常用高压配电设备模块三优化

一、高压断路器

高压断路器是高压配电网的关键元件,其断流容量可达几百到几千兆伏安,分断能力可达几千安。高压断路器以灭弧介质分类分为油断路器、真空断路器和SF6气体断路器。

(一)高压断路器的技术特性

高压断路器的主要技术参数有以下几项。

(1)额定电压。额定电压表示断路器在运行中能长期承受的工作电压。它不是所在系统的最高电压。比如0.4kV系统,设备额定电压为0.38kV;10kV系统设备额定电压为10kV。

(2)额定电流。额定电流表示断路器能够正常运行的负荷电流,为考虑其热稳定性,选取一个额定值,即经生产厂商优选配合确定的值,切不可误解为持续运行的负荷电流。

(3)额定短路开断电流。额定短路开断电流是指定额短路电流中的交流分量的有效值。

(4)额定短路关合电流。额定短路关合电流是指额定短路电流中最高峰值,它等于额定开断电流值2.5倍。

(5)额定短时耐受电流。额定短时耐受电流等于额定短路开断电流。

(6)额定峰值耐受电流。额定峰值耐受电流等于额定短路关合电流。当保护变压器时,为额定短路开断电流值的2.5倍。

(7)额定短路持续时间。不同电压等级的电网额定短路持续时间规定值不同。如:110kV及以下为4s;220kV及以上为2s,且与其容量有关。

另外,高压断路器尚有绝缘性能,分合闸时间等方面的技术参数。

(二)高压油断路器

高压油断路器的冷却灭弧介质是高纯度变压器油,由于绝缘油易于老化,分断一定次数短路电流后就得更换,增加了运行中的维护检修工作量。但在负荷小,线路短,短路事故发生的几率较低的一般的工矿企业中,仍可选用油断路器。

高压油断路器的典型代表为SN10-10少油断路器。SN10-10少油断路器由框架、油箱和传动部分组成。框架上装有分闸限位器,合闸缓冲、分闸弹簧及支撑绝缘子。传动部分由主轴、拐臂、绝缘拉杆及传动变直机构组成。其灭弧室为纵横吹和机械油吹联合灭弧。可配手动、直流电磁及弹簧机构。SN10-10少油断路器技术参数见表4-1。

表4-1　SN10-10技术参数

(三)真空断路器

真空是一种理想的绝缘介质。在很小的真空间隙中就具有很高的介电强度。10kV真空断路器的陶瓷灭弧室中,动静触头间的开距只有6～13mm。真空断路器在分断电路瞬间,由于两触头间电容的存在,使触头间绝缘击穿,产生真空电弧。由于触头形状和结构的原因,使得真空电弧柱迅速向弧柱体外的真空区域扩散,使电弧迅速熄灭,且电弧熄灭后的几微秒内,两触头间的真空间隙耐压水平迅速恢复。所以,真空断路器在电流过零以后,不会发生电弧重燃而被分断。

1.结构

真空断路器的关键部件是真空灭弧室,也称真空开关管。它由外壳、屏蔽罩、波纹管、动静触头和动导电杆组成。

(1)外壳。外壳是真空灭弧室的密封容器。一般采用硬质玻璃、高氧化铝瓷等无机绝缘材料。有的真空灭弧室外壳用金属材料做外部圆筒,以无机绝缘材料制成绝缘端盖。金属圆筒既起机械承力作用,又起屏蔽作用。

(2)屏蔽罩。屏蔽罩起到吸附真空电弧产生的金属蒸汽分子作用。金属蒸汽分子在罩壳上冷却并恢复为固体状态,灭弧后,灭弧室内的真空度得以迅速恢复。屏蔽罩体积越大,开断过程中金属蒸汽分子吸附的越快,温升变化愈小,冷凝速度越快,真空度恢复时间越短。

(3)波纹管。金属波纹管起着动触头运动时的真空密封作用。波纹管的一端固定在灭弧室的一个端面上。另一端与动触头的导电杆连接,则随导杆的运动而伸缩。真空灭弧室每分合一次,波纹管随着产生一次机械形变,其制造材料多以不锈钢最佳。

(4)触头。触头是真空灭弧室内最重要的元件。其动静触头是对接式的,动触头行程在6～12mm之间。真空断路器的开断能力由触头系统的结构决定,触头分为平板式、横向磁场和纵向磁场触头。我国应用较多的是纵向磁场触头式的灭弧室。其开断能力在10kV已提高到70kA,灭弧室的体积却逐渐缩小。

2.特性

真空断路器显示出它独有的特性和功能,愈来愈受到人们的重视。其特性表现在以下几点。

(1)真空断路器的触头是在真空中开断的,利用真空作为绝缘和灭弧介质。它具有:

1)灭弧能力强,燃弧时间短,全分断时间短。

2)触头开距小,机械寿命较长。

3)适合于频繁操作和快速切断,特别适合切断容性负荷电路。

4)体积小、质量轻,维护工作量小,真空灭弧室与触头不需要维修。

5)没有易燃、易爆介质,无爆炸和火灾危险。

(2)由于真空断路器结构上的特点,它也存在着如下缺点:

1)易产生操作过电压。主要是开断小电流时,产生截流过电压和高频多次重燃过电压。所以,采用真空开关一般应采取有效的抑制操作过电压措施。比如:避雷器与开关并联安装。

2)灭弧室的真空度在运行中还不能随时检查,只能通过专门耐压试验或使用专门仪器检查其真空度。如果真空度降低或不能使用时,只有更换真空灭弧室。

3.ZWG-12系列真空断路器

ZWG-12系列户外柱上干式真空断路器是一种新型真空断路器,主要用于10kV配电网或变电所作为分合负荷电流、过载电流及短路电流,也适用于操作频繁的场合,如石油、勘探、冶金等行业的电力设施。

ZWG-12系列户外柱上干式真空断路器采用三相立柱结构,由传动系统、操动机构及三相立柱(灭弧室)三部分组成,维护调试方便灵活,真空灭弧室为全工况大爬距陶瓷灭弧室,表面不另装绝缘层,稳定性强,断路器采用交流220V,弹簧储能机构。具有电动关合、电动开断、手动电动储能、手动关合、手动开断和过电流自动开断等多种功能。其技术参数见表4-2。

表4-2　ZWG-12系列真空断路器技术参数

(四)SF6高压断路器

SF6高压断路器采用惰性气体SF6做绝缘灭弧介质。SF6是一种负电性很强的气体,它具有吸收自由电子而成为负离子的特性,介质绝缘恢复强度高。SF6气体在一定压力下比热容比较高,因此,其对流散热的能力高,易于灭弧。所以,SF6气体具有良好的绝缘特性和灭弧性能。

1.SF6断路器的灭弧室

高压断路器的核心元件是灭弧室。SF6高压断路器的灭弧室结构分为双压式灭弧室和单压式灭弧室。其中,双压式有高压和低压两个气压系统。

双压式SF6高压断路器配置了密封循环工作的气体压缩机,在分闸灭弧时,被压缩的高压SF6气体打开高气压系统的主阀,SF6气体从高压区经喷口吹向低压区。在低压区的灭弧室中,SF6气体与电弧发生能量交换,电弧温度下降,电弧在喷口和吹弧屏罩的控制和SF6气吹的作用下熄灭。

单压式SF6高压断路器取消了气体压缩机,只有一个气压系统。灭弧室中的导杆带有压缩气体的活塞。分闸时,活塞与气缸的相对运行压缩了SF6气体,短时间内灭弧室内的SF6气压升高,对电弧产生气吹作用,电弧温度下降,直至在过零时熄灭。

2.LW3-12系列SF6高压断路器

LW3-12系列SF6高压断路器适于10kV系统(最高电压11.5～12kV)。LW3-12系列SF6高压断路器三相共箱,结构紧凑。它采用电磁线圈及电动机储能操动转动式机构进行分合闸。其灭弧是采用环形电极、磁场线圈的磁场与电弧电流相互作用,电弧在不断旋转中加热SF6气体,使其温度升高,压力升高,形成高压气流,将电弧冷却。在介质强度恢复到一定程度,电流过零时,电弧被熄灭。LW3-12型SF6高压断路器的技术参数见表4-3。

表4-3　LW3-12型SF6高压断路器的技术参数

图4-30　LW3-12系列SF6高压断路器灭弧单元结构

(a)合闸状态;(b)分闸状态
1-接线端子板;2-静触头座;3-静弧触头;4-静触指;5-喷口;6-动弧触头;7-活塞杆;8-中间法兰;9-滑动密封装置;10-吸附剂;11-灭弧室瓷套;12-动触头;13-SF6气体;14-压气缸;15-活塞;16-中间触指;17-支柱瓷套;18-绝缘操作杆子

LW3-12系列SF6断路器采用电动操作弹簧机构,带有机械和电气防跳装置,利用SF6气体做灭弧介质。该断路器灭弧单元结构见图4-30。

分闸时,启动电动机后,操作弹簧机构,带动绝缘操作杆、使动触头和与之相连的气缸中的活塞一起快速向下运行,气缸中的SF6气体被压缩;静触指与动触头分离的同时,电流转移到动、静弧触头上。

随着动触头继续向下运行,动静弧触头分离时产生电弧。气缸中SF6气体虽被压缩,但其压力还较低时电弧在气缸喷口喉道内燃烧,将喉道喷口堵塞,使被压缩的SF6气体不能从喷口释放出来,电弧被气缸外气体压力压入空心活塞杆内。

当喷口喉道快速离开静弧触头时,被压缩的SF6压力达到0.4MPa以上的临界压力时以340m/s(音速)从喉道喷出,冷却电弧,恢复SF6的介电强度,电流过零瞬间电弧被熄灭。气体的继续吹喷,介电强度迅速增强,完全除去游离,电弧不会重燃。

(五)断路器的操动机构

1.电磁操动机构

电磁操动机构是利用合闸线圈中的电流产生电磁力驱动合闸铁芯,撞击合闸四连杆机构进行合闸的,其合闸能量完全取决于合闸电流的大小。因此,这种操动机构要求的合闸电流一般都很大,一般有68、97.5、98三种。该机构的主要优缺点如下所述。

(1)优点。结构简单,加工容易;可遥控操作和自动重合闸;机构输出特性与本体反力特性配合较好。

(2)缺点。合闸电流大,要求大功率的直流电源;一般辅助的开关、中间继电器触点等很难投切这么大的电流,因此,必须另配直流接触器,利用直流接触器的带消弧线圈的触点来控制合闸电流,控制合、分闸;动作速度低,合闸时间长,电源电压变动对合闸速度影响大。

另外,电磁操动机构耗费材料多,由于户外式变电站开关的本体和操动机构一般都组装在一起,这种一体式的开关一般只具备电动合、电动分和手动分的功能,而不具备手动合的功能,因此,当机构箱内出现故障面使断路器拒绝电动合闸时,就必须进行停电,打开机构箱进行处理,否则将无法正常送电。

尽管电磁操动机构存在以上缺点,但运行却非常稳定,由于其具有结构简单的优点,使得电磁操动机构箱内出现故障而使断路器拒绝电动合、分闸的情况很少发生。

2.弹簧操动机构

弹簧操动机构是利用弹簧拉伸和收缩储存的能量进行合、分闸控制的,其弹簧能量的储存是靠储能电动机传送的。而其合、分闸操作是靠合、分闸线圈控制的。由于合、分闸的能量取决于弹簧的弹力而不是电磁力,因此,合、分闸电流要求都不大,一般在1.5～2.5A。其主要优缺点如下所述。

(1)优点。合、分闸电流要求都不大,要求电源的容量也不大;既可远方电动储能,电动合、分闸,也可就地手动储能,手动合、分闸,在直流电源消失的情况下也可手动合、分操作;合、分闸动作快,且能快速自动重合闸。

(2)缺点。结构较复杂、冲力大、构件强度要求高;输出力特性与本体反力特性配合较差;零部件加工精度要求高。

(六)高压断路器的选用

高压断路器是高压配电网络最核心的设备。必须严格遵守《交流高压断路器》(GB 1984—2003);《高压开关设备通用技术条件》(GB11022—2011);《交流高压断路器参数选用导则》(DL/T615—2013)等标准。选用时应重点注意以下方面。

(1)应符合安装处的环境条件。尤其是污秽等级应符合环境条件要求。

(2)断路器的工作电压。高压断路器的额定电压与所在网络额定电压相同。最高工作电压应与所在网络最高电压一致。

(3)断路器开断、关合短路电流值应大于或等于所在网络短路电流的计算值。

(4)所选配的操作机构应与操作的断路器及其负荷等级相匹配。一般是室内选用电磁操作机构,室外选用弹簧机构为佳。

(5)选用国家质量认证的产品,且必须附有各种例行试验说明书和安装使用说明书。

二、互感器

互感器是一特殊变压器,其原理接线图如图4-31所示。用于电力系统或电气设备中的互感器包括电压互感器(TV)和电流互感器(TA)。

图4-31　电压互感器和电流互感器的原理接线图

电压互感器TV的一次绕组并联接在被测的一次电路中,将高电压变成低电压,二次绕组与测量仪表或继电器的电压线圈并联。二次侧的额定电压为100V或。

电流互感器TA的一次绕组串联于被测的一次电路中,将大电流变成小电流,二次绕组与测量仪表或继电器的电流线圈串联。二次侧的额定电流为5A或1A。

互感器的作用有以下几个方面。

(1)使测量仪表和继电器实现标准化和小型化。

(2)使二次设备和工作人员与高电压隔离,且互感器二次侧均接地,从而保证了人身和设备的安全。

(3)所有二次设备可采用低电压、小电流的控制电缆连接,使屏内布线简单,安装方便。

(4)一次侧电路发生短路时,能够保护测量仪表和继电器的电流线圈免受大电流的损害。

(一)电流互感器

1.电流互感器的工作原理与特性

(1)电流互感器的工作原理。电流互感器是专门用作变换电流的特殊变压器,其工作原理与普通变压器相似,是按电磁感应原理工作的。

电流互感器的一次绕组串联于一次电路内,二次绕组与测量仪表或继电器的电流线圈串联,如图4-31所示。

电流互感器的一次、二次额定电流之比,称为电流互感器的额定变流比,用Ki表示

式中 IN1、IN2——电流互感器的一次、二次额定电流;

N1、N2——一次、二次绕组匝数;

KN——匝数比。

电流互感器二次侧仪表测得的二次侧电流I2乘以电流互感器的额定变流比Ki这一常数,即为一次侧电流I1。这就是应用电流互感器测量电流的原理。

(2)电流互感器的特性。

1)电流互感器的一次绕组串接于一次电路中,且匝数N1较少,通常仅一匝或几匝,阻抗小,故其一次侧电流完全由被测电路的负荷电流决定,而不受二次侧电流影响。

2)电流互感器二次绕组所接的仪表或继电器电流线圈的阻抗很小,因此正常情况下,电流互感器是在近似于短路的状态下运行。

图4-32　电流互感器二次侧开路时磁通和电动势波形

3)电流互感器运行时,绝对不允许二次绕组开路。二次绕组开路时将产生很高的尖顶波电动势,数值可达几千伏,如图4-32所示,危及人身和设备的安全。同时,由于磁感应强度剧增,将使铁芯损耗增大,严重发热,损坏绕组绝缘。因此,运行中的电流互感器二次侧是绝对不允许开路的。

同理,电流互感器二次侧也不允许装设熔断器。在运行中,如果需要拆除测量仪表或继电器时,应先在断开处将电流互感器二次绕组短接,再拆下仪表或继电器。

2.电流互感器的准确度级

(1)电流互感器的准确度级。在不同的用途和工作条件下,对电流互感器规定的误差标准也不同。根据电流互感器测量误差的大小划分为不同的准确度级(即:在规定的二次负荷范围内,一次电流为额定值时的最大容许电流误差)。我国电流互感器准确度级和误差限值如表4-4所示。

(2)电流互感器的额定容量。电流互感器的额定容量SN2是指电流互感器在二次额定电流IN2和二次侧额定负载阻抗ZN2下运行时,二次绕组的输出容量。既

由于电流互感器的二次侧额定电流IN2为标准值(5A或lA),为了方便计算,额定容量可用二次额定负载阻抗代替。

表4-4　电流互感器的准确度级和误差限值

由于电流互感器的误差与二次侧负荷阻抗有关,故同一台电流互感器使用在不同的准确度级时,有不同的额定容量。例如,某电流互感器的二次额定负荷,当其在0.5级下工作时为0.4Ω,在1级下工作时为0.6Ω,即说明:该电流互感器当二次侧负荷在0.4Ω以内时,其准确度级为0.5级;二次负荷在0.4～0.6Ω时,其准确度级为l级;二次负荷大于0.6Ω时,其准确度级就要降到3级或以下。所以,互感器的额定容量是与其准确度级相联系的,它是为达到一定的准确度级而要求的一种保证容量。

图4-33　电流互感器与测量仪表的连接方式

(a)单相连接;(b)星形连接

3.电流互感器的接线

图4-33所示为最常用的电工测量仪表接入电流互感器的三种方式,对于继电器及自动装置的电流线圈也有类似的连接方式。

图4-33(a)所示的接线,适用于三相对称负荷,测量一相电流。图4-33(b)所示的接线为完全星形接线,可测量三相负荷电流,监视各相负荷的不对称情况。小电流接地系统的线路测量及保护回路多采用这种接线。由于三相电流,通过公共导线上电流表的电流,等于U、W两相电流的相量和即。

电流互感器的二次绕组应有一接地点,以免一、二次之间的绝缘击穿使二次侧也带上高电压,危及人身和设备的安全。

电流互感器的一、二次绕组的端子上必须标明极性。通常一次侧端子用L1、L2表示,二次侧端子用K1、K2表示,在互感器的同极性端标出符号“*”,如图4-33(a)所示,L1与K1,L2与K2彼此同极性。当一次电流从L1流向L2时,二次侧的电流从K1经负荷流回K2。

4.电流互感器的类型

电流互感器的种类很多,大致可分为以下几种类型。

(1)按安装地点可分为户内式和户外式。额定电压在20kV及以下的多制成户内式,35kV及以上多制成户外式。

(2)按安装方式可分为穿墙式、母线式、套管式和支持式。穿墙式装在墙壁或金属结构的孔中,可代替穿墙套管;母线式利用母线作为一次绕组,安装时将母线穿入电流互感器瓷套的内腔;套管式是套装在35kV及以上变压器或多油断路器油箱内的套管上;支持式是安装在平面或支柱上。

(3)按绝缘可分为干式、浇注式和油浸式。干式是经过绝缘漆浸渍烘干处理,适用于低压户内;浇注式是用环氧树脂等作绝缘浇注成型,适用于35kV及以下各电压等级;油浸式多用于户外。

(4)按一次绕组的匝数可分为单匝式和多匝式。单匝式电流互感器当被测电流很小时,一次磁通势,I1N1较小,故测量的准确度很低。通常当一次侧被测电流超过600～1000A时,才使用单匝式电流互感器。

5.电流互感器运行注意事项

(1)电流互感器的准确度与其二次侧所接负荷的大小有关。一定的准确度,对应一定的二次侧额定容量。实际负荷超过规定的额定容量时,准确度将降低。

(2)电流互感器的二次侧有一端必须保护接地。

(3)电流互感器在连接时,要注意其一、二次绕组接线端子上的极性不能接错。

(4)电流互感器的二次侧在工作时绝对不能开路。

(5)巡视电流互感器时应注意检查:瓷质部分是否清洁,有无破损和放电现象:注油电流互感器的油面是否正常,有无漏油、渗油现象;接头是否过热;二次回路有无冒火现象;以及有无异味及异常声响。

(二)电压互感器

按照工作原理,电压互感器可分为电磁式和电容分压式两种。目前电力系统广泛应用的电压互感器,电压等级为220kV及以下时多为电磁式,220kV及以上时多为电容分压式。

1.电压互感器的工作原理与特性

(1)电压互感器的工作原理。电压互感器的一次绕组并联于电网中,二次绕组向并联的测量仪表和继电器的电压线圈供电,如图4-31所示。电压互感器的工作原理与电力变压器相同,构造原理、接线图也相似。其主要区别在于电压互感器的容量很小,最大不过数百伏安,并且在大多数情况下,它的负荷是恒定的。

电压互感器一、二次绕组的额定电压之比称为电压互感器的额定变压比,用KU表示

式中 UN1——一次绕组额定电压,等于电网额定电压;

UN2——二次绕组额定电压,已统一为100(或)V;

N1、N2——一、二次绕组匝数;

KN——匝数比。

由上可以看出,电压互感器的额定变压比KU已标准化。

(2)电压互感器的特性。

1)电压互感器一次侧电压为电网电压,不受二次侧负荷的影响,并且在大多数情况下,其负荷是恒定的。

2)电压互感器二次侧所接测量仪表和继电器的电压线圈的阻抗很大,通过的电流很小,因此电压互感器正常工作时接近于空载状态,二次电压接近于二次电动势,并随一次电压的变动而变动。所以,通过测量二次侧电压U2可以反应一次侧电压U1的值。

3)电压互感器在运行中,二次侧不能短路。这是因为正常工作时,电压互感器二次侧有100(或)V电压,短路后在二次电路中会产生很大的短路电流,使电压互感器烧毁。为此,在电压互感器的一次侧和二次侧均应装设熔断器,用于过载及短路保护。

2.电压互感器的接线方式及特点

电压互感器有单相和三相两种。单相的可制成任何电压等级,而三相的一般只制成20kV及以下的电压等级。

在三相电力系统中,通常需要测量的电压有线电压、相对地电压和发生单相接地故障时的零序电压。为了测量这些电压,图4-34示出了几种常见的电压互感器接线。

图4-34　电压互感器的接线方式(www.xing528.com)

(a)一台单相电压互感器接线;(b)Vv接线;(c)Y,y0接线;(d)三相五柱式接线;(e)三台单相三绕组电压互感器接线

图4-34(a)所示为一台单相电压互感器的接线,可测量某一相间电压(35kV及以下的中性点非直接接地电网)或相对地电压(110kV及以上中性点直接接地电网)。

图4-34(b)所示为两台单相电压互感器接成Vv形连接,广泛用于20kV及以下中性点不接地或经消弧线圈接地的电网中测量线电压,不能测相电压。

图4-34(c)所示为一台三相三柱式电压互感器接成Y,y0形接线,只能用来测量线电压,不许用来测量相对地电压。

图4-34(d)所示为一台三相五柱式电压互感器接成的Y,Nynd形接线,其一次绕组、基本二次绕组接成星形,且中性点均接地,辅助二次绕组接成开口三角形。该种接线可用来测量线电压和相电压,还可用作绝缘监察,故广泛用于小接地电流电网中。当系统发生单相接地时,三相五柱式电压互感器内出现的零序磁通可以通过两边的辅助铁芯柱构成回路。辅助铁芯柱的磁阻小,零序励磁电流也小,因而不会出现烧毁电压互感器的情况。

图4-34(e)所示为三台单相三绕组电压互感器接接线方式,广泛应用于35kV及以上电网中,可测量线电压、相对地电压和零序电压。这种接线方式在发生单相接地时,各相零序磁通以各自的电压互感器铁芯构成回路,因此对电压互感器无影响。该种接线方式的辅助二次绕组接成开口三角形,对于35～60kV中性点非直接接地电网,其相电压为100/3V,对中性点直接接地电网,其相电压为100V。

在380V的装置中,电压互感器一般只经过熔断器接入电网。在高压电网中,电压互感器经过隔离开关和熔断器与电网连接。一次侧熔断器的作用是当电压互感器及其引出线上短路时,自动熔断切除故障,但不能作为二次侧过负荷保护。因为熔断器熔件的截面是根据机械强度选择的,其额定电流比电压互感器的额定电流大很多倍,二次侧过负荷时可能不熔断。所以,电压互感器二次侧应装设低压熔断器,来保护电压互感器的二次侧过负荷或短路。

3.电压互感器的类型

电压互感器可分为以下几种类型。

(1)按安装地点可分为户内式和户外式。35kV及以下多制成户内式,35kV以上则制成户外式。

(2)按相数可分为单相式和三相式。只有20kV以下才制成三相式。

(3)按每相绕组数可分为双绕组、三绕组和四绕组式。双绕组式每相有一个一次绕组,一个二次绕组;三绕组式每相有一个一次绕组,一个基本二次绕组和一个辅助二次绕组,基本二次绕组供测量、保护、自动装置用,辅助二次绕组常接成开口三角形,供接地保护用;四绕组式比三绕组式多一个基本二次绕组,把测量与保护和自动装置分开,其他绕组作用与三绕组式相同。

(4)按绝缘可分为干式、浇柱式和油浸式。干式电压互感器用于电压较低的户内装置中;浇注式电压互感器适用于3～35kV户内配电装置;油浸式多用于10kV以上电压互感器。

(5)按工作原理可分为电磁式电压互感器和电容分压式电压互感器。

三、隔离开关

隔离开关又称刀闸,是高压开关设备的一种。因为它没有灭弧装置,所以不能用来直接接通、切断负荷电流和短路电流。但运行的经验证明,隔离开关可以用来开闭电压互感器、避雷器、母线和直接与母线相连设备的电容电流,开闭阻抗很低的并联电路的转移电流。亦可以开闭励磁电流不超过2A的变压器空载电流和电容电流不超过5A的电容电流(生产厂有规定时按说明书执行)。其主要用途是保证电路中检修部分与带电体之间的隔离以及用隔离开关进行电路的切换工作或关合空载电路。

(一)隔离开关的类型

隔离开关可根据装设地点、电压等级、极数和构造进行分类的,主要有如下几种类型。

(1)按装设地点可分为户内式和户外式。

(2)按极数可分为单极和三极。

(3)按绝缘支柱数目可分为单柱式、双柱式、三柱式。

(4)按隔离开关的动作方式可分为闸刀式、旋转式、插入式。

(5)按有无地刀可分为有接地隔离开关和无接地隔离开关。

(6)按所配操动机构可分为手动式、电动式、气动式、液压式。

(二)隔离开关的表示方法

隔离开关的类型用下列方法进行表示如下。

(三)隔离开关的结构组成

隔离开关主要由下述几个部分组成。

(1)支持底座。该部分的作用是起支持和固定作用,其将导电部分、绝缘子、传动机构、操动机构等固定为一体,并使其固定在基础上。

(2)导电部分。导电部分包括触头、闸刀、接线座。该部分的作用是传导电路中的电流。

(3)绝缘子。绝缘子包括支持绝缘子、操作绝缘子。其作用是将带电部分和接地部分绝缘开来。

(4)传动机构。它的作用是接受操动机构的力矩,并通过拐臂、联杆、轴齿或是操作绝缘子,将运动传动给触头,以完成隔离开关的分、合闸动作。

(5)操动机构。同断路器操动机构,通过手动、电动、气动、液压向隔离开关的动作提供能源。

(四)GN19-10系列户内高压隔离开关的结构与原理

GN19-10系列户内高压隔离开关是三相交流50Hz的高压电器,适用于的10kV等级作为网络在有压无载的情况下,分断与关合电路之用。主要技术参数见表4-5。

表4-5　GN19系列隔离开关的主要技术参数

GN19-10系列户内高压隔离开关系三相共底架结构,GN19-10型为普通平装型,其外形如图4-35所示,GN19-10C型为普通穿墙型,其外形如图4-35所示。

高压隔离开关主要由静触头、基座、支柱绝缘子、拉杆绝缘子、动触头组成,隔离开关的每相导电部分通过两个支柱绝缘子固定在基座上,三相平行安装。导电部分由动触头和静触头组成,每相动触头为两片槽型铜片,它不仅增大了动触头的散热面积,对降低温度有利,而且提高了动触头的机械强度,使隔离开关的动稳定性提高。隔离开关动静触头的接触压力是靠两端接触弹簧维持的,每相动触头中间均连有拉杆绝缘子,拉杆绝缘子与安装在基座上的转轴相连,转动转轴,拉杆绝缘子操动动触头完成分、合闸。转轴两端伸出基座,其任何一端均可与所配用的手动操动机构相连。

图4-35　GN19-10型户内高压隔离开关

1—静触头;2—基座;3—支柱绝缘子;4—拉杆绝缘子;5—动触头

图4-36　GN19-10C型户内高压隔离开关

1-静触头;2-基座;3-支柱绝缘子;4-拉杆绝缘子;5-动触头

GN19-10/1000型及GN19-10/1250型在动静触头接触处装有两件磁锁压板,当很大的短路电流通过时,磁锁压板相互间产生的吸引电磁力增加了动静触头的接触压力,从而增大了触头的动热稳定性。

(五)隔离开关的操作要求

(1)操作隔离开关时,应先检查相应回路的断路器确实在断开位置,以防止带负荷拉、合隔离开关。

(2)线路停、送电时,必须顺序拉、合隔离开关。停电操作时,必须先拉断路器,后拉线路侧隔离开关,再拉母线侧隔离开关。送电操作顺序与停电顺序相反。这是因为发生误操作时,按上述顺序可缩小事故范围,避免人为事故扩大到母线。

(3)隔离开关操作时,应有值班人员在现场逐相检查其分、合闸位置,同期情况,触头接触深度等项目,确保隔离开关动作正确、位置正确。

(4)隔离开关一般应在主控室进行操作。当远控电气操作失灵时,可在现场就地进行手动或电动操作,但必须征得站长或技术负责人的许可,并在有现场监督的情况下才能进行。

(5)隔离开关、接地刀闸和断路器之间安装有防止误操作的电气、电磁和机构闭锁装置。倒闸操作时,一定要按顺序进行。如果闭锁装置失灵或隔离开关和,接地刀闸不能正常操作时,必须严格按闭锁的要求条件检查相应的断路器、隔离开关位置状态,只有核对无误后,才能解除闭锁进行操作。

(六)隔离开关的运行维护

(1)隔离开关运行项目。隔离开关应与配电装置同时进行正常巡视,进行巡视的项目如下所述。

1)检查隔离开关接触部分的温度是否过热。

2)检查绝缘子有无破损、裂纹及放电痕迹,绝缘子在胶合处有无脱落迹象。

3)检查10kV架空线路用单相隔离开关刀片锁紧装置是否完好。

(2)隔离开关维护项目。隔离开关的日常维护项目主要有以下几项。

1)清扫瓷件表面的尘土,检查瓷件表面是否掉釉、破损,有无裂纹和闪络痕迹,绝缘子的铁、瓷结合部位是否牢固。若破损严重,应进行更换。

2)用汽油擦净刀片、触点或触指上的油污,检查接触表面是否清洁,有无机械损伤、氧化和过热痕迹及扭曲、变形等形象。

3)检查触电或刀片上的附件是否齐全,有无损坏。

4)检查连接隔离开关和母线、断路器的引线是否牢固,有无过热现象。

5)检查软连接部件有无折损、断股等现象。

6)检查并清扫操动机构和转动部分,并加入适量的润滑油脂。

7)检查传动部分与带电部分的距离是否符合要求;定位器和制动装置是否牢固,动作是否正确。

8)检查隔离开关的底座是否良好,接地是否可靠。

四、高压熔断器

(一)熔断器的用途

10kV跌落式熔断器一般安装在柱上配电变压器高压侧,用以保护10kV架空配电线路不受配电变压器故障影响。也有农村、山区的长线路在变电所继电保护达不到的线路末段或线路分支处安装跌落式熔断器进行保护的。

安装在农村、山区长线路上的跌落式熔断器可采用负荷熔断器(带消弧栅型),如RW10-10F型,如图4-37所示,上端装有灭弧室和弧触头,具备带电操作分合闸的能力,能达到分合10kV线路100A,开断短路电流11.55kA。

(二)熔断器的结构

跌落式熔断器一般由绝缘子、上下接触导电系统和熔管等构成。安装熔丝、熔管时,用熔丝将熔管上的弹簧支架绷紧,将熔管推上,熔管在上静触头的压力下处于合闸位置。跌落式熔断器应有良好的机械稳定性,一般的跌落式熔断器应能承受200次连续合分操作;负荷熔断器应能承受300次连续合分操作。

目前常用的跌落式熔断器型号有RW10-10F型(可选择带或不带消弧栅型)、RW11-10型,如图4-38所示。两种型号各有其特点,前者构造主要利用圈簧的弹力压紧触头,而后者主要利用片簧的弹力压紧触头。两种型号跌落式熔断器的熔管及上下接触导电系统结构尺寸略有不同,为保证事故处理时熔管、熔丝的互换性,减少事故处理备件数量,一个维护区域宜固定使用一种型号跌落式熔断器。这两种型号跌落式熔断器主要技术参数见表4-6。

图4-37　10kV跌落式熔断器(RW10-10F型)

4-38 10kV跌落式熔断器(RW11-10型)

1—上静触头;2—释压帽;3—上动触头;4—熔管;5—上动触头;6—下支座;7—瓷瓶;8—安装板

表4-6　RW10-10F型、RW11-10型跌落式熔断器主要技术参数

为带电作业更换跌落式熔断器便利,RW10-10F型跌落式熔断器设计上引线接线端子采取固定螺母、螺栓可旋转带紧压线板的结构。

(三)熔断器的动作原理

当过电流使熔丝熔断时,断口在熔管内产生电弧,熔管内衬的消弧管产气材料在电弧作用下产生高压力喷射气体,吹灭电弧。随后,弹簧支架迅速将熔丝从熔管内弹出,同时熔管在上、下弹性触头的推力和熔管自身重量的作用下迅速跌落,形成明显的隔离空间。

在熔管的上端还有一个释放压力帽,放置有一低熔点熔片。当开断大电流时,上端帽的薄熔片熔化形成双端排气;当开断小电流时,上端帽的薄熔片不动作,形成单端排气。

(四)熔丝规格与时间电流特性

与10kV跌落式熔断器配套使用的熔丝有T型和K型两种规格,熔丝的外形尺寸如图4-39所示,时间—电流特性如图4-40所示。熔体材料一般采用CuZnSn(铜锌锡)合金。T形熔丝的熔化速率较高,SR=10～13,而K型熔丝的熔化速率较低,SR=6～8(SR的定义为熔断件在0.1s时的电流I0.1s与在300s时的电流I300s的比值,即:SR=I0.1s/I300s)。熔丝应能承受的静拉力不小于50N,当熔丝采用低熔点合金时,在热态受力情况下,应有防止伸长的措施(例如,并联细钢丝)。

图4-39　喷射式跌落式熔断器的熔丝外形尺寸

1—纽扣帽;2—铜夹子;3—熔体;4—铜辫子线

图4-40　跌落式熔断器的时间—电流特性

(a)T形 熔 丝;(b)K形 熔 丝

(五)熔断器的使用要求

(1)熔管一般采用内置消弧管(铜纸管)的环氧玻璃布管制成。熔断器应配置专用的纽扣式熔丝,熔管上端应封闭,以防止进雨水而使熔管内衬的钢纸管受潮失效。有的跌落式熔断器(如RW11-10型)为保证可靠熄灭过载电流电弧,在熔丝上还套有小直径的辅助熄弧钢纸管,以保证对过负荷小电流(如开断15A)也能可靠灭弧。

(2)当跌落式熔断器的隔离断口与熔管上下导电触头尺寸不配套时,反复操作推合熔管有可能对腰部瓷绝缘体造成损伤裂纹或断裂。跌落式熔断器安装支架可采用外箍式或胶装式,采用胶装式应选配好胶装混凝土等材料。

(3)当熔管或熔丝配置不合适或安装不牢固时,有可能发生单相掉管,对无缺相保护的电机可能造成影响。如果掉管时负荷电流过大,还有可能造成拉弧引发相间短路故障。

五、电力电容器

(一)电容器的类型和用途

并联电容器主要用于补偿感性无功功率以改善功率因数。

按其结构和使用材料分,并联电容器有浸渍剂型、金属化膜型、密集型、并联补偿成套装置、高压并联电容器柜、低压并联电容器柜等。

1.浸渍剂型并联电容器

浸渍剂型并联电容器主要由箱壳和芯子组成。箱壳用薄钢板密封焊接制成。芯子由元件、绝缘件和紧箍件组成整体,并根据不同的电压等级,可将元件进行适当的串联与并联。适用于频率为50Hz的交流电力系统,作为提高系统的功率因数用。

2.金属化膜式电容器

金属化膜式电容器由芯子、过压力保护装置、箱壳三部分组成。芯子中的三相电容器单元可根据不同的规格要求分别连接成全并形、三角形和星形,每相电容器单元两端均并接放电电阻。过电压保护装置串联在芯子和线路端子之间,并固定在箱壳内壁上。线路端子设在箱壳顶部,安装脚和接地端子设在箱壳底部。

金属化膜式电容器采用金属化聚丙烯薄膜作为电极和介质,具有自愈性,并同时具有质量轻、体积小、损耗低等优点、电容器内部装有过压力保护装置和放电电阻,能提高其安全性和可靠性。它适用于工频额定电压为690V及以上的交流电力系统中与负载并联,以提高系统的功率因数。

3.密集形并联电容器

密集形并联电容器有单相和三相两种结构型式。主要由内部单元电容器、框架、箱体和出线套管组成。

密集形电容器将多个单元电容器组合在一个箱体内。与普通构架式电容器相比,它具有占地面积小、安装方便、运行维护工作量小等优点。

(二)电容器容量选择

并联电容器的无功补偿原理如图4-41所示。

以图4-41(a)所示电路为例。原有RL电路对应功率因数cosφ1,现并联电容C后,电路的功率因数改为cosφ,计算C值。

从图4-41(b)相量图中可以看出

图4-41　并联电容器的无功补偿作用

(a)电路图;(b)相量图

因为　IC=U/XC=ωCU

则

功率因数从cosφ1提高到cosφ时并联电容的容量

变电所里的电容器安装容量,应根据本地区电网无功规划以及国家现行标准《电力系统电压和无功电力技术导则》(SD325—89)和《供电营业规则》的规定计算后确定。当不具备设计计算条件时,电容器安装容量可按变压器的10%～30%确定。

(三)电容器接线方式及其保护

1.并联电容器组的基本接线

并联电容器组的基本接线分为星形(Y)、三角形(Δ)两种。经常采用的还有星形(Y)派生出的双星形接线。并联电容器量组的接线类型如图4-42所示。

图4-42　并联电容器组接线类型

(a)星形(Y);(b)三角形(Δ);(c)双星形(双Y);(d)双三角形(双Δ)

2.并联电容器组每相内部接线方式

当单台并联电容器的额定电压不能满足电网正常工作电压要求时,需由两台或多台并联电容器串联后达到电网正常工作电压的要求;为达到要求的补偿容量,又需要用若干台电容并联才能组成并联电容器组。并联电容器组每相内部的接线方式如图4-43所示。

3.并联电容器组保护

(1)保护的设置。根据一次接线方式的不同,电容器通常采用内部熔丝或外部熔断器来保护。低压电容器芯子内部元件具有熔丝保护,运行安全,故障少。高压电容器则采用外部快速熔断器来保护。另外,对高压电容器组,还可采用电压纵差、开口三角零序电压,或中性点不平衡电流等方法来保护。

图4-43　并联电容器组每相接线方式

(a)先并后串(有均压线)接线方式;(b)先串后并(无均压线)接线方式
FU—单台保护熔断器;C—单台电容器;M—电容器组中电容器并联台数;N—电容器组中电容器串联段数

(2)保护熔丝的选择。熔断器的额定电压不应低于被保护电容器的电压,断流量不低于电容器的短路故障电流。熔断器的额定电流一般为电容器额定电流的1.5～2.5倍。

(四)电容器的运行

1.电容器的接通和断开

(1)电容器组在接通前应用绝缘电阻表检查放电网络。

(2)接通和断开电容器组时,必须考虑以下几点。

1)当汇流排(母线)上的电压超过1.1倍电压最大允许值时,禁止将电容器组接入电网。

2)在电容器组自电网断开后1min内不得重新接入,但自动重复接入情况除外。

3)在接通和断开电容器组时,要选用不能产生危险过电压的断路器,并且断路器的额定电流不应低于1.3倍电容器组的额定电流。

2.电力电容器的放电

(1)电容器每次从电网中断开后,应该自动进行放电。其端电压迅速降低,不论电容器额定电压是多少,在电容器从电网上断开30s后,其端电压应不超过65V。

(2)为了保护电容器组,自动放电装置应装在电容器断路器的负荷侧,并经常与电容器直接并联(中间不准装设断路器、隔离开关和熔断器等)。具有非专用放电装置的电容器组,例如:对于高压电容器用的电压互感器,对于低压电容器用的白炽灯泡,以及与电动机直接连接的电容器组,可以不另装放电装置。使用灯泡时,为了延长灯泡的使用寿命,应适当地增加灯泡的串联数。

(3)在接触自电网断开的电容器的导电部分前,即使电容器已经自动放电,还必须用绝缘的接地金属杆短接电容器的出线端,进行单独放电。

3.电力电容器组倒闸操作注意事项

(1)在正常情况下,全站停电操作时,应先断开电容器组断路器后,再拉开各路出线断路器。恢复送电时应与此顺序相反。

(2)事故情况下,全站无电后,必须将电容器组的断路器断开。

(3)电容器组断路器跳闸后不准强送电。保护熔丝熔断后,未经查明原因之前,不准更换熔丝送电。

(4)电容器组禁止带电荷合闸。电容器组再次合闸时,必须在断路器断开3min之后才可进行。