍ介_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，也無法控制，所以并非急于需要解決合閘過電壓

34、問題。 但終究電容器雖能承受頻繁操作所出現(xiàn)的過電壓，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。,西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,7 相控?cái)嗦菲鳎ㄍ介_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)。,西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,7 相控?cái)嗦菲鳎ㄍ介_關(guān)）,從目前的技術(shù)水平來看，要實(shí)現(xiàn)同步合閘的困難不在于控制器，而主要在于操動(dòng)機(jī)構(gòu)和斷路器本體的動(dòng)作分散性，這方面國內(nèi)的制造廠尚需做不少工作，盡早使相控?cái)嗦菲髟趪鴥?nèi)得到推廣。,西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,8 智能操作斷路器,智能操作（ intelligent operation）

35、 斷路器“智能操作” 定義為：“動(dòng)觸頭從一個(gè)位置到另一個(gè)位置的自適應(yīng)控制的轉(zhuǎn)換” 。 其核心是斷路器能根據(jù)不同的操作信息，自動(dòng)識(shí)別電網(wǎng)當(dāng)時(shí)所處的工作狀態(tài)，然后自動(dòng)調(diào)整操動(dòng)機(jī)構(gòu)和滅弧室合理的工作條件，從而獲得操作時(shí)電氣和機(jī)械性能上的最佳效果。,西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,8 智能操作斷路器,,,智能操作斷路器原理結(jié)構(gòu)圖,西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,8 智能操作斷路器,實(shí)現(xiàn)智能操作的優(yōu)越性： 1、使斷路器實(shí)際操作大多是在較低速度下開斷，從而減小斷路器開斷時(shí)的沖擊力和機(jī)械磨損，不僅可減小機(jī)械故障和提高可靠性，還能提高斷路器的操作使用壽命，在工程上有較大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益； 2、實(shí)現(xiàn)有關(guān)檢測(cè)、保

36、護(hù)、控制、通訊等高壓開關(guān)設(shè)備的一般的智能化功能；,西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,8 智能操作斷路器,3、有可能改變目前的試探性自動(dòng)重合閘的工作方式，而成為自適應(yīng)自動(dòng)重合閘，即做到在短路故障開斷后，如故障仍存在，則拒絕重合，只有待故障消除后才能重合； 4、實(shí)現(xiàn)定相合閘，降低合閘操作過電壓，取消合閘電阻，進(jìn)一步提高可靠性；,西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,8 智能操作斷路器,5、實(shí)現(xiàn)選相分閘，控制實(shí)際燃弧時(shí)間，使斷路器起弧時(shí)間控制在有利于燃弧的相位角，不受系統(tǒng)燃弧時(shí)差要求的限制，從而提高實(shí)際開斷能力； 6、智能操作理論的深入研究將涉及斷路器的性能、自適應(yīng)控制的原理與裝置、系統(tǒng)工作狀態(tài)的信號(hào)處理和自動(dòng)識(shí)別等內(nèi)

37、容，不僅有斷路器發(fā)展理論上的意義，還有利于一些新興學(xué)科在高壓電力設(shè)備中得到應(yīng)用和發(fā)展。,西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,8 智能操作斷路器,對(duì)于智能操作斷路器產(chǎn)品的開發(fā)，我們?cè)谧鰞煞N功能產(chǎn)品的探索： （一）有級(jí)調(diào)節(jié)分閘運(yùn)動(dòng)特性，先把大量額定電流以下的負(fù)載操作實(shí)現(xiàn)慢速開斷，而次數(shù)不多的故障電流和電容電流的開斷以快速開斷。,西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,8 智能操作斷路器,（二）提高容性電流的開斷能力： 研制一種并聯(lián)電容器組專用的斷路器： 1、能實(shí)現(xiàn)電壓零點(diǎn)的定相合閘功能，以抑制涌流和過電壓； 2、提高開斷的容性電流值，降低重?fù)舸┑母怕省? 必須在開關(guān)本體、操動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制器三方面做好研究工作。,西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,,謝 謝！,